單卡在線自助圈存系統(tǒng)的設(shè)計分析

　　目前我國高校的校園卡圈存通常采用傳統(tǒng)圈存技術(shù)，傳統(tǒng)技術(shù)接入方式是以太網(wǎng)控器作為接入設(shè)備，通過圈存機將交易報文在銀行系統(tǒng)和校園一卡通系統(tǒng)中的卡務(wù)管理中心子系統(tǒng)之間進行傳送，銀校圈存系統(tǒng)通過銀行卡與校園卡一起插入轉(zhuǎn)賬圈存機以達到把用戶的銀行卡賬戶下的金額劃入校園卡賬戶中為目的[1]，傳統(tǒng)圈存方式的圈存機具有價格昂貴、位置移動不靈活、設(shè)計復(fù)雜、故障率偏高等不足，而且經(jīng)常會出現(xiàn)銀行和學(xué)校交易流水賬務(wù)不一致的情況；同時，該模式下的學(xué)校與銀行的實時通信信道需向通信部門租用一條專線，增加了工程的設(shè)計成本與維護費用。鑒于此，在計算機比較普及和計算機網(wǎng)絡(luò)高度發(fā)展的今天，結(jié)合高校的實際情況，筆者探索出一種全新的圈存思路和設(shè)計，實現(xiàn)校園卡單卡圈存（即圈存時僅使用校園卡），設(shè)計一種基于WEB圈存的方式以克服傳統(tǒng)圈存方式的不足，大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)和材料成本，使其設(shè)計與應(yīng)用真正做到經(jīng)濟、簡單、方便、實用和圈存機移動、接入方便。

　　1 圈存流程總體設(shè)計原理

　　圈存的過程主要分成2大步驟，第一步驟就是用戶通過學(xué)校自主開發(fā)的WEB圈存繳費系統(tǒng)和銀行開發(fā)的網(wǎng)上銀行系統(tǒng)把其在銀行賬戶下的指定大小的金額劃入學(xué)校的銀行賬戶下，成功交易的金額記錄再提交給學(xué)校轉(zhuǎn)賬系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中；第二步驟是用戶把第一步轉(zhuǎn)入的金額在學(xué)校WEB圈存繳費系統(tǒng)進行圈存支付，形成圈存等待流水。最后，用戶可在任何一臺以太網(wǎng)圈存機上進行刷卡充值，同時后臺運行軟件會自動實時地上傳刷卡之后的圈存流水傳至卡務(wù)中心，以保證卡庫金額一致。其圈存思路設(shè)計流程如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　系統(tǒng)主要由圈存機與WEB圈存繳費系統(tǒng)兩大部分組成，用戶借助于WEB圈存繳費系統(tǒng)把其在銀行的錢轉(zhuǎn)入學(xué)校系統(tǒng)中，然后進行圈存消費支付，最終在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中形成等待圈存刷卡流水，圈存機則主要完成讀卡并把圈存金額寫入校園卡。

　　2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　圈存機硬件處理單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由主控板、網(wǎng)絡(luò)通(wlt)、顯示電路板、鍵盤板、讀卡器天線板等主要部分組成。

　　2.1.1ICR/W主控電路板

　　ICR/W是圈存機硬件系統(tǒng)的核心，主要由讀卡芯片MFRC500、MCU（STC89C58RD+）、實時時鐘芯片（8563T）、蜂鳴電路等部分組成。由它完成數(shù)據(jù)信號處理及優(yōu)化，包括鍵盤輸入、顯示控制、以及與PC機和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。該系統(tǒng)采用的是STC89C58RD+單片機，其內(nèi)部有增強型1T流水線/精簡指令集結(jié)構(gòu)8051CPU、512BRAM、通用I/O口（27/23個）、ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程）、看門狗、2個16bit定時器/計數(shù)器、2路外部中斷等部件，同時具有EEPROM功能，另外該微處理器具有超低功耗的特點，在系統(tǒng)供電方面具有很強的優(yōu)勢。

　　2.1.2網(wǎng)絡(luò)通及底層通信

　　網(wǎng)絡(luò)通也叫以太網(wǎng)測控網(wǎng)關(guān)，主要由單片機與以太網(wǎng)接口芯片組成，負責(zé)完成網(wǎng)絡(luò)層上的以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議與測控設(shè)備現(xiàn)場總線RS－232、RS－485、并口通信等協(xié)議的轉(zhuǎn)換，完成以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)，實現(xiàn)不同以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換[4]，網(wǎng)絡(luò)通對單片機沒有什么特殊要求，可選用普通單片機，例如89C51等?？捎脜R編語言在單片機中寫入TCP/IP通信協(xié)議和RS－232、RS－485等現(xiàn)場總線及并行總線通信協(xié)議。它將從以太網(wǎng)接收來的IP包進行拆包取出數(shù)據(jù)，再按RS－232、RS－485等現(xiàn)場總線或并行總線通信協(xié)議重新組成新幀，發(fā)送給測控設(shè)備；或者將測控設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，重新打成IP包向以太網(wǎng)發(fā)送。

　　硬件部分對各主要功能模塊采用基于單片機的模塊化設(shè)計，即分別設(shè)計了顯示控制模塊、讀卡模塊以及按鍵控制模塊，這些獨立模塊與主控芯片（MCU）之間的通信采用串口或I2C通信方式。采用模塊化的設(shè)計有利于減輕MCU的處理壓力，同時有利于提高各功能模塊與MCU之間的通信速度，提高硬件系統(tǒng)的靈活性與可擴展性，方便故障的排查。

　　2.1.3顯示板、鍵盤及感應(yīng)天線板

　　顯示電路板由LPC932A、2塊LED數(shù)碼管顯示屏構(gòu)成，每個顯示屏有6個漢字和2排數(shù)碼管，每排8個帶小數(shù)點數(shù)字；LPC932是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求；LPC932也集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可以大大減少元件的數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)的成本。鍵盤采用4×4矩陣形式，共16個鍵，鍵盤使用LPC932的鍵盤中斷工作方式，能夠完成功能選擇和圈存額查詢。感應(yīng)天線是讀卡器發(fā)送載波信號的關(guān)鍵部件，用于向MF卡提供能量并在讀卡器和MF卡之間傳送信息，天線板的核心部分是天線與讀卡模塊間的耦合電路，為了節(jié)約成本、減小系統(tǒng)體積，采用PCB板天線設(shè)計，品質(zhì)因數(shù)Q是一個很重要的參數(shù)。用于電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的天線，其特征值就是它的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)[3]。較高的品質(zhì)因數(shù)值會增加天線線圈中的電流強度，由此可以改善對MF卡的功率傳送。

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　　2.2圈存機上位機軟件和WEB圈存繳費系統(tǒng)的設(shè)計

　　這2部分主要采用基于WEB的結(jié)構(gòu)模式，包括2部分，一部分是采用WEB頁面形式對圈存機的進行參數(shù)修改、狀態(tài)監(jiān)控、在線升級等管理；另外一部分是用戶圈存、查看消費記錄等操作在網(wǎng)上執(zhí)行（用戶僅到了把圈存金額進行寫卡這一步聚時才須到圈存機上執(zhí)行刷卡操作），圈存機控制和數(shù)據(jù)采集模塊則依然使用C/S模式，該模塊與圈存機處于校園網(wǎng)中同一個虛擬子網(wǎng)里。

　　2.2.1上位機主程序模塊結(jié)構(gòu)模型圖

　　系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，由WEB圈存繳費子系統(tǒng)、圈存機控制和數(shù)據(jù)采集處理模塊、圈存機狀態(tài)和參數(shù)修改模塊、后臺數(shù)據(jù)處理組成。上位機部分的主要結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

　　2.2.2數(shù)據(jù)采集

　　圈存機控制、數(shù)據(jù)采集模塊同圈存機的數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)采集是本系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分，必須做到通信數(shù)據(jù)安全、準確、實時和高效，鑒于此，為了提高通信效率和避免圈存機數(shù)量過多而出現(xiàn)的通信瓶頸，故采用不可靠投遞數(shù)據(jù)幀的UDP協(xié)議，雖然使用的UDP協(xié)議是不可靠的，但通過一定次數(shù)的數(shù)據(jù)幀應(yīng)答和重發(fā)機制來彌補UDP協(xié)議的不足，通過記錄用戶第一次圈存刷卡時卡內(nèi)余額，能有效地避免上位機監(jiān)控程序沒有收到用戶圈存成功之后的上傳應(yīng)答幀，而此時如果用戶再次在圈存機刷卡又會把圈存金額重復(fù)寫入卡片的情況，使用多線程的監(jiān)控程序，增大監(jiān)控程序的通信吞吐量，盡最大努力避免通信高峰期出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象；對通信數(shù)據(jù)全部進行CRC冗余校驗，可避免通信雙方接收到錯誤或被篡改的數(shù)據(jù)，保證通信數(shù)據(jù)的一致性和正確性。

　　2.2.3WEB在線監(jiān)控或修改圈存機的狀態(tài)和參數(shù)

　　WEB在線監(jiān)控和修改模塊前臺表現(xiàn)為WEB網(wǎng)頁形式（合并于WEB圈存繳費系統(tǒng)后臺系統(tǒng)中），后臺調(diào)用SOCKET通信組件，SOCKET通常也稱作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄[4]。SOCKET服務(wù)端（內(nèi)置于圈存機控制、數(shù)據(jù)采集模塊中）和SOCKET客戶端（位于WEB圈存繳費系統(tǒng)服務(wù)器中）同屬于一個校園網(wǎng)的子網(wǎng)中，所以2個SOCKET程序是基于局域網(wǎng)中的通信，較易實現(xiàn)；當(dāng)用戶進行WEB網(wǎng)頁操作時，系統(tǒng)后臺調(diào)用客戶端的SOCKET組件，客戶端SOCKET根據(jù)自定義的通信規(guī)則向服務(wù)端SOCKET發(fā)出請求，接到請求后，向圈存機發(fā)出命令幀，圈存機接到定義幀后，作出應(yīng)答和處理，結(jié)果再逆向返回給用戶。

　　2.2.4測試方法與技巧

　　單元測試、模塊測試和集成測試等測試方法嚴格貫穿于系統(tǒng)開發(fā)過程中，由于本系統(tǒng)自身的特點，獨辟蹊徑地使用了一些較特殊的方法，以達到相應(yīng)的測試目的，例如模擬下位機的CreditsForLoadDriver的驅(qū)動程序、模擬建設(shè)銀行的網(wǎng)上銀行系統(tǒng)的BankStakeAndDDriver驅(qū)動和樁程序、模擬卡務(wù)中心系統(tǒng)、教務(wù)處的學(xué)生管理系統(tǒng)和財務(wù)處系統(tǒng)的驅(qū)動或樁程序等。這樣在虛擬的環(huán)境里就能夠很好地測試出軟件的性能和通信吞吐量，現(xiàn)實中不可能找出幾百臺圈存機來與圈存機控制、數(shù)據(jù)采集模塊進行真實的連接和通信，由于受條件限制，可以通過能夠模擬出幾百臺的圈存機驅(qū)動程序來測試通信控制模塊的效果。另外，為了很好地達到通信測試和錯誤修改的目的，建議盡可能使用市場上一些流行的抓包分析軟件。

　　3 試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

　　根據(jù)2.2.4節(jié)的方法實現(xiàn)實驗過程，下面以網(wǎng)上圈存交易系統(tǒng)和圈存機同圈存機控制、數(shù)據(jù)采集模塊之間的通信為例進行實驗，在圈存機通信的測試實驗中，把上位機軟件部分全部放置在WEB服務(wù)器上，測試工作則在其它普通的PC機上進行，使用模擬下位機的creditsForLoadDriver驅(qū)動程序測試圈存機控制及數(shù)據(jù)采集模塊的承載力，其實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

　　從實驗結(jié)果來看，證明實驗方法正確、理論可行、系統(tǒng)設(shè)計良好。通過在學(xué)校實際使用和檢驗，該系統(tǒng)有如下優(yōu)點。

　　(1)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡單；

　　(2)性能良好，圈存機故障率極低，通信效果十分好。

　　隨著計算機迅速普及和計算機網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，這給本系統(tǒng)的推廣和發(fā)展提供了良好的使用背景，系統(tǒng)中的圈存機開發(fā)和維護成本十分低廉，其每臺材料成本不到400元，售價在1000元左右，而市場上圈存機的售價普遍在7千元以上，而且傳統(tǒng)的圈存機體積大，移動十不便，我們設(shè)計出的圈存機體積很小，移動很方便，可以接入校園網(wǎng)范圍內(nèi)的任何地點；另外，由于傳統(tǒng)圈存機的通訊需要直接與銀行通訊，所以還需要向通訊部門租于1條價格不菲的專線，而本系統(tǒng)圈存機與WEB圈存繳費系統(tǒng)的相結(jié)合，可免去專線的鋪設(shè)，因此WEB圈存繳費系統(tǒng)又可十分方便地擴展學(xué)費、等級考試、重修費等等支付功能。

　　從當(dāng)前和發(fā)展的趨勢來看，本系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用具有十分可觀的經(jīng)濟價值和較大的市場發(fā)展?jié)摿?，部分技術(shù)對企事業(yè)單位在建設(shè)網(wǎng)上支付系統(tǒng)方面也有著一定的借鑒意義。

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