移动支付的安全性和可信性是消费者使用服务时最大的顾虑，尤其对于移动小额支付，由于交易金额小、支付交易频繁，对处理效率的要求更高，如尽可能少的信息存储、尽可能快的处理、尽可能少的通信等，因此即使出现交易错误也容易被忽略或漏报。另一方面，由于移动小额支付应用数量众多、环境恶劣、应用规范、不同厂商技术水平参差不齐，经常会暴露出一系列问题：错扣、丢失记录、账户不平衡、数据不安全等。本文提出了一种可信交易的解决方案。

1 基于RFID的移动小额支付系统组成及原理

本系统的移动小额支付交易系统由RFID移动设备、收费机具、后台软件组成。RFID移动设备通过射频感应唤醒与收费机具进行数据交换，智能卡通过射频感应从收费机具获取能量并进行数据交换；收费机具是连接智能卡与应用系统的桥梁，负责信息的识别、传输和处理。后台应用软件负责信息的组织和处理，生成便于人工识别的报表等信息。

620)this..=620;" =0 alt=基于RFID的移动小额支付可信交易系统​​的开发 src="">

2 系统内失信交易原因分析

笔者通过网络、走访用户、测试不同厂商的充电终端等方式，总结出交易不可信的可能原因，从RFID卡、机具、交易流程到系统，任何一个环节出现故障，都可能带来交易可信度的问题。

（1）关于卡上扣钱，我们先来看卡和设备之间的数据交互，可以概括为两个步骤。第一步：刷卡→设备（读取卡上余额）；第二步：写卡←设备（计算新余额并从卡上扣钱）。

RFID卡的能量来源是读卡器向卡片发出的定频电磁波与卡片内部LC串联谐振产生的电荷。当卡片正在消费机感应关键区域进行读写操作时，突然离开感应区域，电量耗尽，势必会造成卡片的读写异常。

RFID卡片经过磁场感应区域的典型运动轨迹为垂直运动与水平运动，如图1所示。由于磁场分布的物理特性，当RFID卡片动态经过磁场区域时，可能会出现读卡但无法写卡的情况，造成误写卡片，甚至损坏卡片的情况。

（2）设备及射频电路设计不良，也容易造成读写卡异常。

硬件PCB（印刷电路板）“体质”很重要，因为很多厂家的产品读卡性能、可靠性较差，这类产品占比还很大，基本占据了80%的市场份额。主要表现在读卡性能上，存在读卡盲区、距离，没有可靠完整的读写区域。

（3）从制度角度看，存在设计漏洞或缺陷。

整个系统的数据完整性对于系统的正常运行至关重要，很多系统都存在记录丢失的可能，或者在通讯过程中存在安全隐患，如无加密机制、通讯媒介异常缺乏冗余机制、人为数据损坏、缺乏补采或记录恢复机制、后台处理不按照流量和时间异常导致统计数据错误等。

3. 实现可信交易的措施

该系统通过综合应用RFID整体解决方案、硬件、嵌入式软件和后台软件，设计系统的硬件、软件和后台管理平台，保证整个闭环小额支付收费系统的流程可靠性和数据安全性，从而达到可信交易的有效效果（如图2所示）。

620)this..=620;" =0 alt=基于RFID的移动小额支付可信交易系统​​开发src="">

1）RFID卡关键数据双备份技术

基于RFID卡的工作状态机制，分析可能出现异常的原因，采用卡片数据组织结构双备份机制，结合嵌入式软件实现写卡异常的处理机制，如下所述。

（2）写卡错误可能原因分析

当RFID卡经过读卡设备基站芯片的磁场感应区域时，RFID卡就会产生充电现象，当电压达到2V左右时，基站芯片与RFID卡之间就会进行数据交换和通讯，从而实现小额支付的交易过程。

卡片进入感应区域后，执行卡片请求、防冲突、卡片认证、块读取、块写入等过程。其中，卡片请求及冲突约需4ms；卡片认证约需2ms；块读取约需2.5ms；块写入约需6ms。唯一影响卡片上数据变化的过程就是写卡过程，需要分两步执行：步骤1：将需要写入的块号信息发送给M1卡；步骤2：将需要写入的16字节块数据发送给M1卡。当卡片完成步骤1，正在执行步骤2时，已经离开感应区域，此时基站芯片无法得知16个字节是否已经写入成功。

为此，我们采用双备份的方式设计RFID卡上的数据存储格式，当系统写入卡片时出现异常时，利用备用区中的数据对异常块进行恢复，从而实现数据安全。

（3）钥匙卡数​​据双重备份格式

常见的M1卡分为16个扇区，每个扇区由4个块组成（块0，块1，块2，块3）。我们也将16个扇区的64个块按照绝对地址编号为0~63。存储结构如图3所示。

620)this..=620;" =0 alt=基于RFID的移动小额支付可信交易系统​​开发src="">

涉及小额支付的关键数据一般使用其中一个扇区，其数据组织格式的备份方法如表1所示。

620)this..=620;" =0 alt=基于RFID的移动小额支付可信交易系统​​开发src="">

如果在刷卡交易过程中钱包主数据块受到异常扰动，发生写入错误，可以通过钱包备份数据块进行恢复，通过写卡动作标志位F来监控钱包主数据块的读写过程。

2）读写设备射频电路抗干扰技术

射频电路采用专用集成电路，结合EMC感应线圈设计，增加滤波处理，降低高次谐波的干扰，防止存在感应死区（无法读卡的区域），降低交易过程中出现异常的概率（图4）。

620)this..=620;" =0 alt=基于RFID的移动小额支付可信交易系统​​开发src="">

（1）射频电路芯片的电路设计

天线线圈的电感：

L：天线线圈的长度

N：天线线圈的匝数，通常为4匝

D：天线线圈的直径或导体的宽度

p： 取决于天线技术的N的指数因子，如表2所述。

620)this..=620;" =0 alt=基于RFID的移动小额支付可信交易系统​​开发src="">

天线的品质因数：

典型天线的品质因数为 30

实际上，品质因数增加 > 30 并不能显著改善 RFID 卡的操作距离。

本系统射频部分关键电阻采用1%精度，关键电容采用NPO材料电容，保证系统的温度稳定性和刷卡感应区场强性能的一致性，同时品质因数控制在30~40之间。

3）嵌入式事务控制流程技术

系统根据卡数据存储格式，设计内嵌交易控制流程，自动纠正、恢复异常数据，实现扣费异常流程的自动恢复，流程如图5所示。

620)this..=620;" =0 alt=基于RFID的移动小额支付可信交易系统​​开发src="">

系统根据卡数据存储格式，设计内嵌交易控制流程，自动纠正、恢复异常数据，实现扣费异常流程的自动恢复，交易控制流程图如图6所示。

非接触式卡进入和离开感应区域的时间是随机的，其离开感应区域的时间及其对各数据块和标志位的影响如表3所示。

620)this..=620;" =0 alt=基于RFID的移动小额支付可信交易系统​​开发src="">

以进程为基准，通过flag来判断修改是否有效。

参照故障原因及系统写卡流程，分析如下：解决了写卡与读卡距离的差异问题。由于写标记是在写数据块之前使用的，所以在写数据块的时候，卡片已经在可写卡片的感应区内；解决了卡片运动轨迹不规则导致的写卡异常。一次写卡命令耗时6ms，按照流程，一次完整的写卡需要3次写卡命令，2次写标记，1次写数据。在此过程中可以自动恢复前面2次写卡故障。只要最后一次写标记的时间在感应区内，就可以完成正确的写卡动作，有效时间消耗为6ms。这样，无论卡片经过感应区的哪个位置，都可以有效的完成正确的写卡动作。

4）网络通信加密机制

如图6所示。

620)this..=620;" =0 alt=基于RFID的移动小额支付可信交易系统​​开发src="">

5）模块化设计技术

系统硬件采用模块化设计，将整体硬件平台分解为读卡基站模块、交互显示模块、键盘模块、语音模块、数据通讯模块、数据存储模块、电源模块（图7），保证了整个系统的稳定性和可靠性。

620)this..=620;" =0 alt=基于RFID的移动小额支付可信交易系统​​开发src="">

● CPU模块：采用最高主频的ARM-M3核心MCU，结合数据及字库信息的存储，并使用PHY网络接口芯片实现有线通讯。

● 读卡器模块：与IC卡交互的物理接口芯片，受主MCU控制，读取IC卡相应信息。

● 模块：用于实现文本转语音，实现完整的语音功能。

● GPRS通讯模块：采用专用的GPRS通讯技术，实现数据的无线传输。

● 触摸键盘模块：独立处理实现电容式触摸键盘。

● GPS定位模块：专用卫星定位模块。

● 电源处理模块：最大输入电压55V，最大负载电流3A。

● LCD显示模块：点阵液晶。

6）序列号分析技术

“记录序列号”作为可信交易的依据，序列号从1开始编码，最大支持1000次，无论是在消费机刷卡，还是到发卡机构充值、退款，任何一次写卡操作，都会先读取RFID卡内的序列号，然后加1写入卡内，最后再读取卡序列号进行比对验证，确保整个交易写卡流程的准确性。对于异常交易记录，系统提供自动审核和人工处理，系统只发现异常交易记录，用不同颜色区分，以便人工纠正。如图8所示。

620)this..=620;" =0 alt=基于RFID的移动小额支付可信交易系统​​开发src="">

4 工程应用及结论

本系统通过数据双备份技术实现了交易数据的可靠性；通过嵌入式交易控制流程技术解决了交易过程中的误写卡问题，保证了交易流程的正确性；通过通讯加密机制解决了采集交易记录的准确性；并采用序列号分析技术，进一步杜绝错误交易流程的发生，实现了交易流程的稳定性。

本系统已成功应用于中国电信一卡通系统，运行稳定可靠，交易可信。该系统结合了NFC（Near）和.0（《中国金融集成电路（IC）卡规范（JR/T 0025-2005）（业内简称.0）》，应用前景将更加广阔。