物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展環(huán)境下的智能卡應(yīng)用
趙文東 2011/07/12
摘要：本文首先比較分析了RFID、用戶識別卡、近場支付類SIM卡及JAVA卡等智能卡的特性，然后提出了智能卡滿足合物聯(lián)網(wǎng)背景下典型行業(yè)發(fā)展需求的相關(guān)應(yīng)用方案，最后給出智能卡在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢下的應(yīng)用建議。
引言
物聯(lián)網(wǎng)的基本理念是通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)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(gòu)中涉及面最廣的一層，智能卡在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中屬于感知延伸層部分。
傳統(tǒng)智能卡市場的競爭已經(jīng)讓企業(yè)的生存空間急劇縮小，近年來物聯(lián)網(wǎng)的興起給智能卡重新振作帶來一個(gè)非常好的機(jī)會。智能卡作為一種感知物理世界，存儲信息，傳送數(shù)據(jù)的載體，隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，智能卡的應(yīng)用與發(fā)展越來越快，其在金融、物流、家居、食品溯源等方面得到更廣泛的應(yīng)用。
智能卡技術(shù)分析
智能卡（smart card）是一種內(nèi)嵌芯片的塑料卡，此類卡按照類型不同，可具備存儲數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)以及被讀寫等功能，智能卡可以分為接觸式卡和非接觸式卡兩大類，其中：
1.接觸式卡
接觸式卡需要讀卡器進(jìn)行信息的讀寫操作。與信用卡上的磁帶條不同，這種卡的表面上鑲嵌著一個(gè)小的金屬片，當(dāng)把卡插入讀卡器時(shí)，這個(gè)小金屬片就會同一個(gè)電子接頭相接觸，通過這個(gè)電子接頭對芯片讀寫數(shù)據(jù)。從卡的結(jié)構(gòu)來分，接觸式卡主要分為以下兩類卡：
- 存儲卡：存儲卡不包含復(fù)雜的處理器，它不能動態(tài)的管理文件。存儲卡與讀卡器的通信是同步通信。IC電話機(jī)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(qū)別就是：她具有動態(tài)處理數(shù)據(jù)的功能。微處理器卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有些像PC機(jī)。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(nèi)嵌了一個(gè)天線和一個(gè)微電子芯片，當(dāng)把它放近讀卡器的天線時(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(yīng)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(fèi)站這樣要求大批量超快速運(yùn)轉(zhuǎn)的場所成為理想的解決方案。
目前在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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、用戶識別卡、近場支付類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進(jìn)行通信，以達(dá)到自動識別被標(biāo)識物體的目的。將RFID標(biāo)簽安裝在被識別物體上（粘貼、插放、掛佩、植入等），當(dāng)被標(biāo)志物體進(jìn)入無線射頻識別系統(tǒng)的閱讀范圍時(shí)，標(biāo)簽和讀寫器之間進(jìn)行非接觸式信息通信，標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送攜帶信息，讀寫器接收這些信息并進(jìn)行解碼，傳輸給后臺處理計(jì)算機(jī)，完成整個(gè)信息處理過程。
RFID技術(shù)具有如下特性：數(shù)據(jù)的讀寫功能；標(biāo)簽容易小型化和多樣化；耐環(huán)境性；可重復(fù)使用；穿透性強(qiáng)；數(shù)據(jù)的記憶容量大，與傳統(tǒng)的條形碼相比，條形碼識別物品的種類，而RFID技術(shù)確定每一個(gè)單獨(dú)的物體對象。
RFID系統(tǒng)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(qū)的無線電管理部門確定。根據(jù)不同的工作頻段，在無源的情況下，其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍也不同，如下表所示：
由于RFID的應(yīng)用牽涉到眾多行業(yè)，因此其相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)盤根錯(cuò)節(jié)，非常復(fù)雜。從類別看，RFID標(biāo)準(zhǔn)可以分為以下四類：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（如RFID技術(shù)、IC卡標(biāo)準(zhǔn)等）；數(shù)據(jù)內(nèi)容與編碼標(biāo)準(zhǔn)（如編碼格式、語法標(biāo)準(zhǔn)等）；性能與一致性標(biāo)準(zhǔn)（如測試規(guī)范等）；應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)（如船運(yùn)標(biāo)簽、產(chǎn)品包裝標(biāo)準(zhǔn)等）。
具體來講，RFID相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)涉及電氣特性、通信頻率、數(shù)據(jù)格式和元數(shù)據(jù)、通信協(xié)議、安全、測試、應(yīng)用等方面。
與RFID技術(shù)和應(yīng)用相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)主要有：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）、國際電信聯(lián)盟（ITU）、世界郵聯(lián)（UPU）。此外還有其他的區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)（如EPC global、UID Center、CEN）、國家標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)（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(qū)域、國家、或產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，并通過不同的渠道提升為國際標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 用戶識別卡
SIM(Subscriber Identity Module) 用戶識別模塊最基本的特性，一個(gè)是做身份標(biāo)識，一個(gè)是做安全服務(wù)。身份標(biāo)識是對網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)，也可以做很多應(yīng)用方面的數(shù)據(jù)鑒權(quán)等方面。從安全服務(wù)上來說，它可以安全存儲一些信息，或者說比較機(jī)密的信息可以存儲在SIM卡里邊。同時(shí)SIM卡有自己的認(rèn)證能力和解決的能力。
傳感器終端專用SIM卡對于數(shù)據(jù)保存時(shí)間要求會更長。普通SIM卡在手機(jī)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，十年、十五年甚至更高。另外還有擦寫次數(shù)，物聯(lián)網(wǎng)用的卡片和手機(jī)用的卡片不一樣，平常的手機(jī)可以在每天開機(jī)、關(guān)機(jī)的次數(shù)并不是很多，正常的對SIM卡的擦寫只是開關(guān)機(jī)的或者位置更換的時(shí)候；但是在機(jī)器領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，它的需求變化比較多，對擦寫次數(shù)非常高。我們在現(xiàn)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(yīng)的速度，它的讀取、以及異常探索。比如說在極高的溫度下能夠探測出來告訴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(shè)計(jì)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，會有些不能滿足當(dāng)前工業(yè)級的要求。比如說抗震的要求，在車載方面，或者說極其惡劣的環(huán)境下，終端的卡片會不停的振動，會導(dǎo)致有些接觸不良，抗震要求比較強(qiáng)烈。還有溫度、濕度、抗靜電等等方面都會有具體的要求。另外從安全角度來說，也會有對于防盜這方面的要求。曾出現(xiàn)過放在機(jī)器里的卡片被盜用出現(xiàn)在人通信中的情況。
2.3近場支付類SIM卡技術(shù)
在近場支付中，目前市場上主要有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(shè)計(jì)為4厘米。主要實(shí)現(xiàn)模擬非接觸式IC卡應(yīng)用、點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊功能、讀卡機(jī)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(yīng)用。產(chǎn)品外設(shè)交易距離感應(yīng)天線，導(dǎo)致用戶感受不佳，且易折損；
2.45GHz方案通過不同讀卡器模塊和設(shè)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(xiàn)非接觸式卡應(yīng)用、點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)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(cè)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(tǒng)架構(gòu)方面都有著共同之處。下表是近場支付卡業(yè)務(wù)特點(diǎn)：
2.4 JAVA卡
JAVA 卡是一種可以運(yùn)行 JAVA 程序的接觸式微處理器智能卡，在卡中運(yùn)行的程序叫Applet。Applet可以動態(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語言的特殊子集。JAVA 卡和 JAVA 卡 API的出現(xiàn)使智能卡的編程變得既快又簡單，同時(shí)這些卡的應(yīng)用程序(Applet)可以在任何支持 JAVA 卡 API 的智能卡上運(yùn)行�？梢哉f JAVA 卡的出現(xiàn)立刻解決了 JAVA 卡出現(xiàn)之前智能卡所遇到的問題。
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(yīng)用。這些應(yīng)用可以來自同一個(gè)卡供應(yīng)商，也可以來自不同的卡供應(yīng)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(yīng)用可以根據(jù)需要進(jìn)行刪除或重新添加新的應(yīng)用，而無需更換新的智能卡，這樣大大增強(qiáng)智能卡的靈活性。
為了支持應(yīng)用的可移植性，所有的應(yīng)用使用標(biāo)準(zhǔn)K-JAVA進(jìn)行編程。為了確保主應(yīng)用和其他應(yīng)用提供方的密鑰完全隔離，需要?jiǎng)?chuàng)建特殊的密鑰和安全管理應(yīng)用，稱為安全域。其中，主安全域是最主要的JAVA卡組件，用來集中管理JAVA卡。
安全域是一種具有特殊權(quán)限的應(yīng)用，其擁有用于安全信道的建立密鑰，并進(jìn)行卡片應(yīng)用的管理。每一個(gè)應(yīng)用以及可執(zhí)行加載文件（Executable Load File）都與一個(gè)安全域相關(guān)聯(lián)。應(yīng)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(yīng)用提供方通過它所擁有的安全域來管理自己的應(yīng)用，并使用安全域密鑰向應(yīng)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(yīng)用
隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起，智能卡將廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)豐富場景中，尤其是倉儲物流、近場支付以及一卡通等場景，下面對電信運(yùn)營商關(guān)注的典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行需求分析，結(jié)合幾種智能卡各自的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍的不同，給出具體的應(yīng)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(tǒng)通常使用條碼標(biāo)簽或是人工倉儲管理單據(jù)等方式，這些管理方式有著工作繁瑣，數(shù)據(jù)量大、易出錯(cuò)漏、盤點(diǎn)周期長、貨物缺失或被偷盜不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)等明顯的缺點(diǎn)。RFID無線射頻技術(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。隨著市場競爭日益激烈，提高生產(chǎn)效率、降低運(yùn)營成本，對于企業(yè)來說至關(guān)重要。倉儲物流管理廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，設(shè)計(jì)及建立整套的倉儲管理流程，提高倉儲周轉(zhuǎn)率，減少運(yùn)營資金的占用，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(biāo)簽貼在每個(gè)貨物的包裝上或托盤上，在標(biāo)簽中寫入貨物的具體資料、存放位置等信息，采用RFID標(biāo)簽管理有利于出入庫和盤庫時(shí)批量讀取和提高倉儲管理的準(zhǔn)確率。
入庫時(shí)：貼有RFID電子標(biāo)簽的產(chǎn)品由裝卸工具經(jīng)由RFID閱讀器與天線組成的通道進(jìn)行入庫，RFID設(shè)備自動獲取入庫數(shù)量并記錄于系統(tǒng)，入庫完成后，系統(tǒng)更新庫存資料，并標(biāo)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(biāo)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(rèn)，并自動更新資料到數(shù)據(jù)庫。
盤庫時(shí)：工作人員可采用手持閱讀器定期盤庫，近距離讀取貨物標(biāo)簽信息，并與后臺管理系統(tǒng)比對，人工盤點(diǎn)庫位貨物品種、數(shù)量、生產(chǎn)日期是否與后臺系統(tǒng)一致。如不一致，可現(xiàn)場對系統(tǒng)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進(jìn)行通訊，已達(dá)到自動識別物體的目的，在倉儲物流行業(yè)應(yīng)用中，由于RFID標(biāo)簽是非接觸、保密、安全性高，而且沒有接觸磨損，壽命長，抗惡劣環(huán)境性能好等特性，適合在長距離（幾米內(nèi)）自動識別信息和批量讀取。
3.2近場支付
3.2.1需求描述
近場支付是以SIM卡為核心，以RFID非接觸技術(shù)為基礎(chǔ)的創(chuàng)新性業(yè)務(wù).它為移動運(yùn)營商的客戶提供在相關(guān)小額支付場所利用SIM卡內(nèi)置的電子錢包進(jìn)行消費(fèi)的功能，可以廣泛用于公交、便利店等支付場所。
3.2.2業(yè)務(wù)場景
3.2.3技術(shù)分析
3.2.4技術(shù)建議
1、實(shí)施方式
用戶手機(jī)支付終端（SIM卡）通過業(yè)務(wù)訂購請求向多應(yīng)用管理平臺申請應(yīng)用下載，多應(yīng)用管理平臺經(jīng)過鑒權(quán)確認(rèn)后通過有線方式或者通過空中方式（OTA）進(jìn)行應(yīng)用下載。在應(yīng)用下載至SIM卡成后，手機(jī)支付平臺為用戶完成開戶及賬戶綁定工作，并再次通過多應(yīng)用管理平臺對完成對用戶SIM卡的個(gè)人化操作。在個(gè)人化成功后，手機(jī)支付平臺通知用戶業(yè)務(wù)開通。
若為銀行類交易，支付終端（NFC手機(jī)或SIMPASS卡）與POS機(jī)需遵循PBOC規(guī)范。
2、原因
國內(nèi)外移動支付的通行標(biāo)準(zhǔn)使用13.56M頻段，為保證預(yù)期實(shí)現(xiàn)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(nèi)，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(chǔ)的創(chuàng)新性業(yè)務(wù).它為移動運(yùn)營商的集團(tuán)客戶提供包含門禁、考勤、內(nèi)部消費(fèi)、增值服務(wù)（如考勤帳單、消費(fèi)帳單通知）等功能在內(nèi)的集團(tuán)信息化支付業(yè)務(wù)。
3.3.2業(yè)務(wù)場景
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(yīng)用提供方通過它所擁有的安全域來管理自己的應(yīng)用，并使用安全域密鑰向應(yīng)用提供密碼服務(wù)。各第三方應(yīng)用提供商將應(yīng)用提交至多應(yīng)用管理平臺，用戶所訂購的業(yè)務(wù)通過多應(yīng)用管理平臺進(jìn)行下載與更新。應(yīng)用的更新與密鑰的下載可以通過有線方式或者通過空中方式（GPRS）利用OTA服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。若應(yīng)用文件較大，手機(jī)需打開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(yīng)用可以訪問關(guān)聯(lián)安全域提供的服務(wù)。通過使用這些服務(wù)，應(yīng)用根據(jù)安全域提供的加密支持來確保個(gè)人化和運(yùn)行時(shí)期間的機(jī)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(jié)論
智能卡技術(shù)雖然已應(yīng)用多年，其優(yōu)點(diǎn)為可應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)各一，且分裝工藝等問題，所以一直得不到大面積的應(yīng)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(guī)模應(yīng)用提供了契機(jī)，也為智能卡的發(fā)展及應(yīng)用開辟了道路。
RFID技術(shù)具有非接觸、保密、安全性高，無接觸磨損，壽命長、抗惡劣環(huán)境性能好、自動識別信息和批量讀取等優(yōu)勢特性，隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大及應(yīng)用的增多，RFID技術(shù)的廣泛使用將使其成本降低，逐步應(yīng)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(yīng)用，與普通SIM卡相比將具備更多的特性，如更大的卡容量，更長的使用期，更多的擦寫次數(shù)，更強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境的能力，更先進(jìn)的材質(zhì)及更安全的使用機(jī)制，具體的行業(yè)SIM卡特性需制定相關(guān)規(guī)范予以支撐。
近廠支付類SIM目前主要以13.56MHz的NFC技術(shù)為主，其由于能夠?qū)崿F(xiàn)模擬非接觸式IC卡應(yīng)用、點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊功能、讀卡機(jī)功能，且通訊距離較短，非常適合于近場支付類業(yè)務(wù)的應(yīng)用。
JAVA卡的應(yīng)用是未來智能卡發(fā)展的趨勢之一，基于它人們可以通過一個(gè)手持終端實(shí)現(xiàn)繳費(fèi)、門禁、考勤以及多種增值服務(wù)，并且多應(yīng)用之間通過安全域技術(shù)實(shí)現(xiàn)密鑰安全隔離。可以說，JAVA 卡的出現(xiàn)統(tǒng)一了智能卡的編程接口(API)，統(tǒng)一了智能卡的編程語言(JAVA語言)，為智能卡的更大范圍的使用提供了基礎(chǔ)，真正使智能卡行業(yè)成為一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)。
電信運(yùn)營商作為物聯(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(yīng)在參考行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上提出相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，積極投入推動物聯(lián)網(wǎng)SIM卡的國際標(biāo)準(zhǔn)工作。在物聯(lián)網(wǎng)用智能卡的生產(chǎn)方面，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對于行業(yè)SIM卡的要求，推動模塊與卡一體化生產(chǎn)和管理，根據(jù)不同行業(yè)應(yīng)用發(fā)展嵌入式SIM卡與終端，對物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用SIM卡制定相應(yīng)的發(fā)卡、放號流程并規(guī)劃號段管理，并且由于物聯(lián)網(wǎng)SIM卡應(yīng)用的特殊性應(yīng)考慮其卡激活流程等內(nèi)容。
卡技術(shù)與安全
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