基于NFC和云服務的智慧校園設計與實現*——以手機校園一卡通為例

孫 恒

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基于NFC和云服務的智慧校園設計與實現*——以手機校園一卡通為例

孫 恒

（山東大學外國語學院現代教育技術實驗室，山東濟南 250100）

隨著移動通信業務的發展，移動通信與互聯網的結合越來越緊密。移動終端作為隨身攜帶的設備，承載了越來越多的功能。目前校園一卡通系統中使用最普遍的是非接觸式感應IC卡，雖然發放靈活，但存在操作繁瑣、成本高、易被復制和攜帶不便等缺點。針對這些問題，文章設計了手機校園一卡通系統，并以Android移動平臺為例，通過具有NFC功能的智能手機與運行在學校私有云服務上的一卡通系統進行數據交互，完成了一卡通的全部功能，使智能手機代替傳統實體IC卡進行日常應用成為現實。

NFC；云服務；智能手機；校園一卡通；Android

引言

近年來，校園信息化建設速度加快，以物聯網為基礎、以各種應用服務系統為載體的智慧校園，將教學、管理和校園生活進行充分融合，形成了工作、學習和生活的一體化環境。校園一卡通系統已經由早期的M1卡系統升級換代成更加安全、高效的CPU卡系統，在國家實施的智慧校園等工程建設中起了關鍵性的作用。隨著物聯網、移動互聯網的興起，校園一卡通平臺通過與互聯網等技術的結合，將不斷升級，并逐步向數字化、智能化發展。

得益于移動通訊網絡的日趨發達和Android智能手機的快速普及，無線網絡支持的上下行數據速率不斷提高，Android智能手機逐漸成為了人們身邊不可缺少的信息終端。具有NFC功能的智能手機在市場上占據了主導地位，基于NFC技術的應用也越來越受到重視。

綜合上述分析，本研究設計并實現了基于NFC技術和云服務的手機校園一卡通系統。該系統通過利用智能卡技術，將校園卡與手機相結合，使學生和學校教工只需用手機就可完成校園卡的身份認證、電子支付等功能。使用NFC技術和云服務的手機校園一卡通具有安全、方便、成本低等多項優點，是未來校園一卡通系統的發展方向[1][2]。

一 手機校園一卡通系統的架構設計

針對手機校園一卡通系統的特點和云服務的需求，本研究構建了該系統的總體架構。由于需要面向用戶提供不間斷的7×24小時校園一卡通服務，所以系統的穩定性和安全性處于首要位置。基于此，本研究采用目前流行的Windows平臺應用程序Visual Studio 2015預覽版作為程序開發集成環境，使用該環境進行移動端和云端應用程序的開發，并采用微軟的SQL Server 2012數據庫進行系統開發。

1 系統技術架構設計

（1）NFC技術

手機校園一卡通系統中使用的NFC（Near Field Communication）是指近距離無線通訊技術，是由飛利浦公司和索尼公司等共同開發的一種非接觸式識別和互聯技術，能在短距離內與兼容設備進行識別和數據交換。NFC的工作頻率為13.56MHz，能在10cm的范圍內建立設備之間的連接。NFC提供了一種簡單、觸控式的解決方案，可以在移動設備、消費類電子產品、PC和智能控件工具間進行近距離無線通信。同時，NFC技術也符合ISO/IEC IS 18092國際標準、ECMA-340標準與ETSI TS 102 190標準[3]。NFC共有三種工作模式：

①卡模擬模式：將NFC設備模擬成一張IC卡，即使NFC設備沒電也可以工作。

②點對點模式：用于數據交換，且傳輸距離較短、傳輸速度快、功耗低。手機校園一卡通系統就是使用該模式，用于手機與校園一卡通系統的NFC讀卡器進行相關數據的交換。

③讀卡器模式：將NFC設備作為非接觸讀卡器，從電子標簽上讀取相關信息。

（2）私有云服務技術

在當前高校信息化建設中經常出現公共資源閑置率高、利用率低、重復購置等現象。而建設一套基于基礎設施的私有云平臺，將不同硬件配置的服務器通過云服務軟件虛擬成統一配置的云服務器對外提供服務，就可以很好地解決這些問題。服務器虛擬化技術可以廣泛應用于各類應用系統。與高校傳統IT架構相比，私有云服務可以提高各個部門的服務器使用效率，解決計算能力在高峰時期不足而在低谷時期又過剩的矛盾[4]。

手機校園一卡通系統使用了微軟的Windows Azure Pack來提供私有云服務，因為Windows Azure Pack能讓學校用戶使用自己的數據中心來提供基礎架構和平臺服務。把Windows Azure的用戶體驗移植到私有云上，可提供與公有云一致的用戶體驗。同時，把學校內部的私有云資源進行整合打包，這種設計為學校提供了便利快捷的私有云搭建方案[5]。由于Windows Azure Pack將現有的System Center和Windows Server環境集成到一起，所以用戶可在現有的基礎架構中直接部署。Windows Azure Pack的優點是在構建應用程序之后，可以在任何Microsoft云（私有云、托管云或公有云）中部署和運營應用程序。

2 系統功能架構設計

手機校園一卡通系統通過對網絡平臺、數據庫、身份認證體系、各類管理系統接口等核心內容進行重新分析設計，提供標準、統一的信息接口，與原有各部門的管理系統平滑對接，確保校園一卡通系統能與學校現有各系統充分兼容。

圖1 用戶接入層的主要功能模塊

手機校園一卡通系統采用模塊化設計，分為三層體系結構，包括用戶接入層、應用服務層、業務管理層；通過管理系統平臺支持整體業務，并通過用戶接入層實現最終使用功能[6]。用戶接入層分為門禁控制管理系統、圖書借閱系統、消費支付管理系統三個主要功能模塊，如圖1所示。其中，門禁控制管理系統模塊負責控制所有區域的進出，并分配用戶可以進出的區域；圖書借閱系統模塊負責與原有借閱程序對接，完成借閱功能；消費支付管理系統模塊負責完成用戶在學校內的各種日常消費支付功能。

手機校園一卡通系統利用先進的NFC技術和高校私有云服務進行數據通信，其物理架構如圖2所示。該系統使用云服務器進行負載平衡和分布式數據處理，技術性能穩定可靠，是目前主流的云計算解決方案。使用高校私有云服務，可以動態追蹤智能手機校園一卡通的數據源、實體一卡通、公共服務平臺的使用者；將這三方有機地聯系在一起，可以提升校園一卡通NFC數據處理技術的應用效率。具有NFC功能的手機通過移動3G、4G網絡或者無線局域網，與在云服務器端運行的應用系統進行身份認證和數據交互通訊。云服務器通過門禁VPN專用網絡，分別對門禁主控制器、門鎖控制器進行開關門操作。通過消費支付VPN專用網絡，對消費支付終端系統進行數據交換及傳輸[7]。

圖2 手機校園一卡通系統的物理架構

3 系統運行流程設計

手機校園一卡通系統最主要的兩個模塊是門禁控制管理系統模塊和消費支付管理系統模塊，因此本研究將這兩個模塊作為重點設計對象；圖書借閱系統模塊只需要通過第三方對接程序引入原有借閱系統即可，故在此不進行過多敘述。具體來說，先由系統管理員對用戶分配門禁權限，然后用戶使用NFC終端作為鑰匙即可打開門鎖。也就是說，通過移動終端與門禁的結合，可實現簡單快捷的開鎖方法。在消費支付時，使用APP程序進行消費支付操作，手機端通過NFC功能與POS消費終端進行數據交互，完成消費支付操作。

（1）門禁控制管理系統開鎖流程

門禁控制管理系統開鎖流程分為兩部分：一是移動終端身份確認，二是NFC門禁系統開鎖，具體流程如圖3所示。

①移動終端身份確認：用戶啟動手機的APP程序，進行用戶合法性驗證并由移動終端APP顯示門禁系統按鈕，同時啟動移動端NFC功能，準備與門禁系統的NFC讀卡器進行數據通訊。

②NFC門禁系統開鎖：門禁系統的NFC讀卡器一直輪詢是否偵測到外界NFC信號。如果偵測到NFC信號，就讀取移動終端的NFC信息并同時判斷門禁系統是否聯網——如出現斷網，提示網絡故障；如可以聯網，則將信息上傳至云端數據庫進行開門權限驗證。經系統驗證后，發送開鎖指令到門鎖控制器，進行開鎖；如信息不一致，則提示無權限，并退回[8][9]。

圖3 門禁控制管理系統開鎖流程

圖4 消費支付管理系統流程

（2）消費支付管理系統流程

消費支付管理系統同樣也分為兩部分：一是移動終端身份確認，二是具有NFC功能的POS消費終端支付，具體流程如圖4所示。因為此處移動終端身份確認與門禁控制管理系統的身份確認操作相同，故不再贅述。

具有NFC功能的POS消費終端支付是指POS消費終端的NFC讀卡器一直輪詢是否偵測到外界NFC信號。如果偵測到NFC信號，讀取手機端的NFC信息并同時判斷聯網狀態——如出現斷網，提示網絡故障；如可以聯網，則將信息上傳至云端數據庫將消費金額與帳戶余額進行比對。消費金額大于帳戶余額，提示余額不足，終止交易；消費金額小于帳戶余額，則進入消費支付流程，由系統發送消費讀取指令到POS終端，進行支付。

4 系統數據庫設計

手機校園一卡通系統使用了新一代的數據庫SQL Server 2012，它支持云技術與平臺，可實現私有云與公有云之間數據的擴展與應用的遷移。系統中最主要的兩個數據庫是門禁數據庫Door_Access和消費支付數據庫Consume，而門禁數據庫中最主要的表為門禁表NFC_CardInfo。在門禁表中，NFC_id作為主鍵用來對手機上的NFC卡進行唯一性確定，其余字段作為補充條件對用戶其它信息進行登記，如表1所示。

表1 門禁表NFC_CardInfo

消費支付數據庫中最主要的表為消費支付信息表NFC_ConsumeRecord。在消費支付信息表中，Consume_id作為主鍵，其它相關記錄信息作為補充內容標示信息的唯一性[10][11]，如表2所示。

表2 消費支付信息表NFC_ConsumeRecord

二 手機校園一卡通系統的實現

1 手機校園一卡通系統的連接實現

首先，用戶使用裝有校園一卡通系統的手機綁定用戶和用戶智能手機的NFC識別碼后，才可以進行門禁出入、消費支付等與程序相關的操作。其次，手機端APP程序以Webservice為中間橋梁與SQL Server 2012進行數據連接，這樣可以方便地同步數據[12]。最后，在手機端與云端服務器完成身份驗證后，自動啟動手機端的NFC功能與校園一卡通系統的NFC終端讀卡器進行數據交換認證[13]。

2 手機校園一卡通系統各功能的實現

手機校園一卡通系統的核心操作是通過智能手機端的APP程序進行的，其界面如圖5所示。

APP程序功能主要由以下模塊組成：

（1）新聞通告模塊：用戶可以隨時關注手機校園一卡通系統發送的各種重要通知及公告。

（2）門禁出入模塊：用于實驗室、機房、宿舍等門禁。系統自動從數據庫中調出刷卡者的信息，管理員可進行對照比較，并根據持卡人身份對允許出入的每個門禁點進行授權。

（3）消費支付模塊：主要應用于校園的消費場所，扣費采用POS終端機直接與手機一卡通數據平臺進行數據交換的方式。水控消費則主要應用于開水房等，可有效控制用水量，從而達到節約用水、用電等高效管理的目的。

（4）消費查詢模塊：可以對指定時間段內的所有消費進行查詢訪問。

（5）圖書借閱模塊：用于代替一卡通IC卡的圖書借閱功能。

（6）轉賬充值模塊：主要用于校園一卡通轉賬、繳費等功能。

（7）個人設置模塊：用于設置個人基本信息、修改APP登陸密碼等操作。

（8）幫助模塊：針對使用手機校園一卡通中可能出現的各種問題，給出相應的解決方案。

3 云服務及數據庫功能的實現

系統管理員通過Windows Azure Pack管理平臺，對手機校園一卡通系統云平臺進行管理控制。首先創建云服務進行整體服務框架建設，接著進行生產部署，實現云服務的運行發布。其次，建立云儲存帳戶和作業集合，由云平臺自動定時定量備份，以免出現異常故障導致系統崩潰。最后，使用流量管理器對訪問云端的數據流進行閾值的相關設置，保證網絡訪問流量不會過載。至此，云端服務及云端計算已經完成，手機校園一卡通系統可以進行正常工作運轉[14]。

三 手機校園一卡通系統的測試

根據本研究的設計方案，與學校相關部門進行溝通后，本研究搭建了小范圍的測試環境對系統進行全面測試。其中，門禁控制管理系統包含理綜樓6間機房、3間辦公室、2間多媒體教室和圖書館1個圖書借閱點；消費支付管理系統包含學校食堂2個窗口、開水房4個水控龍頭、學生超市2個POS消費終端、大學生活動中心1個POS消費終端和一卡通中心2臺圈存機等。

1 門禁控制管理系統出入開鎖測試

以進入機房為例，在系統設定的允許用戶進入機房的時間段，用戶使用手機APP程序輸入登陸系統密碼，通過網絡云服務器進行確認，再將手機靠近門禁系統NFC讀卡器后即可開鎖。成功開啟門鎖界面截圖如圖6所示。這樣一來，就省去了攜帶IC門卡、實體鑰匙的麻煩。

2 消費支付管理系統測試

當商戶使用POS機輸入消費金額后，用戶登陸手機APP程序，連接云服務器，選擇消費支付管理系統模塊，將手機靠近POS消費終端的NFC讀卡器，滿足支付條件后，即可扣除相應費用。消費支付成功界面截圖如圖7所示。

四 結語

手機校園一卡通系統把一卡通與用戶結合起來，加強了學校的信息化平臺建設，有助于提升服務質量與學習效率，也為學校的決策提供了更精確的數據支撐。同時，該系統具有平滑升級、全面兼容、自助擴展等特點，其豐富的功能和交互性能夠簡化當前的諸多業務，使學校信息化建設整體上向多元化、個人化的服務方式靠攏，有利于實現更加智慧的校園。在3個多月的測試期間，該系統一直保持穩定、高效的運行狀態。在該系統后續的設計開發中，本研究準備將教務、考勤、校區班車消費等功能也融入進來，以更全面地滿足校園日常使用的需求。

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編輯：小米

Design and Implementation of Smart Campus based on NFC and Cloud Services——Taking Smartphone Campus Card for Example

SUN Heng

With the development of mobile communication services, the combination of mobile communication and the Internet is more and more close. As a portable device, mobile terminal carries more and more features. Although the non-contact sensor IC card which was the most widely used in campus card system had the characteristics of flexible distribution, it employed the downsides of complicated operation, high cost, easy to be copied and poor portability. To solve the above problems, mobile phone campus card system was designed based on the Android mobile platform. The full function of the card was completed through the data exchange between NFC-enabled smartphone and card system which run in the private cloud services of school, making the replace of traditional physical IC card by smartphone for daily application become reality.

NFC; cloud services; smartphone; campus card; Android

G40-057

A

1009—8097（2015）11—0093—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2015.11.014

本文為2014年山東省科技發展計劃項目“智能移動終端在線交互系統”（項目編號：2014GGX101018）的階段性研究成果。

孫恒，實驗師，碩士，研究方向為計算機技術應用與網絡信息技術、現代教育信息化，郵箱為sunheng@sdu.edu.cn。

2015年5月4日