THIẾT KẾ HỆ THỐNG THANH TOÁN CÁC DỊCH VỤ CÔNG CỘNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID VÀ NFC

Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin (2013): 28-38 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THANH TOÁN CÁC DỊCH VỤ CÔNG CỘNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID VÀ NFC Đặng Vũ Minh Dũng1, Đoàn Quốc Nam2 Lương Vinh Quốc Danh3 Ngành Kỹ Thuật Máy tính, Khoa Công Nghệ, Truờng Đại học Cần Thơ Ngành Kỹ Thuật Điều khiển, Khoa Công Nghệ, Truờng Đại học Cần Thơ Bộ môn Điện tử Viễn thông, Khoa Công Nghệ, Truờng Đại học Cần Thơ Thông tin chung: Ngày nhận: 03/09/2013 Ngày chấp nhận: 21/10/2013 Title: Design of an e-payment system for public services using RFID and NFC technologies Từ khóa: Thanh toán điện tử, dịch vụ công cộng, RFID, NFC Keywords: E-payment, public services, RFID, NFC ABSTRACT Radio-Frequency Identification (RFID) and Near Field Communication (NFC) technologies applied in e-payment systems have been employed in many countries around the world for a variety of areas such as paying fees in public transportations, buying foods at fast food restaurants, at super markets, and buying soft drink at vending machines In recent years, these technology solutions have been used in some regions in Vietnam through paying bills at parking services, vending machines, school and company canteens… These technologies make our life easier and more convenient for consumers, save people’s times, reduce cash transactions, centrally manage public services, and modernize our daily life This paper presents the prospects of applying the RFID and NFC technologies to the e-payment methods illustrated through the design of an e-payment system for motorcycle parking services The results of this work have demonstrated the feasibility of implementing the system’s hardware in Vietnam TÓM TẮT Công nghệ RFID (Radio-Frequency Identification) NFC (Near Field Commnication) ứng dụng toán điện tử giải pháp đưa vào sử dụng nhiều nước giới lĩnh vực thu phí giao thông công cộng, toán tiền hiệu ăn nhanh, siêu thị, máy bán hàng tự động Trong vài năm gần đây, giải pháp áp dụng số địa phương Việt Nam qua dịch vụ toán phí giữ xe, máy bán hàng tự động, dịch vụ căng-tin trường học, công sở Giải pháp mang đến tiện lợi nhanh chóng toán, giúp tiết kiệm thời gian, giảm lượng tiền mặt lưu thông thị trường, quản lý dịch vụ tập trung đồng thời tạo nên mặt đại cho xã hội Mục tiêu viết nhằm giới thiệu khả ứng dụng công nghệ RFID NFC để giải toán toán nơi công cộng thông qua ứng dụng cụ thể toán chi phí giữ xe Kết nghiên cứu cho thấy việc thiết kế, chế tạo mạch điện hệ thống hoàn toàn khả thi với kỹ thuật Việt Nam 28 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin (2013): 28-38 GIỚI THIỆU VỀ RFID VÀ NFC 1.1 Đặc điểm kỹ thuật NFC công nghệ kết nối không dây tầm ngắn sử dụng cảm ứng điện từ trường để thực kết nối thiết bị có tiếp xúc trực tiếp hay để gần NFC hoạt động dải băng tần 13,56 MHz có tốc độ truyền tải liệu tối đa 424 Kbps [1] Do khoảng cách truyền liệu ngắn nên giao dịch công nghệ NFC xem an toàn Hình 2: RFID hoạt động nguyên lý cảm ứng điện từ [4] 1.2 Việc ứng dụng RFID NFC nước Đối với RFID sử dụng cho việc toán điện tử, dải tần số HF 13.56 MHz thường sử dụng Khoảng cách đầu đọc thẻ tag 10 cm nên an toàn mặt bảo mật thông tin Ngoài ra, dải tần 13.56 MHz sử dụng chung đầu đọc cho RFID NFC  Nước ngoài: Trên giới, việc áp dụng công nghệ RFID NFC vào việc toán dịch vụ công cộng thực nhiều quốc gia khác đem lại nhiều thành công Lợi ích công nghệ mang lại tiện lợi cho người dùng, tiết kiệm thời gian chi phí nhân công, đồng thời xây dựng mặt đại cho xã hội Tại Singapore, công nghệ RFID EZ-LINK sử dụng việc toán phí giao thông công cộng [5] Tại Hồng Kông, dịch vụ toán đa Octopus sử dụng việc toán phí giao thông công cộng, chi phí dịch vụ mua sắm, ăn uống [6] Đặc biệt, Nhật Bản nước giới áp dụng thành công công nghệ NFC vào việc toán quy mô lớn với dịch vụ FeliCa Network nhà mạng NTT Docomo dùng điện thoại có tích hợp công nghệ NFC [7]  Trong nước: Ở Việt Nam với dân số xấp xỉ 90 triệu người ước tính vào năm 2013 [8], việc sử dụng dịch vụ công cộng dịch vụ giữ xe, thức ăn nhanh, dịch vụ vận chuyển giao thông có nhu cầu lớn Đây điều kiện thuận lợi để áp dụng giải pháp toán điện tử Hiện tại, công nghệ RFID NFC bắt đầu áp dụng việc toán chi phí giữ xe siêu thị, hệ thống đóng/mở cổng tự động bãi đỗ xe ô tô, kiểm soát diện nhân việc công ty… số tỉnh, thành phố 1.3 Triển vọng ứng dụng công nghệ RFID NFC Việt Nam Ngày nay, công nghệ NFC tích hợp điện thoại thông minh (smartphone) nên tương lai, công nghệ có triển vọng phát triển lớn Những vấn đề phát sinh toán tiền mặt giá trị toán nhỏ khách hàng sử dụng tiền mặt có mệnh giá lớn, người bán hàng đủ tiền lẻ để trả lại cho khách Hình 1: Ứng dụng thẻ NFC FeliCa Sony [2] Các ứng dụng phổ biến thẻ NFC mô tả Hình thuộc nhiều lĩnh vực khác vé điện tử, vé xe, thẻ chứng minh thư, thẻ đa chức RFID phương thức nhận dạng tự động, cho phép lưu trữ lấy liệu từ xa dựa vào cộng hưởng sóng vô tuyến Thẻ RFID gắn kèm vào sản phẩm Hệ thống RFID gồm hai phần: thẻ tag có gắn chip silicon ăng-ten phần thứ đọc giao tiếp với thẻ tag truyền liệu đến hệ thống máy tính trung tâm Tần số RFID đa dạng thẻ NFC, dải tần RFID 125 KHz, 13.56 MHz, dải tần UHF, dải tần microwave Hình mô tả hoạt động thẻ RFID thẻ Tag đầu đọc dựa nguyên lý cảm ứng điện từ [3] 29 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin (2013): 28-38 trữ sở liệu, thông tin người dùng, số tiền tài khoản, lịch sử giao dịch; Nhận xử lý liệu từ client gửi trở lại kết giao dịch cho client  Client: Là nơi đọc thông tin thẻ toán RFID NFC gửi liệu máy chủ để xử lý Thông tin giao dịch chủ thẻ server gửi trả client hiển thị hình LCD client  Thẻ toán: Mỗi người dùng cấp thẻ RFID NFC, thẻ tương ứng với tài khoản cấp hệ thống server Người sử dụng muốn thực toán phải dùng thẻ cấp quét qua đầu đọc client số tiền cần phải trả thường làm tròn Ngoài ra, việc hoàn trả tiền lẻ cho khách hàng làm cho trình toán kéo dài dẫn đến việc thời gian Riêng dịch vụ giữ xe, việc dẫn đến tình trạng ùn tắc xe vào cao điểm Vì vậy, việc áp dụng giải pháp toán điện tử với công nghệ RFID NFC giải pháp khắc phục vấn đề Giải pháp toán điện tử qua công nghệ RFID NFC áp dụng khu vực từ trường học đến công sở, rộng toán phí xe buýt công cộng Ngoài công nghệ áp dụng làm thẻ khám chữa bệnh toán chi phí khám chữa bệnh bệnh viện Trường học công sở nơi thuận lợi để áp dụng giải pháp toán điện tử nơi tập trung nhiều dịch vụ công cộng dịch vụ giữ xe, dịch vụ ăn uống căngtin, máy bán hàng tự động, in ấn, dịch vụ photocopy Một thuận lợi nơi tập trung nhiều người trẻ, động việc tiếp cận giải pháp dễ dàng nhanh chóng Hình trình bày sơ đồ khối liên kết hệ thống bao gồm máy chủ server máy khách client Phía server bao gồm máy chủ lưu trữ sở liệu database, trang bị đầu đọc thẻ RFID NFC để đọc ID thẻ Một phần mềm tạo máy chủ để xử lý công việc bao gồm đọc ID thẻ lưu vào sở liệu, sửa chữa thông tin người dùng, nạp tiền vào tài khoản, lưu trữ lịch sử toán, kiểm tra hệ thống, kết nối qua Ethernet LAN/3G với client HỆ THỐNG THANH TOÁN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ RFID VÀ NFC 2.1 Phương pháp nghiên cứu 2.1.1 Cấu tạo hệ thống toán điện tử Phía client module bao gồm vi điều khiển MCU, module enthernet, đầu đọc RFID NFC, hình LCD, keyboard Khi người dùng quét thẻ qua đầu đọc, ID người dùng client gửi đến server qua kết nối ethernet Các client chờ nhận kết xử lý từ server hiển thị thông tin giao dịch lần toán hình LCD cho người dùng biết Trong nghiên cứu này, hệ thống toán điện tử sử dụng công nghệ RFID NFC có cấu tạo gồm phần [9]: Server, client thẻ RFID NFC  Server: Hệ thống máy chủ có nhiệm vụ lưu Hình 3: Hệ thống toán qua công nghệ RFID NFC 30 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin (2013): 28-38  Để tránh việc xâm nhập trái phép vào sở liệu hệ thống, người dùng tạo tài khoản mật đăng nhập, người dùng có thông tin đăng nhập vào sở liệu Đồng thời có phân cấp giữ người dùng từ quản lý đến nhân viên Để tạo hệ thống toán khu vực rộng, hệ thống gồm có server client tương ứng với điểm toán, client kết nối với server qua Ethernet LAN/3G để trao đổi liệu  Để tránh việc liệu hệ thống điện hỏng ổ cứng, công nghệ backup liệu RAID áp dụng để ngăn ngừa việc liệu 2.2 Hệ thống toán phí giữ xe công nghệ RFID 2.2.1 Mục tiêu hệ thống  Thanh toán điện tử thay cho toán tiền mặt  Thanh toán nhanh chóng, thuận tiện, tiết kiệm thời gian, giảm tắc nghẽn điểm trả phí Hình 4: Hệ thống toán nhiều client Mô hình tổng quát hệ thống bao gồm nhiều client kết nối với máy chủ server qua kết nối Ethernet LAN/3G để gửi liệu server (Hình 4) Server xử lý liệu từ client gửi trả lại kết sau xử lý cho client để hiển thị thông tin giao dịch hình LCD 2.1.2 Bảo mật backup cho hệ thống  Hệ thống chạy ổn định, an toàn bảo mật  Hướng tới giải pháp quản lý bãi giữ xe tập trung 2.2.2 Các thành phần hệ thống Hệ thống toán phí giữ xe bao gồm phần: thẻ RFID, đầu đọc RFID, server, phần mềm xử lý sở liệu Phân tích rủi ro: Hình trình bày thẻ RFID dùng cho hệ thống toán điện tử bãi giữ xe tự động viết  Thẻ bị đọc thông tin dùng đầu đọc có tần số 13.56 MHz với chuẩn ISO, nên thông tin ghi thẻ không hoàn toàn bảo mật  Thẻ bị làm giả để thực toán hệ thống  Cơ sở kiệu máy tính bị truy cập trái phép để thực thao tác thay đổi thông tin  Dữ liệu hệ thống bị ổ cứng bị hỏng điện đột ngột Khắc phục rủi ro:  Không ghi thông tin lên thẻ, thông tin tài khoản lưu trữ hệ thống để tránh thông tin người dùng bị chép Hình 5: Hình dạng thẻ toán điện tử RFID cho bãi giữ xe  Mỗi thẻ RFID NFC sản xuất có số ID riêng biệt không trùng với thẻ theo quy định công nghệ sản xuất thẻ người quản lý kiểm tra thẻ giả muốn toán vào hệ thống qua ID lưu trữ Server hệ thống gồm phận sau: Máy tính có cấu hình cao chạy hệ điều hành Windows, cổng kết nối Ethernet, kết nối COM ảo, đầu đọc RFID tần số 13.56 MHz chuẩn ISO 15693, thiết bị chuyển đổi USB-COM, phần mềm xử lý 31 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin (2013): 28-38 khoản nạp tiền vào tài khoản thẻ, in xuất lịch sử toán người dùng thẻ có yêu cầu Để bảo mật cho liệu server, người dùng phân cấp tài khoản để tránh việc xâm nhập trái phép vào sở liệu Sử dụng công nghệ backup liệu RAID để tránh trường hợp liệu server ổ cứng bị hỏng điện đột ngột Công nghệ giúp liệu an toàn không làm gián đoạn hoạt động hệ thống Server nhận liệu từ client qua kết nối Ethernet, xử lý liệu trả lại kết cho client thông qua modem USB-COM dùng để giả lập cổng COM ảo để truyền liệu theo chuẩn UART từ RFID reader lên máy tính chạy server viết ngôn ngữ C#, sở liệu thiết kế MySQL, chế bảo mật (security), hệ thống backup liệu RAID máy in để lịch sử toán a Mô hình cho server Mô hình server Hình máy chủ chứa hệ quản trị sở liệu MySQL cho hệ thống toán điện tử Người quản lý hệ thống thao tác ghi/đọc thông tin vào sở liệu qua phần mềm xử lý viết ngôn ngữ C# Phần mềm đọc ID thẻ từ đầu đọc RFID gửi máy tính qua USB-COM Trên giao diện phần mềm, người quản lý thay đổi thông tin tài Hình 6: Mô hình server cho hệ thống toán điện tử  Nếu ID không tồn hệ thống server gửi thông báo client ID thẻ không thuộc hệ thống c Phần mềm xử lý b Phương thức xử lý liệu trừ tiền tài khoản Tại client, ID thẻ người dùng gửi server thông qua kết nối Ethernet Server nhận ID so sánh, kiểm tra xem ID có thuộc sở liệu hay không Phần mềm xử lý “chương trình quản lý toán điện tử phí giữ xe” viết ngôn ngữ C# Microsoft Visual Studio 2010 [10] Có chức năng: tự động detect cổng COM, đọc ID thẻ RFID lưu vào sở liệu, cấu hình kết nối từ client đến server, quản lý thông tin người dùng, lưu lịch sử giao dịch, xuất lịch sử toán file Excel, tài khoản phân quyền cấp (admin user), có chức server chính, nhận xử lý thông tin giao dịch từ client gửi  Nếu ID có tồn hệ thống server xử lý tiếp ID gửi toán cho loại xe Nếu xe đạp trừ 500 đồng tài khoản ID sau gửi trả client thông báo số tiền lại Nếu loại toán xe máy server tiếp tục trừ tiền tài khoản ID 1.000 đồng sau gửi thông báo client số tiền lại  Nếu ID hết tiền tài khoản server gửi thông báo client ID hết tiền quyền toán 32 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin (2013): 28-38 Hình 7: Giao diện phần mềm xử lý server Hình 8: Hệ sở quản trị liệu MySQL 33 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin (2013): 28-38 d Cơ sở liệu Cơ sở liệu xây dựng hệ quản trị sở liệu MySQL mã nguồn mở Orache (Hình 8) e Module Client Phần cứng client bao gồm vi điều khiển MSP430F5418, đầu đọc RFID reader, module ethernet U2E, hình LCD text, mạch nguồn, nút nhấn, LED trạng thái loa báo Module thực chức đọc ID thẻ gửi server, chờ nhận kết toán từ server hiển thị thông tin toán LCD Sơ đồ khối module client Hình Hình 9: Sơ đồ khối module client  Trường hợp toán xe đạp, người quản lý toán nhấn nút (button) module client đoạn mã gửi server nhằm mục đích thông báo cho server biết giao dịch diễn toán phí cho xe đạp Khi đó, phía server chờ đợi nhận tiếp ID từ client gửi về, tiếp tục server xử lý trừ tài khoản toán cho xe đạp Tương tự xe đạp, toán cho xe máy server gửi trường hợp: số tiền lại, thẻ hết tiền, ID không tồn Phía client nhận hiển thị thông báo toán lên LCD tương ứng với trường hợp Hình 10 mô tả giải thuật chương trình module client Nguyên tắc hoạt động client  Client có chế độ, toán cho xe máy toán cho xe đạp Ở chế độ mặc định toán cho xe máy, tức ID thẻ đọc trực tiếp gửi vi điều khiển, trường hợp toán xe máy Nếu toán cho xe đạp người gửi xe cần nhấn button sau ID thẻ đọc Mục đích việc nhằm xác định giao dịch toán xe máy, giao dịch toán xe đạp  Thẻ RFID người dùng quét qua đầu đọc trang bị client ID thẻ vi điều khiển MSP430F5418 nhận từ RFID reader qua chuẩn giao tiếp UART Đây chế độ mặc định toán cho xe máy Khi đó, vi điều khiển MSP430F5418 gửi ID vừa nhận server, server nhận ID, server xử lý trả trường hợp sau: Nếu tài khoản tiền trừ tiền gửi “số tiền lại”, tài khoản hết tiền gửi thông báo “thẻ hết tiền”, ID thẻ không tồn gửi thông báo “ID không thuộc hệ thống” Phía client nhận thông báo cho hiển thị LCD để người toán biết Kết nối server client: Theo Stream sockets dựa giao thức TCP (transmission Control Protocol), giao thức hướng luồng (stream oriented) Việc truyền liệu thực tiến trình thiết lập kết nối Giao thức đảm bảo liệu truyền đến nơi nhận cách đáng tin cậy, thức tự nhờ vào chế quản lý luồng lưu thông mạng chế chống tắc nghẽn Hình 11 mô tả giải thuật chương trình kết nối server client qua giao thức TCP/IP 34 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin (2013): 28-38 Giải thuật cho client Hình 10: Giải thuật cho module client 35 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin (2013): 28-38 Hình 11: Sơ đồ giải thuật kết nối server client theo giao thức TCP/IP Hình 12: Sơ đồ kết nối server + LAN + client 36 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin (2013): 28-38  Gửi xe toán: đến bãi giữ xe, người dùng thẻ toán gửi xe vào bãi Sau đó, lấy xe khỏi bãi xe người dùng cần quét thẻ đầu đọc RFID client để toán Nếu giao dịch thông báo thành công người dùng toán xong phí giữ xe lấy xe khỏi bãi Tất nhiên khâu quản lý xe thuộc trách nhiệm chủ giữ xe, không nằm mục tiêu hệ thống 2.3 Kết đạt Các client kết nối server để truyền liệu cho server xử lý, thời điểm có nhiều client gửi liệu server lúc Server tự chia tiến trình để lúc xử lý hết liệu gửi gửi trả lại kết cho client Hình 12 sơ đồ kết nối client đến server f Cơ chế hoạt động hệ thống Hai bước thực việc toán điện tử là: thứ người dùng đến quầy dịch vụ mua thẻ toán điện tử RFID nạp tiền vào tài khoản Thứ hai gửi xe toán Một hệ thống toán phí giữ xe công nghệ RFID thiết kế, chế tạo, thử nghiệm thành công với đầu đọc thẻ 01 máy tính làm chức server quản lý Các mạch điện hệ thống giao diện phần mềm quản lý server trình bày Hình 13, Hình 14 Hình 15 Qua kiểm nghiệm thực tế, hệ thống đáp ứng yêu cầu đặt ban đầu  Đến quầy dịch vụ mua thẻ toán: người sử dụng muốn dùng hệ thống toán điện tử, trước hết họ phải đến quầy dịch vụ để mua thẻ toán, cung cấp thông tin cá nhân theo quy định để lưu vào sở liệu hệ thống nạp số tiền mà họ cần theo mệnh giá quy định trước Hình 13: Phần mềm quản lý máy tính Hình 14: Client module 37 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin (2013): 28-38 Hình 15: Hai client module kết nối server FeliCa by Sony URL: http://newconstruct.wordpress.com/2008/03 /27/36/ Klaus Finkenzeller, and Dorte Muller, RFID Handbook, 3rd edition, Wiley, August 2010 RFID basics URL: KẾT LUẬN Nội dung viết trình bày việc thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống toán điện tử công nghệ RFID NFC minh họa cụ thể ví dụ toán chi phí giữ xe Đây giải pháp ứng dụng có tính khả thi cao áp dụng cho dịch vụ công cộng toán phí giữ xe điểm giữ xe Trường Đại học Cần Thơ http://www.priority1design.com.au/rfid_design.html EZ-LINK URL: http://www.ezlink.com.sg Octopus URL: http://www.octopus.com.hk NTT Docomo URL: Hướng nghiên cứu mà nhóm tác giả tiếp tục thực xây dựng hệ thống toán không sử dụng kết nối server-client, tức client độc lập thực việc quét thẻ toán Hệ thống toán client độc lập đòi hỏi chế độ bảo mật cao đầu đọc thẻ RFID cần có chức bảo mật Với đặc điểm này, hệ thống toán client độc lập áp dụng cho điểm giữ xe có thu phí mà áp dụng toán vé xe buýt, mua hàng siêu thị, quán ăn, khách sạn ứng dụng toán khác http://www.nttdocomo.co.jp Tuoitre Online, “2013: dân số Việt Nam đạt 90 triệu người”, đăng ngày 26/12/2012 URL: http://tuoitre.vn/chinh-tri-xahoi/song-khoe/526788/2013-dan-so-vietnam-dat-90-trieu-nguoi.html Mai Tiểu Long, RFID – Từ Khái Quát Đến tập lệnh, RFID Team, Texas Instruments 10 Simon Robinson, et al., Professional C#, 2nd Edition, Wrox Press, 2002 TÀI LIỆU THAM KHẢO Near field communication URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Near_field_co mmunication 38