鄭培強(qiáng)

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州 350012)

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基于NFC技術(shù)的防作弊電子秤的設(shè)計(jì)*

鄭培強(qiáng)

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州 350012)

目前NFC技術(shù)已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，而在政府公共服務(wù)的民生領(lǐng)域，NFC技術(shù)的應(yīng)用仍然是一片空白。本文從NFC標(biāo)簽的選擇、防作弊電子秤的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)原理以及相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)等方面詳細(xì)闡述了基于NFC技術(shù)的防作弊電子秤的設(shè)計(jì)，提出的防作弊電子秤具有防拆、防替換、防加裝、可通訊、可統(tǒng)一管理的特點(diǎn)，可滿足政府部門監(jiān)管的需要，保護(hù)市場(chǎng)的公平公正，維護(hù)消費(fèi)者的利益。

NFC；防作弊；電子秤

0 引言

近場(chǎng)通信(Near Field Communication，NFC)，又稱近距離無(wú)線通信，是一種短距離的高頻無(wú)線通訊術(shù)，允許電子設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，在10cm(3.9英吋)內(nèi)交換數(shù)據(jù)。這個(gè)技術(shù)由非接觸式射頻識(shí)別(RFID)演變而來(lái)，由飛利浦半導(dǎo)體(恩智浦(NXP)半導(dǎo)體)、諾基亞和索尼共同研制開發(fā)，其基礎(chǔ)是RFID及互聯(lián)技術(shù)。目前近場(chǎng)通信已成為ISO/IEC IS 18092國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、EMCA-340標(biāo)準(zhǔn)與ETSI TS 102 190標(biāo)準(zhǔn)。

本文中的NFC標(biāo)簽采用的是NTAG216，具有888字節(jié)用戶存儲(chǔ)器，符合ISO/IEC14443類型A規(guī)范，工作頻率為13.56 MHz，傳輸波特率為106 kb/ s，具有低功耗、防干擾、快速讀取等特點(diǎn)。

1 防作弊電子秤的設(shè)計(jì)理念

防作弊電子秤主要由數(shù)字傳感器、主控單元、ESAM加密芯片、NFC芯片等組成，每個(gè)部件具有唯一的識(shí)別號(hào)并且部件之間可利用手持端下發(fā)的密鑰進(jìn)行相互的身份驗(yàn)證，從而防止電子秤內(nèi)部的部件被替換，同時(shí)電子秤進(jìn)行了防拆設(shè)計(jì)，防止電子秤被非法拆開和非法改加裝部件。防作弊電子秤具備溯源性，在檢定周期到期或檢定不合格時(shí)，電子秤無(wú)法使用。設(shè)計(jì)理念如圖1所示，以下是本文設(shè)計(jì)的反作弊電子秤幾個(gè)特點(diǎn)：

圖1 防作弊電子秤設(shè)計(jì)理念

1)防作弊電子秤出廠之前預(yù)先對(duì)其進(jìn)行初始化，給防作弊數(shù)字傳感器、主控單元、ESAM芯片產(chǎn)生一個(gè)唯一的ID號(hào)，并各自保存自身的ID號(hào)。同時(shí)，ESAM芯片和NFC標(biāo)簽里頭保存了所有部件的ID號(hào)。防作弊電子秤的主控單元在每次開機(jī)時(shí)，對(duì)每個(gè)部件的ID進(jìn)行認(rèn)證，保證防作弊電子秤系統(tǒng)的完整性和唯一性。

2)防作弊電子秤出廠后，利用手持設(shè)備的NFC功能，讀取電子秤內(nèi)部的NFC標(biāo)簽內(nèi)部的唯一ID號(hào)(包含防作弊數(shù)字傳感器ID、主控單元ID、ESAM芯片ID和NFC標(biāo)簽ID)，通過(guò)無(wú)線通訊上傳給服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行登記。登記后，需對(duì)該信息進(jìn)行審核，審核通過(guò)后，服務(wù)器通過(guò)手持設(shè)備給防作弊電子秤下發(fā)電子秤ID和一組密鑰進(jìn)行激活電子秤，該ID和密鑰保存在NFC標(biāo)簽和主控單元內(nèi)部。防作弊電子秤被激活后，還不可使用，需用手持設(shè)備進(jìn)行檢定授權(quán)，暫時(shí)允許使用，檢定合格后，通過(guò)手持設(shè)備寫入檢定記錄到NFC標(biāo)簽，此時(shí)電子秤可以進(jìn)行正常稱重使用。

3)防作弊電子秤在首檢通過(guò)后進(jìn)入市場(chǎng)使用，以后每次檢定、維修更換器件均需通過(guò)手持設(shè)備進(jìn)行電子秤授權(quán)或?qū)懭霗z定記錄，所有的操作服務(wù)器端均有記錄。

4)為了檢驗(yàn)防作弊電子秤的真?zhèn)?，僅需通過(guò)手持端讀取電子秤的ID和密鑰A，然后通過(guò)電子秤ID從服務(wù)器上獲取對(duì)應(yīng)的密鑰B，比對(duì)密鑰A和B相等，則認(rèn)為是經(jīng)過(guò)授權(quán)的防作弊電子秤。

2 基于NFC技術(shù)的防作弊電子秤原理

防作弊電子秤原理圖如圖2所示，其主要部件說(shuō)明如下：

圖2 防作弊電子秤原理圖

1)防作弊數(shù)字傳感器：該部件是將作用于該傳感器上的力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，加密輸出給主控單元，同時(shí)該傳感器還輸出加密的身份ID，以便主控單元確認(rèn)。

2)ESAM芯片：該芯片具有加密存儲(chǔ)和產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)功能，存儲(chǔ)了電子秤內(nèi)部校準(zhǔn)參數(shù)、防作弊傳感器ID、主控單元的ID、NFC標(biāo)簽ID和自身ID等信息，該芯片具有很高的安全性能。

3)主控單元：此部分主要由單片機(jī)及周邊電路組成，用于讀取傳感器的數(shù)據(jù)，讀取ESAM芯片的數(shù)據(jù)，發(fā)送動(dòng)態(tài)密碼及數(shù)據(jù)解密，驗(yàn)證各部分的身份，送出顯示數(shù)據(jù)讀取按鍵及控制打印和輸出輸入接口。同時(shí)此部件內(nèi)部存有ESAM芯片的ID信息用于認(rèn)證ESAM芯片。

4)NFC標(biāo)簽：通過(guò)NFC標(biāo)簽，防作弊秤電子秤可與手持監(jiān)管儀進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。手持監(jiān)管儀通過(guò)讀取NFC標(biāo)簽可鑒別電子秤的真?zhèn)巍?/p>

5)防拆單元：該部分電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防作弊電子秤的外殼是否被打開過(guò)，如果被非法打開過(guò)，則電子秤開機(jī)后提示錯(cuò)誤，禁止電子秤的使用。

6)顯示芯片：該部分電路接受主控單元發(fā)送過(guò)來(lái)的經(jīng)過(guò)加密后的顯示數(shù)據(jù)，解密后判斷數(shù)據(jù)是否正確，如果正確則把數(shù)據(jù)顯示在LCD液晶屏上。

3 防作弊電子秤相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化包含防作弊電子秤出廠前進(jìn)行的初始化操作和備案操作。初始化包含由主控單元利用ESAM芯片生成防作弊數(shù)字傳感器、主控單元、ESAM芯片的ID號(hào)，并把這些ID號(hào)和NFC標(biāo)簽的ID號(hào)寫入到ESAM芯片和NFC標(biāo)簽中。備案操作如下：先用手持監(jiān)管儀讀取NFC里頭的電子秤信息，然后發(fā)送給服務(wù)器，由服務(wù)器進(jìn)行備案操作。初始化流程如圖3所示。

圖3 防作弊電子秤初始化圖

3.2 防作弊秤電子秤激活與首次檢定

防作弊秤電子秤出廠后，默認(rèn)是不可使用的，需進(jìn)行激活和首檢合格后方可使用。防作弊電子秤備案后，由服務(wù)器端進(jìn)行審核，審核通過(guò)后，先用手持監(jiān)管設(shè)備對(duì)電子秤進(jìn)行激活操作，激活的過(guò)程就是手持設(shè)備把服務(wù)器端的密鑰下發(fā)給防作弊電子秤，防作弊電子秤收到密鑰后，形成與防作弊傳感器通訊用的加密密鑰TMK和與ESAM芯片進(jìn)行通信用的認(rèn)證密鑰，然后自動(dòng)激活防作弊功能。

激活后，防作弊電子秤還是不可使用的，需進(jìn)行首檢合格后方可使用。此時(shí)，用手持監(jiān)管設(shè)備進(jìn)行檢定授權(quán)操作，防作弊秤電子秤進(jìn)入正常稱重狀態(tài)。檢定合格后，用手持監(jiān)管設(shè)備寫入檢定記錄。此時(shí)，電子秤每次開機(jī)均可進(jìn)入正常稱重狀態(tài)。防作弊電子秤激活與首檢流程圖如圖4所示。

圖4 防作弊電子秤激活與首檢流程圖

3.3 防作弊電子秤開機(jī)運(yùn)行身份認(rèn)證

電子秤首檢后，每次開機(jī)，系統(tǒng)主控單元對(duì)另外四部件的身份ID進(jìn)行認(rèn)證，以保證部件配套的唯一性，防止非法更換。具體工作流程如圖5所示。

圖5 防作弊電子秤開機(jī)運(yùn)行身份認(rèn)證流程

3.4 防作弊電子秤異常處理

1)電子秤外殼被打開：

防作弊電子秤的防拆單元帶有內(nèi)部備用電池，每時(shí)每刻都在檢測(cè)外殼是否打開，如果檢測(cè)到外殼打開則馬上通知主控單元。主控單元開機(jī)后，發(fā)現(xiàn)電子秤未經(jīng)授權(quán)被非法打開，則停止電子秤的正常稱重，一直提示一個(gè)被打開的錯(cuò)誤。

2)檢定不合格：

若電子秤開機(jī)讀取NFC標(biāo)簽，發(fā)現(xiàn)檢定結(jié)論為不合格，則判斷電子秤是否有授權(quán)操作，如果沒(méi)有授權(quán)，則禁止電子秤的正常稱重操作，一直提示一個(gè)電子秤檢定不合格的錯(cuò)誤。

3)檢定周期到期：

防作弊電子秤在每次檢定的時(shí)候，手持監(jiān)管儀都會(huì)與防作弊電子秤同步當(dāng)前時(shí)間，并寫入檢定周期和檢定到期時(shí)間。電子秤每次開機(jī)均判斷檢定到期時(shí)間是否超過(guò)當(dāng)前時(shí)間。如果到期了，則判斷是否有檢定授權(quán)操作，如果沒(méi)有則禁止電子秤的正常稱重操作，一直提示一個(gè)電子秤檢定到期的錯(cuò)誤。

4)系統(tǒng)部件身份ID有異常：

防作弊電子秤每次開機(jī)主控單元先通過(guò)ESAM的外部認(rèn)證后，從ESAM芯片里頭讀取各個(gè)部件的身份ID號(hào)。然后分別認(rèn)證自身ID和其他部件的ID是否有誤。如果有誤，則一直提示一個(gè)某個(gè)器件ID錯(cuò)誤。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，NFC技術(shù)已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，比如門禁、車票、支付、海報(bào)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，而在政府公共服?wù)的民生領(lǐng)域基于NFC技術(shù)的應(yīng)用幾乎是空白。當(dāng)前作弊電子秤越來(lái)越泛濫，已成為監(jiān)管者越來(lái)越頭疼的一個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的基于NFC的防作弊電子秤將從源頭上打擊作弊現(xiàn)象，保證市場(chǎng)的公平公正，維護(hù)消費(fèi)者利益，樹立消費(fèi)者對(duì)計(jì)量器具的信心。

[1] 鄭培強(qiáng).利用RFID技術(shù)對(duì)計(jì)量器具進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管探討.質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究,2012(3)

[2] 周岸.防作弊電子計(jì)價(jià)秤的研制.衡器,2010,39(10):48-52

[3] 孫業(yè)梅,成建生,劉家駿.防止數(shù)字指示秤技術(shù)作弊方法的分析和研究.計(jì)量技術(shù),2013(10)

[4] 羅建,袁明春,黃榜.電子式貿(mào)易結(jié)算用計(jì)量器具計(jì)量管理方法研究.計(jì)量技術(shù),2013(9)

[5] 侯有仁,曾理.電子秤計(jì)量防作弊的研究——基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防作弊電子秤和信息系統(tǒng)[C].稱重科技——稱重技術(shù)研討會(huì),2011

*國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013QK347)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.07