自動售貨機IC卡收費模塊的設計與應用

摘要:GPRS網(wǎng)絡通訊技術和智能IC卡應用技術的結(jié)合，應用于自動售貨機無線網(wǎng)絡管理系統(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總線與自動售貨機控制器通訊。實際應用證實了其可行性，在自動售貨行業(yè)有廣泛的應用前景。

1引言

近幾年，自動售貨機在國內(nèi)迅速普及，逐漸被越來越多的消費者所接受。自動售貨機在為消費者帶來方便的同時，其分布零散的特點也為經(jīng)營者在監(jiān)控、管理、維護等方面帶來很大的不便。采用無線網(wǎng)絡管理系統(tǒng)將是自動售貨機行業(yè)應用發(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、無線短波電臺等，GPRS(Gerneral Packer Radio Service)的性能特點最為符合自動售貨機無線網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的要求。

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

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

（3）國內(nèi)的GPRS網(wǎng)絡由中國移動建立維護，覆蓋地域廣，信號質(zhì)量好。

同時，智能IC卡的應用已十分廣泛，采用IC卡收費模式對于經(jīng)營者和消費者都十分便利。因此研究開發(fā)基于GPRS的自動售貨機IC卡收費模塊具有明顯的現(xiàn)實意義和商業(yè)價值。

本文主要介紹的是一款罐裝食品售貨機控制器設計開發(fā)的支持GPRS的IC卡收費模塊的設計及應用實現(xiàn)。

2系統(tǒng)組網(wǎng)方式

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

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

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

圖1 自動售貨機無線網(wǎng)絡管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 應用開發(fā)方案

設計開發(fā)的目的是要實現(xiàn)自動售貨機刷卡消費并將消費信息、貨品庫存信息等通過GPRS上傳，掛失名單、單價等信息也通過GPRS實時下傳至售貨機，因此設計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)議整合入自動售貨機控制器。見圖2：

采用這種方案的優(yōu)點是：射頻卡子模塊需要與管理中心交換的數(shù)據(jù)主要是刷卡消費紀錄、貨品庫存、掛失名單、單價等信息，可直接由GPRS通道實現(xiàn)；射頻卡子模塊通過MDB總線實現(xiàn)整合，只需對其內(nèi)部的SST89E554RC單片機編程增加相應子功能即可作為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計

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?？芍С謱IFARE系列非接觸式IC的操作。此模塊對外的接口為標準RS232/485接口，實現(xiàn)了與售貨機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接口信號分為電源部分和通訊部分。主機VMC提供的電源為24 VDC或34 VDC 。通訊部分信號有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通訊子模塊設計

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)務支持節(jié)點）， SGSN與網(wǎng)關支持節(jié)點GGSM進行通信。GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡，如Internet或X.25網(wǎng)絡。來自Internet、標識有移動臺地址的IP包，由GGSN（GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點）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)絡數(shù)據(jù)包的的發(fā)送與接收路徑。

圖5 GPRS網(wǎng)絡數(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。設計采用西門子的MC35i工業(yè)級GPRS/GSM模塊,臺灣華邦公司的8位單片機W77E58,外部接口采用標準串口方式。

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，他的作用相當于一個協(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現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，實現(xiàn)外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(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用接口，可外接SIM卡。

MCU選用華邦的八位機W77E58。W77E58是與MCS51系列單片機兼容的、可多次編程的快速微處理器，在其內(nèi)部集成有32KB的可重復編程的Flash ROM、256字節(jié)的片內(nèi)存儲器、IKB用MOVX指令訪問的SRAM、可編程看門狗定時器、三個16位定時器、二個增強型的全雙工串行口、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)務的數(shù)據(jù)收發(fā)功能；

（2） 串口2擴展MAX232標準串口與射頻卡模塊進行數(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)遠程控制指令采取其他操作。

5.3 軟件設計

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

5.3.1 協(xié)議簡化

根據(jù)應用需要，對TCP/IP協(xié)議族進行了必要的簡化，使之可在有限資源的單片機系統(tǒng)實現(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)議族基礎上設計“開機即在線”，模塊上電后即入網(wǎng)工作。如圖7所示:

圖7 軟件實現(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充的功能模塊進行相應處理；

② 射頻卡讀寫子模塊提供串口數(shù)據(jù)。

6 應用情況

目前已成功實現(xiàn)了跨區(qū)范圍的自動售貨機終端的無線聯(lián)網(wǎng)。此系統(tǒng)可實現(xiàn)：黑名單及時下發(fā)，終端刷卡消費，消費紀錄立即上傳至管理中心，管理中心通過對紀錄的分析了解銷售情況做出相應分析，進行維護和經(jīng)營。此系統(tǒng)已在試運營階段。

7 結(jié)論

本文介紹的基于GPRS的自動售貨機IC卡收費模塊成本低廉，功能易于擴展，實際應用方式簡單實用，適合自動售貨機無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的應用，有著廣泛的應用前景。

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