摘 要

主机卡模拟（HCE，Host-based Card Emulation）是一种在配备NFC功能的手机上基于软件实现卡模拟的方式。随着智能手机的普及与发展，将该技术在门禁系统中用于模拟门禁卡可以达到取缔繁琐操作、减少资源浪费的目的。

本设计通过NFC的主机卡模拟机制，在型号为小米note3的手机上开发NFC主机卡模拟应用程序，应用程序具有读卡功能、写卡功能和模拟功能。本设计主要从以下几个方面进行研究：

首先介绍了Android平台、NFC技术以及系统开发涉及的其他技术知识；其次从卡模拟系统的总体需求和功能需求大小两个方面对其进行需求分析；核心部分阐述了卡模拟系统的整体架构、各个功能的具体设计与实现以及系统的界面展示；随后介绍了该门禁卡模拟系统的测试方法与测试结果。在论文的最后，对成果进行了经济性分析、总结并对其未来的发展进行了展望。

关键词：Android；近场通信技术；主机卡模拟

Abstract

HCE (Host-based Card Emulation) is a software-based card emulation method on an NFC-enabled mobile phone. With the popularization and development of smart phones, the technology used in the access control system to simulate access control cards can achieve the purpose of eliminating cumbersome operations and reducing resource waste.

This design develops an NFC host card emulation application on the mobile phone model Xiaomi note3 through the NFC host card emulation mechanism. The application has a card reading function, a card writing function and an analog function. This design mainly studies from the following aspects:

Firstly, it introduces the Android platform, NFC technology and other technical knowledge involved in system development. Secondly, it analyzes the requirements from the overall requirements and function requirements of the card simulation system. The core part explains the overall architecture of the card simulation system. The specific design and implementation of the function and the interface display of the system; then the test methods and test results of the access control card simulation system are introduced. At the end of the paper, the results of the economic analysis, summary and prospects for its future development.

Key Words: Android; Near field communication technology; host card emulation

目录

摘要 2

Abstract 3

第1章 绪论 1

1.1 项目背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 门禁系统发展历程及其趋势 1

1.2.2 NFC国内外发展 3

1.2.3 国内外研究现状 5

1.3 研究目的及意义 6

1.4 本研究的基本内容 8

第2章 系统架构设计及分析 9

2.1 系统需求分析 9

2.2 软件总体设计 9

2.2.1 Android操作系统架构 10

2.2.2 Android应用程序结构 10

2.2.3 Android组件与界面 11

2.3 硬件总体设计 14

2.3.1 NFC通信模式 14

2.3.2 NFC工作模式 15

2.3.3 读卡硬件设计 15

2.3.4 模拟功能硬件设计 17

2.4 本章小结 17

第3章 NFC协议关键技术分析 19

3.1 NFC协议族 19

3.2 NDEF协议分析 19

3.2.1 NDEF消息组成 19

3.2.2 NDEF记录组成 20

3.2.3 NDEF数据设计 21

3.3 RTD协议分析 21

3.3.1 Text文本分析 21

3.3.2 RTD数据设计 22

3.4 本章小结 22

第4章 应用程序设计与实现 23

4.1 应用程序GUI 23

4.1.1 应用程序GUI设计 23

4.1.2 应用程序GUI实现 23

4.2 NFC前台调度系统 27

4.3 读卡功能 27

4.3.1 读卡功能设计 28

4.3.2 读卡功能实现 29

4.4 写卡功能 33

4.4.1 写卡功能设计 33

4.4.2 写卡功能实现 33

4.5 模拟功能 35

4.5.1 模拟功能设计 35

4.5.2 模拟功能实现 36

4.6 本章小结 36

第5章 实验结果与分析 37

5.1 系统测试方法 37

5.1.1 NFC标签读取功能测试 37

5.1.2模拟功能测试 37

5.1.3 NFC卡区块读取 38

5.1.4 写入Text测试 38

5.1.5 写入打开短信功能测试 39

5.2 经济性分析 40

5.6 本章小结 40

第6章 总结与展望 41

致谢 42

参考文献 1

第1章 绪论

1.1 项目背景

21世纪以来，随着移动设备和物联网等信息技术的不断发展，民众使用移动设备的数量呈现出了爆炸性的增长趋势，手机、平板电脑等移动设备技术的推广进一步使得应用软件不断地被更新和完善，通信的方便快捷以及安全性成为人们追寻的目标。NFC技术随着科技的发展应运而生，其与移动设备的技术融合，促使在移动终端上对新一代创新应用开发运动的正式开启——用户得以使用更快捷、更简便的方法收发数据，NFC技术因此受到众多国家政策支持和运营商的积极推广^[1]。

我国传统的机械门作用及安全性有限，更不能满足管理的需求。于是，就产生了门禁系统，随着技术的突破，门禁系统也随之发展。在互联网 的概念席卷而来之时，门禁产品迎来了又一个机遇。如今，基于信息技术的门禁系统研究方兴未艾，应用这方面技术的出入管理系统已经发展得较为完善。然而尽管在不断进步，现有的系统也存在许多问题：用于身份识别的磁卡因为使用频次增高而逐渐被损毁，而且磁卡本身体积小，容易丢失，落入外人手里可能还会造成财产损失和个人信息的泄露。磁卡还有相当的制作成本，有的甚至要一直插在卡槽中才能使用，这也给我们的生活带来很多不便。

与此同时，智能手机的普及与发展，以及NFC技术的出现给了门禁系统新的展望，人们不断尝试将智能手机应用于门禁系统，并从中积累了宝贵的经验。取缔繁琐的操作，减少人力资源的浪费，酒店门禁系统、校园卡门禁系统等都给人们带来了便捷^[2]。论文将结合NFC技术的应用实际，以HCE技术为主要研究对象，研究HCE技术与门禁卡系统的结合过程，来进行门禁卡模拟系统的设计。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 门禁系统发展历程及其趋势

（1）门禁系统的发展历程

早在人类处于历史上第一个社会形态时期，人类为了保护个人财产免受他人的侵犯，就开始使用杠棒或木插一类的物品将门锁起，即有了看家护院的意识。这就是人类最初的门禁概念。尔后，随着社会的逐渐进步，门锁被先民发明了出来；最终，如图1.1所示为现代普遍适用的门禁装置示意图。

图1.1 门禁系统示意图

而最近几年感应卡技术、生物识别等技术蓬勃发展，门禁产业随之产生了飞跃式的发展，进入了成熟期，出现了感应卡式门禁系统、指纹门禁系统、虹膜门禁系统、面部识别门禁系统、指静脉识别门禁系统和乱序键盘门禁系统等各种技术的系统。其在安全级别、方便性、系统性等方面都各有特长，门禁系统的应用范围也越来越广。门禁系统的应用要求主要有以下几点：

1）可靠性：应用门禁安防系统的各个阶段必须实施冗余设计和可靠性管理来保证高可靠性。

2）权威认证：系统应用的各个环节都必须严格执行有关的标准以及有关安全技术防范的要求。

3）安全性：一方面应该保证设备、系统运行的安全和操作者的安全；另一方面还应具有防人为破坏的功能。

4）功能性：如要求它不仅可应用于智能大厦或智能社区的门禁控制等，还可与其它系统联动控制等。

从运营模式角度来讲，国内门禁行业的演变可以分为四个阶段：产品—解决方案—服务—技术创新，具体如下表1.1所示。

表1.1 国内门禁行业演变

（2）门禁系统的发展趋势

1. 移动门禁应用更为广泛

随着手机技术的更新迭代，基于NFC移动设备部署的移动门禁更为人们所接受，借助智能手机安全组件保护所有密钥和加密操作的安全性也能得到更好的保障。

1. 多种门禁系统模式并行不悖

虽然移动门禁随着手机NFC功能的深度开发而更受年轻人的喜爱，但老式的IC/ID卡的方式却可能仍是老人所能接受的，而对于一些需要的更为强大的安全保障的环境，诸如金融、IT等地的办公大楼，可能指静脉识别门禁系统、人脸识别门禁系统等更受欢迎。所以未来的门禁系统将是多种模式相互配合补充的。

1. 门禁系统将与多领域趋向融合

多领域的融合有助于管理、决策。现如今的门禁系统借助IT技术的帮助，已经可以与考勤系统相融合，不必专门的打卡记录考勤信息。而与访客系统的融合则更好的保证了财产以及人员的安全，与监控系统的融合则更好的记录出入人员的特征信息，为事后调查等提供有力证据。相信未来门禁系统会与更多的领域相配合，共同保证社会的安定。

门禁系统产业在中国的发展历程已经十多年了，从最初的多方面学习到自主研发，经历了从磁条门禁系统、IC/ID卡门禁系统到现在的指纹门禁、二维码门禁、人脸识别门禁以及指静脉门禁等等，门禁系统的安全性、便捷性等等都有着巨大的变化，并且部分模式已经处于世界行业发展的前沿。门禁行业的逐渐成熟，使其市场划分越来越清晰，行业竞争也日趋激烈。在这个背景下，门禁行业在提高利润水平、寻找发展方向以及未来的竞争核心等方面的问题也逐渐凸显。

1.2.2 NFC国内外发展

2013年10月31日，Google发布了最新的Android 4.4操作系统，其中提到了一个新的NFC技术——主机卡仿真（HCE，Host Card Emulation），在Android 4.4系统中，HCE的出现改变了这种传统的路由方式。卡模拟模式中的数据可以被路由到CPU中所谓的HCE服务上，这就脱离了传统的SE芯片载体的限制，使得安装一个具有可以调动HCE服务的软件就能够作为SE存在，各类应用的卡密钥被存储在云端服务器，当交易进行时，Host CPU将从云端调用相应密钥进行鉴权，如图1.2所示。

图1.2 HCE技术的卡模拟模式

即使采用了HCE技术，也保留了传统的路由到SE的通道。目前，HCE协议栈已经实现了ISO 14443和ISO 7816的相应规范，可以支持常用的NFC卡模拟应用。2015年国际卡组织万事达公司和Visa公司分别提出了相关的HCE规范，两种规范存在明显差异。万事达公司将移动非接触式应用作为HCE标准的唯一支付方法，而Visa公司在未来的HCE架构上添加了二维码作为支付凭证。另外，为了保证支付交易的安全性和完整性，万事达卡在提供信用卡信息、发布相应的支付凭证等方面都进行了充分考虑，并结合相关内容制定了HCE规范，避免了客户责任认定不清晰等问题。但是Visa公司似乎更强调顺应客户的使用体验和感受，认为应该将更多的项目如个人识别码的身份认证，交给市场和其他技术解决，让市场根据运作需求去提出相关的解决方案，在风险容忍范围内避免复杂的应用流程影响用户的体验效果。中国银联彼时正对HCE的安全性、技术实施等方面进行评估，即将开始制定中国HCE标准的工作^[4]。

Ovum的移动支付报告显示，NFC支付用户将在2019年接近10亿，消费支付首席分析师EdenZoller还表示，越来越多的具备NFC非接触支付功能的POS终端已经上市，这将有助于推动移动支付业务的发展^[5]。目前，NFC正在广泛地支持整个生态系统的参与者，包括苹果、谷歌、PayPal以及三星等。

在国内，目前复旦微电子、同方微电子、上海华虹等公司的射频识别芯片研发在国际处于领先地位。以支付宝和微信支付为代表的扫码支付发展相对成熟，交易量、市场占有率和推广范围均在国内处于领先地位，应用也较为广泛。与国外相比，我国近场支付的研究起步较晚。2011年之前，我国的移动支付标准还未统一，运营商和银联独立运营，倡导的移动支付方案不一致导致彼此间系统不能兼容，这是扫码支付蓬勃发展的一个重要原因，而极大地限制并延迟了NFC技术在移动支付领域的应用发展。直到2013年，国内才确立NFC技术成为近场移动支付标准。随后，我国护照升级支持NFC标准，NFC公交卡、手机钱包等业务在城市得到实际应用。到2015年，中国共有300万台支持NFC标准的POS终端，可以完成和NFC设备、传统银行卡的交易。2016年，苹果公司以基于NFC技术的ApplePay业务进入中国移动支付市场，促使银行、第三方支付公司、电信企业及手机制造商相继推出NFC移动支付业务，进一步推动了NFC技术的研究和应用。为了在近场移动支付领域占据优势，中国移动一直主推“和包”手机钱包业务，支持模拟会员卡、金融卡等卡片^[6]-[7]。OPPO也和与支付宝合作推出NFC手机钱包，实现了使用OPPO手机刷公交、地铁等功能。

在国外，NFC移动支付在日本、韩国、美国和欧洲的发展较好^[8]。日本的手机支付可以覆盖日常消费的方方面面，包括乘坐地铁、公交、出租车等交通工具、商场购物等。日本市场的手机几乎都是由运营商定制和出售的，其标准统一，系统兼容性较强。此外，线下终端升级时运营商只向商家收取较低的交易佣金，以降低对零售业的冲击。而在韩国，金融机构占主导地位，运营商则要和金融机构合作开展移动支付业务。

1.2.3 国内外研究现状

相关资料将2006-2010年发表的74篇与NFC技术相关的文章进行了分析，结果显示近年在NFC技术方面的研究主要分布在四个领域内：理论和发展、应用和服务、基础研究和应用生态环境^[7]。本文列举一部分如下：

北京交通大学的卫国杰研究了NFC技术在我国客运专线客票中的应用，从技术市场条件、客运专线建设、限制因素和参与度四个方面分析了在客运专线推广NFC应用存在的优势和问题^[9]；中央财经大学的赵小娟等人研究了以图书馆为背景的创新应用，通过与现有应用RFID技术的识别模式进行对比、对NFC技术应用可行性进行分析等提出利用NFC手机具有的被动、主动和双向模式进行门禁身份识别、浏览图书信息、自助借还书等操作^[1]；成都理工大学的王惟洁等人以NFC技术高安全性和快速接入能力为切入口，提出NFC技术在与智能手机的融合、与加解密技术的融合以及与传统通信技术的融合等方面的发展潜力^[10]；徐智纲等对HCE云闪付进行了分析，提出要完善法规政策、明确产品定位和丰富支付场景等建设建议^[11]；缪凯、西南石油大学的林琳等研究了HCE技术在校园卡方面的虚拟卡、交易支付和身份识别等应用，并对其进行了安全设计^[12-13]；李庆艳等人分析了移动运营商对HCE的应对策略等内容^[14]；安徽大学的滕智飞等人设计了一款基于NFC的门禁系统，对运用AES算法的加密过程进行了阐述^[2]；福建交通一卡通有限公司的黄水金等研究了一卡通手机虚拟卡应用，介绍了出行助手app的服务流程和技术特点等内容，通过对NFC与HCE的技术改造和结合来实现其对复杂、丰富且快速变化的移动支付场景的适应^[15]；滨州学院的李明娟等和咸阳师范学院的韩改宁等分别利用单片机、Arduino开发平台等工具进行门禁系统设计^[16-17]。

Vedat Coskun等人从NFC技术的通信标准本质、生态系统和业务问题、应用程序和安全问题等角度对其进行了综述^[18]；捷克的Jaromír Karmazín等人利用诊断工具、非接触式标签操作工具和点对点NFC应用程序等对Android平台上NFC API的完整性进行了评估^[19]；Geoffrey Ottoy等人根据移动设备和嵌入式设备上的规范创建了一个具有代表性的NFC P2P堆栈设置，来测量NFC P2P数据速率，并将其与WiFi的NFC连接切换进行比较^[20]；法国的Pascal Urien向我们介绍了MOBISIN项目：一个包含具有HCE接口和OpenMobile API库手机、一个集成TLS/DTLS堆栈的SIM卡和一款由服务提供商发布的驱动HCE和SIM的应用程序的开放的试验平台^[21]；赵安平等人提出了一种双谐振天线系统^[22]。

1.3 研究目的及意义

根据相关统计数据，在国内出货量TOP5的智能手机（包括华为、OPPO、vivo、小米和苹果）当中，2014-2017年上市的手机中NFC手机占比得到了明显的增长，其中2015年的占比仅为17.1%，但到2017年则增长到了31.3%，如图1.3所示。2018年，NFC手机在三年以来1500元以上的机型中占比率达到了近45%，在排名前五的手机型号汇总，NFC手机占比达到了35%，如图1.4所示。

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