目前我國(guó)高校的校園卡圈存通常采用傳統(tǒng)圈存技術(shù)，傳統(tǒng)技術(shù)接入方式是以太網(wǎng)控器作為接入設(shè)備，通過(guò)圈存機(jī)將交易報(bào)文在銀行系統(tǒng)和校園一卡通系統(tǒng)中的卡務(wù)管理中心子系統(tǒng)之間進(jìn)行傳送，銀校圈存系統(tǒng)通過(guò)銀行卡與校園卡一起插入轉(zhuǎn)賬圈存機(jī)以達(dá)到把用戶的銀行卡賬戶下的金額劃入校園卡賬戶中為目的[1]，傳統(tǒng)圈存方式的圈存機(jī)具有價(jià)格昂貴、位置移動(dòng)不靈活、設(shè)計(jì)復(fù)雜、故障率偏高等不足，而且經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)銀行和學(xué)校交易流水賬務(wù)不一致的情況；同時(shí)，該模式下的學(xué)校與銀行的實(shí)時(shí)通信信道需向通信部門租用一條專線，增加了工程的設(shè)計(jì)成本與維護(hù)費(fèi)用。鑒于此，在計(jì)算機(jī)比較普及和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)高度發(fā)展的今天，結(jié)合高校的實(shí)際情況，筆者探索出一種全新的圈存思路和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)校園卡單卡圈存（即圈存時(shí)僅使用校園卡），設(shè)計(jì)一種基于WEB圈存的方式以克服傳統(tǒng)圈存方式的不足，大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)和材料成本，使其設(shè)計(jì)與應(yīng)用真正做到經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用和圈存機(jī)移動(dòng)、接入方便。

　　1 圈存流程總體設(shè)計(jì)原理

　　圈存的過(guò)程主要分成2大步驟，第一步驟就是用戶通過(guò)學(xué)校自主開發(fā)的WEB圈存繳費(fèi)系統(tǒng)和銀行開發(fā)的網(wǎng)上銀行系統(tǒng)把其在銀行賬戶下的指定大小的金額劃入學(xué)校的銀行賬戶下，成功交易的金額記錄再提交給學(xué)校轉(zhuǎn)賬系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中；第二步驟是用戶把第一步轉(zhuǎn)入的金額在學(xué)校WEB圈存繳費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行圈存支付，形成圈存等待流水。最后，用戶可在任何一臺(tái)以太網(wǎng)圈存機(jī)上進(jìn)行刷卡充值，同時(shí)后臺(tái)運(yùn)行軟件會(huì)自動(dòng)實(shí)時(shí)地上傳刷卡之后的圈存流水傳至卡務(wù)中心，以保證卡庫(kù)金額一致。其圈存思路設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要由圈存機(jī)與WEB圈存繳費(fèi)系統(tǒng)兩大部分組成，用戶借助于WEB圈存繳費(fèi)系統(tǒng)把其在銀行的錢轉(zhuǎn)入學(xué)校系統(tǒng)中，然后進(jìn)行圈存消費(fèi)支付，最終在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中形成等待圈存刷卡流水，圈存機(jī)則主要完成讀卡并把圈存金額寫入校園卡。

　　2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　圈存機(jī)硬件處理單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由主控板、網(wǎng)絡(luò)通(wlt)、顯示電路板、鍵盤板、讀卡器天線板等主要部分組成。

　　2.1.1ICR/W主控電路板

　　ICR/W是圈存機(jī)硬件系統(tǒng)的核心，主要由讀卡芯片MFRC500、MCU（STC89C58RD+）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片（8563T）、蜂鳴電路等部分組成。由它完成數(shù)據(jù)信號(hào)處理及優(yōu)化，包括鍵盤輸入、顯示控制、以及與PC機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。該系統(tǒng)采用的是STC89C58RD+單片機(jī)，其內(nèi)部有增強(qiáng)型1T流水線/精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)8051CPU、512BRAM、通用I/O口（27/23個(gè)）、ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程）、看門狗、2個(gè)16bit定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、2路外部中斷等部件，同時(shí)具有EEPROM功能，另外該微處理器具有超低功耗的特點(diǎn)，在系統(tǒng)供電方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

　　2.1.2網(wǎng)絡(luò)通及底層通信

　　網(wǎng)絡(luò)通也叫以太網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)關(guān)，主要由單片機(jī)與以太網(wǎng)接口芯片組成，負(fù)責(zé)完成網(wǎng)絡(luò)層上的以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議與測(cè)控設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線RS－232、RS－485、并口通信等協(xié)議的轉(zhuǎn)換，完成以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)不同以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換[4]，網(wǎng)絡(luò)通對(duì)單片機(jī)沒(méi)有什么特殊要求，可選用普通單片機(jī)，例如89C51等?？捎脜R編語(yǔ)言在單片機(jī)中寫入TCP/IP通信協(xié)議和RS－232、RS－485等現(xiàn)場(chǎng)總線及并行總線通信協(xié)議。它將從以太網(wǎng)接收來(lái)的IP包進(jìn)行拆包取出數(shù)據(jù)，再按RS－232、RS－485等現(xiàn)場(chǎng)總線或并行總線通信協(xié)議重新組成新幀，發(fā)送給測(cè)控設(shè)備；或者將測(cè)控設(shè)備發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀，重新打成IP包向以太網(wǎng)發(fā)送。

　　硬件部分對(duì)各主要功能模塊采用基于單片機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)，即分別設(shè)計(jì)了顯示控制模塊、讀卡模塊以及按鍵控制模塊，這些獨(dú)立模塊與主控芯片（MCU）之間的通信采用串口或I2C通信方式。采用模塊化的設(shè)計(jì)有利于減輕MCU的處理壓力，同時(shí)有利于提高各功能模塊與MCU之間的通信速度，提高硬件系統(tǒng)的靈活性與可擴(kuò)展性，方便故障的排查。

　　2.1.3顯示板、鍵盤及感應(yīng)天線板

　　顯示電路板由LPC932A、2塊LED數(shù)碼管顯示屏構(gòu)成，每個(gè)顯示屏有6個(gè)漢字和2排數(shù)碼管，每排8個(gè)帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)字；LPC932是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合，可以滿足多方面的性能要求；LPC932也集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，這樣可以大大減少元件的數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)的成本。鍵盤采用4×4矩陣形式，共16個(gè)鍵，鍵盤使用LPC932的鍵盤中斷工作方式，能夠完成功能選擇和圈存額查詢。感應(yīng)天線是讀卡器發(fā)送載波信號(hào)的關(guān)鍵部件，用于向MF卡提供能量并在讀卡器和MF卡之間傳送信息，天線板的核心部分是天線與讀卡模塊間的耦合電路，為了節(jié)約成本、減小系統(tǒng)體積，采用PCB板天線設(shè)計(jì)，品質(zhì)因數(shù)Q是一個(gè)很重要的參數(shù)。用于電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的天線，其特征值就是它的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)[3]。較高的品質(zhì)因數(shù)值會(huì)增加天線線圈中的電流強(qiáng)度，由此可以改善對(duì)MF卡的功率傳送。

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　　2.2圈存機(jī)上位機(jī)軟件和WEB圈存繳費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　這2部分主要采用基于WEB的結(jié)構(gòu)模式，包括2部分，一部分是采用WEB頁(yè)面形式對(duì)圈存機(jī)的進(jìn)行參數(shù)修改、狀態(tài)監(jiān)控、在線升級(jí)等管理；另外一部分是用戶圈存、查看消費(fèi)記錄等操作在網(wǎng)上執(zhí)行（用戶僅到了把圈存金額進(jìn)行寫卡這一步聚時(shí)才須到圈存機(jī)上執(zhí)行刷卡操作），圈存機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集模塊則依然使用C/S模式，該模塊與圈存機(jī)處于校園網(wǎng)中同一個(gè)虛擬子網(wǎng)里。

　　2.2.1上位機(jī)主程序模塊結(jié)構(gòu)模型圖

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，由WEB圈存繳費(fèi)子系統(tǒng)、圈存機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理模塊、圈存機(jī)狀態(tài)和參數(shù)修改模塊、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理組成。上位機(jī)部分的主要結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

　　2.2.2數(shù)據(jù)采集

　　圈存機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集模塊同圈存機(jī)的數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)采集是本系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分，必須做到通信數(shù)據(jù)安全、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和高效，鑒于此，為了提高通信效率和避免圈存機(jī)數(shù)量過(guò)多而出現(xiàn)的通信瓶頸，故采用不可靠投遞數(shù)據(jù)幀的UDP協(xié)議，雖然使用的UDP協(xié)議是不可靠的，但通過(guò)一定次數(shù)的數(shù)據(jù)幀應(yīng)答和重發(fā)機(jī)制來(lái)彌補(bǔ)UDP協(xié)議的不足，通過(guò)記錄用戶第一次圈存刷卡時(shí)卡內(nèi)余額，能有效地避免上位機(jī)監(jiān)控程序沒(méi)有收到用戶圈存成功之后的上傳應(yīng)答幀，而此時(shí)如果用戶再次在圈存機(jī)刷卡又會(huì)把圈存金額重復(fù)寫入卡片的情況，使用多線程的監(jiān)控程序，增大監(jiān)控程序的通信吞吐量，盡最大努力避免通信高峰期出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象；對(duì)通信數(shù)據(jù)全部進(jìn)行CRC冗余校驗(yàn)，可避免通信雙方接收到錯(cuò)誤或被篡改的數(shù)據(jù)，保證通信數(shù)據(jù)的一致性和正確性。

　　2.2.3WEB在線監(jiān)控或修改圈存機(jī)的狀態(tài)和參數(shù)

　　WEB在線監(jiān)控和修改模塊前臺(tái)表現(xiàn)為WEB網(wǎng)頁(yè)形式（合并于WEB圈存繳費(fèi)系統(tǒng)后臺(tái)系統(tǒng)中），后臺(tái)調(diào)用SOCKET通信組件，SOCKET通常也稱作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一個(gè)通信鏈的句柄[4]。SOCKET服務(wù)端（內(nèi)置于圈存機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集模塊中）和SOCKET客戶端（位于WEB圈存繳費(fèi)系統(tǒng)服務(wù)器中）同屬于一個(gè)校園網(wǎng)的子網(wǎng)中，所以2個(gè)SOCKET程序是基于局域網(wǎng)中的通信，較易實(shí)現(xiàn)；當(dāng)用戶進(jìn)行WEB網(wǎng)頁(yè)操作時(shí)，系統(tǒng)后臺(tái)調(diào)用客戶端的SOCKET組件，客戶端SOCKET根據(jù)自定義的通信規(guī)則向服務(wù)端SOCKET發(fā)出請(qǐng)求，接到請(qǐng)求后，向圈存機(jī)發(fā)出命令幀，圈存機(jī)接到定義幀后，作出應(yīng)答和處理，結(jié)果再逆向返回給用戶。

　　2.2.4測(cè)試方法與技巧

　　單元測(cè)試、模塊測(cè)試和集成測(cè)試等測(cè)試方法嚴(yán)格貫穿于系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，由于本系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，獨(dú)辟蹊徑地使用了一些較特殊的方法，以達(dá)到相應(yīng)的測(cè)試目的，例如模擬下位機(jī)的CreditsForLoadDriver的驅(qū)動(dòng)程序、模擬建設(shè)銀行的網(wǎng)上銀行系統(tǒng)的BankStakeAndDDriver驅(qū)動(dòng)和樁程序、模擬卡務(wù)中心系統(tǒng)、教務(wù)處的學(xué)生管理系統(tǒng)和財(cái)務(wù)處系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)或樁程序等。這樣在虛擬的環(huán)境里就能夠很好地測(cè)試出軟件的性能和通信吞吐量，現(xiàn)實(shí)中不可能找出幾百臺(tái)圈存機(jī)來(lái)與圈存機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行真實(shí)的連接和通信，由于受條件限制，可以通過(guò)能夠模擬出幾百臺(tái)的圈存機(jī)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)測(cè)試通信控制模塊的效果。另外，為了很好地達(dá)到通信測(cè)試和錯(cuò)誤修改的目的，建議盡可能使用市場(chǎng)上一些流行的抓包分析軟件。

　　3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

　　根據(jù)2.2.4節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，下面以網(wǎng)上圈存交易系統(tǒng)和圈存機(jī)同圈存機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集模塊之間的通信為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在圈存機(jī)通信的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，把上位機(jī)軟件部分全部放置在WEB服務(wù)器上，測(cè)試工作則在其它普通的PC機(jī)上進(jìn)行，使用模擬下位機(jī)的creditsForLoadDriver驅(qū)動(dòng)程序測(cè)試圈存機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集模塊的承載力，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，證明實(shí)驗(yàn)方法正確、理論可行、系統(tǒng)設(shè)計(jì)良好。通過(guò)在學(xué)校實(shí)際使用和檢驗(yàn)，該系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)。

　　(1)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單；

　　(2)性能良好，圈存機(jī)故障率極低，通信效果十分好。

　　隨著計(jì)算機(jī)迅速普及和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，這給本系統(tǒng)的推廣和發(fā)展提供了良好的使用背景，系統(tǒng)中的圈存機(jī)開發(fā)和維護(hù)成本十分低廉，其每臺(tái)材料成本不到400元，售價(jià)在1000元左右，而市場(chǎng)上圈存機(jī)的售價(jià)普遍在7千元以上，而且傳統(tǒng)的圈存機(jī)體積大，移動(dòng)十不便，我們?cè)O(shè)計(jì)出的圈存機(jī)體積很小，移動(dòng)很方便，可以接入校園網(wǎng)范圍內(nèi)的任何地點(diǎn)；另外，由于傳統(tǒng)圈存機(jī)的通訊需要直接與銀行通訊，所以還需要向通訊部門租于1條價(jià)格不菲的專線，而本系統(tǒng)圈存機(jī)與WEB圈存繳費(fèi)系統(tǒng)的相結(jié)合，可免去專線的鋪設(shè)，因此WEB圈存繳費(fèi)系統(tǒng)又可十分方便地?cái)U(kuò)展學(xué)費(fèi)、等級(jí)考試、重修費(fèi)等等支付功能。

　　從當(dāng)前和發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和較大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?，部分技術(shù)對(duì)企事業(yè)單位在建設(shè)網(wǎng)上支付系統(tǒng)方面也有著一定的借鑒意義。

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