卡機連接加油機的設計和關鍵技術研究

馬曉鴻 許濤 朱斌 馬軍強

（中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

1 應用概況及存在問題

我國市場上使用的傳統(tǒng)加油機主要包括普通燃油加油機和卡機聯(lián)動加油機。普通燃油加油機按照計數(shù)指示和操作結構的不同分為機械型和電子型，按照加油單元的不同分為單槍、雙槍、四槍、六槍等。卡機聯(lián)動加油機在燃油加油機的基礎上進行了改造，持卡人通過使用合法的IC卡啟動加油機來進行加油。與普通燃油加油機相比，卡機聯(lián)動加油機通過支持IC卡，可協(xié)助加油站實現(xiàn)自助經營。同時，IC卡支付方式的使用，避免找零、不用攜帶大量現(xiàn)金、不用開發(fā)票，節(jié)省了人力與時間。但是，隨著國內加油站業(yè)務的精細化管理，以及對加油機功能和處理能力要求的提高，卡機聯(lián)動加油機不受控于后臺，加油機狀態(tài)及加油交易數(shù)據(jù)不能實時由后臺掌控，通訊接口及協(xié)議不統(tǒng)一等問題需要解決。

目前，市場上絕大部分加油機是采用51系列單片機作為核芯的加油機。在行業(yè)發(fā)展初期，以簡單的電子控制取代機械控制，曾經大大提高了計量精度和工作效率。但是，隨著技術的發(fā)展和市場需求的變化，要求高端加油設備具有高性能、多功能以及智能化的特點，而51系列芯片受處理速度和資源的限制，在擴展整合方面難以達到市場新的要求，不僅使得新技術的應用受到限制，同時，也從根本上限制了加油機功能的擴充。

我國約有20家加油機生產廠商，不同廠家生產（甚至同一廠家不同型號）的加油機在通訊協(xié)議以及傳輸介質（如RS-422、RS-485、電流環(huán)等）上均各不相同。后臺系統(tǒng)要與不同廠家或者不同型號的加油機進行聯(lián)接，就需要為每種產品或型號的加油機定制不同程序，以保證通訊的準確性。目前，所采用的串行通信方式，無法滿足高速和大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2 設計理念及結構組成

2.1 設計理念

為了克服現(xiàn)有加油機性能低、功能少、支付方式單一的缺點，卡機連接加油機采用ARM（高級精簡指令集機器）微處理器作為核心，使用Linux系統(tǒng)或WinCE系統(tǒng)開發(fā)設計，將加油機控制功能和支付功能分散，通過支付控制板和后臺支付系統(tǒng)相配合，完成IC卡交易的在線支付；通過加油機控制板和后臺控制系統(tǒng)相結合，完成實時加油操作和對加油機的控制。

卡機連接加油機采用標準化的通訊接口以及通訊協(xié)議，以達到和后臺系統(tǒng)的集成，避免了傳統(tǒng)加油機通訊協(xié)議及傳輸方式的多樣化。

2.2 結構組成

卡機連接加油機的結構組成見圖1。

圖1 卡機聯(lián)接加油機硬件設計結構

卡機連接加油機包括加油機控制板、支付控制板、轉換控制板、語音電路、打印機、密碼鍵盤、稅控主板、讀卡器、顯示屏、轉換控制板、斷電保護裝置、加油數(shù)據(jù)存儲單元、電源板等。

加油機控制板和支付控制板為卡機連接加油機的核心部件。加油機控制板可自由連接打印機、音頻設備、顯示設備、密碼鍵盤、支付控制板和斷電保護裝置等，還可通過轉換控制板與稅控主板相連，主要完成協(xié)議轉換、加油機通訊控制、狀態(tài)監(jiān)控以及打印等功能；支付控制板可連接各種類型讀卡器，主要完成各類卡片的支付處理和支付通訊控制等功能。加油機控制板提供100M以太網口、USB接口、RS232接口、鍵盤等接口、顯示設備接口、音頻輸入接口等；支付控制板提供100M以太網口、RS232接口等。

加油機控制主板由嵌入式主板提供對加油機的加油控制，處理器（CPU）采用EP9315-IBZ芯片組；主頻200MHz，系統(tǒng)總線100MHz；NAND Flash存儲器容量64M。支付控制板采用自主開發(fā)的硬件電路與軟件單元，實現(xiàn)卡支付控制管理。

打印機支持多種接口，串行接口（RS-232C兼容）波特率為9 600/19 200bit/s（可通過控制命令切換）。

密碼鍵盤采用通過PCI國際認證的優(yōu)質不銹鋼沖壓成型的密碼鍵盤，防水、防塵、防爆、防鉆（入侵）、防拆、防泄露、防監(jiān)聽、防置換，密鑰、程序及敏感數(shù)據(jù)拆封自毀，支持DES和Triple DES算法標準RS-232和標準USB2.0接口。

讀卡器采用多模讀卡器，能對IC卡/RF卡/磁卡進行讀寫，其應用領域范圍廣，包括自助終端、電子錢包、ATM等，磁頭壽命200萬次，能支持50萬次插拔卡操作，支持串行接口。

3 關鍵技術

卡機連接加油機是針對加油站現(xiàn)有技術中存在的不足而研發(fā)的一種新型加油機。通過將IC卡、加油機狀態(tài)信息的管控、通信技術、嵌入式系統(tǒng)技術與協(xié)議轉換技術相結合，從而更有效地控制加油過程，保證加油站加油數(shù)據(jù)的準確性和安全性。

3.1 模塊化設計

卡機連接加油機硬件設計采用模塊化設計方式，各模塊通過ARM9嵌入式系統(tǒng)共同管理，協(xié)調工作。支付控制模塊通過RS232接口與嵌入式主板連接，并通過以太網接入到后臺系統(tǒng)，可直接與后臺管理系統(tǒng)通訊；讀卡器與支付控制模塊通過RS232接口相連；密碼鍵盤通過RS232接口與加油機控制板相連；電源板為加油控制板、讀卡器、支付控制板、顯示屏、稅控主板以及打印設備供電；稅控主板提供I/O接口；音頻設備與嵌入式系統(tǒng)上的音頻輸入端子連接；斷電保護裝置可在線通過RS232接口接受加油控制板控制，并可在斷電后保護交易的完整性，完成交易的生成與支付。

卡機連接加油機與后臺系統(tǒng)（含后臺控制系統(tǒng)和后臺支付系統(tǒng)）采用以太網通訊方式。其中，加油機控制板與后臺控制系統(tǒng)相連；支付控制板與后臺支付系統(tǒng)相連。在卡片預授權加油時，支付模塊將卡片的可用余額、可用加油量以及其他限制信息通知后臺支付系統(tǒng)，后臺支付系統(tǒng)與后臺控制系統(tǒng)根據(jù)卡片限制信息，將執(zhí)行結果返回給支付控制板和加油機控制板，授權加油機的交易。在卡片后支付交易時，支付模塊讀取卡片內信息，將卡片限制信息上送至后臺支付系統(tǒng)，后臺支付系統(tǒng)根據(jù)上送結果，與后臺控制系統(tǒng)協(xié)同完成對加油交易的支付。

3.2 協(xié)議統(tǒng)一

為了提高加油機的通用性，卡機連接加油機在設計上采用基于IFSF的中國石油標準的通訊協(xié)議與后臺控制系統(tǒng)通信，并采用統(tǒng)一的TCP/IP網絡通訊方式。其優(yōu)點為：一是，拓撲方式簡單。站級設備采用以太網集線器為中央節(jié)點的星形拓撲結構；二是，采用TCP/IP網絡傳輸，穩(wěn)定性強。TCP傳輸內容主要為控制和數(shù)據(jù)信息，在確認TCP連接后一直保持此連接，直到設備被確認掉線后才斷開此連接；三是，方便實現(xiàn)卡機連接加油機與后臺管理系統(tǒng)的時鐘同步?？C連接加油機的時間同步確認基于TCP/IP的SNTP協(xié)議進行，以上位機的時間為準；四是，可擴展性強。協(xié)議結構靈活，方便進行擴充。因此，不同廠家生產的卡機連接加油機均可方便地應用于任何加油站。

3.3 支持卡支付

卡機連接加油機通過支付控制板連接各種不同類型的讀卡器，能支持IC卡，未來也將支持各種銀行卡，以方便實現(xiàn)各類型卡片的支付。根據(jù)卡片類型的不同可分為預授權和后支付兩種流程。

3.4 異常處理技術

卡機連接加油機的斷電保護裝置與加油機控制板相連，若檢測到市電中斷，斷電保護裝置則將該信號迅速傳輸給加油機控制板，加油機控制板立刻向稅控主板發(fā)送停止加油的指令，以保證最后一筆交易可靠完成。

加油過程中，因為網絡故障導致加油機與后臺系統(tǒng)發(fā)生通訊中斷時，將會導致卡片被鎖定或不能完成正?？劭?。針對此問題，設計了斷線保護功能，若在90s內恢復連接，則加油機能夠自動執(zhí)行當前操作，且自動完成IC卡支付等相關操作。加油機能夠及時提示報警信息，操作人員獲知加油機處于異常狀態(tài)后，可自行取卡或加油機自動彈卡。

3.5 其他技術

卡機連接加油機除具有現(xiàn)有加油機的基本功能外，還具有以下功能特征：

3.5.1 人機交互功能

為滿足今后卡機連接技術向自助加油方向發(fā)展，卡機連接加油機具備一定的人機交互功能，其界面設計友好，提示信息完善，顧客可根據(jù)提示選擇定額、定量、非定額/定量模式進行加油作業(yè)，操作人員也可通過人機交互界面對加油機進行參數(shù)配置。同時，卡機連接加油機具有加油異常報警以及加油支付相關語音提示、文字說明和對講等功能，以滿足今后自助加油的需要。

3.5.2 多種工作模式

根據(jù)中國石油加油站的實際運營情況，同時，考慮到未來的發(fā)展，卡機連接加油機的工作模式定位為自助模式、非自助模式和脫機模式等，并可進行切換。無人值守時，可切換至自助模式，較好的人際交互能力可保證顧客自行完成加油作業(yè)；有人值守時，可切換至非自助工作模式；與后臺系統(tǒng)發(fā)生通訊故障時，可切換至脫機模式。

3.5.2.1 自助模式

自助模式下，有卡才能加油，無卡不能加油，且卡片的支付方式采用預授權方式（具體流程見圖2）。預授權加油方式是在加油前先對IC卡電子油票采用臨時鎖定，使該卡片在加油期間不能執(zhí)行任何交易，在加油完成后，通過扣款解除鎖定。

圖2 預授權加油流程

卡機連接加油機預授權交易必須同時滿足卡前置和油品服務器雙重授權，二者缺一不可。支付和控制分離的卡機連接技術的設計理念，避免了預授權處理時由于油品服務器和卡前置之間通訊故障而可能導致的逃單現(xiàn)象。

3.5.2.2 非自助模式

非自助模式下，有卡、無卡均能加油，且卡片的支付方式既可采用預授權的方式，也可采用后支付的方式。后支付方式是在完成加油后，通過從后臺讀取交易并使用電子油票的余額進行加油消費。后支付的加油流程見圖3。

圖3 后支付加油流程

3.5.2.3 脫機模式

脫機模式為一種異常情況，此時，加油機不受后臺管理系統(tǒng)的控制，可自行加油，且在此模式下無法使用卡進行支付。

3.5.3 脫機交易和日志存儲

加油機控制板中的存儲器能夠至少存儲10 000筆脫機交易和7d的通訊日志。

3.5.4 遠程升級能力

由于卡機連接加油機采用以太網的通訊方式，加油機具有獨立的IP，因此，加油機控制及支付部分可根據(jù)加油站管理的要求對加油機控制與管理軟件版本進行遠程管理和升級，也可對加油機本身的系統(tǒng)問題和應用過程中出現(xiàn)的問題進行遠程維護，從而極大地方便了加油站的運維工作，節(jié)省了運維成本。

3.6 技術對比

對卡機連接加油機和現(xiàn)有傳統(tǒng)加油機的技術特色和關鍵技術進行了對比。通過對比可以看到，卡機連接加油機基本上克服了傳統(tǒng)加油機性能低、功能少以及支付方式單一等缺點。

3.6.1 卡機連接加油機發(fā)明特征及效果

硬件設計采用模塊化，通用的ARM9嵌入式系統(tǒng)，性能強，功能高；加油機控制板可連接打印機、音頻設備、顯示設備、密碼鍵盤等；支付控制板連接多模式讀卡器，能支持IC卡，后續(xù)支持連接銀行卡；與后臺采用以太網通訊方式，加油機控制板與后臺控制系統(tǒng)相連，支付控制板與后臺支付系統(tǒng)相連；斷電保護裝置與加油機控制板相連，有效保證最后一筆交易可靠完成；卡片支持度高，支持中國石油IC卡，模塊化設計的方式支持實現(xiàn)銀行卡；具備脫機交易和日志存儲功能。

3.6.2 現(xiàn)有傳統(tǒng)加油機現(xiàn)有技術特征及效果

單片機做主板設計，功能較為單一；主板功能單一，不支持連接多種外圍設備；不具備連接讀卡器功能；采用串口通訊方式，不具備后臺支付功能；不具備斷電保護功能；不支持IC卡或銀行卡加油；不具備脫機交易和日志存儲功能。

4 應用情況

作為一種新型的高性能加油機，卡機連接加油機具有強大的核心處理能力和多樣的功能，且外設配置靈活，擴展整合便捷，為加油站拓展新業(yè)務提供了強有力的平臺，提升了加油站的核心競爭力。

目前，卡機連接加油機分別在南京、大連、上海和山東等地約4 000座加油站上線使用，共涉及6家卡機連接加油機廠商。通過應用，卡機連接加油機可以在自助模式和非自助模式下較穩(wěn)定運行，滿足中國石油加油站管理系統(tǒng)的要求，豐富了IC卡在室外的支付方式，為客戶帶來了便利，促進了IC卡的使用，在一定程度上縮短了加油站油品交易時間、提高了效率。

由于卡機連接加油機與傳統(tǒng)卡機聯(lián)動加油機，以及普通稅控加油機在功能上和使用上都存在較大區(qū)別，現(xiàn)場應用過程中暴露出了一些問題，如，由于卡機連接加油機配置項較多，需要加強運維人員支持；操作步驟不夠醒目以及電子提示音過于頻繁等。針對這些問題，需要加強相關人員的操作培訓，同時，應優(yōu)化操作流程，制定統(tǒng)一的操作步驟。另外，建議適當延長卡機連接加油機的上線測試時間，通過不斷改進來完善卡機連接加油機的各項性能指標，以使卡機連接加油機達到令人滿意的效果。

[1] 袁順昌,朱承龍,周傳江,等.IC卡多媒體卡機聯(lián)動加油機終端:中國,200520068255[P].2006-05-17.

[2] 許濤,馬曉鴻,和冬梅,等.卡機連接加油機:中國,201020286459.X[P].2011-02-09.