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一种NFC智能存储设备

发布时间:2017-12-07 09:02:00 文章来源:未来智讯    
    【关键词】智能存储卡 移动支付 SD卡
    1 项目概述
    本项目得到了深圳市生物、互联网、新能源产业发展专项资金项目(深发改[2011]1673号)的资助。
    本项目提出了一种将智能卡模块整合进入传统存储设备中(如SD卡、MicroSD卡等)的设计方案。
    本项目通过将智能卡模块、NFC天线整合进到传统存储产品中,赋予其智能卡的功能。
    本项目设计出的产品,可直接用于现有支持外部存储器的设备中(特别是智能手机),用户不需配合专用的设备或对现有设备进行改造,即可直接使用多界面智能存储卡的非接触式应用功能(如移动支付),方便了用户,降低了设备改造成本,有益于移动支付功能的普及。
    同时该产品的推出,为传统存储设备行业提供了一套新的发展道路,为行业发展注入了新鲜血液。
    2 技术背景
    随着世界经济与信息技术的发展,电子商务得到了长足的发展,根据艾瑞咨询的数据,2011年第二季度,全国电子商务市场交易规模已达1.6万亿元,环比增长9.3%,由此可见电子商务已经成为国民经济中重要的一环。于此同时,智能手机普及速度在不断加快,根据易观智库的最新数据,全国智能手机在2010年销售量已超6000万台。在这两大行业的发展下,为了给消费者提供更加方便快捷的消费方法,市场催生出了移动支付的概念。
    移动支付,也称为手机支付,是允许用户使用其移动终端(通常是智能手机)对所消费的商品或服务进行账务支付的一种服务方式。如何方便、快捷、安全的进行支付,则成为该技术关键点以及未来的发展方向。
    现有的移动支付功能实现方案主要有:
    2.1 NFC
    NFC方案主要是指在拥有NFC功能的手机上,通过各类应用软件来配合实现支付功能。其代表为Google公司的Google Wallet。由于NFC是一种国际通用标准,并且在欧美日等发达国家已经有了多年的应用,整体成熟度高。但这个方案必须需要手机自带NFC功能才可能实现,而现有市场上仅有极少数高端手机配置了NFC功能,应用面比较狭小。
    2.2 RFID-SIM
    RFID-SIM方案指在原有的SIM卡外端增加一个非接触式芯片(NFC或其他),使手机具备移动支付功能。该方案在国内主要由中国移动等移动运营商推动,并制定了自己的技术标准,由于这一块国内业务刚刚启动,现在还处于一个中等规模的试应用阶段,其方案的稳定性、可靠性还有待验证。另外,该方案也存在一定的缺点,由于SIM卡技术所限,存储的空间较小,这样就导致了卡片内部添加新的应用不是很方便,卡片不支持第三方开发的应用加载,芯片COS接口不公开等。
    2.3 智能存储卡
    智能存储卡方案指在常用的外部存储设备(通常是SD卡或MicroSD卡)中整合进NFC通讯模块,使搭载了该存储产品的设备获得NFC功能,从而无需对设备做任何改动工作。此方案在特别适用于现在的主流智能手机。由于基于专业存储设备的设计,厂商可以利用已经成熟了的开发平台赋予该设备更多功能(比如更快捷、友好的界面,特殊的加密模块等),用户也可以按需求升级产品,以获得更多的功能以及提升安全性,具有优秀的可扩展性。但该方案对产品集成度要求高,特别是在MicroSD大小的存储器上,由于空间小,整合难度大。
    2.4 非设备类支付
    这类支付方案有移动早期推出的短信支付,以及阿里巴巴近期推出的条码支付等,其特点是无需对设备进行任何改造和更换,通过短信平台,或网络平台即可完成支付动作。但由于缺少物理级的加密功能,该功能在安全性上还存在一定的问题,并且该方案需要用户手动进行多次互动才能完成,使用较为不便。另外,由于技术为服务商自有技术,使用面一般仅限于在其自身服务平台上,没有通用性。
    3 技术选择
    我与课题组实施项目所采用的技术方案是智能存储卡。
    我们认为该方案具有高度的可扩展性与通用性,完全能够满足移动支付过程中对性能和安全性方面的各类要求。
    我们选择了MircoSD卡作为设计主体,因为根据行业调查数据,MircoSD卡是短期内智能手机外部存储器的首选方案,具有较大的用户基础。并且基于SD卡的智能存储卡在之前已经有企业完成了研发,已经树立有专利门槛。
    根据上述的设计思路,根据用户的不同使用环境,我们设计出了两套设计方案,如图1、图2所示。
    其中设计方案1主要应用为一些全金属外壳的手机,这类手机由于外壳对电磁信号的屏蔽,无法正常完成感应。需通过取出存储卡,并将其放置于特殊的读卡器中以实现NFC功能。本方案也可独立于手机系统使用。(本设计方案成品如图3所示)。
    设计方案2将射频天线整体植入到了存储卡内,产品整体集成度较高。
    4 实施方案
    4.1 功能设计
    下面,我以最具代表性的设计方案2为例,对项目设计做一个详细的描述。设计方案示意图如图5所示,产品主要分为存储模块、智能卡模块、射频天线(立体天线)模块构成。
    项目设计产品遵循IS014443标准,产品可支持市面上普通的13.56Mhz POS机,不需要对原有POS做相应的改造。设计产品现已经过了EAL的安全认证。智能卡里运行的软件为人民银行的电子现金支付软件规范(也可根据需求设置更换为不同运营商的规范软件),并在7月通过了银行卡检测中心的认证。由此可见,NFC MicroSD具有IC卡所有的优点和安全性,甚至比目前在使用的磁卡(银行卡)要更安全,可靠。
         在产品功能方面,我与课题组设计出了“远程交易”与“近距交易”两大功能。
    所谓“近距交易”,是指利用NFC通讯进行的交易活动,这种交易模式下,用户账户设置在智能卡芯片中。
    4.2 通过接口文件实现智能卡操作的方法
    在“远程交易”功能的设计过程中,课题组开发出了一种基于地址映射技术,通过读写为智能卡特殊设计的“接口文件”来实现对智能卡进行控制的方法。在不影响产品一般存储功能的情况下,实现智能卡功能。免去了为不同设备编写不同驱动的工作,使该产品的能够直接在所有支持存储卡的设备上实现智能卡应用。
    普通的存储卡为各种设备提供存储功能时的接口是文件系统,该接口是一种通用接口,因此能够实现免驱动访问,课题组开发出的技术即是利用存储卡的接口文件实现对存储卡内的智能卡的访问操作,从而实现智能存储卡的免驱动访问方式。
    本项目设计出的产品,如图6所示,包括存储器接口、存储器控制器、存储器、智能卡四部分。存储器提供给各种外部设备的接口是一个文件系统,外部设备对文件的操作被视为是对存储器的操作。利用所述原理,智能存储器的接口同样提供一个文件系统,但在该文件系统中设置一个智能卡接口文件,控制器将对该文件的读写都间接映射到智能卡上,最终实现对智能卡的操作,从而实现了免驱动的智能存储卡访问方式,任何支持访问SD卡的外部设备通过接口都可以方便的访问到存储器内嵌的智能卡模块。
    这里提到的智能卡接口文件具有以下的属性和特点:
    (1)如图6所示,智能卡接口文件设置在文件系统的根目录下,与“我的音乐”、“游戏”、“春游照片”、“文件1”、“文件2”等文件或文件夹位于同一目录,便于集中管理。
    (2)智能卡接口文件是一个虚拟文件,而普通文件如“文件1”等在存储器中有真实的物理位置。智能卡接口文件是通过控制器虚拟的文件,当外部设备读写该文件时,控制器并不会将读写的内容写到存储器里,而是解释成对智能卡的操作指令。
    (3)智能卡接口文件不占用存储器的存储空间,并且文件属性为隐藏。
    对于智能卡,外部设备首先向其发送命令,智能卡才会响应数据,对应到所述智能卡接口文件,需要现对该文件写操作,然后才能读操作以获取数据。相应的,控制器将外部设备对智能卡接口文件的写操作解析为发送命令到智能卡,将对该文件的读操作解析为接受命令的相应数据。如果是对根目录下其他文件的读写操作,控制器将解析为对存储器的操作命令,从而实现了区分不同指令的目的。
    以上内容介绍了一种智能存储卡的通用接口,各种类型的外部设备通过该接口即可访问存储卡内嵌的智能卡。访问智能存储卡的步骤为图7所示。
    4.3 立体天线设计
    在项目设计方案中,由于产品集成度要求,需要将天线内置到存储卡中,但在这么小的空间内,天线性能必然受到影响,在实现非接触式应用时信号比较微弱且容易受干扰。为解决这个问题,我和课题组使用了一种“立体天线”,并制作成月牙形状,最终放置到卡体月牙形区域中,这样就最大化利用了MicroSD的物理空间。
    这样设计还有一个好处,当这种智能存储卡插入具有MicroSD卡插槽的主机时(如手机),该卡体的月牙形区域将暴露在手机卡插槽外部,这样同时也使RF天线暴露在了卡槽外,这样RF天线就可以不被手机的卡插槽的金属外壳所遮挡,大大提升了RF天线的信号质量。该部分设计图见图8。
    5 技术综述
    本项目设计出的整合智能卡模块的存储设备,是为存储设备的一种全新的应用模式。充分利用存储设备的通用性和普及度的优势,整合了本处于两个不同领域的技术,为NFC的普及和现有智能手机的技术改造提供了一套新的解决方案,也为传统存储卡行业提供了一种全新的应用产品,为行业的发展注入了新鲜血液。
    本项目产品现阶段还存在着一些问题,特别是在全金属外壳手机以及存储卡槽被电池完全覆盖的手机产品上,还是存在信号不良的情况。我们计划从提高天线功率以及天线灵敏度角度对产品做进一步改进。
    本项目现已形成了成品,并在Computex 2011上对外公布,吸引了消费者和业内人士的关注,也得到了国内外媒体的广泛报道。
    作者单位
    深圳市江波龙电子有限公司 广东省深圳市 518057
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