自動(dòng)售貨機(jī)IC卡收費(fèi)模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要:GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和智能IC卡應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合，應(yīng)用于自動(dòng)售貨機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的構(gòu)建。模塊由射頻卡讀寫子模塊和GPRS通訊子模塊兩部分組成。采用MDB總線與自動(dòng)售貨機(jī)控制器通訊。實(shí)際應(yīng)用證實(shí)了其可行性，在自動(dòng)售貨行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。

1引言

近幾年，自動(dòng)售貨機(jī)在國內(nèi)迅速普及，逐漸被越來越多的消費(fèi)者所接受。自動(dòng)售貨機(jī)在為消費(fèi)者帶來方便的同時(shí)，其分布零散的特點(diǎn)也為經(jīng)營者在監(jiān)控、管理、維護(hù)等方面帶來很大的不便。采用無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)將是自動(dòng)售貨機(jī)行業(yè)應(yīng)用發(fā)展的方向。

比較現(xiàn)有的無線數(shù)據(jù)通信方式，如GSM短信、無線短波電臺(tái)等，GPRS(Gerneral Packer Radio Service)的性能特點(diǎn)最為符合自動(dòng)售貨機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的要求。

（1）GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信道又可以由多個(gè)用戶共享，資源被有效的利用；

（2）GPRS永遠(yuǎn)在線，按流量計(jì)費(fèi)，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、點(diǎn)多分散、中小流量的數(shù)據(jù)傳輸；

（3）國內(nèi)的GPRS網(wǎng)絡(luò)由中國移動(dòng)建立維護(hù)，覆蓋地域廣，信號(hào)質(zhì)量好。

同時(shí)，智能IC卡的應(yīng)用已十分廣泛，采用IC卡收費(fèi)模式對于經(jīng)營者和消費(fèi)者都十分便利。因此研究開發(fā)基于GPRS的自動(dòng)售貨機(jī)IC卡收費(fèi)模塊具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義和商業(yè)價(jià)值。

本文主要介紹的是一款罐裝食品售貨機(jī)控制器設(shè)計(jì)開發(fā)的支持GPRS的IC卡收費(fèi)模塊的設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

2系統(tǒng)組網(wǎng)方式

從整體角度來看，基于GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)售貨系統(tǒng)可分為售貨機(jī)終端、GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)和管理中心三大塊。如圖1所示：

組網(wǎng)方案：向中國移動(dòng)申請APN專網(wǎng)業(yè)務(wù)，分配專用的APN并申請綁定移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)的固定IP地址。中心用無線MODEM撥號(hào)上網(wǎng)，得到其內(nèi)網(wǎng)固定IP；監(jiān)控點(diǎn)直接向中心發(fā)起連接。中心和監(jiān)控點(diǎn)都具有移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)固定IP。

此種方案中間環(huán)節(jié)少，穩(wěn)定性較強(qiáng)，所有數(shù)據(jù)都在移動(dòng)GPRS的APN內(nèi)網(wǎng)傳輸，無需經(jīng)過公網(wǎng)，安全性增強(qiáng)。

圖1 自動(dòng)售貨機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 應(yīng)用開發(fā)方案

設(shè)計(jì)開發(fā)的目的是要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)刷卡消費(fèi)并將消費(fèi)信息、貨品庫存信息等通過GPRS上傳，掛失名單、單價(jià)等信息也通過GPRS實(shí)時(shí)下傳至售貨機(jī)，因此設(shè)計(jì)中按功能劃分了射頻卡讀寫子模塊和GPRS通訊子模塊。GPRS通訊子模塊直接與射頻卡讀寫子模塊連接，通過MDB協(xié)議整合入自動(dòng)售貨機(jī)控制器。見圖2：

采用這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：射頻卡子模塊需要與管理中心交換的數(shù)據(jù)主要是刷卡消費(fèi)紀(jì)錄、貨品庫存、掛失名單、單價(jià)等信息，可直接由GPRS通道實(shí)現(xiàn)；射頻卡子模塊通過MDB總線實(shí)現(xiàn)整合，只需對其內(nèi)部的SST89E554RC單片機(jī)編程增加相應(yīng)子功能即可作為GPRS通訊子模塊聯(lián)入MDB總線的橋接器。

4 射頻卡讀寫子模塊設(shè)計(jì)

4.1 MIFARE卡讀寫子模塊

此模塊核心芯片為MF530讀卡芯片和支持在線編程的SST89E554RC單片機(jī)。可支持對MIFARE系列非接觸式IC的操作。此模塊對外的接口為標(biāo)準(zhǔn)RS232/485接口，實(shí)現(xiàn)了與售貨機(jī)MDB總線的通訊接口。硬件框圖如圖3所示。

4.2 MDB（Multi-Drop Bus / Internal Communication Protocol）簡介

MDB接口信號(hào)分為電源部分和通訊部分。主機(jī)VMC提供的電源為24 VDC或34 VDC 。通訊部分信號(hào)有Master Receive、Master Transmit、Communications Common，主從通訊則采用V隔離型電流環(huán)通訊方式，通訊格式為：9600 NRZ、1 Start Bit、8 Data Bits、1 Mode Bit、1 Stop Bit。射頻卡讀寫模塊的MDB地址為00010xxxB。主要的命令有Reset、 Setup、Poll、 Vend 、Reader Revalue(option)、Expansion等。MDB接口電路如圖4所示。

圖4 MDB接口電路

5 GPRS通訊子模塊設(shè)計(jì)

5.1 GPRS工作模式

GPRS數(shù)據(jù)分組是從基站發(fā)送到SGSN（GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）， SGSN與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSM進(jìn)行通信。GGSN對分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如Internet或X.25網(wǎng)絡(luò)。來自Internet、標(biāo)識(shí)有移動(dòng)臺(tái)地址的IP包，由GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）接收，再轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，繼而傳送到無線終端。圖5 簡要描述了GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的的發(fā)送與接收路徑。

圖5 GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的的發(fā)送與接收示意

5.2 硬件結(jié)構(gòu)

如圖6所示。設(shè)計(jì)采用西門子的MC35i工業(yè)級(jí)GPRS/GSM模塊,臺(tái)灣華邦公司的8位單片機(jī)W77E58,外部接口采用標(biāo)準(zhǔn)串口方式。

圖6 GPRS子模塊硬件框圖

SIEMENS MC35i模塊主要由GSM基帶處理器、射頻天線、FLASH，SRAM、匹配電源和一個(gè)40腳的ZIF插座組成。其中GSM基帶處理器是核心部件，他的作用相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送過來的AT指令。射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，實(shí)現(xiàn)外部射頻信號(hào)與內(nèi)部基帶處理器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。匹配電源為處理器、射頻部分和ZIF插座提供所需的電源。ZIF插座是提供給用戶的應(yīng)用接口，可外接SIM卡。

MCU選用華邦的八位機(jī)W77E58。W77E58是與MCS51系列單片機(jī)兼容的、可多次編程的快速微處理器，在其內(nèi)部集成有32KB的可重復(fù)編程的Flash ROM、256字節(jié)的片內(nèi)存儲(chǔ)器、IKB用MOVX指令訪問的SRAM、可編程看門狗定時(shí)器、三個(gè)16位定時(shí)器、二個(gè)增強(qiáng)型的全雙工串行口、片內(nèi)RC振蕩器、雙16位數(shù)據(jù)指針等諸多功能。在很多場合，幾乎不用擴(kuò)展外圍芯片就能夠滿足系統(tǒng)要求。W77E58的作用主要有：

（1） 通過串口1直接與MC35模塊相連接，輸入AT指令,完成對MC35模塊的初始化和基于GPRS業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)收發(fā)功能；

（2） 串口2擴(kuò)展MAX232標(biāo)準(zhǔn)串口與射頻卡模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；

（3） 控制完成TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換；

（4） 自主或根據(jù)遠(yuǎn)程控制指令采取其他操作。

5.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要采用C語言開發(fā)，除完成基本的單片機(jī)管理及串口通訊任務(wù)外。主要根據(jù)相應(yīng)簡化的協(xié)議對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。

5.3.1 協(xié)議簡化

根據(jù)應(yīng)用需要，對TCP/IP協(xié)議族進(jìn)行了必要的簡化，使之可在有限資源的單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。各層的定義符合OSI參考模型規(guī)范，如表1所示。

5.3.2 數(shù)據(jù)處理及發(fā)送流程

在簡化的協(xié)議族基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)“開機(jī)即在線”，模塊上電后即入網(wǎng)工作。如圖7所示:

圖7 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

① GPRS通訊子模塊從管理中心接受的數(shù)據(jù)解包后,通過串口傳送給射頻卡讀寫模塊，由在射頻卡讀寫子模塊上擴(kuò)充的功能模塊進(jìn)行相應(yīng)處理；

② 射頻卡讀寫子模塊提供串口數(shù)據(jù)。

6 應(yīng)用情況

目前已成功實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)范圍的自動(dòng)售貨機(jī)終端的無線聯(lián)網(wǎng)。此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)：黑名單及時(shí)下發(fā)，終端刷卡消費(fèi)，消費(fèi)紀(jì)錄立即上傳至管理中心，管理中心通過對紀(jì)錄的分析了解銷售情況做出相應(yīng)分析，進(jìn)行維護(hù)和經(jīng)營。此系統(tǒng)已在試運(yùn)營階段。

7 結(jié)論

本文介紹的基于GPRS的自動(dòng)售貨機(jī)IC卡收費(fèi)模塊成本低廉，功能易于擴(kuò)展，實(shí)際應(yīng)用方式簡單實(shí)用，適合自動(dòng)售貨機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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