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[项目] 【智控万物】模拟刷卡消费——取电开灯

本帖最后由云天于 2021-1-2 21:36 编辑

【项目背景】
“刷卡”成为我们生活中的一部分，如门禁卡、水卡、电卡、气卡、公交卡、饭卡等等。那这些卡有什么区别？它们的工作原理又是什么？基于要了解以上问题，我制作了一个小项目来模拟刷卡消费、充值的过程。

【背景知识】

近场通信（Near Field Communication，NFC）

又称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在十厘米内）交换数据。这个技术由免接触式射频识别（RFID）演变而来，并向下兼容RFID。

NFC标签、公交卡/门禁卡等被读的对象，通过线圈感应生电产生的电力驱动，所以无需电池，体型和重量都可以做得很小。而即便是工作在读卡器，因为射频工作距离很短，其所需的电量也很低，常开的电量消耗也远比蓝牙要低。硬件组成：NFC硬件部分由CLF（非接前端模块）、射频天线、SE(Secure Element安全区域）三部分构成。使用CLF+天线即可完成常见的公交卡余额读取，而如果把手机/手表模拟成公交卡（空中发卡和充值）就需要SE部分的加入。而我们在外面看到的，则是芯片+线圈的结构（拆开公交卡和闪付银行卡，里面也是这两个基本构成）。线圈一般会安装在背壳或贴着电池放置，一般都是通过手机背部进行NFC的感应。由于近场通讯具有天然的安全性，NFC技术被广泛用于POS机移动支付、公交卡、银行卡、门禁卡、饭卡、水卡等多种场合。

读卡器模式

数据在NFC芯片中，可以简单理解成“刷标签”。本质上就是通过支持NFC的手机或其它电子设备从带有NFC芯片的标签、贴纸、名片等媒介中读写信息。通常NFC标签是不需要外部供电的。当支持NFC的外设向NFC读写数据时，它会发送某种磁场，而这个磁场会自动的向NFC标签供电。

卡片的分类

现在市面上的卡片分类有IC卡、ID卡、M1卡和CPU卡，简单的了解一下这些卡的区别和用途，

IC卡
IC卡又称集成电路卡，通常是在塑料卡片内嵌入一个或多个集成电路构成的PVC卡。集成电路芯片可以是存储器或微处理器。带有存储器的IC卡又称为记忆卡或存储卡，带有微处理器的IC卡又称为智能卡或智慧卡。记忆卡可以存储大量信息；智能卡则不仅具有记忆能力，而且还具有处理信息的功能。
IC卡可以十分方便地存汽车费、电话费、地铁乘车费、食堂就餐费、公路付费以及购物旅游、贸易服务等。

ID卡
ID卡又叫身份识别卡，是一种不可写入的感应式卡，拥有一个固定卡号编号。卡号在封卡前写入后不可再更改，绝对确保卡号的唯一性和安全性。
ID卡可以作为一般的门禁或停车场系统的使用者身份识别，因ID卡无密钥安全认证机制，且不能写卡，很难实现一卡通功能，同时也不合适做消费系统。
M1卡
M1是菲利浦下属子公司恩智浦出品的芯片缩写，目前该公司的M1芯片与国产芯片相兼容，其实M1卡也属于非接触式IC卡。
M1卡，优点是可读可写的多功能卡，缺点是：价格稍贵，感应距离短，适合非定额消费系统、停车场系统、门禁考勤系统等。
CPU卡
CPU卡芯片是一个微处理器，它的功能相当于一台微型计算机。CPU卡可适用于金融、保险、交警、政府行业等多个领域，CPU卡的优点是存储空间大、读取速度快、支持一卡多用功能等特点，CPU卡从外型上与普通IC卡，射频卡并没有太大差异，但是性能上却有巨大提升，安全性和普通IC卡比，提高很多，通常CPU卡内含有随机数发生器，硬件DES,3DES加密算法等，配合CPU卡芯片上的COS操作系统,可以达到金融级的安全级别。

【通讯模块】UART I2C NFC近场通讯模块 V1.0
Gravity：UART & I2C NFC近场通讯模块采用NXP PN532进口高集成NFC通信芯片，支持市面上常见的各类MIFARE Classic S50/S70系列（即M1卡）和NTAG21x系列等工作频率在13.56Mhz的NFC电子标签或卡片。

【判断卡类型】
需要注意的是我们平时见到的某些门禁卡虽然也是通过感应使用，但不一定是IC卡，现在有相当一部分便宜的门禁使用的是磁卡和ID卡，ID卡使用RFID射频技术，但其频率一般较低，一般为125KHz,如爱特梅尔的T5577卡，不可写入用户数据，其记录内容仅限卡号只可由芯片厂一次性写入，开发商只可读出卡号加以利用，所以只用于身份识别，不能用于消费，其成本相对非接触式IC卡较低。
区分ID卡和IC卡——读卡判断法

读卡判断法是判断卡智能卡类型最准确的方法，这需要可识别多类型卡的设备支持，例如手机NFC或者pn532开发板、ACR122U读卡器以及Proxmark3。使用手机NFC是最为便捷的方法，在支持全功能NFC的手机上下载MIFARE Classic Tools，给予权限后将卡片贴在NFC感应区根据提示读取标签后查看标签信息。下面是两种不同容量的IC卡的显示，如果RF技术这栏显示ISO/IEC 14443，说明就是典型的13.56MHz的非接触式IC卡，这也是生活中使用最多的类型。

绝大多数的高校一卡通都属于M1卡这种类型，M1卡式恩智浦公司(现在已经被飞利浦收购)根据ISO14443-A非接触式智能卡标准设计的一种IC卡，是目前世界上使用量最大的非接触式IC卡，在2013年前它被广泛应用于一些国家和地区的交通系统，如香港的八达通、台湾的悠游卡、伦敦的牡蛎卡和荷兰的OV卡等。2007年12月K.Nohl和H.Plot利用显微镜观察M1卡逻辑电路并对其逆向工程，从而发现其加密算法的设计缺陷。而在2008年3月，荷兰内梅亨大学的三位工程师自制了读卡设备并利用其Crypto-1算法的缺陷成功复制了一张M1卡，所以现在M1卡一般用于对安全需求不是特别高的场景中，如校园和企业一卡通，社区门禁等。

可以看到上图中标签类型为MIFARE Classic的就是M1卡，左边的为S50型号，右边的为S70型号，对应的SAK分别为08和18。

【智控万物】模拟刷卡消费——取电开灯图5

银行卡和身份证虽然都可以感应使用，但其不是M1卡，M1卡是逻辑加密卡，使用私有加密算法Crypto-1，而银行卡和身份证是CPU卡，内置一个微型CPU，可以进行多种加解密运算，有些银行卡和身份证还使用了国密算法，相比Crypto-1更新，尚未爆出安全漏洞，目前很难破解，如图是银行卡的标签信息，可以看到其SAK为28，只要SAK为28的都为CPU卡，有些学校使用了CPU卡这种解决方案。

M1卡的特性和存储结构

M1卡即NXP推出的MIFARE Classic卡，内部由一个卷绕天线和特定用途的集成电路模块组成，其中，模块由一个高速(106KB波特率)的RF接口。一个控制单元和一个EEPROM组成。读卡器向M1卡发出一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使谐振电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到模块存储电容内储存，当所积累的电荷达到2V以上时，此电容可作为电源向模块电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。

【智控万物】模拟刷卡消费——取电开灯图6

常见的M1卡多为S50型号的1k卡，EEPROM的存储容量为8k位，分成16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位；还有更大容量的S70型号4k卡，EEPROM容量为32k位，分为40个扇区，前32个扇区为小扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，后8个扇区为大扇区，每个扇区有16块，每块16个字节。

【智控万物】模拟刷卡消费——取电开灯图7

第0扇区相比其他扇区稍有特殊，块0为绝对地址块，在卡片出厂时被锁死不可更改，前4个字节为整个RFID系统中唯一的UID号，第5个字节为BCC校验位，数值由UID的4个字节异或运算得出，第6字节为卡片的SAK值，第7到8字节时智能卡的ATQA值，剩余的部分时制造商出厂时设定好的信息，不会影响到卡的使用。块2和块3一般为空，不存放用户数据，在大部分RFID系统中读卡器需首先验证0扇区0块数据的正确性，如果验证失败将不会访问其他扇区。

【硬件连接】