基于嵌入式系統(tǒng)的智能一卡通處理終端設(shè)計(jì)

朱海星 劉振忠

摘? 要： 為更好實(shí)現(xiàn)我國(guó)智慧城市建設(shè)中通用、共享、快捷、方便、安全的“一卡通用”的小額支付體系，以及拓展智能一卡通卡在公共交通領(lǐng)域的應(yīng)用和信息獲取，在系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上，采用自頂向下的方法完成智能一卡通處理終端整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及車載刷卡、實(shí)時(shí)監(jiān)控、全球定位、WiFi熱點(diǎn)、無(wú)線數(shù)據(jù)互通、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程管理終端等功能模塊的設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，基于嵌入式系統(tǒng)的智能一卡通處理終端在系統(tǒng)功能方面能夠滿足城市中公用服務(wù)收費(fèi)需求，能夠?yàn)楣步煌ǖ确?wù)行業(yè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)與決策提供數(shù)據(jù)資源，將促進(jìn)國(guó)家金卡工程建設(shè)。

關(guān)鍵詞： 一卡通; 嵌入式系統(tǒng); 硬件設(shè)計(jì); 軟件設(shè)計(jì); 功能模塊; 自頂向下設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN915?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）06?0027?03

Design of smart one?card processing terminal based on embedded system

ZHU Haixing1， LIU Zhenzhong1，2

（1. Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384， China;

2. Tianjin Global Magnetic Card Co.， Ltd.， Tianjin 300202， China）

Abstract： In order to better realize the universal， shared， fast， convenient and safe "one card universal" micro payment system in the construction of smart cities in China， and expand the application and information acquisition of smart one?card in the field of public transportation， based on the analysis of system requirements， the whole system design， hardware and software system design of intelligent one?card processing terminal， as well as the design of function modules such as car swiping card， real?time monitoring， global positioning， WiFi hotspot， wireless data communication， background data processing， remote management terminal are completed by means of the top?down method. The practical application show that the smart one?card processing terminal based on the embedded system can meet the demand of public service charge in the city in terms of system function， and can provide data resources for the operation and decision?making of service organizations such as public transportation， which can promote the construction of national gold card project.

Keywords： one?card; embedded system; hardware design; software design; function module; top?down design

0? 引? 言

智能卡封裝在PVC卡片內(nèi)，由感應(yīng)電線和IC芯片（CPU）等組成。IC卡利用射頻識(shí)別技術(shù)[1]，在一定距離范圍（5～10 cm）靠近讀寫(xiě)模塊（或讀寫(xiě)器）的天線，由無(wú)線傳輸完成數(shù)據(jù)讀寫(xiě)以及密鑰認(rèn)證操作[2]。城市一卡通系統(tǒng)普遍采用符合PBOC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的智能芯片CPU卡，根據(jù)卡片封裝時(shí)采用的芯片類型可分為智能CPU卡、存儲(chǔ)卡和邏輯加密卡等三種主要類型[3]。對(duì)于各個(gè)城市而言，一卡通系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)劃還未有一個(gè)可用來(lái)套用的標(biāo)準(zhǔn)模式，各地交通特點(diǎn)的不同造成了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差異，有很高的地域特色。但是，一卡通系統(tǒng)的核心是便利人們的出行，不同的地域特色會(huì)使系統(tǒng)更加完善以適應(yīng)復(fù)雜多變的需求[4]。這就要求對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)用易用性、數(shù)據(jù)的安全性等方面進(jìn)行更加完善的設(shè)計(jì)，由此才能設(shè)計(jì)出覆蓋整套公共交通的一卡通系統(tǒng)，對(duì)提高交通效率，緩解公共交通壓力，提升整體服務(wù)效率有著舉足輕重的意義。此外，對(duì)于城市建設(shè)和發(fā)展，建立和諧社會(huì)有輔助意義。智能卡一卡處理終端用于公共交通行業(yè)等技術(shù)，重點(diǎn)是智能卡應(yīng)用事務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[5]、機(jī)器程序開(kāi)發(fā)[6]、機(jī)器通信模塊相關(guān)接口開(kāi)發(fā)[7]、數(shù)據(jù)采集和通信網(wǎng)絡(luò)[8]、公共交通管理系統(tǒng)和清算中心訪問(wèn)開(kāi)發(fā)[9]等。智能一卡通處理終端需要在充分考慮公共交通系統(tǒng)的需求和業(yè)務(wù)監(jiān)控關(guān)系嚴(yán)密的基礎(chǔ)上，不僅要求功能全面，而且需要滿足相關(guān)行業(yè)規(guī)范，以便智能一卡通處理終端的升級(jí)、擴(kuò)展和對(duì)接。本文面向智慧城市建設(shè)中小額支付體系目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種新穎的智能一卡通處理終端。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)的智能一卡通處理終端系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)工作采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法[10]。首先設(shè)計(jì)智能一卡通處理終端總體框架結(jié)構(gòu)，然后再逐層深入設(shè)計(jì)各個(gè)子系統(tǒng)，直至進(jìn)行到每一個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。智能一卡通處理終端總體設(shè)計(jì)主要是在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，將整體系統(tǒng)合理劃分為各個(gè)子系統(tǒng)，包括智能一卡通處理終端硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的思想，對(duì)模塊或子系統(tǒng)進(jìn)行劃分[11]。嵌入式智能一卡通處理終端整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)建立在互聯(lián)互通、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交流的基礎(chǔ)之上，包含車載刷卡、手機(jī)刷卡、實(shí)時(shí)監(jiān)控、WiFi熱點(diǎn)、GPS/北斗全球定位、GPRS數(shù)據(jù)互通、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程管理終端等功能。如圖1所示為按職能劃分方式劃分所組成的系統(tǒng)。

1.1? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能一卡通處理終端硬件系統(tǒng)以ARM9為控制核心器件，以非接觸邏輯加密卡、雙界面CPU卡、PSAM卡、SIM卡等各類卡為數(shù)據(jù)載體的智能車載消費(fèi)管理終端，能滿足處理各種公交月票、電子錢包等交易方式。數(shù)據(jù)安全性、完整性是由系統(tǒng)通過(guò)采用PSAM卡管控消費(fèi)環(huán)節(jié)來(lái)保證的。消費(fèi)環(huán)節(jié)是通過(guò)采用RF射頻技術(shù)非接觸完成。實(shí)現(xiàn)對(duì)路況及車內(nèi)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并采用先進(jìn)的H.264視頻壓縮算法。車輛行駛狀況被GPS/北斗實(shí)時(shí)跟蹤定位，具有WiFi熱點(diǎn)功能，可實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)無(wú)線上網(wǎng)，大屏幕LCD實(shí)時(shí)顯示各種信息，所有數(shù)據(jù)可通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)交互，采用Unicode編碼，實(shí)現(xiàn)國(guó)際化。如圖2所示為處理終端硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)。

1.2? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心，軟件架構(gòu)如圖3所示。按照功能模塊化的方法，劃分了智能一卡通處理終端的功能，每個(gè)功能模塊完成一個(gè)子功能，然后將這些功能模塊整合到滿足整個(gè)系統(tǒng)功能的要求，包括Smartcards信息識(shí)別處理模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)信息處理模塊、車內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)、全球定位、后置智能主控中心、互聯(lián)互通收費(fèi)管理系統(tǒng)等。

2? 交易流程設(shè)計(jì)

智能卡是指將一個(gè)微電子芯片嵌入符合ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)的卡基里面，做成卡片形式，形成一個(gè)嵌入式的小系統(tǒng)，并由CPU，ROM，RAM，E2PROM及串行通行單元組成。智能卡初始化SCI模塊進(jìn)入讀寫(xiě)流程，每隔一定的周期CPU會(huì)掃描中斷源并檢測(cè)是否有中斷請(qǐng)求。當(dāng)CPU檢測(cè)到串口中斷后立即進(jìn)入串口建立連接，并檢測(cè)智能卡狀態(tài)是否可用，將獲取的ATR數(shù)據(jù)發(fā)送出去，以激活智能卡完成交易或充值。智能卡按照異步方式傳送字節(jié)，其具有統(tǒng)一的字符傳輸格式，一個(gè)字由連續(xù)的10個(gè)ETU完成發(fā)送，期間傳送1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)奇偶檢驗(yàn)位。

交易流程設(shè)計(jì)包括公交消費(fèi)主流程、卡充值、交易異常處理等。消費(fèi)時(shí)的主流程包括終端恢復(fù)子流程、卡檢測(cè)子流程以及消費(fèi)子流程;充值的主流程包括充值恢復(fù)子流程、卡充值檢測(cè)子流程以及卡充值子流程;當(dāng)CPU卡交易不成功，并且沒(méi)有在指定時(shí)間內(nèi)再進(jìn)行拍卡，或在重新拍卡前已有其他CPU卡進(jìn)行交易，這時(shí)該CPU卡需走恢復(fù)機(jī)制，即異常處理程序。交易流程如圖4所示。

3? 系統(tǒng)測(cè)試

按照ISO/IEC 9126?1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)模擬交易過(guò)程，通過(guò)PC機(jī)端模擬測(cè)試程序在后臺(tái)完成對(duì)智能一卡通處理終端應(yīng)用程序的測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中搭建了測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試使用VMware Workstain 10.0虛擬機(jī)平臺(tái)，內(nèi)核為L(zhǎng)inux 2.6的Fedora 18操作系統(tǒng)，Qt Creator 1.3集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用Qt 4.7開(kāi)發(fā)工具來(lái)開(kāi)發(fā)智能一卡通處理終端應(yīng)用程序，如圖5所示為主應(yīng)用程序調(diào)試界面。同時(shí)保留測(cè)試文件，發(fā)現(xiàn)異常修改程序后重新測(cè)試，圖6為實(shí)際設(shè)備運(yùn)行照片。

測(cè)試結(jié)果表明，基于嵌入式系統(tǒng)的智能一卡通處理終端符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)功能良好，能夠滿足公共交通領(lǐng)域的實(shí)際需求。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

基于嵌入式系統(tǒng)的智能一卡通處理終端給出了公共交通領(lǐng)域城市智能一卡通數(shù)據(jù)交易系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與開(kāi)發(fā)過(guò)程，并在城市一卡通和公共交通系統(tǒng)之間建立了兼容性強(qiáng)、架構(gòu)靈活的小額交易系統(tǒng)以及公共服務(wù)收費(fèi)體系。根據(jù)城市公共服務(wù)領(lǐng)域中不同的業(yè)務(wù)需求和行業(yè)特點(diǎn)，通過(guò)采用多種安全措施保證了交易系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)營(yíng)，為將來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展功能模塊開(kāi)展應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)通過(guò)提高公用事業(yè)的服務(wù)質(zhì)量來(lái)提升城市現(xiàn)代化形象，為智慧城市發(fā)展帶來(lái)新的商機(jī)。

注：本文通訊作者為劉振忠。

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