智能燃?xì)獗砝U費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范衛(wèi)萍， 吳葉蘭，陳紅軍，王　芳，秦艷紅

(1. 北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京　100048;2. 北京淳堂科技有限公司，北京　100086)

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智能燃?xì)獗砝U費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范衛(wèi)萍1， 吳葉蘭1，陳紅軍2，王芳1，秦艷紅1

(1. 北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京100048;2. 北京淳堂科技有限公司，北京100086)

為了解決傳統(tǒng)燃?xì)饫U費(fèi)系統(tǒng)在繳費(fèi)方式上的不靈活、不方便等問題，提出了一種基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)及Android技術(shù)的燃?xì)饫U費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；給出了系統(tǒng)的整體框架及其組成，重點(diǎn)闡述了智能燃?xì)獗砝U費(fèi)系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)思路，定制了燃?xì)獗砗涂蛻舳说耐ㄐ艆f(xié)議；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)嵌WiFi模塊的智能燃?xì)獗淼碾娐吩O(shè)計(jì)，基于Android系統(tǒng)的手機(jī)客戶端軟件設(shè)計(jì)，以及燃?xì)夤痉?wù)端的設(shè)計(jì)，并通過WiFi和GPRS網(wǎng)絡(luò)建立三者之間的無線通信系統(tǒng)；通過測試，系統(tǒng)能夠快速建立通信網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸數(shù)據(jù)快、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

燃?xì)獗砝U費(fèi)；Android；WiFi通信

0　引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生活已經(jīng)和手機(jī)網(wǎng)絡(luò)息息相關(guān)，如何利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，向居民用戶提供便捷的網(wǎng)絡(luò)化燃?xì)饫U費(fèi)服務(wù)已成為公共事業(yè)單位的重要工作內(nèi)容[1-2]。目前，由于大中型城市公用事業(yè)單位有多個(gè)收費(fèi)營業(yè)網(wǎng)點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)安裝的收費(fèi)管理軟件存在不同，并且目前大部分廠家提供的都是單機(jī)版收費(fèi)軟件，繳費(fèi)數(shù)據(jù)均保存在各自計(jì)算機(jī)中，沒有形成網(wǎng)絡(luò)化，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享[3]。這樣使得居民繳納燃?xì)赓M(fèi)必須到固定的營業(yè)網(wǎng)點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)繳費(fèi)，給居民繳費(fèi)帶來了很多不便，也降低了公用事業(yè)單位的服務(wù)水平。

繳費(fèi)方式的選擇通常依賴于燃?xì)獗硗ㄐ欧绞降脑O(shè)置。目前燃?xì)獗硗ㄐ欧绞街饕腥斯?、紅外、RS485、電力載波、ZigBee、GPRS等方式。人工方式工作量大且效率低，準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性差。RS485通信覆蓋面較廣，但須人工布線，前期工作量大，后期不易維護(hù)。電力載波通信對電網(wǎng)要求較高，容易受干擾。ZigBee通信組網(wǎng)靈活，覆蓋面廣，但信號穿墻能力較弱。GPRS通信則需要安裝大量的GPRS模塊，運(yùn)營成本較高[4]。文章提出了一種基于WiFi和android 技術(shù)的繳費(fèi)系統(tǒng)，用戶可以在手機(jī)上繳納燃?xì)赓M(fèi)，有效解決繳費(fèi)不便的問題。

1　系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，分為智能燃?xì)獗?、客戶端及燃?xì)夤痉?wù)端3部分。智能燃?xì)獗韮?nèi)置WiFi模塊，能夠建立WiFi網(wǎng)絡(luò)；客戶端借助該WiFi網(wǎng)絡(luò)與智能燃?xì)獗硇纬赏ㄐ判诺?，同時(shí)借助手機(jī)GPRS網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)端形成通信信道，即可建立智能燃?xì)獗?、客戶端及服?wù)端的通信系統(tǒng)，用戶可借助該通信系統(tǒng)在手機(jī)上繳納燃?xì)赓M(fèi)用。在繳費(fèi)前須抄收智能燃?xì)獗頂?shù)據(jù)并上傳到服務(wù)端，便于燃?xì)夤緦τ脩粲脷馇闆r的管理與數(shù)據(jù)計(jì)算分析。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

2.1智能燃?xì)獗碓O(shè)計(jì)

智能燃?xì)獗韮?nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。單片機(jī)使用NEC低功耗78F0485，內(nèi)有60 kFLASH，智能燃?xì)獗硭械臄?shù)據(jù)全部保存在FLASH中；計(jì)量模塊采用干簧管作為脈沖采集器件，每收到一組有效脈沖，用氣量增加0.1 m3；閥門控制模塊控制用戶用氣權(quán)限；LCD顯示模塊顯示燃?xì)獗砩系母鞣N計(jì)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)；報(bào)警模塊檢測是否存在燃?xì)庑孤浑姵啬K使用4節(jié)堿性電池和1節(jié)備用小容量鋰電池。WiFi模塊采用RM04模塊，它是一款低成本、高性能的嵌入式模塊，采用通用串行接口，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠透明傳輸數(shù)據(jù)。WiFi模塊與單片機(jī)通過串口方式連接，WiFi模塊的RXD、TXD分別接到單片機(jī)的TXD和RXD。當(dāng)WiFi模塊接收數(shù)據(jù)后，會(huì)通過串口發(fā)送到單片機(jī)上[5]。

圖2　燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)圖

2.2客戶端設(shè)計(jì)

客戶端是在Android系統(tǒng)上開發(fā)的一款應(yīng)用軟件，具有抄表和繳費(fèi)兩部分功能。抄表功能是通過WiFi網(wǎng)絡(luò)抄收智能燃?xì)獗頂?shù)據(jù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到燃?xì)夤痉?wù)端，便于燃?xì)夤具M(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算，掌握用戶用氣情況；繳費(fèi)功能是通過調(diào)用第三方支付接口(支付寶或微信)完成繳費(fèi)，并將支付狀態(tài)傳給服務(wù)端，服務(wù)端再將繳費(fèi)數(shù)據(jù)傳到智能燃?xì)獗恚轮悄苋細(xì)獗頂?shù)據(jù)。

2.3服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)端的主要功能是存儲(chǔ)智能燃?xì)獗頂?shù)據(jù)并為客戶端提供通信接口。服務(wù)端與客戶端的通信協(xié)議采用http協(xié)議，并且雙方需要設(shè)計(jì)一些接口協(xié)議，包括通信接口名稱、傳輸參數(shù)和需返回參數(shù)。客戶端要執(zhí)行某種動(dòng)作時(shí)，需根據(jù)接口名稱組織對應(yīng)的傳輸參數(shù)，通過http協(xié)議傳給服務(wù)端，服務(wù)端接收到請求后，提取傳輸參數(shù)，利用參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的操作。例如客戶端抄收智能燃?xì)獗頂?shù)據(jù)后，需要向服務(wù)器發(fā)送存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的請求，在請求中應(yīng)包含的參數(shù)有燃?xì)獗肀硖枴⒂脷饬?、剩余氣量等?shù)據(jù)。服務(wù)端收到數(shù)據(jù)后，提取這些參數(shù)，根據(jù)燃?xì)獗肀硖柖ㄎ淮鎯?chǔ)位置，將用氣量、剩余氣量等數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

3　通信協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，本系統(tǒng)的通信協(xié)議需要滿足的設(shè)計(jì)要求為：1)所有信息均以數(shù)據(jù)幀的方式傳輸，數(shù)據(jù)幀包含幀起始符、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)包、校驗(yàn)和、幀結(jié)束符；2)數(shù)據(jù)包最大長度不超過256字節(jié)；3)每個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)幀和返回?cái)?shù)據(jù)幀均只包含一條COS指令，多條COS指令需要組成多個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)幀；4)手機(jī)數(shù)據(jù)交換的底層協(xié)議封裝成JAR包以供調(diào)用，在應(yīng)用層協(xié)議中不體現(xiàn)，最終JAR包提供一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)幀函數(shù)調(diào)用，一個(gè)返回?cái)?shù)據(jù)幀調(diào)用[4]。

考慮到智能燃?xì)獗矶鄮畎l(fā)送及通信速率等因素，制定的收發(fā)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。數(shù)據(jù)幀包含幀起始符、數(shù)據(jù)長度、延時(shí)返回和下電控制狀態(tài)位、命令I(lǐng)D(UUID)、通道標(biāo)志、數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)和、幀結(jié)束符組成。

1)幀起始符。固定為68 H，1字節(jié)。

2)數(shù)據(jù)長度。規(guī)定為1字節(jié)，代表數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)的長度，為HEX碼。對于發(fā)送數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)長度是發(fā)送數(shù)據(jù)域和將要接收的數(shù)據(jù)域的長度之和；對于接收數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)長度只是接收數(shù)據(jù)域的長度。

3)延時(shí)返回和下電控制狀態(tài)位。1字節(jié)，高位為命令向表端發(fā)送后等待返回的延時(shí)時(shí)間，單位為秒；低位為表端主板是否下電的狀態(tài)標(biāo)志，是為1，否為0。

4)命令幀的標(biāo)識UUID。16字節(jié)，云端組織UUID發(fā)送給表端，表端完成命令后由響應(yīng)幀返回，作為云端發(fā)送命令幀的ID驗(yàn)證。表計(jì)每次接收到命令后將UUID暫存，數(shù)據(jù)處理完畢后，將暫存的UUID號加入到返回?cái)?shù)據(jù)幀發(fā)送出去，不需要再對UUID號記錄下來或解析。

5)通道標(biāo)志。1字節(jié)，用于區(qū)分不同的通信通道。當(dāng)燃?xì)獗碛卸喾N通信通道時(shí)，該通信協(xié)議依然有效，提高通信協(xié)議的冗余性。

6)數(shù)據(jù)域。需要發(fā)送或接受的數(shù)據(jù)，主要由COS命令組成，也可以是針對燃?xì)獗淼膶Ｓ妹?如開閥命令、關(guān)閥命令、時(shí)鐘調(diào)整命令等)。規(guī)定數(shù)據(jù)域的第一個(gè)字節(jié)用來說明命令類型，如果發(fā)送的是COS命令，則為05 H，對應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)幀該字節(jié)為85 H；如果發(fā)送的是針對燃?xì)獗淼膶Ｓ妹睿瑒t為0AH，對應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)幀該字節(jié)為8 AH。

7)校驗(yàn)碼。1字節(jié)，從幀起始符開始到校驗(yàn)碼之前的所有各字節(jié)的和，即各字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和。接收的數(shù)據(jù)如果校驗(yàn)和不正確，則判定為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀。

8)幀結(jié)束符。固定為16 H，1字節(jié)。

表1　通信協(xié)議

為了保證通信安全可靠和系統(tǒng)的穩(wěn)定，必須將通信過程中的異常處理和特殊通信要求問題放在一個(gè)比較高的位置，例如：

1)客戶端在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后，如果在5秒鐘之內(nèi)沒有收到智能燃?xì)獗淼膽?yīng)答幀或收到的應(yīng)答幀判斷錯(cuò)誤，則客戶端將再次發(fā)送數(shù)據(jù)幀。如果連發(fā)三次沒有得到應(yīng)答或應(yīng)答錯(cuò)誤，客戶端標(biāo)志通信錯(cuò)誤，停止和此智能燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)通信。

2)為了減少通信頻率過高產(chǎn)生的異常，設(shè)定兩個(gè)命令幀的發(fā)送間隔為10秒。

3)為了減少命令幀個(gè)數(shù)，可在應(yīng)答幀的通信協(xié)議中加入隨機(jī)數(shù)(校驗(yàn)碼前)。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)有兩部分，客戶端軟件設(shè)計(jì)和服務(wù)端軟件設(shè)計(jì)，開發(fā)環(huán)境均為eclipse，開發(fā)語言為Java。

4.1客戶端軟件設(shè)計(jì)

首先，打開智能燃?xì)獗鞼iFi網(wǎng)絡(luò)，用戶手機(jī)通過該網(wǎng)絡(luò)與智能燃?xì)獗斫⑦B接。

然后，打開客戶端軟件，使用用戶手機(jī)號登陸，執(zhí)行抄表功能，獲取燃?xì)獗碛脷饬?、剩余量等?shù)據(jù)，借助手機(jī)GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)端。最后執(zhí)行繳費(fèi)功能，繳費(fèi)流程如圖3所示。選擇充值金額和支付方式(支付寶或微信)，請求服務(wù)器獲取調(diào)用第三方支付所需參數(shù)，獲取參數(shù)成功后，調(diào)用第三方SDK支付接口，將參數(shù)傳入，判斷是否成功調(diào)起第三方支付。調(diào)起成功后，應(yīng)用程序進(jìn)入后臺，等待第三方支付結(jié)果，同時(shí)第三方完成支付過程。支付完成后，可通過第三方或HOME鍵使應(yīng)用程序返回前臺，并給應(yīng)用程序返回支付狀態(tài)，根據(jù)支付狀態(tài)提示用戶充值是否成功。

圖3　繳費(fèi)流程圖

4.2服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)端工作流程如圖4所示。服務(wù)端接收客戶端的抄表數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)獲取參數(shù)，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。客戶端執(zhí)行充值動(dòng)作時(shí)，服務(wù)端返回客戶端充值參數(shù)并配合第三方支付軟件完成充值，充值成功后，第三方支付軟件返回服務(wù)端支付結(jié)果，若支付成功，服務(wù)端將充值金額、充值日期等數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)組織相關(guān)充值數(shù)據(jù)作為參數(shù)以JSON格式返回給客戶端，客戶端接收到數(shù)據(jù)后，按照通信協(xié)議返回給智能燃?xì)獗?，更新智能燃?xì)獗頂?shù)據(jù)。

圖4　服務(wù)端軟件流程

5　系統(tǒng)調(diào)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在?shí)驗(yàn)室條件下，用嵌入WiFi模塊的智能燃?xì)獗砼c手機(jī)客戶端建立連接，用PC機(jī)模擬服務(wù)端，再加上手機(jī)GPRS網(wǎng)絡(luò)對整個(gè)繳費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬測試。打開智能燃?xì)獗鞼iFi，客戶端接入WiFi網(wǎng)絡(luò)，使用用戶手機(jī)號登錄客戶端，執(zhí)行抄表功能，查看燃?xì)獗盹@示屏顯示的數(shù)據(jù)和客戶端抄收的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證抄取數(shù)據(jù)與燃?xì)獗頂?shù)據(jù)的一致性。然后選擇繳費(fèi)金額及繳費(fèi)方式為燃?xì)獗砝U費(fèi)，檢測客戶端軟件能否調(diào)起第三方支付接口并完成繳費(fèi)，查看表端數(shù)據(jù)、服務(wù)端數(shù)據(jù)和第三方支付軟件交易記錄，驗(yàn)證服務(wù)端繳費(fèi)數(shù)據(jù)與實(shí)際繳費(fèi)數(shù)據(jù)的一致性。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通信穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

6　結(jié)束語

系統(tǒng)借助WiFi、GPRS無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了利用移動(dòng)設(shè)備繳納燃?xì)赓M(fèi)的系統(tǒng)，有效解決了目前燃?xì)饫U費(fèi)不便的問題。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)設(shè)備的不斷普及，這種便捷的繳費(fèi)方式在人們的生活中具有重要的意義，具有廣闊的應(yīng)用上前景。

[1] 楊順,李明明. 基于ARM和WiFi技術(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制,2013(11):3068-3071.

[2]李先茂,費(fèi)敏銳. 面向智能小區(qū)的WiFi自動(dòng)抄表系統(tǒng)研究[J]. 自動(dòng)化儀表,2012(9):49-52.

[3]黃向華. 電能表的智能手機(jī)藍(lán)牙紅外抄表系統(tǒng)研究[D].北京：華北電力大學(xué),2012.

[4]王愛玲,金強(qiáng). 城市燃?xì)庵悄苋細(xì)膺h(yuǎn)傳表發(fā)展應(yīng)用研究分析[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2014(1):4-6.

[5]李婧. 基于單片機(jī)和WIFI的溫度采集系統(tǒng)[J]. 電子制作,2014,21:11.

Design of Intelligent Gas Meter Payment System

Fan Weiping1，Wu Yelan1，Chen HongJun2，Wang Fang1，Qin Yanhong1

(1.College of Information Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing100048, China;2.Beijing Chun Tang Technology Co., Ltd., Beijing100086,China)

In order to solve the problem of conventional gas payment system in the way of payment is not flexible and convenient, a gas meter payment system based on WiFi and Android technology is proposed. Gives the overall framework of the system and its components, focusing on the hardware and software design ideas of the payment system, has developed intelligent gas meter and the Android Client software communication protocols. System to achieve the module circuit design of gas meter with built-in WiFi, mobile client software based on Android system, as well as the Gas Co. server, and the wireless communication system between the above three through the WiFi and GPRS network. The experiment shows the system can quickly establish the network communication, which has the advantages of high transmission and high reliability.

intelligent gas meter payment; Android; WiFi

2015-07-24；

2015-09-16。

2014年北京高等學(xué)校教育教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目(京教函〔2014〕號); 2015年研究生科研能力提升計(jì)劃項(xiàng)目。

范衛(wèi)萍(1990-)，女，山東菏澤人，漢族，碩士，主要從事控制理論與控制工程方向的研究。

吳葉蘭(1970-)，女，湖北荊州人，漢族，碩士，副教授，主要從事儀器儀表、嵌入式技術(shù)應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2016)01-0328-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.091

TP399

A