基于近场磁通信与接近关系检测的手机支付系统与方法与流程

本发明涉及一种手机支付系统与方法，尤其是一种基于近场磁通信与接近关系检测的手机支付系统与方法，主要应用于智能手机线下移动支付，属于移动支付领域。

背景技术：

近几年，“无钱包、无现金”的移动支付快速渗透进人们的日常生活中，已经逐渐成为人们的日常习惯。线下移动支付的主要技术手段包括：二维码、nfc、蓝牙。

nfc（nearfieldcommunication）近场通信，作为一种近场支付方式，具有安全性高、支付快捷便利，用户体验好、无需智能手机在线联网等诸多优势，是2016年及以前几年银联、电信运营商与各大银行主推的支付方式，但受制于收款设备即闪付收银pos机成本高、普及速度慢，且内置nfc的智能手机比例较低等诸多因素的影响，即使有苹果等手机厂商的支持如applepay，推广效果仍不理想。

ble（bluetoothlowenergy）低功耗蓝牙支付也属于近场支付的一种方式，相对nfc，其作用距离从10cm扩展到数十米，但由于较远距离的支付场景除在餐厅等少数场所外意义不大，同时无线传输距离远导致安全性降低，不同型号智能手机的蓝牙配对连接时间差异较大导致用户体验不一致，大多数android智能手机用户为了节电关闭蓝牙，这些因素导致蓝牙支付未得到广泛应用，仅有平安付在2014年进行了一段时间的推广努力。

二维码作为一种移动支付技术，具有收款终端成本低、支持所有型号的智能手机等优势，在腾讯、阿里巴巴等互联网巨头的大力推进下，商家覆盖率非常高，已经成为移动支付的主流方式。自2016年下半年，银联与各大银行也开始全面支持二维码支付模式。二维码支付从智能手机角度可分为主动扫码付款和动态付款码被扫两种形式，与nfc近场支付相比，两者均存在操作流程相对复杂、用户体验较差、安全度较低等缺点。相对而言，被扫方式由于用户付款码动态更新，安全性更高，但商家需改造或新购80-200元不等的扫码枪，配置专门收银人员；主动扫码方式商家新增成本接近于0，无需商家执行专门的收款操作，但收款码为静态二维码，易被替换，安全隐患严重。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有二维码支付方式存在的安全性低、付款时需要用户执行多个动作，流程复杂，及nfc受制于收款设备价格高、支持nfc的智能手机终端少等问题，本发明提出手机支付系统的收款终端在启动收款流程时，从收款验证服务平台获取本次收款交易唯一的交易验证码及周期更新的动态交易码，并将动态交易码通过wifi/ble信号广播给附近智能手机，同时利用磁发射单元发射本次交易对应的交易验证码；处于解锁状态的智能手机后台运行wifi/ble侦听值守库，获取每次支付交易对应的动态交易码，基于wifi/ble广播信号的接收强度rss实现智能手机与收款终端之间的接近关系检测，当智能手机检测到距离收款终端小于指定值（如0.1m）时，自动启动磁力计传感器进行磁场采样，并基于磁信号解调算法获得交易验证码，将交易验证码与动态交易码一起发送给收款验证服务平台进行安全验证，从而提高支付安全性，减少用户操作动作数量，提升用户体验。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：基于近场磁通信与接近关系检测的手机支付系统，其特征在于，包括收款终端、智能手机和收款验证服务平台，所述收款验证服务平台通过wifi无线路由器或收款设备与收款终端建立安全连接，用于发送收款交易中生成的唯一交易验证码与周期更新的动态交易码给收款终端，所述收款终端通过wifi链路或ble链路向智能手机广播动态交易码，通过近场磁通信链路向智能手机发送交易验证码，所述智能手机根据接收的wifi链路或ble链路的广播信号，获取动态交易码，基于广播信号的接收强度rss，判断与收款终端的距离小于指定值时，自动启动磁力计传感器采样近场磁通信链路的磁信号获得交易验证码，并通过3g/4g无线链路或wifi无线路由器将交易验证码和动态交易码打包成验证请求消息发送给收款验证服务平台进行安全验证，所述收款验证服务平台对智能手机上传的交易验证码与动态交易码进行验证，并通过专网与一个或多个支付平台连接，所述收款验证服务平台通过支付平台提供的支付接口完成支付交易。

进一步地，所述收款设备为收款pad/手机或收银机，所述收款pad/手机通过3g/4g网络与收款验证服务平台连接，通过ble安全连接与收款终端进行数据交换，所述收银机通过公网或vpn链路与收款验证服务平台连接，通过usb或串口与收款终端连接。

进一步地，所述收款终端包括外壳，所述外壳的四角设有状态显示led，且外壳内集成有wifi单元、ble单元、天线单元和磁发射单元和供电与时钟单元，所述wifi单元内置有mcu微控制器，所述天线单元包括射频开关和pcb全向天线，所述射频开关与pcb全向天线连接，所述pcb全向天线工作频段为2.4ghz，用于发送和接收wifi与ble无线信号，所述磁发射单元包括全桥驱动电路、可变增益运放和磁线圈，所述全桥驱动电路与可变增益运放连接，所述可变增益运放与磁线圈连接，所述供电与时钟单元分别与wifi单元、ble单元、磁发射单元和状态显示led连接，所述供电与时钟单元为收款终端提供电源与基准工作时钟；

所述mcu微控制器分别与磁发射单元的全桥驱动电路、可变增益运放连接，且用于控制全桥驱动电路实现0电平、+电平、-电平和控制可变增益运放的运放增益，所述磁线圈用于将磁信号以近场形式发送出去，所述mcu微控制器与状态显示led连接，用于控制状态显示led显示收付款状态，通过不同颜色表示待机、收款、收款成功、安全告警四种状态，所述mcu微控制器与ble单元连接，且用于控制ble单元发送ble通告消息，所述ble单元和wifi单元均与天线单元的射频开关连接，且通过mcu微控制器控制射频开关实现wifi单元与ble单元之间信号通道的切换；

所述收款终端最多包含3路磁发射单元，所述3路磁发射单元分别为相互正交的x/y/z轴磁场，且磁发射单元的正交性通过磁线圈的正交放置实现。

进一步地，所述wifi单元支持station与ap两种工作模式，所述收款终端通过station模式与收款验证服务平台建立安全连接，通过安全套接字层ssl获取收款验证服务平台生成的动态交易码与交易验证码，通过ap模式的beacon帧将动态交易码广播给android智能手机；所述ble单元通过ble安全连接与收款pad/手机进行数据交换，通过ble通告信道的ble通告消息将动态交易码广播给iphone智能手机；所述磁发射单元利用近场磁通信技术通过磁线圈将交易验证码发送给智能手机。

进一步地，所述智能手机为android智能手机或iphone4s以上的智能手机，支持3g/4g无线网络，内置有wifi/ble单元和磁力计传感器；在解锁状态下，android智能手机后台调用android操作系统的周期wifi扫描结果，获得动态交易码，iphone智能手机以ios操作系统ble后台模式侦听收款终端的ble广播消息，获得动态交易码；所述智能手机通过磁力计传感器启动近场磁通信信号解调算法进行磁场采样，采样获取收款终端发送的交易验证码。

进一步地，所述收款验证服务平台可以集成在支付平台内部，也可独立部署，包括收款终端的状态管理模块、动态交易码维护与更新模块、交易验证码生成模块、动态交易码与交易验证码映射关系验证模块以及支付平台的支付接口调用模块。

进一步地，所述验证请求消息包括：动态交易码、交易验证码、支付平台标识、用户在支付平台的帐号及交易金额。

为了进一步实现以上技术目的，本发明还提出了基于近场磁通信与接近关系检测的手机支付方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一.收款验证服务平台建立系统基础数据，配置与维护动态交易码的更新、广播策略和交易验证码生成策略；

步骤二.收款终端开机初始化：收款终端开机启动后设置状态显示led为待机状态，并与收款验证服务平台建立连接，向收款验证服务平台注册开机状态，并获取动态交易码的更新、广播策略及交易验证码过期时间；

步骤三.智能手机开机并解锁，与收款验证服务平台建立安全连接，从收款验证服务平台获取并在本地记录该款智能手机进行接近关系检测对应的rss门限，并启动后台侦听机制，根据不同的操作系统，执行不同的侦听机制；

步骤四.收款方发起收款流程：当准备收款时，收款方通过收款设备输入交易金额，并将交易金额信息发送给收款验证服务平台，主动发起收款流程；

步骤五.收款验证服务平台收到信息后，生成本次交易对应的唯一的交易验证码和周期更新的动态交易码，并通过wifi无线路由器或收款设备将交易验证码和动态交易码发送给收款终端；

步骤六.收款终端收到动态交易码和交易验证码后，设置状态显示led为收款状态，通过wifi单元和ble单元经pcb全向天线交替广播动态交易码，通过磁发射单元发送交易验证码；

步骤七.智能手机获取信号：智能手机通过不同的操作系统获取侦听广播信号的接收强度rss，并根据rss值及本地存储的rss门限判断自身与收款终端的距离是否超过指定值，若不超过，则获取并记录动态交易码，并自动启动磁力计传感器对磁场进行采样，基于采样数据解调出交易验证码，然后将动态交易码和交易验证码打包成验证请求消息经https协议上传至收款验证服务平台；若超过，则需继续侦听广播信号；

步骤八.收款验证服务平台的验证与支付交易执行：收款验证服务平台收到验证请求消息后，判断收到的验证请求消息中的动态交易码、交易验证码是否本地生成的码字匹配，若匹配，则通过验证，并调用支付平台对应的支付接口，完成支付流程，同时发送交易完成消息；若不匹配，则终止本次交易，并发送安全告警消息；

步骤九.交易反馈消息的处理：收款终端若收到收款验证服务平台的交易完成消息，则更新状态显示led为待机状态，停止wifi/ble广播以及磁发射；若收到收款验证服务平台的安全告警消息，则设置状态显示led为告警状态，暂停收款服务，停止wifi/ble广播以及磁发射；

智能手机若收到收款验证服务平台的交易完成消息，则提示用户交易成功及本次交易的金额，并重新进行后台侦听；若收到收款验证服务平台发出的安全告警消息，则提示用户本次交易终止，付款失败，并重新进行后台侦听。

进一步地，所述步骤一中收款验证服务平台建立系统基础数据包括：维护管理收款终端对应的地址、商家名称、账号及其它收款方基础信息，以及接近关系判断rss门限数据库；

所述收款验证服务平台配置与维护动态交易码生成更新广播以及交易验证码生成策略包括：动态交易码与交易验证码随机生成策略、动态交易码更新周期、动态交易码广播间隔及交易验证码过期时间，所述动态交易码更新周期默认为1分钟，所述交易验证码长度为24bits。

进一步地，所述步骤六中动态交易码默认广播间隔为100ms，对于wifi链路，在beacon帧中的ssid字段携带动态交易码；对于ble链路，在ble通告消息的“厂商自定义数据”字段携带动态交易码；且wifibeacon帧和ble通告消息中包含交易金额；收款终端通过磁发射单元发送交易验证码的间隔默认为1s。

本发明的有益效果为：

1）本发明的支付系统采用低成本wifi/ble单元，基于收款验证服务平台，实现收款终端的状态管理、动态交易码的周期更新以及交易验证码的生成，通过动态交易码与交易验证码对应的映射关系验证以及交易验证码的传输，且交易验证码通过近场磁通信链路在3~5cm距离内传输，显著提升了支付系统安全性；

2）智能手机基于侦听到的wifi或ble的接收信号强度判断其与收款终端的距离小于指定值0.1米时，自动启动内置磁力计传感器进行近场磁通信；整个支付过程实现了贴近即支付，无需用户执行其他支付动作，缩短支付时间，提升了用户支付体验；

3）智能手机仅在解锁状态下后台运行低功耗wifi/ble侦听值守库，不会额外增加智能手机的功耗；

4）目前内置磁力计传感器的智能手机数量远大于内置nfc单元的智能手机，适用性更广，且收款终端成本仅需40元左右，价格低廉。

附图说明

图1为本发明的手机支付系统的结构示意图。

图2是本发明的收款终端的结构框图。

图3是本发明的手机支付方法的流程示意图。

附图说明：1-收款终端、11-wifi单元、12-ble单元、13-天线单元、131-射频开关、132-pcb全向天线、14-磁发射单元、141-全桥驱动电路、142-可变增益运放、143-磁线圈、15-状态显示led、16-供电与时钟单元、2-智能手机、3-收款验证服务平台、4-wifi无线路由器、5-收款设备、51-收款pad/手机、52-收银机、6-支付平台。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

根据附图1所示，基于近场磁通信与接近关系检测的手机支付系统，其特征在于，包括：收款终端1、智能手机2和收款验证服务平台3，所述收款验证服务平台3通过wifi无线路由器4或收款设备5与收款终端1建立安全连接，用于发送针对每笔收款交易生成的唯一交易验证码与周期更新的动态交易码给收款终端1，所述收款终端1通过wifi链路或ble链路向智能手机2广播动态交易码，通过近场磁通信链路向智能手机2发送交易验证码，所述智能手机2根据侦听到的wifi链路或ble链路的广播信号，获取动态交易码，通过磁力计传感器的磁场采样数据解调获得交易验证码，并通过3g/4g无线链路或wifi无线路由器4将交易验证码和动态交易码打包成验证请求消息基于https协议发送给收款验证服务平台3进行安全验证，所述收款验证服务平台3对智能手机2上传的交易验证码与动态交易码进行验证，并通过专网与一个或多个支付平台6连接，所述收款验证服务平台3通过支付平台6提供的支付接口完成支付交易。

所述收款设备5为收款pad/手机51或收银机52，当收款方店内已有收银机52时，收款终端1可作为收银机52的外置模块通过usb或串口与收银机52连接，通过收银机52已有的网络连接与收款验证服务平台3通信，同时收银机52的usb还具有给收款终端1供电的功能；当收款方店内没有wifi无线路由器4和收银机52时，收款终端1可作为收款pad/手机51的外置模块通过ble安全连接与收款pad/手机51进行数据交换，通过收款pad/手机51已有的3g/4g网络与收款验证服务平台3通信。

所述智能手机2为android智能手机或iphone4s以上的苹果智能手机，支持3g/4g无线网络，内置有wifi/ble单元和磁力计传感器，所述智能手机2处于解锁状态时，后台运行低功耗wifi/ble侦听值守库，通过wifi/ble单元侦听收款终端1的广播信号，并根据wifi/ble单元接收信号rss值，判断自身距离收款终端1是否小于一个指定值，所述指定值为0.1m，如果小于，则获取广播信号中携带的动态交易码，并自动启动磁力计传感器采集磁场信号，基于近场磁通信信号解调算法获取收款终端1发出的交易验证码，并将获取的动态交易码与交易验证码等数据打包成验证请求消息通过htpps安全协议传递到收款验证服务平台3。

所述收款验证服务平台3可以集成在支付平台6内部，也可独立部署，当独立部署时，通过专线与1个或多个支付平台6对接，功能模块包括但不限于：收款终端1的状态管理模块、动态交易码维护与更新模块、交易验证码生成模块、动态交易码与交易验证码映射关系验证模块以及支付平台的支付接口调用模块。

根据附图2所示，所述收款终端1包括外壳，所述外壳的四角设有状态显示led15，且外壳内集成有wifi单元11、ble单元12、天线单元13和磁发射单元14，所述wifi单元11内置有mcu微控制器，所述天线单元13包括射频开关131和pcb全向天线132，所述射频开关131与pcb全向天线132连接，所述磁发射单元14包括全桥驱动电路141、可变增益运放142和磁线圈143，所述全桥驱动电路141与可变增益运放142连接，所述可变增益运放142与磁线圈143连接；所述mcu微控制器分别与磁发射单元14的全桥驱动电路141、可变增益运放142连接，且用于控制全桥驱动电路141实现0电平、+电平、-电平和控制可变增益运放142的运放增益，所述磁线圈143用于将磁信号以近场形式发送出去，所述mcu微控制器与状态显示led15连接，用于控制状态显示led15显示收付款状态，通过不同颜色表示待机、收款、收款成功、安全告警四种状态，所述mcu微控制器与ble单元12连接，且用于控制ble单元12发送ble通告消息，所述ble单元12和wifi单元11均与天线单元13的射频开关131连接，且通过mcu微控制器控制射频开关131实现wifi单元11与ble单元12之间信号通道的切换；

所述收款终端1还包括供电与时钟单元16，所述供电与时钟单元16分别与wifi单元11、ble单元12、磁发射单元14和状态显示led15连接，所述供电与时钟单元16为收款终端1提供电源与基准工作时钟。

所述pcb全向天线132工作频段为2.4ghz，用于发送和接收wifi与ble无线信号，包括wifi/ble广播信号、wifi无线路由器4的wifi数据传输信号、收款pad/手机51的ble数据传输信号。

所述收款终端1最多包含3路磁发射单元14，所述3路磁发射单元14分别为相互正交的x/y/z轴磁场，且磁发射单元14的正交性通过磁线圈143的正交放置实现。

所述wifi单元11支持station与ap两种工作模式，所述收款终端1通过station模式与收款验证服务平台3建立安全连接，通过安全套接字层ssl获取收款验证服务平台3生成的动态交易码与交易验证码，通过ap模式的beacon帧将动态交易码广播给android智能手机；所述ble单元12通过ble安全连接与收款pad/手机51进行数据交换，通过ble通告信道的ble通告消息将动态交易码广播给iphone智能手机；所述磁发射单元14利用近场磁通信技术通过磁线圈143将交易验证码发送给智能手机2。

根据图3所示，基于近场磁通信与接近关系检测的手机支付方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一.收款验证服务平台3建立系统基础数据，配置与维护动态交易码的更新、广播策略和交易验证码生成策略；

所述收款验证服务平台3建立系统基础数据包括但不限于：维护管理收款终端1对应的地址、商家名称、账号及其它收款方基础信息，以及接近关系判断rss门限数据库。

所述接近关系判断rss门限数据库存储了每一型号的智能手机2距离收款终端1为指定值（如0.1米）时多个方位、多种握持姿态下的接近关系检测rss门限。由于不同厂家与型号的智能手机2特别是android智能手机采用了不同wifi芯片与pcb封装方式，不同厂家与型号的智能手机2在相同位置、相同地点接收到发射功率相同的wifi信号，其rss值差别较大，为解决这个问题，针对不同厂家与型号的android智能手机和iphone智能手机，通过预先训练方式获得接近关系检测rss门限值，储存构建专门的rss门限数据库。

所述收款验证服务平台3配置与维护动态交易码生成更新广播以及交易验证码生成策略包括但不限于：动态交易码与交易验证码随机生成策略、动态交易码更新周期、动态交易码广播间隔、交易验证码过期时间，所述动态交易码更新周期默认为1分钟，广播间隔默认为100ms，所述交易验证码长度为24bits。

步骤二.收款终端1开机初始化：收款终端1开机启动后设置状态显示led15为待机状态，并与收款验证服务平台3建立安全连接，向收款验证服务平台3注册开机状态，并获取动态交易码的更新、广播策略及交易验证码过期时间；

步骤三.智能手机2开机并解锁，与收款验证服务平台3建立安全连接，从收款验证服务平台3获取并在本地记录该款智能手机进行接近关系检测对应的rss门限，处于解锁状态的智能手机2启动后台侦听机制，根据不同的操作系统，执行不同的侦听机制；

若是iphone智能手机，则以ios系统bluetooth-central后台模式启动ble侦听值守库，监听收款终端1通过ble单元12广播的携带动态交易码的ble通告消息；若是android智能手机，则启动wifi侦听值守库，后台调用android操作系统的周期wifi扫描结果，监听收款终端1通过wifi单元11广播的携带动态交易码的wifibeacon帧；

在交易过程中，智能手机2必须处于解锁状态，为用户提供必要的交互界面，且仅在智能手机2处于解锁状态时才启动后台侦听机制，这样能够进一步降低智能手机2的侦听功耗。

步骤四.收款方发起收款流程：当准备收款时，收款方通过收款设备5输入交易金额，并将交易金额信息发送给收款验证服务平台3，主动发起收款流程；

步骤五.收款验证服务平台3收到信息后，生成交易验证码和周期更新的动态交易码，并通过wifi无线路由器4或收银机52或收款pad/手机51将交易验证码和动态交易码发送给收款终端1；

步骤六.收款终端1收到动态交易码和交易验证码后，设置状态显示led15为收款状态，通过wifi单元11和ble单元12经pcb全向天线132交替广播动态交易码，通过磁发射单元14发送交易验证码；

动态交易码默认广播间隔为100ms，对于wifi链路，在beacon帧中的ssid字段携带动态交易码；对于ble链路，在ble通告消息的“厂商自定义数据”字段携带动态交易码；且wifibeacon帧和ble通告消息中可包含交易金额等信息，便于智能手机用户查看确认；

收款终端1通过磁发射单元14发送交易验证码的间隔默认为1s；

步骤七.智能手机2获取信号：智能手机2通过不同的操作系统获取侦听广播信号的接收强度rss，并根据rss值及本地存储的rss门限判断自身与收款终端1的距离是否超过指定值（如0.1m），若不超过指定值，则获取并记录动态交易码，并自动启动磁力计传感器对磁场进行采样，基于采样数据解调出交易验证码，然后将动态交易码和交易验证码打包成验证请求消息上传至收款验证服务平台3；若超过指定值，则需继续侦听广播信号；

所述验证请求消息包括但不限于：动态交易码、交易验证码、支付平台标识、用户在支付平台的帐号及交易金额。

由于不同厂家与型号的智能手机2特别是android智能手机采用了不同wifi芯片与pcb封装方式，不同厂家与型号的智能手机2在相同位置、相同地点接收到发射功率相同的wifi信号，其rss值差别较大，为解决这个问题，针对不同厂家与型号的android智能手机和iphone智能手机，通过预先训练方式获得接近关系检测rss门限值，储存构建专门的rss门限数据库，rss门限数据库存储了每一型号手机在多个方位、多个距离、多种握持姿态下的接近关系检测rss门限值；

步骤八.收款验证服务平台3的验证与支付交易执行：收款验证服务平台3收到验证请求消息后，判断收到的验证请求消息中的动态交易码、交易验证码是否与本地生成的码字匹配，若匹配，则通过验证，并根据验证请求消息中的支付平台6及用户账号，调用支付平台6对应的支付接口，完成支付流程，同时发送交易完成消息，通知收银机52、收款pad/手机51、收款终端1、智能手机2交易完成，并提示交易金额；若不匹配，即不满足映射关系，则终止本次交易，并发送安全告警消息给收银机52、收款pad/手机51、收款终端1、智能手机2；

步骤九.交易反馈消息的处理：收款终端1若收到收款验证服务平台3的交易完成消息，则更新状态显示led15为待机状态，停止wifi/ble广播以及磁发射；若收到收款验证服务平台3的安全告警消息，则设置状态显示led15为告警状态，暂停收款服务，停止wifi/ble广播以及磁发射；

智能手机2若收到收款验证服务平台3的交易完成消息，则提示用户交易成功及本次交易的金额，并重新进行后台侦听；若收到收款验证服务平台3发出的终止安全告警消息，则提示用户本次交易终止，付款失败，并重新进行后台侦听。

本发明的特点为：该系统由带有wifi单元11和低功耗蓝牙ble单元12、磁发射单元14的收款终端1、内置wifi和ble单元与磁力计传感器的智能手机2，以及收款验证服务平台3组成；低成本的收款终端1在启动收款流程时，从收款验证服务平台3获取本次收款交易唯一的交易验证码、周期更新的动态交易码并将其通过wifi/ble单元广播给附近智能手机2，同时利用磁发射单元14发射本次交易唯一的交易验证码；处于解锁状态的智能手机2后台运行低功耗wifi/ble侦听值守库，获取对应的动态交易码，基于wifi/ble广播信号接收强度rss实现智能手机2与收款终端1之间的接近关系检测，当智能手机2检测到距离收款终端1小于指定值（如0.1m）时，自动启动近场磁通信解调算法获得本次交易中唯一的交易验证码，并与动态交易码一起发送给收款验证服务平台进行安全验证，提高支付安全性，且整个支付流程无需用户进行任何复杂操作，减少用户操作动作数量，提升用户体验。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。