物联网系统设计.docx

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物联网系统设计

物联网技术与应用

系统设计

题目：

手机一卡通系统

姓名：

XXX

学号：

XXX

专业：

XXX

班级：

XXX

指导教师：

XXX

2013年11月28日

1.4什么是RF-SIM卡.……..…………….……………………………………..6

1.5什么是手机一卡通系统……………………………………………………...6

3.5校园一卡通数据中心……………………………………………………..14

3.6手机一卡通消费系统……………………………………………………..16

4.4商业模式……………………………………………………………………18

总结…………………………………………………………………………………..18

RFID新领域：

手机一卡通系统

摘要随着物联网技术的兴起，带动射频组件价格下降，因此其他商业领域也将加大对射频识别技术的依赖。

射频识别技术（RFID）使得一个微小的便携标签也能传输数据，只需要一个阅读器就能解读并根据特定应用需要处理数据。

这个技术最近才在这个大市场兴起。

在手机业务中，射频识别技术并不像在其他行业那样运用广泛，但围绕它的讨论，现在已经很热烈了。

分析人士预测，射频识别技术将通过降低成本并提供更好地管理彻底改变随着射频识别系统中器件，标签和阅读器变得越来越小，越来越便宜，这个技术开始广泛应用于各个行业，并且手机的应用非常广泛，射频识别技术使手机在这个方向上跨出了第一步。

手机和射频识别技术相结合是手机通信服务的一个巨大的潜在市场，RF-SIM卡的应用就是发展的主要对象。

本文将重点介绍手机与校园一卡通相结合的技术应用，集成的一个服务于在校大学生的手机系统，即手机一卡通系统。

关键字：

物联网技术，RFID，NFC技术，一卡通，RF-SIM卡，通信。

第一章提出问题

1.1什么是物联网

物联网是新一代技术组成的重要成分，其英文名为“TheInternetofthings”,其含义就是物物相连的互联网。

其中国定义为：

物联网是一个基于互联网，传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联的网络。

其欧盟定义为：

物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。

物联网的关键技术有RFID、传感网、M2M、两化融合等。

物联网将各种信息传感设备，如无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetwork）节点、射频识别（RFID，RadioFrequencyIdentification）装置、红外感应器、移动手机、PDA、全球定位系统（GPS，GlobalPositioningSystem）、激光扫描器等各种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。

在现代社会中，物联网的应用相当广泛。

1.2什么是RFID技术

射频识别RFID（RadioFrequencyIDentification）,又称电子标签、无线射频识别。

它是一种通信技术，可通过无线电信号来识别特定目标并读写相关数据，而无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

RFID的基本组成部分如下：

（1）标签（Tag）：

由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；

（2）阅读器（Reader）：

读取（有时也可以写入）标签信息的设备，可设计为移动式或固定式；

（3）天线（Antenna）：

在标签和读取器间传递射频信号。

图2—1RFID基本组成图

RFID技术的基本工作原理：

标签进入磁场后，接收到阅读器发出的射频信号，无源标签或被动标签（PassiveTag）凭借射频电磁波束中所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，有源标签或主动标签（ActiveTag）则主动发送某一频率的信号；阅读器读取信息并解码后，将信息送至中央信息系统进行相关数据处理。

RFID的关键技术如下：

（1）标签的能量供应

有源标签自带电池，用于给数据载体供电。

而无源标签工作所需能量则从射频电磁波束中获取，和有源射频识别系统相比，无源系统需要较大的发射功率，射频电磁波在标签上经射频检波、倍压、稳压、存储电路处理，转化为标签工作所需的工作电压。

（2）标签到阅读器的数据传输标签回送到阅读器的数据传输方式可归结为三类：

（a）利用负载调制的反射或反向散射方式（反射波的频率与阅读器的发送频率一致）；

（b）利用阅读器发送频率的次谐波传送标签信息（标签反射波与阅读器的发送频率不同，为其高次谐波（n倍）或分谐波（1/n倍））；

（c）其它形式。

（3）数据传输的完整性与安全性由于数字信号在传输的过程中会受到干扰，故其传输至接收端可能发生误判，为保证数据的完整性，可以使用校验和法来识别传输错误并进行校正，最常用的是奇偶校验法以及冗余校验法。

在与安全相关的领域，例如出入系统、售票系统越来越多地应用射频识别系统，在数据传输的过程中难免不受到攻击，因此必须采取一定的防范措施保证数据安全，例如可以通过在阅读器与标签之间建立密钥来对要传输的数据进行加密，达到安全的目的。

（4）多目标识别技术（反碰撞算法）

当阅读器信号作用范围内存在多个标签，同一时刻有两个或两个以上的标签向阅读器返回信息时，将产生冲突。

解决冲突的算法称为反碰撞算法。

传统无线电技术（如通信卫星、移动电话网）已有空分多路法、频分多路法、时分多路法以及码分多路法来解决类似问题。

但在射频识别系统中，由阅读器和标签构成的无线网络有以下特征：

（a）规模：

每个阅读器工作区域内可能存在大量标签；

（b）体积：

标签附着在各种商品上，体积不能太大；

（c）成本：

粘贴标签的商品本身价值可能很低，所以标签的成本不能太高；

（d）通信量：

标签内包含的信息量很少，阅读器与标签间的通信时间很短。

所以解决射频识别技术标签冲突的反碰撞算法存在与传统无线电技术不同之处。

现有的反碰撞算法主要是ALOHA算法、分隙ALOHA算法、二进制搜索算法等。

1.3什么是NFC技术

（1）NFC技术简介

NFC是NearFieldCommunication缩写，即近距离无线通讯技术。

由飞利浦公司和索尼公司共同开发的NFC是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通信。

NFC提供了一种简单、触控式的解决方案，可以让消费者简单直观地交换信息、访问内容与服务。

NFC近场通信技术是由非接触式射频识别（RFID）及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。

工作频率为13.56MHz.但是使用这种手机支付方案的用户必须更换特制的手机。

目前这项技术在日韩被广泛应用。

手机用户凭着配置了支付功能的手机就可以行遍全国：

他们的手机可以用作机场登机验证、大厦的门禁钥匙、交通一卡通、信用卡、支付卡等等

与RFID一样，NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，但两者之间还是存在很大的区别。

首先，NFC是一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线连接技术，其传输范围比RFID小。

其次，NFC与现有非接触智能卡技术兼容，已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。

再次，NFC还是一种近距离连接协议，提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信。

与无线世界中的其他连接方式相比，NFC是一种近距离的私密通信方式。

NFC、红外线、蓝牙同为非接触传输方式，它们具有各自不同的技术特征，可以用于各种不同的目的，其技术本身没有优劣差别。

NFC手机内置NFC芯片，比原先仅作为标签使用的RFID更增加了数据双向传送的功能，这个进步使得其更加适合用于电子货币支付的；特别是RFID所不能实现的，相互认证和动态加密和一次性钥匙（OTP）能够在NFC上实现。

NFC技术支持多种应用，包括移动支付与交易、对等式通信及移动中信息访问等。

通过NFC手机，人们可以在任何地点、任何时间，通过任何设备，与他们希望得到的娱乐服务与交易联系在一起，从而完成付款，获取海报信息等。

NFC设备可以用作非接触式智能卡、智能卡的读写器终端以及设备对设备的数据传输链路，其应用主要可分为以下四个基本类型：

用于付款和购票、用于电子票证、用于智能媒体以及用于交换、传输数据。

工作原理

支持NFC的设备可以在主动或被动模式下交换数据。

在被动模式下，启动NFC通信的设备，也称为NFC发起设备（主设备），在整个通信过程中提供射频场（RF-field），。

它可以选择106kbps、212kbps或424kbps其中一种传输速度，将数据发送到另一台设备。

另一台设备称为NFC目标设备（从设备），不必产生射频场，而使用负载调制（loadmodulation）技术，即可以相同的速度将数据传回发起设备。

此通信机制与基于ISO14443A、MIFARE和FeliCa的非接触式智能卡兼容，因此，NFC发起设备在被动模式下，可以用相同的连接和初始化过程检测非接触式智能卡或NFC目标设备，并与之建立联系。

图为NFC主动通信模式。

NFC主动通信模式

1.4什么是RF-SIM卡

RF-SIM卡是可实现中近距离无线通信的手机智能卡,专利技术是一个可代替钱包、钥匙和身份证的全方位服务平台。

它的最大特点是不需换手机，现有手机换一张智能卡后就成了类NFC手机，但使用的频率是2.45G,不是13.56M，通信距离可在1-500CM自动调整，单向支持100M（数据广播）

RF-SIM卡内具备COS（微型操作系统），区别于逻辑加密卡，具备极高级别的安全管理措施，可通过手机读写卡内个性化数据，它通过将最新的射频技术集成到手机SIM卡里，使手机使用者仅需要更换一张智能卡，便可以使现有的手机变成类NFC手机。

不但拥有普通SIM卡的所有功能，还拥有一个可代替钱包、

钥匙和身份证的全方位服务平台

RF-SIM卡结构

1.5什么是手机一卡通系统

手机一卡通系统是在传统一卡通的基础上，结合移动通信运营商的短信、移动办公等平台，利用最新的智能卡技术，将卡片与手机相结合。

持卡人等只需要用手机，即可完成身份认证、电子支付等功能。

同时利用移动通信运营商的短信、移动办公等平台，实现智能卡与手机的互动，利用手机可以方便的查询一卡通相关的各类信息，实现挂失、注销等手机一卡通操作，接收相关通知等功能。

手机一卡通管理平台概述：

金融交易平台:

一卡通金融交易平台主要负责：

一卡通内帐户消费交易记录信息的收集和综合汇总统计处理。

金融交易应用的系统：

餐饮及其它消费、联网式水表、联网式电表、集中式电表、集中式电控等小额支付等。

主要功能是管理各种电子钱包的消费功能，在学校及生活区内，凡涉及到现金使用的任何一个一卡通消费网点，手机一卡通的电子钱包都能通用。

身份识别平台:

主要负责：

一卡通身份识别的信息汇总统计和综合处理。

身份认证应用：

身份认证系统、门禁系统、考勤系统、人员监管、大门出入系统、通道机身份认证、移动身份识别等。

管理中心:

管理中心负责对一卡通系统运营的管理，主要功能包括系统参数设置、终端管理、人员管理、商户管理、系统数据管理和实时集控平台等

结算中心:

负责对单位、消费经营户、持卡人在一卡通系统中的资金和账目进行管理。

分为消费经营管理与结算，系统综合财务报表（营业和出纳），各种补助的管理与发放，卡业务注销与清算，主机现金充值，分类明细报表（年、月、日、餐、客户分类等报表）等模块。

并支持清分清算功能。

制卡中心:

负责整个一卡通系统中所有用卡的初始信息录入，包括卡的物流管理，并生成相应的报表和流水记录。

第二章需求分析

手机的广泛应用将带来手机功能的变革，而在校园中，可以说百分之百的学生都是手机用户，而各个高校的各种管理系统一般都是通过校园一卡通来进行管理，将一卡通的应用加载到手机应用层面，那将是会使校园管理更加信息化，自动化，便捷化，因此，开发一个手机已开通系统将会为校园管理带来极大的方便。

2.1手机应用

在现在大学校园中，每个学生都拥有自己的手机，而且，由于NFC技术在国内外的迅速发展，很多品牌的手机都应用到了NFC技术。

早期的有诺基亚，三星，索尼等，近年来，随着Android智能手机的出现，手机的功能越来越丰富，NFC的应用也更广泛，几乎所有的手机都具有NFC技术。

因此，基于NFC的手机功能系统开发，已具备条件。

2.2校园一卡通应用

随着学校管理现代化方向意识的不断增强，基于卡片应用的计算机管理系统已日益普及，学生持有传统的多种卡片和不同证件已司空见惯。

然而，随着各种卡证的管理功能不断发展，由于传统卡功能的局限，常常需要给学生签发多张卡证才能满足管理上的需要，如学生证、图书证、医疗病历卡、出入胸卡、就餐消费卡、上机卡等，不仅增加管理成本，也给每个学生管理自己的卡片增加了难度，有时甚至是“卡多为患”。

这种传统的校园管理方式具有诸多弊端：

（1）没有实现真正的现代化校园管理；

（2）给学校管理带来负担；

（3）增加了学校的管理成本；

（4）学生并没有如逾期般方便、轻松的在校园通行。

现代化的校园管理应该具有：

高速的信息传递、管理更精细周到而工作更轻松方便、能促进学校教育、教学质量推向一个新阶段。

信息时代的校园，当然离不开信息化的管理。

校园一卡通将智能IC卡的强大功能与计算机网络的数字化理念融入校园，将学校各个系统连为一体，动态掌握每一持卡人情况，极大提高学校的管理水平。

并为IC卡技术应用于社会创立了典范。

校园一卡通是以IC卡为信息载体，适用于校园消费和管理的网络系统。

IC卡取代了学校管理和生活中所使用的各种个人证件和现金支付手段，在一张小小的IC卡上实现生活消费、学籍管理、身份认证、网上交费等多种功能。

校园IC卡与银行联网，可以在校内外银行网点和指定商户圈存、圈提、取现、消费，真正做到一卡通用。

校园IC卡的推广使用将极大方便学生、教工的生活，减轻携带各种证件的烦恼，并与学校其他信息基础设施相配合，促进校园信息化管理水平的提高。

2.3校园市场

对于运营商：

（1）通过手机一卡通业务黏住用户，提高用户使用本运营商手机及服务的忠诚度；

（2）通过手机一卡通业务可以增加新用户并培养其使用习惯，从而抢占其它运营商的用户；

（3）学校具有特殊性，每年都有新学生进来，因此每年的招生名额都是潜在的且确定的用户。

对于学校：

（1）系统的运行与加工处理可以提取大量的信息资源，累积和整合学校管理决策所需要的管理与控制信息，可以帮助学校将管理过程逐步升华完善为“数据——信息——决策——控制——考核”的过程，使管理更加科学化、规范化，提高管理效率，使学校的管理水平跃升到更高的平台。

（2）可以有效地对学生进行管理，提高管理的质量和效率；

（3）可以有效控制人员的出入，提高了学校的人身和财产的安全和日常的管理秩序。

（4）“手机在手，走遍校园”，使得广大教师职工和学生的工作、学习，特别是生活方面带来了极大便利，提高了活动的质量。

2.4手机一卡通应用需求

目前大学校区内有多套与卡、证、票、现金使用密切相关的系统，例如：

超市消费系统、图书管理系统、宿舍门禁系统、电脑机房管理系统、校巴公交系统、热水供应系统等，由于各系统有相应独立的管理体制，给学校的统一管理、财务统管、学生使用带来了一定的不便。

广州联通提出通过建设以2.4GHZRF-USIM卡技术为基础的手机一卡通平台，将学校内凡是同卡、证、票、现金使用密切相关的系统整合在一起，达到用一部手机来代替原有的卡、证、票、现金，从而方便学校广大师生的教学、科研、学习、生活和管理。

在方便广大师生的同时，提高学校的管理水平、服务水平，降低学校和师生在卡、证、票方面的投入，另外在取代原有的卡、证、票、现金过程中也达到财务统管的目的。

图为手机一卡通功能构想

第三章系统设计

3.1一卡通系统整体架构

1.介绍：

校园一卡通包含多个子管理系统，如考勤管理，消费管理，图书馆借书管理等，每个系统又包含多个功能模块，整体的系统架构如下图：

3.2手机一卡通组网方式

一卡通系统的功能比较复杂。

首先，校园有多个部门，每个部门都有自己内部的局域网，要想把手机一卡通应用到每个部门，就需要连接每个部门的局域网；其次，手机一卡通应用于整个校园中，因此在校园局域网中，手机一卡通也需要通过网络防火墙，连接到校园局域网；然后，手机一卡通的消费系统需要连接银行系统接口来实现金钱的交易。

综上所述，可以把手机一卡通的组网方式用下面的组网结构图来表示：

3.3软件架构

手机一卡通软件功能大体上按下图结构来设计的。

1.用户层：

主要是用户界面的设计。

用户可以通过软件来进行个性化管理，用户可以通过手机查询个人信息，以及管理自己在各个系统的信息，如银行系统，教务系统，图书系统，消费系统等。

2.表现层：

表现层是为用户层服务的，用户层通过表现层来进行各个系统的操作。

表现层的设计主要是各种服务类接口，如消费POS机接口，移动PDA接口，读写卡接口，WEB服务接口，以及各个子系统接口，子系统接口的设计，放置在综合前置中，便于维护。

另外，还需提供业务逻辑入口，来连接业务逻辑控制即逻辑层。

3.逻辑层：

逻辑层是软件架构设计的一个重要部分。

逻辑层大体上分为公用组件和专用组件两大部分，公用组件是给每个子系统提供的服务。

包括身份认证，权限管理，清算管理，卡务管理，财务结算管理，人员信息管理，单位信息管理，综合查询系统分析等。

专用组件是为每个部门设计的，服务于不同的部门。

专用组件大致上有以下方面：

pos消费，机务管理，多媒体教室管理，电子阅览室管理，浴室管理，医疗收费管理等等。

逻辑层是整个系统架构中的核心部分，也是整个系统中的主要部分。

4.存储层：

存储层包含三个主要系统：

一卡通金融相关信息，一卡通认证相关信息，一卡通公共信息库。

下面对三个系统作出详细介绍。

（1）一卡通金融相关信息：

该子系统主要是存储一卡通系统中所要进行的有关金融交易的所有信息，对于每一个用户，其金融方面的信息都保存在该系统中，以供管理者进行维护和查询。

该系统设计需要一个大型数据库，用来保存所有用户的信息，考虑到和金融有关，因此，在设计数据库时，数据库的安全性要有保障。

设计数据库时，采用MD5加密算法，防注入式攻击，并且建立系统维护团队，负责后期维护。

（2）一卡通认证相关信息：

该系统是存储本系统的用户信息。

一卡通认证系统需要保存新用户在使用本系统进行认证时，所注册的个人信息。

包括用户的姓名，学号，班级，银行卡号，手机号等等所有个人的私有信息。

考虑到用户的信息安全问题，该系统设计时对于安全需求应和上述系统一样，放在最高层面。

同样建立相应的维护团队进行专门维护。

（3）一卡通公共信息库：

一卡通公共信息库是一卡通存储系统的中心部分。

该系统不仅要存储各个部门与一卡通系统的接口，而且还要保存每个系统中的公用部分，即每个用户都可以访问到的部分。

另外，逻辑部分的公用组件信息，都要保存到一卡通公共信息库中。

公共信息库提供了整个系统的公共部分，每个用户通过访问公共信息库，可以进行所有公共权限的操作，因此，在设计系统的时候，访问权限是一个需要慎重考虑的的因素。

在整个手机一卡通软件架构的设计中，安全管理需要涉及到每一个层面。

因此在此四层架构的基础上，还须要设计安全管理系统，用来维护整个软件的安全性问题。

下图是校园手机一卡通的软件架构示意图：

3.4系统接口设计

系统的接口是把各个子系统系统连接起来正常运转的关键。

在系统接口设计上，可以考虑三大主要部分：

①与校园现有的应用系统的对接

校园系是一个庞大的复杂的系统，但是在现代化的校园中，校园数字化发展的已有相当长的一段时间。

因此，在接口设计上，技术难题应该不是太大。

与校园原有系统接口的设计，可以考虑原有系统的可扩展性。

在原来的系统上创建一个新的接口与手机一卡通系统进行数据访问，并且要求双方采用共同的传输协议。

而对一卡通系统的要求则需要与多个系统建立接口，同时要考虑到系统的稳定性和可扩展性。

该问题应在系统设计时给予解决、该系统接口的设计需要包括图书馆系统。

上机管理系统，财务系统，缴费系统等子系统的对接。

而具体的功能实现由于篇幅太长，在此不予赘述。

②与银行系统的接口

与银行系统的接口涉及到金融安全性问题。

因此需要对接口网络的安全严格把关。

而对于该接口的设计，学校方面和银行方面分别需要考虑一些功能的实现。

学校方面需要考虑的功能：

a.一卡通消费短信提醒功能，以及账户余额变动提醒功能。

b.一卡通账户锁定及解锁功能，可通过手机短信和电脑终端进行锁定和解锁，并在操作过程中需要输入密码。

c.账户余额短信查询功能。

d.消费记录短信查询功能。

可以按不同的条件进行查询，查询条件以彩信方式返回。

银行方面需要考虑的功能：

设置转帐前置机，预留转账接口，具体实现由银行负责具体建设方案。

③与新系统接口

与新系统的接口首要考虑的是系统给的可扩展性。

在新系统中，迎新系统是一个很重要的系统。

因为校园每年都要面对新生入学注册问题，因此，都会有大批的新的数据的输入。

因此，与迎新系统的对接时，需要对数据输入作出严格的调控。

对接方式为：

将手机一卡通的读卡终端与迎新系统对接，在迎新工作开始前，将新生号码与手机号码信息预先写入，当新生入学时，直接使用RF-SIM卡“手机一卡通”进行新生信息读取和写入。

下图给出了系统接口设计的图解：

3.5校园手机一卡通数据中心

“校园手机一卡通”数据中心是整个系统的数据管理和存储中心，保证数据的安全性、可靠性、唯一性，它为应用服务中心平台及应用子系统提供高效数据访问和处理服务。

“校园手机一卡通”数据中心是一卡通的核心部分，所有的数据操作和业务逻辑都是由后台系统的相应处理程序来处理的。

所以后台系统的安装质量和日常运行的状态都直接影响整个系统的运行稳定性。

一卡通中心含操作系统软件和数据库管理软件，一般工程部署2台数据库服务器组成双机热备系统，保证多个实例能够同时访问同一数据库（存储器）。

为整个系统数据提供了容错、负载均衡和性能效益。

数据服务器及应用服务器集群。

管理中心机房采用独立电源和独立的UPS电源。

校园手机一卡通数据中心分为金融数据中心和身份数据中心两大部分，下面是详细介绍：

金融数据中心

一卡通的金融中心是所有金融交易的业务控制中心和所有金融交易的数据存贮中心。

包括金融数据库和相应的后台服务进程。

金融数据库包含以下几方面信息：

开通登记表、卡销户表、商户和管理帐户数据字典、商户帐户字典、全局设置数据字典、学校代码、日报字典、操作费用设定、各种代码、持卡人消费折扣、系统管理和运行环境设置数据字典、组织部门、系统登记、系统参数、操作员、操作员权限、事件代码、系统信息、操作员日志、流水帐数据字典、交易流水、补助发放流水、历史流水、收费明细、报表部分数据字典、对帐不符清单、业务统计报表、清算报表、商户历史表、按部门统计报表、日报表、核算单位统计报表等。

身份数据中心

一卡通的身份中心保存所有一卡通相关身份信息单位、部门和人员的信息包括身份认证数据库和相应的后台服务进程。

身份认证数据库主要包含以下几方面内容：

身份数据基本字典信息、国籍信息、民族信息、身份类别信息、证件类型信息、校/厂区信息、卡样管理表、部门组织信息、黑名单信息表、技术职称、行政职务、文化程度、宿舍（苑/栋）、政治面貌信息、身份数据基本信息表、学生扩展信息表、教职工扩展信息表、校外人员扩展信息表、相片信息、学生相片信息表、教职工相片信息表、校外人员相片信息表、操作员及权限信息、操作员代码信息、操作员权限信息等。

3.6手机一卡通消费系统

校园手机一卡通消费系统适用于校内