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基于嵌入式系统的智能一卡通处理终端设计

2020-08-03朱海星刘振忠

现代电子技术 2020年6期
关键词:硬件设计软件设计嵌入式系统

朱海星 刘振忠

摘  要: 为更好实现我国智慧城市建设中通用、共享、快捷、方便、安全的“一卡通用”的小额支付体系,以及拓展智能一卡通卡在公共交通领域的应用和信息获取,在系统需求分析的基础上,采用自顶向下的方法完成智能一卡通处理终端整体系统设计、硬件和软件系统设计,以及车载刷卡、实时监控、全球定位、WiFi热点、无线数据互通、后台数据处理、远程管理终端等功能模块的设计。实际应用表明,基于嵌入式系统的智能一卡通处理终端在系统功能方面能够满足城市中公用服务收费需求,能够为公共交通等服务行业机构的运营与决策提供数据资源,将促进国家金卡工程建设。

关键词: 一卡通; 嵌入式系统; 硬件设计; 软件设计; 功能模块; 自顶向下设计

中图分类号: TN915?34                             文献标识码: A                      文章编号: 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

智能卡封装在PVC卡片内,由感应电线和IC芯片(CPU)等组成。IC卡利用射频识別技术[1],在一定距离范围(5~10 cm)靠近读写模块(或读写器)的天线,由无线传输完成数据读写以及密钥认证操作[2]。城市一卡通系统普遍采用符合PBOC技术标准规范的智能芯片CPU卡,根据卡片封装时采用的芯片类型可分为智能CPU卡、存储卡和逻辑加密卡等三种主要类型[3]。对于各个城市而言,一卡通系统的建设规划还未有一个可用来套用的标准模式,各地交通特点的不同造成了系统结构的差异,有很高的地域特色。但是,一卡通系统的核心是便利人们的出行,不同的地域特色会使系统更加完善以适应复杂多变的需求[4]。这就要求对系统的稳定性、实用易用性、数据的安全性等方面进行更加完善的设计,由此才能设计出覆盖整套公共交通的一卡通系统,对提高交通效率,缓解公共交通压力,提升整体服务效率有着举足轻重的意义。此外,对于城市建设和发展,建立和谐社会有辅助意义。智能卡一卡处理终端用于公共交通行业等技术,重点是智能卡应用事务业务系统开发[5]、机器程序开发[6]、机器通信模块相关接口开发[7]、数据采集和通信网络[8]、公共交通管理系统和清算中心访问开发[9]等。智能一卡通处理终端需要在充分考虑公共交通系统的需求和业务监控关系严密的基础上,不仅要求功能全面,而且需要满足相关行业规范,以便智能一卡通处理终端的升级、扩展和对接。本文面向智慧城市建设中小额支付体系目标的实现,基于嵌入式系统设计了一种新颖的智能一卡通处理终端。

1  系统设计

基于嵌入式系统的智能一卡通处理终端系统整体设计工作采用自顶向下的设计方法[10]。首先设计智能一卡通处理终端总体框架结构,然后再逐层深入设计各个子系统,直至进行到每一个模块的设计。智能一卡通处理终端总体设计主要是在系统分析的基础上,将整体系统合理划分为各个子系统,包括智能一卡通处理终端硬件系统设计、软件系统设计和系统功能模块结构设计。按照结构化设计的思想,对模块或子系统进行划分[11]。嵌入式智能一卡通处理终端整个系统架构建立在互联互通、实时数据交流的基础之上,包含车载刷卡、手机刷卡、实时监控、WiFi热点、GPS/北斗全球定位、GPRS数据互通、远程视频监控、后台数据处理、远程管理终端等功能。如图1所示为按职能划分方式划分所组成的系统。

1.1  硬件系统设计

智能一卡通处理终端硬件系统以ARM9为控制核心器件,以非接触逻辑加密卡、双界面CPU卡、PSAM卡、SIM卡等各类卡为数据载体的智能车载消费管理终端,能满足处理各种公交月票、电子钱包等交易方式。数据安全性、完整性是由系统通过采用PSAM卡管控消费环节来保证的。消费环节是通过采用RF射频技术非接触完成。实现对路况及车内情况的实时监控,并采用先进的H.264视频压缩算法。车辆行驶状况被GPS/北斗实时跟踪定位,具有WiFi热点功能,可实现车辆内无线上网,大屏幕LCD实时显示各种信息,所有数据可通过GPRS网络与后台交互,采用Unicode编码,实现国际化。如图2所示为处理终端硬件系统设计框架结构。

1.2  软件系统设计

本系统以嵌入式Linux操作系统为核心,软件架构如图3所示。按照功能模块化的方法,划分了智能一卡通处理终端的功能,每个功能模块完成一个子功能,然后将这些功能模块整合到满足整个系统功能的要求,包括Smartcards信息识别处理模块、无线数据信息处理模块、车内无线局域网、全球定位、后置智能主控中心、互联互通收费管理系统等。

2  交易流程设计

智能卡是指将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基里面,做成卡片形式,形成一个嵌入式的小系统,并由CPU,ROM,RAM,E2PROM及串行通行单元组成。智能卡初始化SCI模块进入读写流程,每隔一定的周期CPU会扫描中断源并检测是否有中断请求。当CPU检测到串口中断后立即进入串口建立连接,并检测智能卡状态是否可用,将获取的ATR数据发送出去,以激活智能卡完成交易或充值。智能卡按照异步方式传送字节,其具有统一的字符传输格式,一个字由连续的10个ETU完成发送,期间传送1个起始位,8个数据位和1个奇偶检验位。

交易流程设计包括公交消费主流程、卡充值、交易异常处理等。消费时的主流程包括终端恢复子流程、卡检测子流程以及消费子流程;充值的主流程包括充值恢复子流程、卡充值检测子流程以及卡充值子流程;当CPU卡交易不成功,并且没有在指定时间内再进行拍卡,或在重新拍卡前已有其他CPU卡进行交易,这时该CPU卡需走恢复机制,即异常处理程序。交易流程如图4所示。

3  系统测试

按照ISO/IEC 9126?1国际标准模拟交易过程,通过PC机端模拟测试程序在后台完成对智能一卡通处理终端应用程序的测试。在实验环境中搭建了测试平台,测试使用VMware Workstain 10.0虚拟机平台,内核为Linux 2.6的Fedora 18操作系统,Qt Creator 1.3集成开发环境,采用Qt 4.7开发工具来开发智能一卡通处理终端应用程序,如图5所示为主应用程序调试界面。同时保留测试文件,发现异常修改程序后重新测试,图6为实际设备运行照片。

测试结果表明,基于嵌入式系统的智能一卡通处理终端符合相关国际标准,系统功能良好,能够满足公共交通领域的实際需求。

4  结  语

基于嵌入式系统的智能一卡通处理终端给出了公共交通领域城市智能一卡通数据交易系统的设计思路与开发过程,并在城市一卡通和公共交通系统之间建立了兼容性强、架构灵活的小额交易系统以及公共服务收费体系。根据城市公共服务领域中不同的业务需求和行业特点,通过采用多种安全措施保证了交易系统的安全、高效运营,为将来进一步扩展功能模块开展应用奠定了基础,同时通过提高公用事业的服务质量来提升城市现代化形象,为智慧城市发展带来新的商机。

注:本文通讯作者为刘振忠。

参考文献

[1] 郭伟男.射频识别技术理论及其在物流领域的应用研究[J].现代电子技术,2014,37(7):129?132.

[2] 林小平,鲁青,邓杰航.非接触CPU电子纸可视卡读写器系统设计[J].计算机工程与设计,2014,35(4):1226?1230.

[3] 邓均.城市一卡通系统设计与实现[D].广州:华南理工大学,2016.

[4] 王永建,朱纪周,闫超,等.面向智慧城市的一卡通系统设计研究[J].计算机应用与软件,2017,34(4):93?98.

[5] 缪姝妹,刘云,丁强,等.医院一卡通系统的建设及应用研究[J].中国数字医学,2015,10(10):57?59.

[6] 王思沫,汪志龙,谭雨晴,等.基于APP端智能校园一卡通系统的设计[J].现代电子技术,2018,41(16):55?58.

[7] 王恩亮,涂德凤,徐慧芳.基于ARM技术的校园一卡通系统设计[J].新乡学院学报,2015,32(12):44?47.

[8] 王华,李伶,杨帆.大数据时代校园一卡通数据分析与应用研究[J].现代电子技术,2018,41(4):56?59.

[9] 马虹.全国城市一卡通互联互通数据平台设计与实现[D].天津:天津大学,2014.

[10] 周彦明.基于嵌入式的移动公交一卡通POS机的设计与实现[J].电子设计工程,2017,25(16):134?137.

[11] 崔贯勋.基于物联网的实验室智能化综合管理系统设计与实现[J].实验室研究与探索,2015,34(11):217?220.

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