CN104050561A - 一种基于rfid的金融支付系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于RFID的金融支付系统，在移动终端与阅读器通信时，放大电路将接收/发送的通信信号放大，补偿了移动终端电池和电路板的屏蔽对传送信号的衰减，使得移动终端能够正确获得阅读器发出的命令信号以及改善了所述屏蔽对应答信号的衰减影响；另外，依据本发明建立的间距-磁感应强度映射图，提高了RFID金融支付时的范围估计方面的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于RFID的金融支付系统，尤其涉及一种可以改善磁感应辐射和进行支付范围控制的金融支付系统。
背景技术
RFID(射频识别：radio frequency identification)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。
最基本的RFID系统由三部分组成: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；阅读器(Reader)，读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(Antenna)，在标签和读取器间传递射频信号。
电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据,从而达到自动识别体的目的。通常阅读器与电脑相连,所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一步处理。
RFID标签分为被动标签(Passivetags)和主动标签(Activetags)两种。主动标签自身带有电池供电，读/写距离较远同时体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签。被动标签由阅读器产生的磁场中获得工作所需的能量，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。
RFID的工作原理为：阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息被读取器读取并解码后送至电脑主机进行有关处理。
通常阅读器发送时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率，基本上划分为3个范围:低频(30kHz-300kHz)，高频(3MHz-30MHz)和超高频(300MHz-3GHz)。常见的工作频率有低频125kHz,134.2kHz及高频13.56MHz等等。
通过计算机及计算机网络，可实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。对大多数RFID系统而言，将采用一个固定的频率，并有一套标准协议与它相配套。
近年来，在轨道交通、物流管理、物品防伪、身份识别等需求推动下，RFID技术的不断进步，应用越来越普及，市场迫切需要各类RFID电子标签和识别设备。电子标签内部一般有一个电子钱包，持卡人预先在电子标签中存入一定的金额，交易时直接从储值账户中扣除交易金额。
而与此同时，移动通信终端经历20多年的迅速发展，几乎已经成为消费者人手必备的随身装置，普及率非常高，并且有在移动终端上集成更多功能的趋势。利用移动终端本身的移动通信网络如GSM、CDMA等进行支付是现有的成熟技术，将移动终端和电子标签有效结合起来，让移动终端像公交卡这样方便使用是目前射频识别的发展方向，也是设备提供商和移动运营商目前大力开拓的市场。
受日本和韩国移动终端支付的影响，小额支付是运营商一直期望进入的领域。由于能够非常好的为实时支付和现场支付提供解决方案，非接触式近距离射频识别具有极为广阔的应用前景，并将为目前发展缓慢的金融支付产业带来前所未有的机遇。而结合移动终端与RFID技术的一机多用或一卡多用将会是未来十年的新的发展方向。特别是在3G时代，无处不在的具有无线连接功能的RFID读写器与非接触式应用的RFID将是发展的重中之重。目前业界主要有两套基于非接触技术的解决方案：Combi智能卡方案和近场通信(NFC)方案。
Combi智能卡方案，指用Combi智能卡替换移动终端内部智能卡，在保留原接触式界面的智能卡功能基础上增加非接触IC卡应用界面。NFC方案是近年由Nokia、Philips等公司提出有关射频识别的一种新的方案，基本的做法是在新设计的移动终端中加入用于支付的RFID模块，RFID模块和移动终端之间用专门的通信协议进行相互通信。
尽管上述两种方案都实现了非接触式金融支付解决方案，但由于非接触式通信需要解决的核心问题是RFID的支付范围控制，而影响RFID系统读写范围的因素包括阅读器产生的磁场，感应的灵敏度，尤其在复杂环境下，以及标签本身获得能量并发送信息的能力。对于移动终端执行的非接触式方案，其存在问题是由于移动终端电池、壳体或线路板引起的屏蔽或干扰，从而导致携带智能卡的移动终端与阅读器之间的通信效果很差，通信范围难以控制，从而影响支付或身份验证的实时进程，因此，需要针对上述问题提出一种新的基于RFID的金融支付系统。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个实施方式，提出了一种基于RFID的金融支付系统，所述系统包括阅读器和内置于移动终端中的智能卡芯片，所述阅读器包括主控制器模块，射频收发模块、用于时间控制的时钟模块、用于系统电源供应的电源管理模块、用于工作模式识别的LED显示模块、所述系统和PC通信的串行通信接口模块、以及用于范围监控和定位的支付范围控制模块；所述智能卡芯片至少包括射频收发单元、中央微处理器。
根据本发明的一个实施方式，所述主控制器模块采用ZTEIC公司的Z32H256UF安全芯片。
根据本发明的一个实施方式，所述射频收发模块采用Nordic公司的Nrf24L01芯片。
根据本发明的一个实施方式，所述串行通信接口模块为UART通信接口模块。
根据本发明的一个实施方式，所述用于范围监控和定位的支付范围控制模块包括磁感应强度检测模块、映射模块、存储器模块、比较判断模块；所述支付范围控制模块的工作流程为：
a)预先将携带RFID智能卡的移动终端分别放置在离阅读器不同的位置，并且精确量取一系列的位置间距R；利用所述阅读器的所述磁感应强度检测模块获取移动终端在不同位置时，所述阅读器感测到的磁感应强度B,
所述磁感应强度B与位置间距R之间的对应关系如下式表示：
其中μ为真空磁导率，其值为4π×10-7Tm/A,I为回路中的电流强度，eR为单位矢量；
b)由映射模块根据上述测得的多个间距和磁感应强度的对应关系建立间距-磁感应强度映射图，并存储于存储器模块；
c)当探测到新的磁感应强度时，比较判断模块根据上述映射图估计出RFID移动终端与阅读器之间实际间距。
根据本发明的另一个实施方式，所述智能卡芯片中的射频收发单元包括：
接收放大电路，用于将移动终端获得的通信信号放大并传输至解调电路；
解调电路，用于将经接收放大电路放大后的通信信号进行解调；
数字转换电路，用于将解调电路解调后的通信信号转换为数字信号；
接收数字电路接口，用于将数字转换电路输出的数字信号根据所采用协议进行解码，并发送至智能卡芯片中的中央微处理器；
发送数字电路接口，用于接收中央微处理器发出的数字信号，并根据所采用协议对该数字信号进行数字编码，并将编码后信号送到调制电路；
调制电路，用于将发送数字电路接口传输的经编码后的移动终端待发送通信信号进行调制；
发送功率放大电路，用于将经调制电路调制的通信信号放大。
根据本发明的另一个实施方式，所述接收放大电路为自动增益控制电路，所述自动增益控制电路包括：可控增益放大器、控制信号生成电路、比较判断电路、电平转换电路；其中
所述可控增益放大器，用于根据控制信号生成电路发送的增益控制信号确定相应的增益，并以该增益对所接收的交流输入信号进行放大后输出至解调电路；
所述电平转换电路，用于将所述可控增益放大器输出的交流输出信号转换为直流信号，并发送至比较判断电路；
所述比较判断电路，用于将电平转换电路发送的直流信号与基准信号进行比较，并将相应比较结果发送至控制信号生成电路；
所述控制信号生成电路，用于根据比较判断电路发送的比较结果，产生并向所述可控增益放大器发送相应的增益控制信号。
根据本发明的另一个实施方式，所示放大电路为高效率谐振功率放大器电路，包括：第一至第四反相器，第一PNP管Q3、第二PNP管Q5，第一NPN管Q4、第二NPN管Q6，第一至第三电容C3～C5，第一电阻R11、第二电阻R12，第一天线负载端ANT1、第二天线负载端ANT2。
在移动终端与阅读器通信时，放大电路将接收/发送的通信信号放大，补偿了移动终端电池和电路板的屏蔽对命令信号的衰减，使得移动终端能够正确获得阅读器发出的命令信号以及改善了所述屏蔽对应答信号的衰减影响；另外，依据本发明建立的间距-磁感应强度映射图，提高了RFID金融支付时的范围估计方面的准确度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明的一个实施方式的基于RFID的金融支付系统结构框图；
附图2示出了根据本发明的一个实施方式的支付范围控制模块结构示意图；
附图3示出了根据本发明的一个实施方式的智能卡芯片中的射频收发单元结构示意图；
附图4示出了根据本发明的一个实施方式的自动增益控制电路结构示意图；
附图5示出了根据本发明的一个实施方式的发送功率放大电路结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的一个实施方式，如附图1所示，所述基于RFID的金融支付系统1包括阅读器2和内置于移动终端中的智能卡芯片3，所述阅读器2包括主控制器模块，射频收发模块、用于时间控制的时钟模块、用于系统电源供应的电源管理模块、用于工作模式识别的LED显示模块，以及系统和PC通信的串行通信接口模块、以及用于范围监控和定位的支付范围控制模块；所述智能卡芯片3至少包括射频收发单元、中央微处理器。
根据本发明的一个实施方式，所述主控制器模块采用ZTEIC公司的Z32H256UF安全芯片。
根据本发明的一个实施方式，所述射频收发模块采用Nordic公司的Nrf24L01芯片。
根据本发明的一个实施方式，所述串行通信接口模块为UART通信接口模块。
根据本发明的一个实施方式，所述智能卡芯片3还可以包括，但不限于，中断处理器、随机数发生器、ROM、EEPROM、外部RAM、循环冗余校验模块、时钟模块、ISO/IEC7816模块及电源引脚、复位引脚、时钟引脚、第一天线引脚、第二天线引脚、IO引脚、备用引脚、接地引脚。
如附图2所示，用于范围监控和定位的支付范围控制模块包括磁感应强度检测模块、映射模块、存储器模块、比较判断模块。
所述支付范围控制模块的工作原理为：
a)预先将携带RFID智能卡的移动终端分别放置在离阅读器不同的位置，并且精确量取一系列的位置间距R；利用所述阅读器的所述磁感应强度检测模块获取移动终端在不同位置时，所述阅读器感测到的磁感应强度B,
所述磁感应强度B与位置间距R之间的对应关系如下式表示：
其中μ为真空磁导率，其值为4π×10-7Tm/A,I为回路中的电流强度，eR为单位矢量；
b)由映射模块根据上述测得的多个间距和磁感应强度的对应关系建立间距-磁感应强度映射图，并存储于存储器模块；
c)当探测到新的磁感应强度时，比较判断模块根据上述映射图估计出RFID移动终端与阅读器之间实际间距。
随后，可以根据判断出的实际间距进行相应的支付操作判断。
参照图3所示，根据本发明的实施方式的智能卡芯片中的射频收发单元包括：
接收放大电路，用于将移动终端获得的通信信号放大并传输至解调电路；
解调电路，用于将经接收放大电路放大后的通信信号进行解调；
数字转换电路，用于将解调电路解调后的通信信号转换为数字信号；
接收数字电路接口，用于将数字转换电路输出的数字信号根据所采用协议进行解码，并发送至智能卡芯片中的中央微处理器；
发送数字电路接口，用于接收智能卡芯片中中央微处理器发出的数字信号，并根据所采用协议对该数字信号进行数字编码，并将编码后信号送到调制电路；
调制电路，用于将发送数字电路接口传输的经编码后的移动终端待发送通信信号进行调制；
发送功率放大电路，用于将经调制电路调制的通信信号放大。
其中，所述接收放大电路经由非接触式天线获得信号，而发送功率放大电路在将调制信号放大后，经由非接触式天线发送。
由于智能卡在各种移动终端中的安装位置、安装方式以及周围机械金属环境等不同，阅读器透过移动终端电池、电路板等传到双界面智能卡的信号有不同的衰减，所以信号经由智能卡非接触式天线送到接收放大电路的输入端有相当的不同。另一方面，接收放大电路的输出端，即解调电路的输入端，希望对不同移动终端环境都有一个稳定的待解调信号。因此，所述接收放大电路经由非接触式天线获得输入信号后，除了应能够实现输入信号的放大，也应能对所述输入信号进行处理，以使得即使输入信号变化幅度很大，所输出的经放大的信号的幅度也较小。从而，提供解调电路一个稳定的待解调信号。
根据本发明的一个实施方式，所述接收放大电路为自动增益控制电路。参照图4所示，所述自动增益控制电路包括：可控增益放大器、控制信号生成电路、比较判断电路、电平转换电路。
其中，所述可控增益放大器，用于根据控制信号生成电路发送的增益控制信号确定相应的增益，并以该增益对所接收的交流输入信号进行放大后输出至解调电路；
所述电平转换电路，用于将所述可控增益放大器输出的交流输出信号转换为直流信号，并发送至比较判断电路；
所述比较判断电路，用于将电平转换电路发送的直流信号与基准信号进行比较，并将相应比较结果发送至控制信号生成电路；
所述控制信号生成电路，用于根据比较判断电路发送的比较结果，产生并向所述可控增益放大器发送相应的增益控制信号。
其中，所述直流信号与基准信号为直流电压。所述增益控制信号可以为控制电压。
根据本发明的一个实施方式，附图5所示为发送功率放大电路的示意图。所示放大电路为高效率谐振功率放大器电路，包括：第一至第四反相器F1～F4，第一PNP管Q3、第二PNP管Q5，第一NPN管Q4、第二NPN管Q6，第一至第三电容C3～C5，第一电阻R11、第二电阻R12，第一天线负载端ANT1、第二天线负载端ANT2。
其中，第一反相器的输入端接收第一已调制控制信号RFTXD1，输出端与第二NPN管Q6的基极相连。第二反相器的输入端接收第二已调制控制信号RFTXD2，输出端与第二PNP管Q5的基极相连。第三反相器的输入端接收第三已调制控制信号RFTXD3，输出端与第一PNP管Q3的基极相连。第四反相器的输入端接收第四已调制控制信号RFTXD4，输出端与第一NPN管Q4的基极相连。
第二PNP管Q5的集电极接地，射极与第二NPN管Q6的射极相连。第二NPN管Q6的集电极经由第一电阻R11与VCC相连。第一PNP管Q3的集电极接地，射极与第一NPN管Q4的射极相连。第一NPN管Q4的集电极经由第二电阻R12与VCC相连。
第一电容C3的第一端与第二PNP管Q5的射极以及第二NPN管Q6的射极相连。第二电容C4的第一端与第一PNP管Q3的射极以及第一NPN管Q4的射极相连。第三电容C5的两端分别与第一电容C3以及第二电容C4的第二端相连。第三电容C5的两端分别与第一天线负载端ANT1、第二天线负载端ANT2相连。
上述放大电路通过RFTXD1、RFTXD2、RFTXD3、RFTXD4这四个已调制控制信号的开关控制，使得NPN管Q5、Q6，以及PNP管Q3、Q4交替打开/关闭，从而在对于调制信号放大的同时，也使得天线负载端发出符合频率要求的射频信号。而RFTXD1、RFTXD2、RFTXD3、RFTXD4这四个已调制控制信号由调制电路25产生，RFTXD1/RFTXD2与RFTXD3/RFTXD4为相位正好相反的信号对，RFTXD1与RFTXD2之间相位基本一致，RFTXD3与RFTXD4之间相位基本一致。
在移动终端与阅读器通信时，当阅读器向移动终端发送命令信号时，所述智能卡芯片中的射频收发单元经由非接触式天线获得命令信号，经接收放大电路放大后，送至解调电路解调，并在解调获得解调信号后由数字转换电路将模拟的解调信号转换为数字信号，并经由接收数字电路接口将所述数字信号发送至智能卡芯片内部。由于接收放大电路将接收的命令信号放大，补偿了移动终端电池和电路板的屏蔽对命令信号的衰减，使得移动终端能够正确获得阅读器发出的命令信号。
而当移动终端向阅读器应答信号时，该应答信号经过智能卡芯片内的中央微处理器编码后，经所述的调制电路进行调制后送到所述的发送功率放大电路进行功率放大，再通过所述的非接触式天线发射。由于发送功率放大电路将应答信号进行功率放大，补偿了移动终端电池和电路板的屏蔽对应答信号的功率衰减，改善了所述屏蔽对应答信号的衰减影响。
另外，依据本发明建立的间距-磁感应强度映射图，提高了RFID金融支付时的范围估计方面的准确度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于RFID的金融支付系统，所述系统包括阅读器和内置于移动终端中的智能卡芯片，所述阅读器包括主控制器模块，射频收发模块、用于时间控制的时钟模块、用于系统电源供应的电源管理模块、用于工作模式识别的LED显示模块、所述系统和PC通信的串行通信接口模块、以及用于范围监控和定位的支付范围控制模块；所述智能卡芯片至少包括射频收发单元、中央微处理器。
2.一种如权利要求1所述的金融支付系统，所述主控制器模块采用ZTEIC公司的Z32H256UF安全芯片。
3.一种如权利要求1所述的金融支付系统，所述射频收发模块采用Nordic公司的Nrf24L01芯片。
4.一种如权利要求1所述的金融支付系统，所述串行通信接口模块为UART通信接口模块。
5.一种如权利要求1所述的金融支付系统，所述用于范围监控和定位的支付范围控制模块包括磁感应强度检测模块、映射模块、存储器模块、比较判断模块；所述支付范围控制模块的工作流程为：
a)预先将携带RFID智能卡的移动终端分别放置在离阅读器不同的位置，并且精确量取一系列的位置间距R；利用所述阅读器的所述磁感应强度检测模块获取移动终端在不同位置时，所述阅读器感测到的磁感应强度B,
所述磁感应强度B与位置间距R之间的对应关系如下式表示：
其中μ为真空磁导率，其值为4π×10-7Tm/A,I为回路中的电流强度，eR为单位矢量；
b)由映射模块根据上述测得的多个间距和磁感应强度的对应关系建立间距-磁感应强度映射图，并存储于存储器模块；
c)当探测到新的磁感应强度时，比较判断模块根据上述映射图估计出RFID移动终端与阅读器之间实际间距。
6.一种如权利要求1所述的金融支付系统，所述智能卡芯片中的射频收发单元包括：
接收放大电路，用于将移动终端获得的通信信号放大并传输至解调电路；
解调电路，用于将经接收放大电路放大后的通信信号进行解调；
数字转换电路，用于将解调电路解调后的通信信号转换为数字信号；
接收数字电路接口，用于将数字转换电路输出的数字信号根据所采用协议进行解码，并发送至智能卡芯片中的中央微处理器；
发送数字电路接口，用于接收中央微处理器发出的数字信号，并根据所采用协议对该数字信号进行数字编码，并将编码后信号送到调制电路；
调制电路，用于将发送数字电路接口传输的经编码后的移动终端待发送通信信号进行调制；
发送功率放大电路，用于将经调制电路调制的通信信号放大。
7.一种如权利要求6所述的金融支付系统，所述接收放大电路为自动增益控制电路，所述自动增益控制电路包括：可控增益放大器、控制信号生成电路、比较判断电路、电平转换电路；其中
所述可控增益放大器，用于根据控制信号生成电路发送的增益控制信号确定相应的增益，并以该增益对所接收的交流输入信号进行放大后输出至解调电路；
所述电平转换电路，用于将所述可控增益放大器输出的交流输出信号转换为直流信号，并发送至比较判断电路；
所述比较判断电路，用于将电平转换电路发送的直流信号与基准信号进行比较，并将相应比较结果发送至控制信号生成电路；
所述控制信号生成电路，用于根据比较判断电路发送的比较结果，产生并向所述可控增益放大器发送相应的增益控制信号。
8.一种如权利要求7所述的金融支付系统，所示放大电路为高效率谐振功率放大器电路，包括：第一至第四反相器，第一PNP管Q3、第二PNP管Q5，第一NPN管Q4、第二NPN管Q6，第一至第三电容C3～C5，第一电阻R11、第二电阻R12，第一天线负载端ANT1和第二天线负载端ANT2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140917 |