物联网技术 2014年 / 第6期
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0 引 言
燃气是目前跟老百姓生活密切相关的主要能源，而现在
燃气表的管理主要采用卡式预付费方式，这种管理方式存在
步骤繁琐、费时费力等弊端，很有必要将近场通信 NFC 技术、
移动终端、3G、移动支付等技术应用到燃气费付费过程，以
满足方便快捷的付费需求。
NFC（Near Field Communication，近场通信） 是在无线
射频识别 （RFID）和互联技术的基础上融合演变而来的新技
术，是一种短距离无线通信技术标准。这种技术是由飞利浦
公司发起，由诺基亚、索尼等著名厂商联合主推的一项近距离
无线通信技术，它在单一芯片上集成了非接触式读卡器、非接
触式智能卡和点对点通信的功能，运行在 MHz 的频率
范围内，能在大约 10 cm 范围内建立设备之间的连接，传输速
率可达 106 Kb/s、 212 Kb/s、 424 Kb/s，未来可提高到 848 Kb/s
以上 [1-3]。它提供了一种简单、触控式的解决方案，可以让客
户简单直观地交换信息、访问内容与服务。
本文设计并实现一个基于 RFID 的移动支付终端系统，
用一台带有 NFC 功能的手机读取具有 RFID 标签的燃气表中
的数据，并通过手机将数据传送到燃气公司后台，达到远程
抄表的目的，用户还可以通过手机与燃气公司后台进行交互，
实现远程支付和燃气量查询等操作。
1 基于 RFID 模拟接口的移动支付
燃气表的RFID模拟接口中集成了微处理器，只读存储器，
随机存储器，电可擦除存储器，I/O 驱动几大部分。其中微处
理器是整个芯片的核心，完成计算任务；只读存储器用于存
放预置的程序代码，一般为微操作系统；随机存储器是作为
运算时的暂存数据，存放如命令参数、返回结果、临时工作
密钥等数据；电可擦除存储器则完成用户数据的存储，如用户
私钥等 [4]。具有快速运算、存储量大、安全性高以及难以破
译和伪造等特点。
RFID 模拟接口将采用自主研发的“一卡一密”措施，以
加强系统的安全性。该技术方案能对每一张智能卡提供一个
唯一密码，不仅保证不同客户的 RFID 卡读写机具相互不可串
用，即使某张智能卡或某台智能卡读写机具有的访问密码被
意外泄露或被恶意破译，仍然无法知道其它智能卡的访问密
码。
非接触 CPU 智能卡与非接触逻辑加密卡相比，拥有独立
的 CPU 处理器和芯片操作系统，所以可以更灵活的支持各种
不同的应用需求，更安全的设计交易流程。但与非接触逻辑
加密卡系统相比，非接触 CPU 智能卡的系统更为复杂，需要
进行更多的系统改造，比如密钥管理、交易流程、PSAM 卡
以及卡片个人化等。密钥通常分为充值密钥（ISAM 卡），减值
密钥（PSAM 卡），身份认证密钥（SAM 卡）[5]。
非接触 CPU 智能卡可以通过内外部认证的机制，例如电
子钱包的交易流程，高可靠地满足不同的业务流程对安全和
密钥管理的需求。对电子钱包圈存可以使用圈存密钥，消费
可以使用消费密钥，清算可以使用 TAC 密钥，更新数据可以
使用卡片应用维护密钥，卡片个人化过程中可以使用卡片传输
密钥、卡片主控密钥、应用主控密钥等，真正做到一钥一用。
2 应用场景
在采用本项目所研究的技术之后，用户有望更加方便地
获得移动支付的便利，具体应用场景如图 1所示。
用户通过下载相应智能手机客户端的支付中间件，可直
接在手机上进行操作，随时随地完成对自己用气的充值、余额
查询、详单查询等功能，足不出户办理燃气费缴纳业务。
基于移动支付的NFC燃气表设计
何荣誉1，肖志华2
（1.湖南生物机电职业技术学院，湖南 长沙 410126；2.安富利电子有限公司，湖南 长沙 410007）
摘 要：从NFC工作模式及应用出发，提出了将NFC技术应用到燃气表和手机终端，由用户使用NFC手机读取NFC燃气
表数据并上传到燃气公司来实现远程抄表的实现过程。此设计中具体包含了NFC燃气表的功能设计、结构设计等内容，具有
一定的实用价值。
关键词：近场通信；燃气费付费；移动支付
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：2095-1302(2014)06-0024-03
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收稿日期：2014-03-18
基金项目：2012年度湖南省教育厅科学研究项目（12C1119）
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另外，在指定的地点，通过自助终端（手机）的方式，用
户也可以将银行账户的资金转入到 NFC 手机中，用于到家中
向电表进行充值。
综合实现以上两点之后，下一步可以研究使用 NFC 手机
实现手机支付随时随地从银行划款购水电气，支付成功之后加
密数据自动存入手机；然后将手机靠近燃气表（带 RFID 模拟
接口），实现预付费储值。
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图 1 基于移动支付的 NFC 智能燃气表应用场景示意图
3 系统设计
系统整体结构
基于移动支付的 NFC 燃气表系统整体结构如图 2 所示。
系统正常运行时，燃气表的 MCU 将燃气表燃气量信息写入到
ST33 芯片已经定义好的燃气表信息文件中。当用手机靠近燃
气表时，ST33 芯片进入 NFC 适配器的磁场，接收手机发出的
射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在燃气表
信息文件中的信息，再通过我们编写的移动支付终端软件通过
Web 将燃气表信息发送到燃气公司后台进行处理。燃气公司
后台收到手机传来的信息并解密后会主动将解密的燃气表信息
回传给手机，用户也可以通过手机终端软件主动发送查询并得
到燃气公司后台的响应。用户、银行、燃气公司之间还可以建
立安全支付的通信信道，满足用户的远程支付需求。
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图 2 系统整体结构图
NFC 燃气表的内部结构
NFC 燃气表在原有预付费燃气表的基础上，增加了一个
NFC 通信接口，去掉了原来的卡座，其内部结构如图 3 所示。
NFC 单元包括 NFC 控制器和 NFC 安全单元。NFC 控
制单元的主要功能是通过天线与外界的 NFC 手机通信，负责
控制与 NFC 手机、NFC 安全单元和主控 MCU 之间的信息交
互。NFC 安全单元主要负责执行与安全相关的算法，存储关
键数据，并输出计算结果给 NFC 控制单元。通信接口主要包
括 SWP、I2C、7816 接口。
移动支付终端系统的结构模块
移动支付终端系统主要包括 NFC 手机接口调用、RFID
卡识别、移动终端与 RFID 卡的数据传输、燃气公司对用户
RFID 燃气表的管理、用户的远程支付等结构模块。
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图 3 NFC 燃气表内部结构示意图
手机接口调用模块主要用来实现移动支付终端软件与手
机 NFC 适配器的连接与数据通信 [6]。通过对 Android 系统提
供的 package 和 package 两个 API
的调用实现移动支付终端客户端软件和手机 NFC 适配器之间
的连接与访问 [7，8]。我们所使用燃气表中的 RFID 电子标签支
持的是 ISO-DEP （ISO 14443-4）技术标准，因此可以先通过
对 package 的调用实现客户端与适配器之间的连
接。再调用 package 提供的相应的 IsoDep 类
创建相应的对象，以实现对该 tag 即燃气表中 RFID 电子标签
的访问。
为防止 RFID 电子标签内容的泄露，保证仅有授权实体
才可以读取和处理相关标签上的信息，必须建立相应的访问
控制机制，确保读写器的安全性。在设计访问控制机制时，要
充分考虑标签自身的计算能力和数据存储能力。为防止电子
标签的伪造和标签内容被滥用，NFC 手机必须在通信之前对
RFID 电子标签的身份进行认证。传统的身份认证机制是使用
基于公钥的数字签名技术，这种技术不适用于计算能力严重
受限的 RFID 标签。在该系统中采用了典型的三轮密码认证协
议，该协议的认证流程如图 4 所示。
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图 4 三轮密码认证协议流程图
认证的流程可以分成以下几个步骤：
（1）应用程序通过 RFID 读写器向 RFID 电子标签发送
认证请求；
（2）RFID 标签收到请求后向读写器发送一个随机数 B；
（3）读写器收到随机数 B 后向 RFID 电子标签发送使用
要验证的密钥加密 B 的数据包，其中包含了读写器生成的另
一个随机数 A；
（4）RFID 电子标签收到数据包后，使用芯片内部存储的
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出了一种简单快捷的计算方法，该方法是以分道线作为参照物
来计算车辆质心实际的运行距离。最终可计算出车辆的速度，
通过对多车的计算可判断出当前整个交通的状态。
参 考 文 献
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[5] 霍淑丽 . 基于视频流的车速检测方法研究 [D].长春：长春理工大学，
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密钥进行解密，解出随机数 B 并校验与之发出的随机数 B 是
否一致；
（5）如果是一致的，则 RFID 使用芯片内部存储的密钥
对 A 进行加密并发送给读写器；
（6）读写器收到此数据包后，进行解密，解出 A并与前
述的 A 比较是否一致；
如果上述的每一个环节都成功，则验证成功；否则验证
失败。这种验证方式可以说是非常安全的，破解的难度也非
常大。
4 NFC 燃气表的优势
NFC 技术作为一种非接触式的短距离传输技术应用在燃
气表中，相对传统的预付费卡表、有线远传燃气表和无线远
传燃气表，具有明显的优势：
（1）燃气表与 NFC 手机之间信息交换的安全、便捷。
由于 NFC 燃气表与 NFC 手机之间是非接触式通信方式，
因此使用十分便捷；另外由于 NFC 燃气表和 NFC 手机中都引
入了 NFC 安全单元，在数据交换的过程中将进行一系列的加
解密、签名和验证签名的操作，因此两者之间的通信是安全的。
（2）燃气表与主站之间信息交互的私密性、完整性和新
鲜性。
燃气表与主站之间共享私有密钥，对所交互的信息进行
加解密和签名操作，可以保证两者之间所交互信息是未被篡改
的，从而保证了数据的私密性和完整性。通过在交互信息中插
入与时间有关的变化量，可以保证信息的新鲜性，从而防止重
放攻击。对应到燃气缴费应用中，以上三种安全性可防止恶意
用户窃听、篡改缴费金额或多次使用同一个缴费信息进行充值。
（3）降低了燃气公司的运营成本。
燃气公司可以采用预付费模式来对NFC燃气表进行控制。
由于缴费和预存功能都是由客户自己完成，所以燃气公司可以
大幅度减少柜台营业人员，降低运营成本。
（4）实现了燃气费抄缴过程的一体化，方便了用户。
该燃气表支持用户手机本地抄表远程支付模式，用户可
以“足不出户”地使用 NFC 手机完成燃气费的预付费或后付
费功能，对于用户来说十分方便。
5 结 语
由于手机在中国的普及，对于普通消费者来说，利用具
有 NFC 功能的手机设备进行支付时，只需将手机靠近燃气表
即可完成支付，这样支付的便利性对于一般的消费者来说是很
有吸引力的，容易得到时尚一族的热捧。
参 考 文 献
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作者介绍：何荣誉（1982—），男，控制工程硕士，湖南生物机电学院机械系党总支书记，讲师。主要从事数控技术、智能检测技术等方面的研究。
（上接第 23页）
