基于移動(dòng)終端NFC的門禁系統(tǒng)研究

　　引言

　　隨著3G 時(shí)代到來(lái)，以及iOS、Android、WP8等移動(dòng)操作系統(tǒng)的發(fā)展，手機(jī)不再局限于語(yǔ)音和短信功能，以智能手機(jī)為代表的新的移動(dòng)終端產(chǎn)品不斷問(wèn)世。而具備近距離無(wú)線通信技術(shù)(Near Field Communication，NFC)功能的智能移動(dòng)終端正在成為熱門話題。

　　早在 2010年，谷歌就已經(jīng)在手機(jī)中加入了NFC功能，還斥資收購(gòu)了加拿大一個(gè)專門做NFC的創(chuàng)業(yè)型公司ZetaWire ，蘋果也早就宣稱要在iPhone中置入NFC功能，而諾基亞也從N9系列起加入手機(jī)NFC陣營(yíng)。而今年7月份中國(guó)移動(dòng)首款TD-SCDMA NFC手機(jī)研制成功更是成為國(guó)內(nèi)業(yè)界焦點(diǎn)。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，以后NFC將成為移動(dòng)終端的標(biāo)配。除了最熱門的移動(dòng)支付功能，NFC技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)諸多其他功能如門禁、簽到、安防、共享等等。本文基于NFC技術(shù)與智能移動(dòng)終端結(jié)合的模式，提出一種社區(qū)門禁系統(tǒng)的移動(dòng)終端化、智能化的構(gòu)想及改進(jìn)，拓展電信通信、非接觸等移動(dòng)應(yīng)用的開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

　　1 NFC技術(shù)介紹

　　1.1 NFC的發(fā)展與功能

　　在射頻識(shí)別( RFID ) 及互聯(lián)互通技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，為滿足電子設(shè)備間近距離的通信需求，飛利浦、諾基亞、索尼等著名廠商聯(lián)合推了的一項(xiàng)新的無(wú)線通信技術(shù)——NFC，是一種基于 13.56 MHz的短距離高頻無(wú)線通信技術(shù)，允許電子設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸(在10 cm內(nèi))。NFC可以使移動(dòng)設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、PC 和智能控件工具間進(jìn)行近距離無(wú)線通信，讓消費(fèi)者簡(jiǎn)單直觀地交換信息、訪問(wèn)內(nèi)容與服務(wù)。

　　NFC 具有3種典型實(shí)用模式：第一種是仿卡模式(Card Emulation Mode)，使NFC設(shè)備具有非接觸式智能卡同樣的功能;第二種是讀取模式(Reader Mode)，NFC設(shè)備主動(dòng)讀取NFC標(biāo)簽;第三種是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式 (Peer to Peer Mode) ，使不同NFC設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這些為消費(fèi)者的生活方式開創(chuàng)了不計(jì)其數(shù)的全新機(jī)遇。這是一個(gè)開放接口平臺(tái)，可以對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速、主動(dòng)設(shè)置，也是虛擬連接器，服務(wù)于現(xiàn)有蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙和無(wú)線 802.11 設(shè) 備。

　　1.2 NFC的連接與傳輸

　　在 NFCIP-1 標(biāo)準(zhǔn)中，連接和傳輸過(guò)程規(guī)定了調(diào)制機(jī)制、編碼、傳輸速率、幀結(jié)構(gòu)、射頻接口，同時(shí)還有初始化過(guò)程、沖突檢測(cè)和傳輸協(xié)議等規(guī)則，在傳統(tǒng)的近距通訊相比中，近場(chǎng)通訊(NFC)就有天然的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在連接建立的快速性， 具體對(duì)比如表1所示。

　　表1 傳統(tǒng)近距通訊比較

　　分析表1的數(shù)據(jù)可以得出，根據(jù)NFC連接的快速性和傳輸?shù)慕鼒?chǎng)性，它可以服務(wù)于現(xiàn)有蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙和無(wú)線 802.11 設(shè)備的通訊連接，或者生活應(yīng)用系統(tǒng)中的權(quán)限審核，比如手機(jī)支付，IC卡、公交門禁系統(tǒng)應(yīng)用等。

　　1.3 NFC的安全性

　　通訊技術(shù)的安全性，主要表現(xiàn)在雙方的鏈接和身份驗(yàn)證這兩個(gè)方面。NFC通訊技術(shù)在這兩個(gè)方面都表現(xiàn)出了不錯(cuò)的安全性。NFC的擁有安全的鏈接，它的無(wú)線加密鏈接只需要一個(gè)公鑰，在帶內(nèi)通道的不可見、以及建立鏈接之后對(duì)密鑰的對(duì)稱加密，都加大了基于NFC 的無(wú)線鏈接的安全性;NFC設(shè)備身份驗(yàn)證，不是偽裝的被動(dòng)/主動(dòng)中間人生成的驗(yàn)證設(shè)備，而是確保鏈接密鑰以預(yù)期的驗(yàn)證設(shè)備，相對(duì)通過(guò)連接一根線纜，或要求用戶在兩臺(tái)設(shè)備上輸入PIN 碼來(lái)講，更方便更安全，只需將雙方設(shè)備靠攏即可觸發(fā)相關(guān)軟件和用戶界面?；贜FC通訊技術(shù)的移動(dòng)端支付或者刷卡系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)用安全級(jí)別，加入別的安全措施[6]，對(duì)系統(tǒng)做一個(gè)安全補(bǔ)救。

　　1.4 NFC的硬件支持

　　隨著微軟、谷歌、諾基亞、三星等各大廠商各大新聞發(fā)布會(huì)都大推手機(jī)NFC功能，NFC手機(jī)端應(yīng)用將會(huì)普及我們的生活。NFC 應(yīng)用系統(tǒng)和3G 智能卡的操作系統(tǒng)具有共同的地方，如文件系統(tǒng)、安全保護(hù)、通信傳輸、命令模型。在硬件和軟件上有共通的地方，考慮到與國(guó)際規(guī)范兼容問(wèn)題，NFC 應(yīng)用與3G 智能卡通信協(xié)議將采用單線協(xié)議。單線協(xié)議本身是一個(gè)全雙工的通信協(xié)議，使用電壓和電流調(diào)制在USIM 卡片及NFC 硬件組件之間傳輸數(shù)據(jù)。3G 智能卡(如USIM 卡)中的NFC 應(yīng)用組件主要用于存儲(chǔ)Java 應(yīng)用并處理非接觸交易，卡片須支持單線協(xié)議并能與NFC 處理器進(jìn)行通信。另外，在共同的文件系統(tǒng)中存儲(chǔ)任何與應(yīng)用發(fā)行、電子錢包消費(fèi)、充值過(guò)程相關(guān)的密鑰、證書，降低被破解風(fēng)險(xiǎn)。

　　1.5 NFC的應(yīng)用系統(tǒng)模型

　　NFC 非接觸應(yīng)用的操作系統(tǒng)，包括通信傳輸，文件系統(tǒng)、安全保護(hù)、命令模塊、硬件結(jié)構(gòu)等，NFC 技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)采用NFC 通信技術(shù)用作連接通信，把移動(dòng)支付、電子票務(wù)、門禁、移動(dòng)身份識(shí)別等非接觸應(yīng)用作為NFC 系統(tǒng)功能應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模型如圖1所示。

　　圖1 NFC非接觸應(yīng)用系統(tǒng)模型

　　圖中表示了手機(jī)客戶端的一個(gè)通信流程，在很多應(yīng)用中，會(huì)對(duì)NFC手機(jī)端有一個(gè)初始化，根據(jù)手機(jī)系統(tǒng)(Android與WP8都已支持)，主要在客戶端軟件中完成?？蛻舳塑浖c服務(wù)器進(jìn)行通信完成用戶的支付、權(quán)限審核功能。

　　2 基于移動(dòng)終端NFC的門禁系統(tǒng)研究

　　隨著各大手機(jī)廠商在手機(jī)硬件上對(duì)NFC模塊的支持，以及微軟、谷歌兩大操作系統(tǒng)對(duì)NFC應(yīng)用程序API的支持，移動(dòng)手機(jī)通常是作為通信中的發(fā)起者，也就是作為NFC 的讀寫器。智能手機(jī)也可以模擬作為NFC通信的接受者并支持P2P通信?；贜FC的移動(dòng)端門禁系統(tǒng)主要在手機(jī)端進(jìn)行軟件封裝，運(yùn)用NFC的通訊技術(shù)與感應(yīng)式讀卡器進(jìn)行通訊，在手機(jī)軟件內(nèi)部運(yùn)用TCP/IP通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端與服務(wù)器端的通訊，實(shí)現(xiàn)權(quán)限審核。其實(shí)現(xiàn)大致過(guò)程如圖2所示。本文將以 Android手機(jī)端來(lái)講解系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及模型建立。

　　圖2 手機(jī)門禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

　　2.1 Android系統(tǒng)NFC 應(yīng)用模塊

　　1)NFC管理器(NFCManager)：可以用來(lái)管理Android設(shè)備中指出的所有NFC Adapter，但由于大部分Android設(shè)備只支持一個(gè)NFC Adapter，可以直接使用getDefaultAapater 來(lái)獲取系統(tǒng)支持的Adapter。

　　2)NFC適配器(NFCAdapter)。一個(gè)NFC適配器代表一個(gè)NFC設(shè)備，提供一切NFC的操作，包括NFC設(shè)備開關(guān)、標(biāo)簽讀寫、NDEF數(shù)據(jù)交互、NFC安全訪問(wèn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等。

　　3)NDEF消息(NdefMessage)：NDEF是NFC論壇定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)有效的存數(shù)據(jù)到NFC tags.比如文本，URL，和其他MIME類型。在應(yīng)用程序中通過(guò)接ACTION_TAG DISCOVERED Intent來(lái)讀取NDEF消息。

　　4)NDEF記錄(NDEF Record)，是NFC中定義的NDEF數(shù)據(jù)包的基本組成單元。一個(gè) NDEF數(shù)據(jù)包可以有一個(gè)或多個(gè)NDEF三錄。

　　2.2 Android系統(tǒng)NFC 應(yīng)用模塊

　　在 NFC的Android應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)中，NFC管理器(NFCManager)為應(yīng)用程序提供編程接口，通過(guò)bind和service通信為主程序提供一個(gè)NFC適配器的實(shí)例。通過(guò)這個(gè)NFCAdapter，就可以對(duì)NFC的一些實(shí)體進(jìn)行操作，比如注冊(cè)前臺(tái)tag提醒發(fā)布和前臺(tái)NDEF推送。TAG， 標(biāo)示一個(gè)被動(dòng)的NFC目標(biāo)，比如tag，card，鑰匙掛扣，甚至是一個(gè)電話模擬的的NFC卡。當(dāng)一個(gè)TAG被檢測(cè)到，一個(gè)tag對(duì)象將被創(chuàng)建并且封裝到一個(gè)Intent里，然后NFC 發(fā)布系統(tǒng)將這個(gè)Intent用 startActivity發(fā)送到注冊(cè)了接受這種Intent的activity里。你可以用getTechList()方法來(lái)得到這個(gè)tag支持的技術(shù)細(xì)節(jié)和創(chuàng)建一個(gè)android.nfc.tech提供的相應(yīng)的TagTechnology對(duì)象。

　　NFCAdapter作為整個(gè)NFC系統(tǒng)模塊的實(shí)例對(duì)象，在整個(gè)NFC通訊模塊中起著關(guān)鍵的扮演者，Android未其提供了豐富的函數(shù)接口，主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

　　1)設(shè)備初始化以及開關(guān)，相關(guān)程序段為

　　private static synchronized lNfcAdapter setupServiee();

　　public boolean enable();

　　public boolean disable();

　　2)NDEF消息的讀寫和安全管理鏈接，相關(guān)程序?yàn)?/p>

　　public void setLocalNdefMessage(NdefMessage message);

　　public NdefMessage getIx，calNdefMessage();

　　public NfcSecureElement createNfcSecureElementConnection0;

　　3)P2P的后臺(tái)通信，相關(guān)程序段為

　　public void enableForegroundNdefPush(Activity activity，NdefMessage msg);

　　public void disableForegroundNdefPush(Activity activity);

　　這些基本函數(shù)都是NFC Binder客戶端函數(shù)，通過(guò)Binder IPC調(diào)用Service對(duì)應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行通信處理。在NFC Service中主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：Adapter中的Binder客戶端函數(shù)對(duì)應(yīng)135 的Service端函數(shù)實(shí)現(xiàn)，包括INfcTag.Stub，INfcAdapter.Stub等;Service狀態(tài)管理的消息處理;Java本地接口( Java Native Interface，JNI)的Native代碼的訪問(wèn)接口。

　　2.3 Android系統(tǒng)NFC 門禁功能實(shí)現(xiàn)

　　在具有NFC功能的手機(jī)(比如Google Nexus S，操作系統(tǒng)：Android ICS 4.04)系統(tǒng)中安裝上述NFC門禁客戶端應(yīng)用程序，并在系統(tǒng)設(shè)置中打開手機(jī)NFC功能，并在手機(jī)電池處于電量充足、低電和掉電三種情況下開展測(cè)試。當(dāng)在有效距離范圍內(nèi)時(shí)，移動(dòng)手機(jī)上的NFC硬件設(shè)備即可檢測(cè)到的門禁標(biāo)簽，讀取數(shù)據(jù)后，TAG分發(fā)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)封裝了NFC TAG信息的intent，應(yīng)用程序接收該消息，解析其中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并根據(jù)手機(jī)端客戶軟件進(jìn)行密鑰匹配，進(jìn)行權(quán)限審核，當(dāng)手機(jī)檢測(cè)到門禁系統(tǒng)審核TAG 時(shí)，客戶端軟件自動(dòng)啟用界面(Activity)進(jìn)行匹配，向系統(tǒng)同服務(wù)器發(fā)送訪問(wèn)請(qǐng)求，服務(wù)器返回訪問(wèn)權(quán)限?？蛻?端業(yè)務(wù)流程與測(cè)試結(jié)果如圖3、4所示。

　　圖3 Activity匹配流程圖

　　圖4 手機(jī)門禁功能測(cè)試結(jié)果

　　3 結(jié)論

　　測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)正確的軟硬件配置和有效的測(cè)試方法，在具備NFC的移動(dòng)終端上實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)功能易實(shí)施且穩(wěn)定有效。此外，由于該系統(tǒng)采用Client/Server模式，代碼調(diào)整靈活，功能增減方便，符合各類使用者不同的門禁性能需求。

　　目前，搭載NFC功能的移動(dòng)終端在我國(guó)處于起步階段，隨著Android、WP8以及iOS操作系統(tǒng)對(duì)于NFC技術(shù)越來(lái)越廣泛的支持，我們甚至可以通過(guò) WP8移動(dòng)終端NFC裝載的信息與門禁系統(tǒng)進(jìn)行密鑰匹配實(shí)現(xiàn)權(quán)限審核。這一信息化、智能化社區(qū)發(fā)展趨勢(shì)最終將促使人們舍棄各類卡片，獲得極大的生活便利。