CN113611059A - 一种高安全性无线pos机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高安全性无线POS机系统，硬件系统和软件系统，硬件系统包括：主控单元、电源管理单元、无线通信单元、打印单元，电源管理单元、读卡单元、无线通信单元、打印单元分别与所述主控单元连接。软件系统包括秘钥管理单元，通过对所传输的数据进行秘钥管理、数据保护来提高系统的安全性。本发明设计的一种高安全性无线POS机系统具备了很高的专业安全性，还能够运用于各种需要安全性比较高的终端机上，另外本发明还可以加装付款码扫码枪，以弥补缺少支付宝等扫码支付的缺陷。因此本发明不仅有着很好的市场推广和研究意义，还可做为学校基于项目开发的嵌入式系统学习的典型教学案例。

Description

一种高安全性无线POS机系统
技术领域
本发明涉及金融支付行业技术领域，特别是涉及一种高安全性 无线POS机系统。
背景技术
无线POS(Point of sales的缩写)机，顾名思义就是无线的销 售点终端刷卡机，一般在饭店、商场、超市等场所被广泛使用，他们 都是使用银行卡进行交易，实现消费、查询、授权等功能。目前无线 POS机种类繁多，从通讯方式上来分类：主要有基于WiFi通讯技术、 基于蓝牙通讯技术和基于GPRS通讯技术三种，各有优缺点。另外目前 POS机在消费方面有被支付宝等手机支付方式取代的可能，但作为一 个相对传统的刷卡支付手段，以及信用卡预授权等功能，POS机还必 将长期并存，由于传统的POS机采用的安全策略和方法不够合理，往 往容易导致数据泄露，银行卡号及密码被复制盗取的新闻屡见不鲜， 针对普通POS机安全方面存在的缺陷，研究设计一款高安全性的无线 POS机，有着很好市场价值和推广意义。
发明内容
本发明的目的是设计一种高安全性无线POS及系统，用于解决普 通POS机安全方面存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高安全性无线POS机系统，包括：
硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括：主控单元、电源管理 单元、无线通信单元、打印单元，所述主控单元通过主控制器控制整 个系统的运行，所述无线通信单元通过无线通信模块与远端银行中心 进行数据传输；
所述电源管理单元、读卡单元、无线通信单元、打印单元分别与 所述主控单元连接。
优选地，所述软件系统包括秘钥管理单元，通过对卡号、密码、 余额数据进行秘钥管理、数据保护来提高系统的安全性。
优选地，所述主控单元采用模块化设计，用于将各单元接口之间 彼此独立；所述主控单元的电路板采用多层板设计，用于配合结构着 重保护重要信号。
优选地，所述秘钥管理单元包括系统秘钥和应用密钥，所述系统 秘钥为16个字节，用于安全用途的秘钥的加密保存；所述应用秘钥 用于所有交易用途秘钥的加密保存，只有下载此秘钥后，POS机才能 正常使用。
优选地，所述秘钥管理单元在得到所述系统秘钥和所述应用秘钥 后，通过RSA加密算法进行计算，用于提高整个系统的保密程度。
优选地，所述读卡单元通过读取磁卡信息，将银行卡的磁信号转 换为电信号，以数字量进行解码。
优选地，所述无线通信单元通过GPRS无线通信模块进行通讯， 用于降低数据传输过程中数据被窃取的概率；所述GPRS无线通信模 块采用高通SIMCOM的SIM900D，所述GPRS无线通信模块需消耗GPRS 流量进行数据传输，同时要设置IO地址，进行通信协议，用于连接 远端银行服务器。
优选地，所述按键单元通过动态法扫描按键进行输入，所述动态 扫描法是通过主CPU自带的键盘扫描功能实现的，用于防止固定频率 的电磁辐射扫描攻击。
本发明的有益效果为：
本发明设计的一种高安全性无线POS机系统不但能实现传统POS 机的一般功能，而且具备了很高的专业安全性，还能够运用于各种需 要安全性比较高的终端机上，另外本发明还可以加装付款码扫码枪， 以弥补缺少支付宝等扫码支付的缺陷。因此本发明不仅有着很好的市 场推广和研究意义，还可做为学校基于项目开发的嵌入式系统学习的 典型教学案例。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
图1为本发明系统整体设计框图；
图2为本发明磁卡电路连接示意图；
图3为本发明实施例中GPRS模块与SIM卡连接原理图；
图4为本发明实施例中热敏打印机流程示意图；
图5为本发明实施例中基本功能主菜单示意图；
图6为本发明实施例中秘钥管理体系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结 合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种高安全性无线POS机系统(如图1所示)，包括：
主控单元：用于控制整个系统的运行；
电源管理单元：用于对POS机进行供电；
读卡单元：用于读取银行卡的基本信息；
无线通信单元：用于与远端银行中心进行数据通讯；
打印单元：用于快速打印消费凭证；
按键单元：用于进行人机交互，输入银行卡密码；
存储单元：用于存放系统密钥、应用密钥、系统ID；
所述电源管理单元、读卡单元、无线通信单元、打印单元、按键 单元、存储单元分别与所述主控单元连接。
所述主控单元在本实施例中为主控制器，主控制器采用MAXIM的 IC0400C778BF(原法国INNOVA公司现被MAXIM收购)，虽然比较偏门， 但除了具有普通32位处理器的功能外，这款CPU是基于MIPS Technologies最安全的32位、RISC内核(MIPS32 4KSd)设计的集成电路。带有安全特性的键盘控制器，支持12路安全开关检测输入， 集成了真正的随机数发生器，另外内部还集成了各种安全传感器，并 且配合外部存储器，能很好的移植uCLinux嵌入式系统，满足此POS 机的系统性能要求。
另外，主芯片采用BGA256封装，这种封装形式能很大程度提高 集成电路的安全，因为器件引脚全部设计在集成电路的底面，与电路 板粘合，而不像其他集成电路把引脚放在旁边的四周。从而加大了关 键信号被探测读取的困难程度。
主控制器要采用专业级安全处理器，各硬件设计采用模块化，各 模块接口要彼此独立，主控制器的I/O口资源不复用，电路板采用多 层板设计，并配合结构把关键性的一些重要信号，着重保护起来，提 高设备安全性。
由于无线POS机是无线手持设备，大部分时间采用电池供电，在 不影响性能的前提下，对电路元件和电路构成需要考虑尽量降低功耗 和减小体积。
作为一款POS机，能读取银行卡信息是其应该具备的基本功能， 目前银行卡主流是磁条卡，磁条卡上一般都有三条信息轨，分别存储 三种信息(有些卡只有两个轨道存储信息)，本系统采用芯片M3- 2300LQ进行磁卡信息读取，其功能原理是将银行卡的磁信号转换成 电信号，以数字量提供给CPU进行解码，这个芯片具有非常低的功耗， 读码纠错能力好等优点，电路连接如图2。
银行卡上的信息，是银联客户的卡号帐号信息，包括：卡号、密 码和余额等数据，在PCB布线时让相关信号线走电路板的中间几层， 受上下防护层的保护，而在设计结构时也把这部分电路用硬件屏障保 护起来，以提高刷卡电路的安全性。
由于POS机刷卡交易过程中，需要与远端银行中心进行数据通讯， 因此从实际使用方便安全的角度出发，选择了用无线GPRS模块进行 通讯的方式，可以大大降低数据传输过程中被窃取的概率，GPRS无线 通信模块采用高通SIMCOM的SIM900D，这个模块集成TCP/IP协议， 具有静电保护和抗EMI的功能，以及SIM卡检测功能，并提供AT命 令接口，中央处理器可以通过串口直接与GPRS模块连接通讯，另外 GPRS模块要进行无线通讯除了需要天线，还需要第三方支持(移动等 公司)，所以需要配置移动SIM卡，在GPRS模块工作时，需要消耗 GPRS流量来进行数据传输，当然也要给机子设置IP地址，和相应通 信协议，以连接远端银行服务器，GPRS模块与SIM卡的连接如图3。
为了使POS机能快速打印消费凭证，本发明系统采用APS公司的 SS205-V2-HS高速热敏打印机，以及用罗姆公司的BD6380EFV步进电 机驱动器进行驱动。此热敏打印机的性能特点是低电压3.3V工作， 384个加热点，打印的速度最高为每秒9cm，是一款高速、功耗低又 可靠的小体积打印机。
芯片BD6380EFV是一款DMOS驱动的双H桥步进电机驱动器，可 在电压3.3V条件下工作、可以设置为正反向和刹车等工作方式，具 有功耗低、且有检测欠压和过热保护功能，满足了系统可靠安全性要 求。
此高速打印机的结构如图4所示。主要由加热单元、数据移入单 元、步进电机单元组成，并在其内部嵌入了温度传感器以及缺纸检测 传感器。其操作原理是先把要打印的数据串行送到加热单元，然后控 制对应点的加热信号，对热敏打印纸按灰度设置值定时加热(也就是 颜色深度取决于加热时间)，然后停止加热，接着控制电机走纸，准 备下一行的打印，如此循环就可以，直到所有数据打印完，从原理上， 我们能够发现打印速度和加热时间是一对矛盾体，如果一个点加热越 久，打印速度越慢，甚至容易引起热敏纸烧焦，为了对打印机控制尽 可能理想，通过多次实验测试，获得每次加热96个点，分四次加热 的方法，可以让打印机发挥较好的性能(每秒可以打印机20行)，从 而满足了系统对打印速度的要求。
按键单元是人机交互的重要手段，根据无线POS机的基本需求， 需要设计19个按键，分别为10个阿拉伯数字键和9个自定义功能按 键，为了节省IO口的资源和安全策略，在本实施例中采用5×4矩阵 式按键连接，用动态法扫描按键技术。另外电源键单独采用延时开关 机功能，防止误开误关。按键电路的安全主要从以下几方面实现：
(1)动态法扫描按键是利用主CPU自带的键盘扫描功能实现的， 其操作原理是CPU特定的键盘接口能输出随机数据串进行扫描，以防 止固定频率的电磁辐射扫描攻击，从而提供POS机在输密码时的安全 性。
(2)从电路板布线上进行安全防范，这是因为连接按键信号的 数据线是比较敏感的数据信号，为防止外来探针探测，我们在PCB走 线时，就考虑把按键信号从PCB板的中间层进行布线，外面都加了 Mesh保护层，如图5中的示意图。
为增加安全性，还为键盘设计了防窥罩，以防止用户在输密码时 被偷看。
由于POS机的系统任务较多，需要运行嵌入式操作系统来进行任 务管理，因此在本实施例中，系统的软件开发基于ucLinux操作系统， 由于CPU厂家提供了特有的Linux操作系统的交叉编译工具Linux Development Environment for
Figure BDA0003201699960000081
(LDE)。实际中，可先在普通的 PC机(安装了WINDOWS系统)上安装Linux虚拟机，然后使用厂家 提供的这个编译工具，采用交叉模式进行开发，对项目文件进行编辑 和编译，生成目标文件后，再利用专用软件下载到POS机中运行。
软件编写主要实现底层驱动和用户层函数编写，其中底层驱动就 是对系统硬件模块接口的驱动，因此主要驱动软件编写包括矩阵键盘、 LCD显示模块、磁条读卡模块、GPRS无线模块、高速热敏打印机模块、 信号指示灯模块、蜂鸣器模块、安全保护传感器等模块。设备驱动程 序经封装后以API函数的方式提供给用户层调用。
用户层需要编写多个菜单调用函数，以实现良好的人机交互，实 现的基本功能主菜单如图5，此菜单为基本版，可根据使用场所和客 户要求更改。
为提高软件方面的安全性，系统从程序编辑和下载都使用了专用 软件，且一个CPU一个许可证号的安全机制，且每一个许可都有固定 的生命周期，使用一次减少一次，以防止他人重新下载新系统程序运 行的可能，从而降低被窃取资料的可能性，另外此POS机在进行数据 加解密时，使用了复杂且结构合理的密钥管理体系，以及多重权限管 理系统。
无线POS机主要采用的固定密钥管理体系如下图6。在此系统中， 固定值密钥由硬件系统保护，是在POS机下载代码后，第一次上电时 由系统随机产生，用于加密其他的密钥和敏感数据，这是最高级的密 钥也是主要密钥。
固定值密钥主要分为系统密钥和用户层使用的应用密钥，其中：
系统密钥为16个字节，用于所有系统安全用途的密钥的加密保 存。只有下载此密钥后，POS才能正常使用，无线POS端此密钥以加 密方式保存在BPK区域,USR12寄存器用来保存此密钥的AES_CRC校 验码。
应用密钥长度也为16个字节，用于所有交易用途密钥的加密保 存。只有下载此密钥后，POS才能正常使用。
整个POS机对系统关键信息传输时，采用了RSA加密算法，这是 一种非对称加密算法，保密程度高，比一般的算法需要更长的加解密 时间，由于本系统只对关键数据进行此算法，数据量很小，因此可以 忽略这个缺点。
在RSA加密算法中：需要先得到加密密钥和解密密钥，分别选取 两个较大的素数p与素数q，它们的长度最好一样。则可得出
n＝pq
接着随机选取加密的密钥e，使(p-1)(q-1)和e互为素数。再用算 法(欧几里德扩展)算出解密密钥d，应符合
e d＝l mod(p-1)(q-1)
可得：
d＝e-1mod((p-1)(q-1))
需要注意的是，此处e和n是公钥，d是私钥，且与n互为素数。
加解密过程如下：
(1)加密过程为先把明文消息m分成比n小的数据分组(组数 应该是2的最大次幂)，经过加密后的密文c由相同长度的分组ci构 成。加密公式可简化为：
ci＝mi e(modn)
(2)解密过程是用如下公式来解密每个分组ci：
mi＝ci d(modn)
为了无线POS机尽可能的提高安全性，通过PCI PED 2.0安全标 准认证。还有如下安全措施：
(1)利用主控制器IC0400C中的内核传感器可以检测芯片系统 的电压和频率、以及环境温度和电池电压等；通过它们可以监测POS 机的不正常状态，配合必要的检测程序使其具有一定的防攻击性，确 保POS机在被攻击后停止一切操作，甚至消除POS机中的所有关键信 息。
(2)在整体PCB电路板设计时，就考虑了用上下两块电路板包 裹重要元件的安全措施，比如把CPU，存储器等元件设计于一个被包 裹的结构空间中，使探测侵入难度增加。
(3)CPU提供了多个安全开关检测电路，系统中把这些开关设计 在一些关键部位上，比如上下板的连接处，以及POS机其他可能被打 开的位置，用于防开盖检测和侵入攻击。
本发明设计的一种高安全性无线POS机系统不但能实现传统POS 机的一般功能，而且具备了很高的专业安全性，还能够运用于各种需 要安全性比较高的终端机上，另外本发明还可以加装付款码扫码枪， 以弥补缺少支付宝等扫码支付的缺陷。因此本发明不仅有着很好的市 场推广和研究意义，还可做为学校基于项目开发的嵌入式系统学习的 典型教学案例。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本 发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普 通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本 发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高安全性无线POS机系统，其特征在于，包括：
硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括：主控单元、电源管理单元、无线通信单元、打印单元，所述主控单元通过主控制器控制整个系统的运行，所述无线通信单元通过无线通信模块与远端银行中心进行数据传输；
所述电源管理单元、读卡单元、无线通信单元、打印单元分别与所述主控单元连接。
2.根据权利要求1所述的高安全性无线POS机系统，其特征在于，所述软件系统包括秘钥管理单元，通过对卡号、密码、余额数据进行秘钥管理、数据保护来提高系统的安全性。
3.根据权利要求1所述的高安全性无线POS机系统，其特征在于，所述主控单元采用模块化设计，用于将各单元接口之间彼此独立；所述主控单元的电路板采用多层板设计，用于配合结构着重保护重要信号。
4.根据权利要求2所述的高安全性无线POS机系统，其特征在于，所述秘钥管理单元包括系统秘钥和应用密钥，所述系统秘钥为16个字节，用于安全用途的秘钥的加密保存；所述应用秘钥用于所有交易用途秘钥的加密保存，只有下载此秘钥后，POS机才能正常使用。
5.根据权利要求4所述的高安全性无线POS机系统，其特征在于，所述秘钥管理单元在得到所述系统秘钥和所述应用秘钥后，通过RSA加密算法进行计算，用于提高整个系统的保密程度。
6.根据权利要求1所述的高安全性无线POS机系统，其特征在于，所述读卡单元通过读取磁卡信息，将银行卡的磁信号转换为电信号，以数字量进行解码。
7.根据权利要求1所述的高安全性无线POS机系统，其特征在于，所述无线通信单元通过GPRS无线通信模块进行通讯，用于降低数据传输过程中数据被窃取的概率；所述GPRS无线通信模块采用高通SIMCOM的SIM900D，所述GPRS无线通信模块需消耗GPRS流量进行数据传输，同时要设置IO地址，进行通信协议，用于连接远端银行服务器。
8.根据权利要求1所述的高安全性无线POS机系统，其特征在于，所述按键单元通过动态法扫描按键进行输入，所述动态扫描法是通过主CPU自带的键盘扫描功能实现的，用于防止固定频率的电磁辐射扫描攻击。
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