Android NFC技术实现非接触IC卡读写应用开发实战

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简介：本项目指导如何使用Android SDK开发NFC应用以读写非接触式IC卡，通常用于门禁、公交卡等场景。介绍NFC技术原理，包括其工作模式和在Android上的API使用。详细说明了如何通过AndroidManifest声明权限、使用BroadcastReceiver监听NFC事件、获取Tag对象以及进行读写操作的代码示例。项目还强调了异常处理和数据安全的重要性，并探讨了高级功能如HCE模拟和NDEF消息处理。
安卓NFC

1. NFC技术原理与工作模式

NFC技术简介

NFC（Near Field Communication）是一种无线通信技术，允许设备在短距离内进行信息交换。它是RFID（无线射频识别）技术的一个子集，工作频率为13.56 MHz，传输范围一般限制在10厘米以内。NFC技术主要用于移动设备和近距离通信，因其便携性和易用性，已经成为智能设备中的一种流行技术。

NFC的工作模式

NFC有三种工作模式：
- 读写器模式 ：NFC设备模拟读卡器，读取或写入NFC标签或智能卡上的数据。
- 卡模拟模式 ：NFC设备模拟一个NFC标签，其他NFC读写器可以读取其中的信息。
- 点对点模式 ：两个NFC设备之间建立对等连接，互相交换数据。

这些模式共同为NFC技术的应用提供了灵活性和广泛的可能性。

NFC技术的优势

NFC技术的优势主要表现在：
- 快速交互 ：NFC的数据传输速度比蓝牙快，配置也更简单。
- 低功耗 ：NFC在激活状态下功耗较低。
- 安全性 ：NFC通信具有一定的安全机制，如密钥交换、认证过程等。
- 多种功能 ：NFC不仅可以用来传输数据，还可以用于身份认证、电子票务、支付等多种场景。

了解NFC技术的原理和工作模式，为后续章节中对Android NFC API的深入探讨和实际应用打下坚实的基础。

2. Android NFC API使用

2.1 NFC API概述

2.1.1 NFC API核心类介绍

Android的NFC API为开发者提供了丰富的工具来实现NFC功能。核心的类包括NfcAdapter，NdefMessage，NdefRecord等，它们分别承担着NFC硬件适配器，NDEF消息，NDEF记录的作用。通过这些类，开发者能够控制NFC硬件，构建和解析NDEF消息，以及读写NFC标签。这些类的使用和它们之间的关联是实现NFC功能的基础。

2.1.2 NFC API的主要方法

NfcAdapter类提供了许多主要方法，例如：enableReaderMode()，disableReaderMode()，和技术isNdefPushEnabled()等，这些方法用来控制NFC适配器，和读写NFC标签。enableReaderMode()方法允许开发者在自定义的模式下使用NFC适配器，这种方式比默认的模式提供了更多的控制选项，例如可以避免系统生成的NDEF消息，从而提高应用的性能。

2.2 NFC标签的读写

2.2.1 NFC标签识别流程

当NFC适配器检测到NFC标签时，会发起一个Intent，该Intent携带标签的信息。通过分析这个Intent，应用可以获取标签的类型（如NDEF，Mifare等）。读取标签数据的过程包括：初始化NfcAdapter，注册相应的Intent Filter以监听NFC事件，然后在onNewIntent()方法中处理接收到的Intent。重要的是，代码逻辑需要能够根据不同的标签类型，调用相应的方法来读取或写入数据。

val intent = intentval action = intent.actionif (NfcAdapter.ACTION_NDEF_DISCOVERED == action) { val ndef: Ndef = Ndef.get(tag) // 确定标签是否支持NDEF格式 // ...}

在上面的代码示例中，首先检查Intent的动作，如果动作是NfcAdapter.ACTION_NDEF_DISCOVERED，表示检测到NDEF格式的标签，然后获取Ndef对象，用于进一步处理标签数据。

2.2.2 NFC标签数据读取与写入

读取NFC标签的数据通常涉及解析NdefMessage，它包含了NDEF记录（NdefRecord）的列表。每个NdefRecord包含了实际的数据，例如文本、URL或其他类型的数据。对于写入，可以创建一个新的NdefMessage，添加NdefRecords，然后写入NFC标签。

NdefRecord[] records = { myRecord };NdefMessage message = new NdefMessage(records);NdefTag tag = Ndef.get(tag);if (tag != null) { NdefFormatable format = NdefFormatable.get(tag); if (format != null) { try { format.connect(); format.format(message); format.close(); } catch (IOException | FormatException e) { e.printStackTrace(); } } else { // 处理无法格式化的情况 }}

在上述代码段中，首先创建了一个包含NdefRecord的数组，然后用它来创建NdefMessage对象。通过NdefFormatable类的实例，调用format()方法将NdefMessage写入NFC标签。

2.3 NFC设备状态监听

2.3.1 检测NFC设备可用性

应用程序应当能够检测到设备是否支持NFC功能，以及NFC功能是否启用。可以通过调用NfcAdapter.getDefaultAdapter()方法来获取NfcAdapter实例，然后通过检查其返回值是否为null来判断设备是否支持NFC。如果返回值不是null，则表明该设备支持NFC。进一步，使用isEnabled()方法来判断NFC功能是否已经启用。

NfcAdapter nfcAdapter = NfcAdapter.getDefaultAdapter(context);if (nfcAdapter == null) { // 设备不支持NFC} else if (!nfcAdapter.isEnabled()) { // NFC未启用，可能需要提示用户开启}

2.3.2 监听NFC设备状态变化

为了监听NFC设备状态的变化，需要在相应的Activity中重写onResume()和onPause()方法，并且在这些方法中调用enableReaderMode()和disableReaderMode()。同时，需要实现NfcAdapter.ReaderCallback接口，以获取NFC标签接近或离开时的回调事件。当状态变化时，可以通过回调函数处理相关逻辑。

@Overridepublic void onResume() { super.onResume(); NfcAdapter nfcAdapter = NfcAdapter.getDefaultAdapter(this); if (nfcAdapter != null) { nfcAdapter.enableReaderMode(this, new NfcAdapter.ReaderCallback() { @Override public void onTagDiscovered(Tag tag) {  // 处理检测到的NFC标签 } }, NfcAdapter.FLAG_READER_NFC_A, null); }}@Overridepublic void onPause() { super.onPause(); NfcAdapter nfcAdapter = NfcAdapter.getDefaultAdapter(this); if (nfcAdapter != null) { nfcAdapter.disableReaderMode(this); }}

在这段代码中，通过enableReaderMode()方法注册ReaderCallback，当检测到NFC标签时，会回调onTagDiscovered()方法。

3. AndroidManifest权限声明

在Android开发中，合理的权限声明是确保应用安全性和功能正常运行的基础。本章深入探讨AndroidManifest文件中与NFC相关的权限配置，以及一些必要的其他权限声明。

3.1 NFC权限配置

NFC技术的使用需要在AndroidManifest.xml文件中声明NFC权限，同时根据Android版本的不同，权限的请求方式和细节也会有所变化。

3.1.1 Android 6.0及以上权限动态请求

从Android 6.0（API级别23）开始，对敏感权限需要动态请求。NFC属于敏感权限之一，因此开发者需要在代码中实现动态请求逻辑。

// 动态请求NFC权限if (ContextCompat.checkSelfPermission(thisActivity, Manifest.permission.NFC) != PackageManager.PERMISSION_GRANTED) { ActivityCompat.requestPermissions(thisActivity, new String[]{Manifest.permission.NFC}, MY_PERMISSIONS_REQUEST_NFC);}

上述代码段中， checkSelfPermission 用于检查应用是否有NFC权限，如果没有则通过 requestPermissions 弹出对话框请求用户授权。

3.1.2 NFC权限与其他权限的关联

在某些情况下，NFC权限的请求可能与其他权限相关联。例如，如果应用需要在NFC标签中存储和读取数据，则可能还需要 READ_EXTERNAL_STORAGE 和 WRITE_EXTERNAL_STORAGE 权限。

3.2 其他必要权限声明

除了NFC权限外，某些功能的实现还需要额外的权限声明。

3.2.1 网络通信权限

在涉及到网络通信时，如需要通过NFC进行数据交换并上传到服务器，还需要声明网络通信权限。

3.2.2 存储权限

由于NFC标签的数据可能需要存储到设备的内部存储中，因此需要声明存储权限。

3.2.3 电话权限

当NFC用于呼叫或发送短信时，还需要获取电话权限。

3.2.4 位置权限

如果应用依赖于地理位置信息进行某些NFC相关的操作，那么位置权限是必不可少的。

通过上述章节的深入探讨，我们理解了在Android应用中声明NFC权限及其与其他权限之间的关联性。开发者必须根据应用的具体需求合理配置权限，确保应用在不同版本的Android系统中都能正常运行，同时遵守平台的权限管理规则，以保护用户的隐私安全。在接下来的章节中，我们将继续深入NFC技术的其他方面，并探讨如何处理NFC事件，以及如何通过权限声明来确保NFC操作的正常执行。

4. BroadcastReceiver与NFC事件处理

4.1 BroadcastReceiver基础

4.1.1 BroadcastReceiver角色和功能

BroadcastReceiver是Android系统用于接收应用程序发送或系统发送的广播消息的组件。在NFC应用开发中，BroadcastReceiver扮演着监听NFC事件的角色，当检测到NFC标签时，系统会发送一个动作给注册了相应Intent Filter的BroadcastReceiver。因此，BroadcastReceiver能够及时响应系统广播消息并作出相应的处理。

4.1.2 创建和注册BroadcastReceiver

在Android应用中创建BroadcastReceiver需要继承BroadcastReceiver类，并重写onReceive方法，在该方法中处理接收到的广播。注册BroadcastReceiver可以通过两种方式完成，一种是在AndroidManifest.xml中声明，另一种是在代码中动态注册。

// 在AndroidManifest.xml中注册BroadcastReceiver示例    // 在代码中动态注册BroadcastReceiver示例BroadcastReceiver nfcReceiver = new NFCReceiver();IntentFilter filter = new IntentFilter(NfcAdapter.ACTION_NDEF_DISCOVERED);registerReceiver(nfcReceiver, filter);

当NFC标签被检测到时，系统会调用NFCReceiver中的onReceive方法。因此，开发人员需要在该方法中实现NFC事件处理逻辑。

4.2 NFC事件处理机制

4.2.1 Intent Filter配置

Intent Filter用于告知系统该BroadcastReceiver可以接收哪些Intent。在NFC应用中，需要配置相应的Intent Filter以监听NFC事件，如NDEF_DISCOVERED，和技术特定的MIME类型。

4.2.2 NFC事件处理流程详解

当NFC标签进入NFC适配器的感应区域时，系统会触发NFC事件，并通过Intent发送给所有的BroadcastReceiver。onReceive方法被调用，应用有机会读取标签信息。接下来，应用可以解析Intent中的NDEF消息，并执行相应的操作。

public class NFCReceiver extends BroadcastReceiver { @Override public void onReceive(Context context, Intent intent) { if (NfcAdapter.ACTION_NDEF_DISCOVERED.equals(intent.getAction())) { Parcelable[] rawMessages = intent.getParcelableArrayExtra(NfcAdapter.EXTRA_NDEF_MESSAGES); // 处理NDEF消息 } }}

4.3 NFC事件优化策略

4.3.1 减少前台服务的使用

在处理NFC事件时，尽量避免使用前台服务，因为它们会消耗系统资源，并且可能对用户体验产生负面影响。合理使用前台通知来引导用户在需要时打开应用即可。

4.3.2 NFC事件的快速处理技巧

为了优化NFC事件处理，应尽量减少onReceive方法中的计算和网络操作。可以使用异步任务或服务来处理这些操作，同时确保应用响应迅速，提供流畅的用户体验。

在下一章节中，我们将详细探讨如何通过AndroidManifest配置NFC相关的权限，并分享实现非接触IC卡读写操作的最佳实践。

5. 非接触IC卡读写操作实现

5.1 IC卡技术概述

5.1.1 IC卡的分类与特性

IC卡（Integrated Circuit Card），也被称为智能卡，是含有微处理器和存储器的卡片，与NFC技术结合后，广泛用于身份验证、电子支付和门禁系统等地方。IC卡根据其技术特性主要分为两类：

存储卡（Memory Card） ：这类IC卡内部仅有存储器，不包含微处理器，其功能相对简单，主要用于存储数据。其安全性较低，通常不涉及复杂的加密操作。
智能卡（Smart Card） ：这类IC卡内部集成有微处理器（CPU），能够执行程序和复杂的加密算法，通常具备较高安全性。智能卡分为接触式（需要插槽读取）和非接触式（NFC技术读取）两种。

5.1.2 IC卡与NFC技术的结合

NFC技术使得非接触IC卡的应用更加广泛，用户只需靠近NFC读写器或支持NFC的设备即可完成交易或认证。非接触IC卡相对于传统接触式IC卡具有以下几个优点：

快速交互 ：无需物理插拔，能够实现快速的交易处理。
便捷性 ：用户不需要精确对准卡片位置，方便快捷。
耐用性 ：由于没有机械接触，因此磨损和损坏的可能性较低。

5.2 IC卡读写实践

5.2.1 IC卡数据结构分析

IC卡的数据结构通常包括卡序列号、用户数据区域和应用数据区域等。在进行读写操作前，了解IC卡的数据结构是至关重要的：

卡序列号 ：每张卡片的唯一标识，用于识别卡片。
用户数据区域 ：存储用户信息，如个人信息、余额等。
应用数据区域 ：根据不同的应用需求，可以有多个应用数据区域，用于存储特定应用的数据。

5.2.2 实现IC卡数据读取

要从IC卡读取数据，首先需要检测到卡片并建立通信。以下是一个简单的示例代码，展示如何使用Android NFC API来读取IC卡的数据：

// 示例代码：读取IC卡数据public void readICCardData(NdefMessage ndefMessage) { NdefRecord[] records = ndefMessage.getRecords(); for (NdefRecord record : records) { if (record.getTnf() == NdefRecord.TNF_WELL_KNOWN && Arrays.equals(record.getType(), NdefRecord.RTD_TEXT)) { try { // 将文本记录的数据转换为字符串 String text = readText(record); // 输出读取到的数据 Log.d(\"ICCard\", \"Read data: \" + text); } catch (UnsupportedEncodingException e) { Log.e(\"ICCard\", \"Unsupported Encoding\", e); } } }}private String readText(NdefRecord record) throws UnsupportedEncodingException { // 获取文本编码方式 String languageCode = new String(record.getLanguageCode()); // 获取文本数据 byte[] textBytes = record.getPayload(); // 根据编码方式解码文本数据 String text = new String(textBytes, getCharset(languageCode)); return text;}private Charset getCharset(String languageCode) { // 针对特定语言编码设置相应的字符集 if (Arrays.asList(\"en\", \"fr\", \"de\").contains(languageCode)) { return StandardCharsets.UTF_8; } else { return StandardCharsets.ISO_8859_1; }}

在上述代码中，我们首先检查了NDEF消息中的记录类型。如果记录类型为文本记录( TNF_WELL_KNOWN && RTD_TEXT )，我们则尝试解析其内容。其中， readText 方法通过记录中指定的语言编码来解码文本信息。

5.2.3 实现IC卡数据写入

写入IC卡数据需要使用到 NdefMessage 和 NdefRecord 类。以下是一个简单的示例，展示如何构建一个NDEF消息并写入数据到IC卡：

// 示例代码：写入数据到IC卡public void writeICCardData(String data) { // 创建一个NDEF文本记录 NdefRecord record = createTextRecord(\"en\", data); // 创建NDEF消息 NdefMessage message = new NdefMessage(new NdefRecord[]{record}); // 准备写入操作 prepareWriteTag(message);}private NdefRecord createTextRecord(String languageCode, String text) throws UnsupportedEncodingException { // 创建文本记录 byte[] language = languageCode.getBytes(StandardCharsets.ISO_8859_1); byte[] textBytes = text.getBytes(StandardCharsets.UTF_8); // 返回NDEF文本记录 return new NdefRecord(NdefRecord.TNF_WELL_KNOWN, NdefRecord.RTD_TEXT, language, textBytes);}private void prepareWriteTag(NdefMessage message) { // 获取NFC适配器 NfcAdapter nfcAdapter = NfcAdapter.getDefaultAdapter(this); if (nfcAdapter == null) { Toast.makeText(this, \"NFC is not available on this device.\", Toast.LENGTH_LONG).show(); return; } // 开启前台调度系统 PendingIntent pendingIntent = PendingIntent.getActivity(this, 0, new Intent(this, getClass()).addFlags(Intent.FLAG_ACTIVITY_SINGLE_TOP), 0); // 设置前台调度选项 NdefFormatable ndefFormatable = NdefFormatable.get(this); if (ndefFormatable != null) { // 尝试格式化NFC标签 try { ndefFormatable.connect(); ndefFormatable.format(message); } catch (IOException e) { Log.e(\"ICCard\", \"Failed to format tag.\", e); } } else { // 创建NFC技术适配器选项 NfcTechnology nfcTechnology = new NfcTechnology(nfcAdapter, this, getLifecycle()); // 启动NFC技术适配器 nfcTechnology.enable(); }}

在这段代码中， createTextRecord 方法用于创建一个NDEF文本记录， prepareWriteTag 方法则是启动一个前台调度系统并尝试写入NDEF消息到IC卡。如果NFC标签支持格式化， ndefFormatable.format(message) 将被调用来格式化标签并写入数据。需要注意的是，通常需要有相应的权限和检测条件才能执行写入操作。

在处理IC卡数据时，开发者需要仔细考虑不同IC卡的协议和特性，以及如何合理地处理可能出现的异常和错误。此外，数据安全也是不容忽视的问题，涉及到数据的加密和认证操作。在实际应用中，开发者还需要遵循行业标准和法规要求来确保数据传输的安全。

6. Mifare Classic卡片数据读写示例代码

6.1 Mifare Classic技术特点

6.1.1 Mifare Classic卡片结构

Mifare Classic是一种广泛使用的非接触式智能卡技术，属于ISO/IEC 14443标准。卡片内部主要由三个部分组成：非易失性存储器、安全逻辑单元、射频接口单元。非易失性存储器又分为16个扇区，每个扇区包含4个数据块，每个扇区的第一块用于存储密钥和访问控制数据。卡片通常有三种类型：1K、4K和UltraLight，容量从小到大。

6.1.2 安全性能分析

Mifare Classic的安全性基于3DES加密算法。每个扇区都有独立的密钥（A和B），用于读取和写入操作。为了保护数据，Mifare Classic提供了多种访问条件。然而，由于固有的安全缺陷，如算法和密钥长度限制，Mifare Classic已被证明可以被攻击破解，因此在安全要求极高的应用场景下，建议使用更为安全的卡片技术。

6.2 Mifare Classic编程实践

6.2.1 密钥管理与认证过程

在对Mifare Classic进行操作前，必须进行密钥管理。以下是密钥管理与认证过程的关键步骤：

获取卡片实例并初始化。
发送认证命令以对特定扇区进行认证。
如需读写操作，选择相应的密钥进行加密认证。

下面是一个简单的Java代码示例，演示如何与Mifare Classic卡片进行通信：

// 假设已经获取到NfcA类型的tag实例NdefA ndefA = tag.getNdefA();if (ndefA != null) { // 选择卡片 ndefA.connect(); // 选择扇区 ndefA.select(0x04); // 选择密钥A进行认证 byte[] keyA = new byte[]{(byte) 0xFF, (byte) 0xFF, (byte) 0xFF, (byte) 0xFF, (byte) 0xFF, (byte) 0xFF}; boolean isAuthenticated = ndefA.authenticateSectorWithKeyA(0, keyA); if (isAuthenticated) { // 执行读写操作 // ... } // 断开与卡片的连接 ndefA.close();}

6.2.2 数据块的读写示例

在成功认证后，您可以进行数据块的读写操作。数据块读取使用 readSector 方法，写入则使用 writeSector 方法。以下为相应的代码示例：

// 读取数据块，这里假设读取第一个扇区的第三个块byte[] data = ndefA.readSector(0, 2);// 写入数据块，这里假设向第一个扇区的第三个块写入数据byte[] newData = {(byte) 0xDE, (byte) 0xAD, (byte) 0xBE, (byte) 0xEF};ndefA.writeSector(0, 2, newData);

重要的是要注意，对于Mifare Classic卡片的读写操作，在执行前需要考虑卡片是否已经认证，同时也要确保在实际操作中遵循安全实践，比如使用加密的连接，以及不公开密钥等重要信息。

数据的读取和写入应该被妥善管理，以确保数据的安全性和完整性。在处理数据时，应该进行适当的异常处理，以避免运行时错误导致数据损坏或数据泄露。

在下一章节，我们将讨论如何处理在进行NFC操作时可能遇到的异常，以及如何在NFC通信中保护数据安全。

7. 异常处理与数据安全

7.1 异常处理机制

NFC开发中难免会遇到各种异常情况，例如设备不支持、权限被拒绝、读写错误等。理解这些异常，并采取正确的处理策略是保证应用稳定运行的重要部分。

7.1.1 NFC常见异常及其应对策略

异常情况 描述 应对策略 java.lang.RuntimeException: Near field communication (NFC) is not available. NFC功能不可用时抛出检查设备是否支持NFC并开启NFC服务 java.lang.IllegalStateException: NFC is not enabled on this device. NFC未开启或未获得权限时抛出引导用户开启NFC并请求权限 android.nfc.TagLostException NFC标签在读写过程中丢失时抛出捕获异常并决定是重试还是通知用户

代码示例：

try { // NFC Tag交互代码} catch (TagLostException e) { // 捕获到Tag丢失异常 Log.d(TAG, \"NFC Tag lost.\"); // 通知用户重新进行操作或进行重试}

7.1.2 异常处理的最佳实践

日志记录 ：记录异常信息对于调试和维护应用非常重要。使用日志框架进行详细的异常记录。
用户友好的提示 ：遇到异常时，应给用户提供清晰的提示，而不是仅仅显示程序错误。
资源释放 ：确保在异常情况下正确释放资源，如关闭输入/输出流等。
异常捕获的最小范围 ：只在必要的代码块中捕获异常，以避免遮蔽其他潜在的错误。

7.2 数据安全保护

NFC数据交换在带来便利的同时，也带来了数据安全的风险。保护数据安全不仅涉及数据传输过程的加密，还包括在存储和使用过程中的安全措施。

7.2.1 NFC数据加密与解密

使用加密技术保护NFC传输的数据是防止数据被截获或篡改的有效手段。常见的加密技术有：

对称加密 ：使用同一个密钥进行数据的加密和解密，如AES。
非对称加密 ：使用一对公钥和私钥，公钥加密的数据只能用对应的私钥解密，如RSA。

7.2.2 NFC通信安全的实现

NFC数据传输加密 ：采用NFC标准中的加密协议，比如NFC的安全传输协议NFC-SEC。
数据签名验证 ：通信双方通过数字签名进行身份验证和数据完整性校验，防止数据被伪造或篡改。
使用HCE限制访问权限 ：通过HCE（Host-based Card Emulation）进行访问控制，提高数据安全性。
传输过程中的密钥管理 ：确保传输过程中使用的是安全密钥，并定期更新。