引言
隨著3G 時代到來，以及iOS、Android、WP8等移動操作系統(tǒng)的發(fā)展，手機不再局限于語音和短信功能，以智能手機為代表的新的移動終端產(chǎn)品不斷問世。而具備近距離無線通信技術(Near Field Communication，NFC)功能的智能移動終端正在成為熱門話題。
早在 2010年，谷歌就已經(jīng)在手機中加入了NFC功能，還斥資收購了加拿大一個專門做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NFC陣營。而今年7月份中國移動首款TD-SCDMA NFC手機研制成功更是成為國內業(yè)界焦點。
毫無疑問，以后NFC將成為移動終端的標配。除了最熱門的移動支付功能，NFC技術還可以實現(xiàn)諸多其他功能如門禁、簽到、安防、共享等等。本文基于NFC技術與智能移動終端結合的模式，提出一種社區(qū)門禁系統(tǒng)的移動終端化、智能化的構想及改進，拓展電信通信、非接觸等移動應用的開發(fā)實現(xiàn)。
1 NFC技術介紹
1.1 NFC的發(fā)展與功能
在射頻識別( RFID ) 及互聯(lián)互通技術發(fā)展的推動下，為滿足電子設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)合推了的一項新的無線通信技術——NFC，是一種基于 13.56 MHz的短距離高頻無線通信技術，允許電子設備之間進行非接觸式點對點數(shù)據(jù)傳輸(在10 cm內)。NFC可以使移動設備、消費類電子產(chǎn)品、PC 和智能控件工具間進行近距離無線通信，讓消費者簡單直觀地交換信息、訪問內容與服務。
NFC 具有3種典型實用模式：第一種是仿卡模式(Card Emulation Mode)，使NFC設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設備主動讀取NFC標簽;第三種是點對點模式 (Peer to Peer Mode) ，使不同NFC設備之間進行數(shù)據(jù)交換。這些為消費者的生活方式開創(chuàng)了不計其數(shù)的全新機遇。這是一個開放接口平臺，可以對無線網(wǎng)絡進行快速、主動設置，也是虛擬連接器，服務于現(xiàn)有蜂窩狀網(wǎng)絡、藍牙和無線 802.11 設 備。
1.2 NFC的連接與傳輸
在 NFCIP-1 標準中，連接和傳輸過程規(guī)定了調制機制、編碼、傳輸速率、幀結構、射頻接口，同時還有初始化過程、沖突檢測和傳輸協(xié)議等規(guī)則，在傳統(tǒng)的近距通訊相比中，近場通訊(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)慕鼒鲂裕梢苑沼诂F(xiàn)有蜂窩狀網(wǎng)絡、藍牙和無線 802.11 設備的通訊連接，或者生活應用系統(tǒng)中的權限審核，比如手機支付，IC卡、公交門禁系統(tǒng)應用等。
1.3 NFC的安全性
通訊技術的安全性，主要表現(xiàn)在雙方的鏈接和身份驗證這兩個方面。NFC通訊技術在這兩個方面都表現(xiàn)出了不錯的安全性。NFC的擁有安全的鏈接，它的無線加密鏈接只需要一個公鑰，在帶內通道的不可見、以及建立鏈接之后對密鑰的對稱加密，都加大了基于NFC 的無線鏈接的安全性;NFC設備身份驗證，不是偽裝的被動/主動中間人生成的驗證設備，而是確保鏈接密鑰以預期的驗證設備，相對通過連接一根線纜，或要求用戶在兩臺設備上輸入PIN 碼來講，更方便更安全，只需將雙方設備靠攏即可觸發(fā)相關軟件和用戶界面。基于NFC通訊技術的移動端支付或者刷卡系統(tǒng)可以根據(jù)應用安全級別，加入別的安全措施[6]，對系統(tǒng)做一個安全補救。
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)布會都大推手機NFC功能，NFC手機端應用將會普及我們的生活。NFC 應用系統(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、通信傳輸、命令模型。在硬件和軟件上有共通的地方，考慮到與國際規(guī)范兼容問題，NFC 應用與3G 智能卡通信協(xié)議將采用單線協(xié)議。單線協(xié)議本身是一個全雙工的通信協(xié)議，使用電壓和電流調制在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 應用組件主要用于存儲Java 應用并處理非接觸交易，卡片須支持單線協(xié)議并能與NFC 處理器進行通信。另外，在共同的文件系統(tǒng)中存儲任何與應用發(fā)行、電子錢包消費、充值過程相關的密鑰、證書，降低被破解風險。
1.5 NFC的應用系統(tǒng)模型
NFC 非接觸應用的操作系統(tǒng)，包括通信傳輸，文件系統(tǒng)、安全保護、命令模塊、硬件結構等，NFC 技術的應用系統(tǒng)采用NFC 通信技術用作連接通信，把移動支付、電子票務、門禁、移動身份識別等非接觸應用作為NFC 系統(tǒng)功能應用。實現(xiàn)系統(tǒng)的模型如圖1所示。
圖1 NFC非接觸應用系統(tǒng)模型
圖中表示了手機客戶端的一個通信流程，在很多應用中，會對NFC手機端有一個初始化，根據(jù)手機系統(tǒng)(Android與WP8都已支持)，主要在客戶端軟件中完成。客戶端軟件與服務器進行通信完成用戶的支付、權限審核功能。
2 基于移動終端NFC的門禁系統(tǒng)研究
隨著各大手機廠商在手機硬件上對NFC模塊的支持，以及微軟、谷歌兩大操作系統(tǒng)對NFC應用程序API的支持，移動手機通常是作為通信中的發(fā)起者，也就是作為NFC 的讀寫器。智能手機也可以模擬作為NFC通信的接受者并支持P2P通信。基于NFC的移動端門禁系統(tǒng)主要在手機端進行軟件封裝，運用NFC的通訊技術與感應式讀卡器進行通訊，在手機軟件內部運用TCP/IP通訊技術，實現(xiàn)手機端與服務器端的通訊，實現(xiàn)權限審核。其實現(xiàn)大致過程如圖2所示。本文將以 Android手機端來講解系統(tǒng)的實現(xiàn)以及模型建立。
圖2 手機門禁系統(tǒng)實現(xiàn)過程
2.1 Android系統(tǒng)NFC 應用模塊
1)NFC管理器(NFCManager)：可以用來管理Android設備中指出的所有NFC Adapter，但由于大部分Android設備只支持一個NFC Adapter，可以直接使用getDefaultAapater 來獲取系統(tǒng)支持的Adapter。
2)NFC適配器(NFCAdapter)。一個NFC適配器代表一個NFC設備，提供一切NFC的操作，包括NFC設備開關、標簽讀寫、NDEF數(shù)據(jù)交互、NFC安全訪問、點對點通信等。
3)NDEF消息(NdefMessage)：NDEF是NFC論壇定義的數(shù)據(jù)結構，用來有效的存數(shù)據(jù)到NFC tags.比如文本，URL，和其他MIME類型。在應用程序中通過接ACTION_TAG DISCOVERED Intent來讀取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 NDEF數(shù)據(jù)包可以有一個或多個NDEF三錄。
2.2 Android系統(tǒng)NFC 應用模塊
在 NFC的Android應用系統(tǒng)架構中，NFC管理器(NFCManager)為應用程序提供編程接口，通過bind和service通信為主程序提供一個NFC適配器的實例。通過這個NFCAdapter，就可以對NFC的一些實體進行操作，比如注冊前臺tag提醒發(fā)布和前臺NDEF推送。TAG， 標示一個被動的NFC目標，比如tag，card，鑰匙掛扣，甚至是一個電話模擬的的NFC卡。當一個TAG被檢測到，一個tag對象將被創(chuàng)建并且封裝到一個Intent里，然后NFC 發(fā)布系統(tǒng)將這個Intent用 startActivity發(fā)送到注冊了接受這種Intent的activity里。你可以用getTechList()方法來得到這個tag支持的技術細節(jié)和創(chuàng)建一個android.nfc.tech提供的相應的TagTechnology對象。
NFCAdapter作為整個NFC系統(tǒng)模塊的實例對象，在整個NFC通訊模塊中起著關鍵的扮演者，Android未其提供了豐富的函數(shù)接口，主要實現(xiàn)的功能如下：
1)設備初始化以及開關，相關程序段為
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，相關程序為
public void setLocalNdefMessage(NdefMessage message);
public NdefMessage getIx，calNdefMessage();
public NfcSecureElement createNfcSecureElementConnection0;
3)P2P的后臺通信，相關程序段為
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Binder IPC調用Service對應的函數(shù)進行通信處理。在NFC Service中主要實現(xiàn)了以下功能：Adapter中的Binder客戶端函數(shù)對應135 的Service端函數(shù)實現(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代碼的訪問接口。
2.3 Android系統(tǒng)NFC 門禁功能實現(xiàn)
在具有NFC功能的手機(比如Google Nexus S，操作系統(tǒng)：Android ICS 4.04)系統(tǒng)中安裝上述NFC門禁客戶端應用程序，并在系統(tǒng)設置中打開手機NFC功能，并在手機電池處于電量充足、低電和掉電三種情況下開展測試。當在有效距離范圍內時，移動手機上的NFC硬件設備即可檢測到的門禁標簽，讀取數(shù)據(jù)后，TAG分發(fā)系統(tǒng)會自動創(chuàng)建一個封裝了NFC TAG信息的intent，應用程序接收該消息，解析其中的標簽數(shù)據(jù)，并根據(jù)手機端客戶軟件進行密鑰匹配，進行權限審核，當手機檢測到門禁系統(tǒng)審核TAG 時，客戶端軟件自動啟用界面(Activity)進行匹配，向系統(tǒng)同服務器發(fā)送訪問請求，服務器返回訪問權限。客戶 端業(yè)務流程與測試結果如圖3、4所示。
圖3 Activity匹配流程圖
圖4 手機門禁功能測試結果
3 結論
測試結果表明，通過正確的軟硬件配置和有效的測試方法，在具備NFC的移動終端上實現(xiàn)門禁系統(tǒng)功能易實施且穩(wěn)定有效。此外，由于該系統(tǒng)采用Client/Server模式，代碼調整靈活，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功能的移動終端在我國處于起步階段，隨著Android、WP8以及iOS操作系統(tǒng)對于NFC技術越來越廣泛的支持，我們甚至可以通過 WP8移動終端NFC裝載的信息與門禁系統(tǒng)進行密鑰匹配實現(xiàn)權限審核。這一信息化、智能化社區(qū)發(fā)展趨勢最終將促使人們舍棄各類卡片，獲得極大的生活便利。
