物联网发展环境下的智能卡应用

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：赵文东 周光涛 李建功   人气： 发表时间：2011年10月11日

    引言

    物联网的基本理念是通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。感知延伸层是整个物联网体系架构中涉及面最广的一层，智能卡在整个物联网架构中属于感知延伸层部分。

    传统智能卡市场的竞争已经让企业的生存空间急剧缩小，近年来物联网的兴起给智能卡重新振作带来一个非常好的机会。智能卡作为一种感知物理世界，存储信息，传送数据的载体，随着物联网产业的发展，智能卡的应用与发展越来越快，其在金融、物流、家居、食品溯源等方面得到更广泛的应用。

    智能卡技术分析

    智能卡（smart card）是一种内嵌芯片的塑料卡，此类卡按照类型不同，可具备存储数据、处理数据以及被读写等功能，智能卡可以分为接触式卡和非接触式卡两大类，其中：

    1.接触式卡

    接触式卡需要读卡器进行信息的读写操作。与信用卡上的磁带条不同，这种卡的表面上镶嵌着一个小的金属片，当把卡插入读卡器时，这个小金属片就会同一个电子接头相接触，通过这个电子接头对芯片读写数据。从卡的结构来分，接触式卡主要分为以下两类卡：

    Ø 存储卡：存储卡不包含复杂的处理器，它不能动态的管理文件。存储卡与读卡器的通信是同步通信。IC电话机中的IC卡就是存储卡。
    Ø 微处理器卡：微处理器卡是我们在这要主要讨论的。她与存储卡的最大的区别就是：她具有动态处理数据的功能。微处理器卡的系统结构有些像PC机。她也有ROM，RAM，CPU和EEPROM.

    2、非接触式卡

    非接触式智能卡看上去和普通的塑料信用卡很相似，其在卡体中内嵌了一个天线和一个微电子芯片，当把它放近读卡器的天线时，它们之间就可以完成一次信息交换。这使其不用与耦合感应器做任何接触，就可与之交换信息，并且处理时间极短，这一特性，使非接触式智能卡在一些象高速公路收费站这样要求大批量超快速运转的场所成为理想的解决方案。

    目前在物联网应用中广泛采用的智能卡主要是微处理器卡（SIM卡，银行卡等都是微处理器卡）和非接触是卡，尤其是RFID、用户识别卡、近场支付类SIM卡及JAVA卡等，以下针对这几种卡原理和性能上进行分析比较。

    2.1 RFID

    RFID的基本工作原理是利用空间电感额耦合或者电耦合来进行通信，以达到自动识别被标识物体的目的。将RFID标签安装在被识别物体上（粘贴、插放、挂佩、植入等），当被标志物体进入无线射频识别系统的阅读范围时，标签和读写器之间进行非接触式信息通信，标签向读写器发送携带信息，读写器接收这些信息并进行解码，传输给后台处理计算机，完成整个信息处理过程。

    RFID技术具有如下特性：数据的读写功能；标签容易小型化和多样化；耐环境性；可重复使用；穿透性强；数据的记忆容量大，与传统的条形码相比，条形码识别物品的种类，而RFID技术确定每一个单独的物体对象。

    RFID系统的工作频段可以为低频（LF）（30-300kHz，典型频率有125 kHz，134.2 kHz）、高频（HF）（3-30MHz，典型频率为13.56M Hz）、超高频（UHF）（300-968MHz，典型频率869.6MHz、915.3MHz）、微波（MW）（2.45-5.8GHz，典型频率为2.45GHz）等四个频段，具体的频点由各个国家或地区的无线电管理部门确定。根据不同的工作频段，在无源的情况下，其技术特点和应用范围也不同，如下表所示：

    由于RFID的应用牵涉到众多行业，因此其相关的标准盘根错节，非常复杂。从类别看，RFID标准可以分为以下四类：技术标准（如RFID技术、IC卡标准等）；数据内容与编码标准（如编码格式、语法标准等）；性能与一致性标准（如测试规范等）；应用标准（如船运标签、产品包装标准等）。

    具体来讲，RFID相关的标准涉及电气特性、通信频率、数据格式和元数据、通信协议、安全、测试、应用等方面。

    与RFID技术和应用相关的国际标准化机构主要有：国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）、国际电信联盟（ITU）、世界邮联（UPU）。此外还有其他的区域性标准化机构（如EPC global、UID Center、CEN）、国家标准化机构（如BSI、ANSI、DIN）和产业联盟（如ATA、AIAG、EIA）等也制定与RFID相关的区域、国家、或产业联盟标准，并通过不同的渠道提升为国际标准。

    2.2 用户识别卡

    SIM(Subscriber Identity Module) 用户识别模块最基本的特性，一个是做身份标识，一个是做安全服务。身份标识是对网络的鉴权，也可以做很多应用方面的数据鉴权等方面。从安全服务上来说，它可以安全存储一些信息，或者说比较机密的信息可以存储在SIM卡里边。同时SIM卡有自己的认证能力和解决的能力。

    传感器终端专用SIM卡对于数据保存时间要求会更长。普通SIM卡在手机里边平均保存时间是10年左右，在工业或者特种行业下保存时间更长，十年、十五年甚至更高。另外还有擦写次数，物联网用的卡片和手机用的卡片不一样，平常的手机可以在每天开机、关机的次数并不是很多，正常的对SIM卡的擦写只是开关机的或者位置更换的时候；但是在机器领域，物联网领域，它的需求变化比较多，对擦写次数非常高。我们在现在一些行业反馈里边已经感受到，在这方面对SIM卡的质量需求也比较高。还有相应的速度，它的读取、以及异常探索。比如说在极高的温度下能够探测出来告诉SIM卡里边的软件。这里边包括对芯片的影响，包括对程序的设计都有影响。还有一种需求比较多，对分装工艺的影响，普通SIM卡分装工艺都采用PVC的材料，会有些不能满足当前工业级的要求。比如说抗震的要求，在车载方面，或者说极其恶劣的环境下，终端的卡片会不停的振动，会导致有些接触不良，抗震要求比较强烈。还有温度、湿度、抗静电等等方面都会有具体的要求。另外从安全角度来说，也会有对于防盗这方面的要求。曾出现过放在机器里的卡片被盗用出现在人通信中的情况。 

    2.3近场支付类SIM卡技术

    在近场支付中，目前市场上主要有13.56MHz和2.45GHz两种主流技术方案，13.56M的技术方案包括NFC和握奇主推的SIMPASS方案：

    NFC工作频点在13.56MHz，通讯距离设计为4厘米。主要实现模拟非接触式IC卡应用、点对点数据通讯功能、读卡机功能；
    SIMPASS方案工作频点也在13.56MHz，功能上只支持非接触式IC卡应用。产品外设交易距离感应天线，导致用户感受不佳，且易折损；
    2.45GHz方案通过不同读卡器模块和设备，工作距离可控制在4厘米、5米和50米等范围。主要实现非接触式卡应用、点对点数据通讯、读卡器功能。
    13.56MHz和2.45GHz两种技术方案，除了在终端侧以及一些技术层面有所差异外，在业务层面以及系统架构方面都有着共同之处。下表是近场支付卡业务特点： 

    2.4 JAVA卡

    JAVA 卡是一种可以运行 JAVA 程序的接触式微处理器智能卡，在卡中运行的程序叫Applet。Applet可以动态装载到JAVA 卡上。JAVA 卡的 API(JAVA Card Application Programming Interfaces Specification )为智能卡制定了一个JAVA语言的特殊子集。JAVA 卡和 JAVA 卡 API的出现使智能卡的编程变得既快又简单，同时这些卡的应用程序(Applet)可以在任何支持 JAVA 卡 API 的智能卡上运行。可以说 JAVA 卡的出现立刻解决了 JAVA 卡出现之前智能卡所遇到的问题。

    JAVA 卡还有两大优点：支持一卡多用途和重用。支持一卡多用途是指 JAVA卡上可以同时存在多个不同的应用。这些应用可以来自同一个卡供应商，也可以来自不同的卡供应商。这样一张 JAVA卡就可以完成不同的功能，例如，它可以有电子钱包功能，同时也可以有身份鉴别功能。重用是指 JAVA卡上的应用可以根据需要进行删除或重新添加新的应用，而无需更换新的智能卡，这样大大增强智能卡的灵活性。

    为了支持应用的可移植性，所有的应用使用标准K-JAVA进行编程。为了确保主应用和其他应用提供方的密钥完全隔离，需要创建特殊的密钥和安全管理应用，称为安全域。其中，主安全域是最主要的JAVA卡组件，用来集中管理JAVA卡。

    安全域是一种具有特殊权限的应用，其拥有用于安全信道的建立密钥，并进行卡片应用的管理。每一个应用以及可执行加载文件（Executable Load File）都与一个安全域相关联。应用可以使用它所关联的安全域提供的安全服务。

    所有卡片都必须至少拥有一个安全域：主安全域（Issuer Security Domain）。支持多安全域的卡片允许应用提供方通过它所拥有的安全域来管理自己的应用，并使用安全域密钥向应用提供密码服务，这些安全域密钥与主安全域完全隔离，并且不受主安全域的控制。

    智能卡的应用

    随着物联网产业的兴起，智能卡将广泛应用于物联网丰富场景中，尤其是仓储物流、近场支付以及一卡通等场景，下面对电信运营商关注的典型物联网应用进行需求分析，结合几种智能卡各自的技术特点和应用范围的不同，给出具体的应用方案。

    3.1仓储物流

    3.1.1需求描述

    以前的仓储管理系统通常使用条码标签或是人工仓储管理单据等方式，这些管理方式有着工作繁琐，数据量大、易出错漏、盘点周期长、货物缺失或被偷盗不能及时发现等明显的缺点。RFID无线射频技术的引入，将使得企业仓库管理变得透明并提高工作效率。随着市场竞争日益激烈，提高生产效率、降低运营成本，对于企业来说至关重要。仓储物流管理广泛应用于各个行业，设计及建立整套的仓储管理流程，提高仓储周转率，减少运营资金的占用，减少由于仓储淘汰所造成的成本，是为企业提高生产效率。

    3.1.2业务场景 

    3.1.3技术分析

    3.1.4技术建议

    1、实施方式
    将RFID电子标签贴在每个货物的包装上或托盘上，在标签中写入货物的具体资料、存放位置等信息，采用RFID标签管理有利于出入库和盘库时批量读取和提高仓储管理的准确率。
    入库时：贴有RFID电子标签的产品由装卸工具经由RFID阅读器与天线组成的通道进行入库，RFID设备自动获取入库数量并记录于系统，入库完成后，系统更新库存资料，并标注各批次货物的库位信息。
    出库时：产品出库时，出口闸RFID阅读器读取产品上的RFID标签获取出库信息，并核实出货产品与出库单中列出产品批号与库位是否正确。出库完毕后，仓储终端提示出库详单供管理员确认，并自动更新资料到数据库。
    盘库时：工作人员可采用手持阅读器定期盘库，近距离读取货物标签信息，并与后台管理系统比对，人工盘点库位货物品种、数量、生产日期是否与后台系统一致。如不一致，可现场对系统信息进行修正。 

    2、原因
    RFID技术是利用空间电感耦合或电磁耦合来进行通讯，已达到自动识别物体的目的，在仓储物流行业应用中，由于RFID标签是非接触、保密、安全性高，而且没有接触磨损，寿命长，抗恶劣环境性能好等特性，适合在长距离（几米内）自动识别信息和批量读取。 

    3.2近场支付

    3.2.1需求描述
    近场支付是以SIM卡为核心，以RFID非接触技术为基础的创新性业务.它为移动运营商的客户提供在相关小额支付场所利用SIM卡内置的电子钱包进行消费的功能，可以广泛用于公交、便利店等支付场所。

    3.2.2业务场景

    3.2.3技术分析

    3.2.4技术建议

    1、实施方式
    用户手机支付终端（SIM卡）通过业务订购请求向多应用管理平台申请应用下载，多应用管理平台经过鉴权确认后通过有线方式或者通过空中方式（OTA）进行应用下载。在应用下载至SIM卡成后，手机支付平台为用户完成开户及账户绑定工作，并再次通过多应用管理平台对完成对用户SIM卡的个人化操作。在个人化成功后，手机支付平台通知用户业务开通。
    若为银行类交易，支付终端（NFC手机或SIMPASS卡）与POS机需遵循PBOC规范。

    2、原因
    国内外移动支付的通行标准使用13.56M频段，为保证预期实现互通，所以选择NFC和SIMPASS技术。且13.56M可较易将通信距离控制在4CM之内，有效防止误刷。

    3.3一卡通

    3.3.1需求描述
    一卡通是以SIM卡为核心，以RFID非接触技术为基础的创新性业务.它为移动运营商的集团客户提供包含门禁、考勤、内部消费、增值服务（如考勤帐单、消费帐单通知）等功能在内的集团信息化支付业务。

    3.3.2业务场景

    3.3.3技术分析

    3.3.4技术建议

    1、实施方式：首先在SIM卡建立一个主安全域。应用提供方通过它所拥有的安全域来管理自己的应用，并使用安全域密钥向应用提供密码服务。各第三方应用提供商将应用提交至多应用管理平台，用户所订购的业务通过多应用管理平台进行下载与更新。应用的更新与密钥的下载可以通过有线方式或者通过空中方式（GPRS）利用OTA服务器实现。若应用文件较大，手机需打开BIP通道。
    2、原因：第三方这些安全域密钥与主安全域完全隔离，并且不受主安全域的控制。应用可以访问关联安全域提供的服务。通过使用这些服务，应用根据安全域提供的加密支持来确保个人化和运行时期间的机密性和完整性。工作于2.4G 的RF-SIM由于其为CPU卡，具有安全性高，不易产生信道拥塞的优点，在用于人群密集的封闭式环境具有一定优势。

    结论

    智能卡技术虽然已应用多年，其优点为可应用于各种行业并为其提高效率降低成本，但由于智能卡本身的成本较高，标准各一，且分装工艺等问题，所以一直得不到大面积的应用，如RFID技术便是由于其较高的成本仅在物流、贵重商品溯源等方面有所采用。物联网的兴起为智能卡的大规模应用提供了契机，也为智能卡的发展及应用开辟了道路。

    RFID技术具有非接触、保密、安全性高，无接触磨损，寿命长、抗恶劣环境性能好、自动识别信息和批量读取等优势特性，随着物联网产业规模的扩大及应用的增多，RFID技术的广泛使用将使其成本降低，逐步应用于更多的行业。

    物联网产业的推进将催生行业SIM卡的发展，其针对不同的行业应用，与普通SIM卡相比将具备更多的特性，如更大的卡容量，更长的使用期，更多的擦写次数，更强的适应环境的能力，更先进的材质及更安全的使用机制，具体的行业SIM卡特性需制定相关规范予以支撑。

    近厂支付类SIM目前主要以13.56MHz的NFC技术为主，其由于能够实现模拟非接触式IC卡应用、点对点数据通讯功能、读卡机功能，且通讯距离较短，非常适合于近场支付类业务的应用。

    JAVA卡的应用是未来智能卡发展的趋势之一，基于它人们可以通过一个手持终端实现缴费、门禁、考勤以及多种增值服务，并且多应用之间通过安全域技术实现密钥安全隔离。可以说，JAVA 卡的出现统一了智能卡的编程接口(API)，统一了智能卡的编程语言(JAVA语言)，为智能卡的更大范围的使用提供了基础，真正使智能卡行业成为一个统一标准的产业。

    电信运营商作为物联网产业链中与智能卡最紧密的一环，在物联网用智能卡研究方面，应在参考行业相关标准基础上提出相应规范和标准，积极投入推动物联网SIM卡的国际标准工作。在物联网用智能卡的生产方面，结合物联网行业对于行业SIM卡的要求，推动模块与卡一体化生产和管理，根据不同行业应用发展嵌入式SIM卡与终端，对物联网行业应用SIM卡制定相应的发卡、放号流程并规划号段管理，并且由于物联网SIM卡应用的特殊性应考虑其卡激活流程等内容。（文/中国联通集团研究院 赵文东 周光涛 李建功）