基于NFC技術的一卡通系統設計與應用

王沛毅，巨新新，趙俊巖，祝 燁，李慧心

（商洛學院 電子信息與電氣工程學院，陜西 商洛 726000）

0 引言

目前，我國正處于信息化、智能化發展的初期，人們越來越追求便捷化的生活方式。近年來，NFC模擬卡技術雖然一定程度避免了人們攜帶大量卡片的問題。但從發展趨勢上來看，NFC技術還沒有成熟，目前模擬卡的種類極其有限。因此，基于NFC模擬卡片的研發非常需要。蔡中興等[1]對NFC技術以及智慧校園進行了研究，詮釋了NFC技術在智慧校園中的應用，也討論了NFC技術在實際應用中存在的問題。吳雨欣等[2]設計了一款基于NFC技術的校園一卡通系統。NFC技術目前僅僅處于初級階段，其功能沒有完全發揮出來，并不能將NFC功能充分應用于智慧校園系統的設計當中。

開發一套基于NFC卡模擬的物聯網智能識別系統，利用通信模擬技術將眾多卡片的信息集中到一起，實現多種智能功能，讓“一”代替“多”，為人們的生活提供便利，使NFC技術真正得到推廣應用。設計設備要求結構簡單、成本較低，市場定位準確，滿足功能要求和新興市場需求，使人們向物聯網智能化便利生活邁進。

1 設計思路

1.1 NFC技術基礎

NFC技術實現一卡通的應用主要采取了調制解調、近場通信技術，能夠通過無線射頻進行近場通信，把手機卡從普通通信卡轉化為非接觸性智能卡，從而實現一卡通功能。NFC手機與所要模擬的IC卡接觸時，發起設備和接收設備都會產生自己的射頻場。在整個通信過程中，發起設備和接收設備都提供射頻場，并且將信息傳輸并利用感應電動勢提供工作所需的能源。傳輸速率的選取是以工作距離的長短為界定的，發起設備和接受設備最遠的感應距離不應超過10 cm[3]。在被動模式下，NFC通信設備將會被啟動（NFC手機），在整個通信過程中提供射頻場（RF-field），可以選擇106 kbps、212 kbps或424 kbps傳輸速度，將數據發送到另一臺設備（目標設備），不需要讓其產生射頻場，從而使用負載調制(load modulation)技術。

1.2 NFC一卡通實現思路

通過NFC在校園中實現支付方式有以下兩方面思路：

（1）個體使用匹配的App請求所要模擬的卡，并在終端服務器填寫卡號，以將所模擬的卡連接到終端服務器上。然后，可以在NFC手機使用模擬的卡的功能。

（2）個體可以向運營商申請一張具有內置NFC技術的SIM卡，將卡的信息聚集到手機的SIM卡中，然后通過軟件將手機NFC卡的通信通道轉為SIM內置所要模擬的IC卡。 最近，基于運營商的NFC團隊已和多個高校進行合作，完成NFC卡的內置解決方案。NFC卡解決方案具有校園一卡通系統卡管理系統的最高權限。合作運營商只用卡模擬應用程序管理系統，不包括對指定服務（如卡轉讓）的管理，只是顯示并運行模擬卡的功能。

對于NFC卡解決方案，被模擬的卡為主卡，要模擬的NFC卡即副卡。越來越多的學校正在創立主卡和副卡兩個相互獨立系統賬戶，所以就可以分別充值和消費兩張卡。部分學校將主卡和副卡建立一個賬戶，這樣如果其中一張被激活，另一張卡就不能被激活。無論通過什么方式，通過NFC校園一卡通系統即可實現很多功能，個體使用體驗得到了提高，也為學校的一卡通服務提供了一個業務承載平臺。

2 具體設計框架

NFC手機一卡通由3層網絡結構組成，分別是一卡通應用平臺、后臺管理平臺和金融服務平臺。NFC手機內置SIMPASS技術，具有近場通信功能，可將手機變成一張非接觸智能卡，從而實現NFC手機一卡通功能。當NFC手機靠近閱讀器就可以讀寫出被模擬卡的信息?？蚣茉O計如圖1所示。

圖1 框架設計

3 測試結果

3.1 兼容性測試

（1）將NFC手機當作被模擬的IC卡時，NFC手機將會把相應應用業務的卡，與具有相應標準的閱讀器進行設置。

（2）把NFC手機當作閱讀器時，將會把支持所有類型的標簽進行收集，存在在自己的數據庫中，用被測的NFC手機去閱讀，并執行通信指令。

（3）當NFC手機工作處于點對點的工作模式時，NFC手機將會與其他NFC設備進行信息交互。測試過程如圖2—3所示。

圖2 測試原理

圖3 測試過程

3.2 NFC的測試結果

通過對該設備的驗證，當NFC手機處于卡模擬狀態時，識別信息的有效工作距離≤10 cm，讀卡時的最大距離也滿足個體需求。

人們將卡模式、點對點模式、讀卡器模式的3種通信模式進行結合，設計具有更加強大功能的NFC設備。將基于NFC技術的模擬卡片逐步打造成市面上大多數卡，從而實現用“一”來代替“多”的局面，由“一卡通”變為“一機通”。在13.56 MHz 頻率下，最大讀卡距離為10 cm。

基于NFC技術的模擬卡片將集IC卡、數據交換和非接觸讀卡器等多功能于一體，不僅輕捷便帶，而且使用方法簡易。

4 結語

基于NFC技術的一卡通系統可以極大地便捷人們的生活，該一卡通系統包含校園門禁子系統，校園考勤子系統，校園消費子系統和圖書館管理子系統4個子系統，可以實現校園一卡通的絕大多數功能。依靠NFC射頻通信技術和POS機、自動販賣機之間的關系就可以實現本地交易，個體可以將個人銀行的金額轉入校園錢包，可以隨時使用NFC手機模擬校園卡進行消費、查詢余額和充值等業務，免除了往常排隊、找零和等待的煩惱。

NFC技術的快速發展為學校一卡通系統的創建提供了技術保障，不僅為校園基層工作者賦能，也提高了用戶個體的使用體驗。因此，研發人員要不斷發展新興技術，在已有技術之上加以創新并且應用在日常生活中，為個體帶來更好的使用體驗。