物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展環(huán)境下的智能卡應用
趙文東 2011/07/12
摘要：本文首先比較分析了RFID、用戶(hù)識別卡、近場(chǎng)支付類(lèi)SIM卡及JAVA卡等智能卡的特性，然后提出了智能卡滿(mǎn)足合物聯(lián)網(wǎng)背景下典型行業(yè)發(fā)展需求的相關(guān)應用方案，最后給出智能卡在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢下的應用建議。
引言
物聯(lián)網(wǎng)的基本理念是通過(guò)信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網(wǎng)絡(luò )。感知延伸層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構中涉及面最廣的一層，智能卡在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構中屬于感知延伸層部分。
傳統智能卡市場(chǎng)的競爭已經(jīng)讓企業(yè)的生存空間急劇縮小，近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的興起給智能卡重新振作帶來(lái)一個(gè)非常好的機會(huì )。智能卡作為一種感知物理世界，存儲信息，傳送數據的載體，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，智能卡的應用與發(fā)展越來(lái)越快，其在金融、物流、家居、食品溯源等方面得到更廣泛的應用。
智能卡技術(shù)分析
智能卡（smart card）是一種內嵌芯片的塑料卡，此類(lèi)卡按照類(lèi)型不同，可具備存儲數據、處理數據以及被讀寫(xiě)等功能，智能卡可以分為接觸式卡和非接觸式卡兩大類(lèi)，其中：
1.接觸式卡
接觸式卡需要讀卡器進(jìn)行信息的讀寫(xiě)操作。與信用卡上的磁帶條不同，這種卡的表面上鑲嵌著(zhù)一個(gè)小的金屬片，當把卡插入讀卡器時(shí)，這個(gè)小金屬片就會(huì )同一個(gè)電子接頭相接觸，通過(guò)這個(gè)電子接頭對芯片讀寫(xiě)數據。從卡的結構來(lái)分，接觸式卡主要分為以下兩類(lèi)卡：
- 存儲卡：存儲卡不包含復雜的處理器，它不能動(dòng)態(tài)的管理文件。存儲卡與讀卡器的通信是同步通信。IC電話(huà)機中的IC卡就是存儲卡。
- 微處理器卡：微處理器卡是我們在這要主要討論的。她與存儲卡的最大的區別就是：她具有動(dòng)態(tài)處理數據的功能。微處理器卡的系統結構有些像PC機。她也有ROM，RAM，CPU和EEPROM.
2、非接觸式卡
非接觸式智能卡看上去和普通的塑料信用卡很相似，其在卡體中內嵌了一個(gè)天線(xiàn)和一個(gè)微電子芯片，當把它放近讀卡器的天線(xiàn)時(shí)，它們之間就可以完成一次信息交換。這使其不用與耦合感應器做任何接觸，就可與之交換信息，并且處理時(shí)間極短，這一特性，使非接觸式智能卡在一些象高速公路收費站這樣要求大批量超快速運轉的場(chǎng)所成為理想的解決方案。
目前在物聯(lián)網(wǎng)應用中廣泛采用的智能卡主要是微處理器卡（SIM卡，銀行卡等都是微處理器卡）和非接觸是卡，尤其是RFID、用戶(hù)識別卡、近場(chǎng)支付類(lèi)SIM卡及JAVA卡等，以下針對這幾種卡原理和性能上進(jìn)行分析比較。
2.1 RFID
RFID的基本工作原理是利用空間電感額耦合或者電耦合來(lái)進(jìn)行通信，以達到自動(dòng)識別被標識物體的目的。將RFID標簽安裝在被識別物體上（粘貼、插放、掛佩、植入等），當被標志物體進(jìn)入無(wú)線(xiàn)射頻識別系統的閱讀范圍時(shí)，標簽和讀寫(xiě)器之間進(jìn)行非接觸式信息通信，標簽向讀寫(xiě)器發(fā)送攜帶信息，讀寫(xiě)器接收這些信息并進(jìn)行解碼，傳輸給后臺處理計算機，完成整個(gè)信息處理過(guò)程。
RFID技術(shù)具有如下特性：數據的讀寫(xiě)功能；標簽容易小型化和多樣化；耐環(huán)境性；可重復使用；穿透性強；數據的記憶容量大，與傳統的條形碼相比，條形碼識別物品的種類(lèi)，而RFID技術(shù)確定每一個(gè)單獨的物體對象。
RFID系統的工作頻段可以為低頻（LF）（30-300kHz，典型頻率有125 kHz，134.2 kHz）、高頻（HF）（3-30MHz，典型頻率為13.56M Hz）、超高頻（UHF）（300-968MHz，典型頻率869.6MHz、915.3MHz）、微波（MW）（2.45-5.8GHz，典型頻率為2.45GHz）等四個(gè)頻段，具體的頻點(diǎn)由各個(gè)國家或地區的無(wú)線(xiàn)電管理部門(mén)確定。根據不同的工作頻段，在無(wú)源的情況下，其技術(shù)特點(diǎn)和應用范圍也不同，如下表所示：
由于RFID的應用牽涉到眾多行業(yè)，因此其相關(guān)的標準盤(pán)根錯節，非常復雜。從類(lèi)別看，RFID標準可以分為以下四類(lèi)：技術(shù)標準（如RFID技術(shù)、IC卡標準等）；數據內容與編碼標準（如編碼格式、語(yǔ)法標準等）；性能與一致性標準（如測試規范等）；應用標準（如船運標簽、產(chǎn)品包裝標準等）。
具體來(lái)講，RFID相關(guān)的標準涉及電氣特性、通信頻率、數據格式和元數據、通信協(xié)議、安全、測試、應用等方面。
與RFID技術(shù)和應用相關(guān)的國際標準化機構主要有：國際標準化組織（ISO）、國際電工委員會(huì )（IEC）、國際電信聯(lián)盟（ITU）、世界郵聯(lián)（UPU）。此外還有其他的區域性標準化機構（如EPC global、UID Center、CEN）、國家標準化機構（如BSI、ANSI、DIN）和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（如ATA、AIAG、EIA）等也制定與RFID相關(guān)的區域、國家、或產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標準，并通過(guò)不同的渠道提升為國際標準。
2.2 用戶(hù)識別卡
SIM(Subscriber Identity Module) 用戶(hù)識別模塊最基本的特性，一個(gè)是做身份標識，一個(gè)是做安全服務(wù)。身份標識是對網(wǎng)絡(luò )的鑒權，也可以做很多應用方面的數據鑒權等方面。從安全服務(wù)上來(lái)說(shuō)，它可以安全存儲一些信息，或者說(shuō)比較機密的信息可以存儲在SIM卡里邊。同時(shí)SIM卡有自己的認證能力和解決的能力。
傳感器終端專(zhuān)用SIM卡對于數據保存時(shí)間要求會(huì )更長(cháng)。普通SIM卡在手機里邊平均保存時(shí)間是10年左右，在工業(yè)或者特種行業(yè)下保存時(shí)間更長(cháng)，十年、十五年甚至更高。另外還有擦寫(xiě)次數，物聯(lián)網(wǎng)用的卡片和手機用的卡片不一樣，平常的手機可以在每天開(kāi)機、關(guān)機的次數并不是很多，正常的對SIM卡的擦寫(xiě)只是開(kāi)關(guān)機的或者位置更換的時(shí)候；但是在機器領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，它的需求變化比較多，對擦寫(xiě)次數非常高。我們在現在一些行業(yè)反饋里邊已經(jīng)感受到，在這方面對SIM卡的質(zhì)量需求也比較高。還有相應的速度，它的讀取、以及異常探索。比如說(shuō)在極高的溫度下能夠探測出來(lái)告訴SIM卡里邊的軟件。這里邊包括對芯片的影響，包括對程序的設計都有影響。還有一種需求比較多，對分裝工藝的影響，普通SIM卡分裝工藝都采用PVC的材料，會(huì )有些不能滿(mǎn)足當前工業(yè)級的要求。比如說(shuō)抗震的要求，在車(chē)載方面，或者說(shuō)極其惡劣的環(huán)境下，終端的卡片會(huì )不停的振動(dòng)，會(huì )導致有些接觸不良，抗震要求比較強烈。還有溫度、濕度、抗靜電等等方面都會(huì )有具體的要求。另外從安全角度來(lái)說(shuō)，也會(huì )有對于防盜這方面的要求。曾出現過(guò)放在機器里的卡片被盜用出現在人通信中的情況。
2.3近場(chǎng)支付類(lèi)SIM卡技術(shù)
在近場(chǎng)支付中，目前市場(chǎng)上主要有13.56MHz和2.45GHz兩種主流技術(shù)方案，13.56M的技術(shù)方案包括NFC和握奇主推的SIMPASS方案：
NFC工作頻點(diǎn)在13.56MHz，通訊距離設計為4厘米。主要實(shí)現模擬非接觸式IC卡應用、點(diǎn)對點(diǎn)數據通訊功能、讀卡機功能；
SIMPASS方案工作頻點(diǎn)也在13.56MHz，功能上只支持非接觸式IC卡應用。產(chǎn)品外設交易距離感應天線(xiàn)，導致用戶(hù)感受不佳，且易折損；
2.45GHz方案通過(guò)不同讀卡器模塊和設備，工作距離可控制在4厘米、5米和50米等范圍。主要實(shí)現非接觸式卡應用、點(diǎn)對點(diǎn)數據通訊、讀卡器功能。
13.56MHz和2.45GHz兩種技術(shù)方案，除了在終端側以及一些技術(shù)層面有所差異外，在業(yè)務(wù)層面以及系統架構方面都有著(zhù)共同之處。下表是近場(chǎng)支付卡業(yè)務(wù)特點(diǎn)：
2.4 JAVA卡
JAVA 卡是一種可以運行 JAVA 程序的接觸式微處理器智能卡，在卡中運行的程序叫Applet。Applet可以動(dòng)態(tài)裝載到JAVA 卡上。JAVA 卡的 API(JAVA Card Application Programming Interfaces Specification )為智能卡制定了一個(gè)JAVA語(yǔ)言的特殊子集。JAVA 卡和 JAVA 卡 API的出現使智能卡的編程變得既快又簡(jiǎn)單，同時(shí)這些卡的應用程序(Applet)可以在任何支持 JAVA 卡 API 的智能卡上運行。可以說(shuō) JAVA 卡的出現立刻解決了 JAVA 卡出現之前智能卡所遇到的問(wèn)題。
JAVA 卡還有兩大優(yōu)點(diǎn)：支持一卡多用途和重用。支持一卡多用途是指 JAVA卡上可以同時(shí)存在多個(gè)不同的應用。這些應用可以來(lái)自同一個(gè)卡供應商，也可以來(lái)自不同的卡供應商。這樣一張 JAVA卡就可以完成不同的功能，例如，它可以有電子錢(qián)包功能，同時(shí)也可以有身份鑒別功能。重用是指 JAVA卡上的應用可以根據需要進(jìn)行刪除或重新添加新的應用，而無(wú)需更換新的智能卡，這樣大大增強智能卡的靈活性。
為了支持應用的可移植性，所有的應用使用標準K-JAVA進(jìn)行編程。為了確保主應用和其他應用提供方的密鑰完全隔離，需要創(chuàng )建特殊的密鑰和安全管理應用，稱(chēng)為安全域。其中，主安全域是最主要的JAVA卡組件，用來(lái)集中管理JAVA卡。
安全域是一種具有特殊權限的應用，其擁有用于安全信道的建立密鑰，并進(jìn)行卡片應用的管理。每一個(gè)應用以及可執行加載文件（Executable Load File）都與一個(gè)安全域相關(guān)聯(lián)。應用可以使用它所關(guān)聯(lián)的安全域提供的安全服務(wù)。
所有卡片都必須至少擁有一個(gè)安全域：主安全域（Issuer Security Domain）。支持多安全域的卡片允許應用提供方通過(guò)它所擁有的安全域來(lái)管理自己的應用，并使用安全域密鑰向應用提供密碼服務(wù)，這些安全域密鑰與主安全域完全隔離，并且不受主安全域的控制。
智能卡的應用
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起，智能卡將廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)豐富場(chǎng)景中，尤其是倉儲物流、近場(chǎng)支付以及一卡通等場(chǎng)景，下面對電信運營(yíng)商關(guān)注的典型物聯(lián)網(wǎng)應用進(jìn)行需求分析，結合幾種智能卡各自的技術(shù)特點(diǎn)和應用范圍的不同，給出具體的應用方案。
3.1倉儲物流
3.1.1需求描述
以前的倉儲管理系統通常使用條碼標簽或是人工倉儲管理單據等方式，這些管理方式有著(zhù)工作繁瑣，數據量大、易出錯漏、盤(pán)點(diǎn)周期長(cháng)、貨物缺失或被偷盜不能及時(shí)發(fā)現等明顯的缺點(diǎn)。RFID無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)的引入，將使得企業(yè)倉庫管理變得透明并提高工作效率。隨著(zhù)市場(chǎng)競爭日益激烈，提高生產(chǎn)效率、降低運營(yíng)成本，對于企業(yè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。倉儲物流管理廣泛應用于各個(gè)行業(yè)，設計及建立整套的倉儲管理流程，提高倉儲周轉率，減少運營(yíng)資金的占用，減少由于倉儲淘汰所造成的成本，是為企業(yè)提高生產(chǎn)效率。
3.1.2業(yè)務(wù)場(chǎng)景
3.1.3技術(shù)分析
3.1.4技術(shù)建議
1、實(shí)施方式
將RFID電子標簽貼在每個(gè)貨物的包裝上或托盤(pán)上，在標簽中寫(xiě)入貨物的具體資料、存放位置等信息，采用RFID標簽管理有利于出入庫和盤(pán)庫時(shí)批量讀取和提高倉儲管理的準確率。
入庫時(shí)：貼有RFID電子標簽的產(chǎn)品由裝卸工具經(jīng)由RFID閱讀器與天線(xiàn)組成的通道進(jìn)行入庫，RFID設備自動(dòng)獲取入庫數量并記錄于系統，入庫完成后，系統更新庫存資料，并標注各批次貨物的庫位信息。
出庫時(shí)：產(chǎn)品出庫時(shí)，出口閘RFID閱讀器讀取產(chǎn)品上的RFID標簽獲取出庫信息，并核實(shí)出貨產(chǎn)品與出庫單中列出產(chǎn)品批號與庫位是否正確。出庫完畢后，倉儲終端提示出庫詳單供管理員確認，并自動(dòng)更新資料到數據庫。
盤(pán)庫時(shí)：工作人員可采用手持閱讀器定期盤(pán)庫，近距離讀取貨物標簽信息，并與后臺管理系統比對，人工盤(pán)點(diǎn)庫位貨物品種、數量、生產(chǎn)日期是否與后臺系統一致。如不一致，可現場(chǎng)對系統信息進(jìn)行修正。
2、原因
RFID技術(shù)是利用空間電感耦合或電磁耦合來(lái)進(jìn)行通訊，已達到自動(dòng)識別物體的目的，在倉儲物流行業(yè)應用中，由于RFID標簽是非接觸、保密、安全性高，而且沒(méi)有接觸磨損，壽命長(cháng)，抗惡劣環(huán)境性能好等特性，適合在長(cháng)距離（幾米內）自動(dòng)識別信息和批量讀取。
3.2近場(chǎng)支付
3.2.1需求描述
近場(chǎng)支付是以SIM卡為核心，以RFID非接觸技術(shù)為基礎的創(chuàng )新性業(yè)務(wù).它為移動(dòng)運營(yíng)商的客戶(hù)提供在相關(guān)小額支付場(chǎng)所利用SIM卡內置的電子錢(qián)包進(jìn)行消費的功能，可以廣泛用于公交、便利店等支付場(chǎng)所。
3.2.2業(yè)務(wù)場(chǎng)景
3.2.3技術(shù)分析
3.2.4技術(shù)建議
1、實(shí)施方式
用戶(hù)手機支付終端（SIM卡）通過(guò)業(yè)務(wù)訂購請求向多應用管理平臺申請應用下載，多應用管理平臺經(jīng)過(guò)鑒權確認后通過(guò)有線(xiàn)方式或者通過(guò)空中方式（OTA）進(jìn)行應用下載。在應用下載至SIM卡成后，手機支付平臺為用戶(hù)完成開(kāi)戶(hù)及賬戶(hù)綁定工作，并再次通過(guò)多應用管理平臺對完成對用戶(hù)SIM卡的個(gè)人化操作。在個(gè)人化成功后，手機支付平臺通知用戶(hù)業(yè)務(wù)開(kāi)通。
若為銀行類(lèi)交易，支付終端（NFC手機或SIMPASS卡）與POS機需遵循PBOC規范。
2、原因
國內外移動(dòng)支付的通行標準使用13.56M頻段，為保證預期實(shí)現互通，所以選擇NFC和SIMPASS技術(shù)。且13.56M可較易將通信距離控制在4CM之內，有效防止誤刷。
3.3一卡通
3.3.1需求描述
一卡通是以SIM卡為核心，以RFID非接觸技術(shù)為基礎的創(chuàng )新性業(yè)務(wù).它為移動(dòng)運營(yíng)商的集團客戶(hù)提供包含門(mén)禁、考勤、內部消費、增值服務(wù)（如考勤帳單、消費帳單通知）等功能在內的集團信息化支付業(yè)務(wù)。
3.3.2業(yè)務(wù)場(chǎng)景
3.3.3技術(shù)分析
3.3.4技術(shù)建議
1、實(shí)施方式：首先在SIM卡建立一個(gè)主安全域。應用提供方通過(guò)它所擁有的安全域來(lái)管理自己的應用，并使用安全域密鑰向應用提供密碼服務(wù)。各第三方應用提供商將應用提交至多應用管理平臺，用戶(hù)所訂購的業(yè)務(wù)通過(guò)多應用管理平臺進(jìn)行下載與更新。應用的更新與密鑰的下載可以通過(guò)有線(xiàn)方式或者通過(guò)空中方式（GPRS）利用OTA服務(wù)器實(shí)現。若應用文件較大，手機需打開(kāi)BIP通道。
2、原因：第三方這些安全域密鑰與主安全域完全隔離，并且不受主安全域的控制。應用可以訪(fǎng)問(wèn)關(guān)聯(lián)安全域提供的服務(wù)。通過(guò)使用這些服務(wù)，應用根據安全域提供的加密支持來(lái)確保個(gè)人化和運行時(shí)期間的機密性和完整性。工作于2.4G 的RF-SIM由于其為CPU卡，具有安全性高，不易產(chǎn)生信道擁塞的優(yōu)點(diǎn)，在用于人群密集的封閉式環(huán)境具有一定優(yōu)勢。
結論
智能卡技術(shù)雖然已應用多年，其優(yōu)點(diǎn)為可應用于各種行業(yè)并為其提高效率降低成本，但由于智能卡本身的成本較高，標準各一，且分裝工藝等問(wèn)題，所以一直得不到大面積的應用，如RFID技術(shù)便是由于其較高的成本僅在物流、貴重商品溯源等方面有所采用。物聯(lián)網(wǎng)的興起為智能卡的大規模應用提供了契機，也為智能卡的發(fā)展及應用開(kāi)辟了道路。
RFID技術(shù)具有非接觸、保密、安全性高，無(wú)接觸磨損，壽命長(cháng)、抗惡劣環(huán)境性能好、自動(dòng)識別信息和批量讀取等優(yōu)勢特性，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規模的擴大及應用的增多，RFID技術(shù)的廣泛使用將使其成本降低，逐步應用于更多的行業(yè)。
物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)將催生行業(yè)SIM卡的發(fā)展，其針對不同的行業(yè)應用，與普通SIM卡相比將具備更多的特性，如更大的卡容量，更長(cháng)的使用期，更多的擦寫(xiě)次數，更強的適應環(huán)境的能力，更先進(jìn)的材質(zhì)及更安全的使用機制，具體的行業(yè)SIM卡特性需制定相關(guān)規范予以支撐。
近廠(chǎng)支付類(lèi)SIM目前主要以13.56MHz的NFC技術(shù)為主，其由于能夠實(shí)現模擬非接觸式IC卡應用、點(diǎn)對點(diǎn)數據通訊功能、讀卡機功能，且通訊距離較短，非常適合于近場(chǎng)支付類(lèi)業(yè)務(wù)的應用。
JAVA卡的應用是未來(lái)智能卡發(fā)展的趨勢之一，基于它人們可以通過(guò)一個(gè)手持終端實(shí)現繳費、門(mén)禁、考勤以及多種增值服務(wù)，并且多應用之間通過(guò)安全域技術(shù)實(shí)現密鑰安全隔離。可以說(shuō)，JAVA 卡的出現統一了智能卡的編程接口(API)，統一了智能卡的編程語(yǔ)言(JAVA語(yǔ)言)，為智能卡的更大范圍的使用提供了基礎，真正使智能卡行業(yè)成為一個(gè)統一標準的產(chǎn)業(yè)。
電信運營(yíng)商作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中與智能卡最緊密的一環(huán)，在物聯(lián)網(wǎng)用智能卡研究方面，應在參考行業(yè)相關(guān)標準基礎上提出相應規范和標準，積極投入推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)SIM卡的國際標準工作。在物聯(lián)網(wǎng)用智能卡的生產(chǎn)方面，結合物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對于行業(yè)SIM卡的要求，推動(dòng)模塊與卡一體化生產(chǎn)和管理，根據不同行業(yè)應用發(fā)展嵌入式SIM卡與終端，對物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用SIM卡制定相應的發(fā)卡、放號流程并規劃號段管理，并且由于物聯(lián)網(wǎng)SIM卡應用的特殊性應考慮其卡激活流程等內容。
卡技術(shù)與安全
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