基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的校園一卡通POS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文章出處：http://www.xianjuhong.com 作者：盛其杰．佟鑫 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年07月09日

        近年來(lái)．我國(guó)許多高校都進(jìn)行了校園一卡通系統(tǒng)的建設(shè)。系統(tǒng)廣泛采用RS485通訊線纜、雙絞線和光纖等有線傳輸方式， 然而有線傳輸方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)POS在移動(dòng)中要求實(shí)時(shí)在線的應(yīng)用需求。

        目前基于短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式只能在信號(hào)覆蓋的有限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)POS系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線響應(yīng) 為了拓展無(wú)線POS系統(tǒng)的應(yīng)用范圍．本文設(shè)計(jì)了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的校園一卡通無(wú)線POS系統(tǒng)．它具備一卡通數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ?通過(guò)軟件測(cè)試及一定規(guī)模的應(yīng)用．證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。

    一、校園一卡通系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式比較
 
        校園一卡通系統(tǒng)有線傳輸方式是指POS機(jī)與一卡通平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)完成 有線傳輸介質(zhì)主要包括RS485通訊線纜、雙絞線及光纖等。
 
        短距離無(wú)線傳輸方式是指無(wú)線POS機(jī)讀取數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)在本地．定時(shí)與無(wú)線基站進(jìn)行通訊．如無(wú)線POS機(jī)不在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍則脫網(wǎng)運(yùn)行．待移動(dòng)到信號(hào)覆蓋范圍時(shí)再進(jìn)行通訊．脫機(jī)流水?dāng)?shù)據(jù)在POS機(jī)重啟后完成數(shù)據(jù)上傳。
 
        本文設(shè)計(jì)了一種全新的基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的校園一卡通POS系統(tǒng)．其主要方法是：一卡通POS機(jī)的應(yīng)用數(shù)據(jù)包通過(guò)GPRS DTU(GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元)使用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給校園一卡通平臺(tái)主機(jī)：一卡通平臺(tái)主機(jī)對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)包處理后的數(shù)據(jù)和黑白名單信息經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)回傳給POS機(jī)．從而完成校園一卡通系統(tǒng)的各種應(yīng)用功能校園一卡通系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜N模式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示

    二、基于GPRS的校園一卡通無(wú)線POS系統(tǒng)通信原理與設(shè)計(jì)
 
        GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)具有覆蓋面廣、通信可靠和傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn) 以其作為校園一卡通移動(dòng)POS交易的通信載體，可實(shí)現(xiàn)不受場(chǎng)地、環(huán)境和線路限制的校園卡實(shí)時(shí)交易和認(rèn)證 GPRS網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)決定了其隨著應(yīng)用的發(fā)展和無(wú)線移動(dòng)POS的增加不會(huì)對(duì)校園一卡通交易的速度和成功率造成影響
 
        本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是：首先把具有GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的GPRS DTU通過(guò)RS485接口接收一卡通POS機(jī)的刷卡數(shù)據(jù)：然后GPRS DTU通過(guò)無(wú)線方式與GPRS基站通信．將一卡通POS發(fā)送的數(shù)據(jù)包從基站發(fā)送到SGSN節(jié)點(diǎn)．SGSN與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信．GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后發(fā)送到校園一卡通平臺(tái)端的路由器．經(jīng)過(guò)防火墻再發(fā)送到校園一卡通主機(jī)上；最后經(jīng)過(guò)校園一卡通后臺(tái)服務(wù)器處理的數(shù)據(jù)包經(jīng)由原路返回．經(jīng)GPRS DTU 回傳給一卡通系統(tǒng)POS機(jī)．從而完成校園一卡通系統(tǒng)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換．實(shí)現(xiàn)POS系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 同時(shí)．使用第二層隧道協(xié)議L2TP在GPRS網(wǎng)絡(luò)上建立企業(yè)虛擬專(zhuān)網(wǎng)．保證網(wǎng)絡(luò)連接的專(zhuān)用性和持續(xù)性 其工作原理如圖1所示

    三、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)
 
    1．硬件設(shè)計(jì)
 
        本系統(tǒng)分為終端POS設(shè)備、GPRS DTU、校園一卡通后臺(tái)服務(wù)器三大部分
 
    (1)終端POS設(shè)備
 
        本系統(tǒng)采用51系列單片機(jī)模型作為終端POS設(shè)備的硬件原理支持。終端POS設(shè)備主要由CPU(SM5964)，F(xiàn)LASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AM29F040B／39SF020復(fù)位芯片IMP810．485通信芯片SN75174和MAX487。射頻卡讀寫(xiě)卡器，顧客面LED顯示器。操作面LED顯示器，線性電源，主鍵盤(pán)．密碼鍵盤(pán)接口組成．其工作原理如圖2所示
 

    (2)GPRS DTU
 
    系統(tǒng)中完成數(shù)據(jù)通信傳輸工作的是GPRS DTU和GPRS網(wǎng)．而GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于IP協(xié)議的．所以本系統(tǒng)中的GPRS DTU采用內(nèi)嵌TCWIP協(xié)議棧．具有Socket通信功能．并提供透明數(shù)據(jù)傳輸通道。GPRS DTU在每次開(kāi)機(jī)后會(huì)自動(dòng)撥號(hào)．接入GPRS網(wǎng)絡(luò)并動(dòng)態(tài)地獲得一個(gè)IP地址．此地址由GPRS骨干內(nèi)網(wǎng)地址池分發(fā)．當(dāng)GPRSDTU通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)向校園一卡通系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求后．

    校園一卡通系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器返回應(yīng)答．連接路由建立 為了保證鏈路暢通．預(yù)定30秒發(fā)送一次“心跳”數(shù)據(jù)包．以維持GPRS DTU終端與校園一卡通系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器之間的路由．確保終端與服務(wù)器之間可以及時(shí)互相通信。“心跳”數(shù)據(jù)包包括鏈路?；罟δ苄畔⑴c終端ID信息
 
    (3)校園一卡通系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器
 
    硬件系統(tǒng)使用SUN公司小型機(jī)．軟件系統(tǒng)使用SUN公司的SOLARIS操作系統(tǒng)．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)支持使用甲骨文公司的ORACLE 9I數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)
 
    2．軟件設(shè)計(jì)
 
    (1)GPRS遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
 
    本系統(tǒng)中GPRS遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)的系統(tǒng)底層軟件采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法．語(yǔ)言采用的是標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言．各個(gè)功能模塊由子程序?qū)崿F(xiàn)．通過(guò)主程序調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的各個(gè)功能 GPRS通訊終端軟件邏輯流程如圖3所示。
 

    軟件邏輯流程說(shuō)明如下：

    系統(tǒng)完成GPRS初始化．接人GPRS網(wǎng)絡(luò)并動(dòng)態(tài)地獲得一個(gè)IP地址
 
    驗(yàn)證系統(tǒng)是否允許無(wú)線移動(dòng)POS上傳數(shù)據(jù)。若允許，可建立連接；若不允許，可延時(shí)請(qǐng)求上傳數(shù)據(jù)。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)．PPP協(xié)商．建立TCP／IP連接無(wú)線移動(dòng)POS通過(guò)TCP或UDP協(xié)議在GPRS網(wǎng)絡(luò)與校園一卡通數(shù)據(jù)后臺(tái)服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互當(dāng)無(wú)線移動(dòng)POS收到控制命令時(shí)．先檢驗(yàn)命令的合法性．再按照命令執(zhí)行相應(yīng)操作
 
    (2)無(wú)線移動(dòng)POS系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)
 
    無(wú)線移動(dòng)POS系統(tǒng)為軟件業(yè)務(wù)系統(tǒng)單元的核心．其工作流程如圖4所示

    3．系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)
 
    本系統(tǒng)的安全性考量主要包含了兩個(gè)方面．一個(gè)是在設(shè)計(jì)中注意各個(gè)通信和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的安全可靠性．統(tǒng)籌規(guī)劃 在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中．防止非法用戶(hù)享受服務(wù)．防止計(jì)算機(jī)病毒的入侵：對(duì)重要設(shè)備及數(shù)據(jù)鏈路提供備份．確保信息及傳輸?shù)陌踩?另一個(gè)是GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，通過(guò)鑒權(quán)、加密，達(dá)到安全的目的 鑒權(quán)用來(lái)驗(yàn)證用戶(hù)的入網(wǎng)權(quán)利 加密用于空中接口和校園一卡通無(wú)線移動(dòng)POS數(shù)據(jù)安全傳輸，由SIM卡、網(wǎng)絡(luò)AUC、校園一卡通POS系統(tǒng)的專(zhuān)屬加密算法(3DES)決定
 
    本系統(tǒng)中的無(wú)線POS采用的是與原POS系統(tǒng)無(wú)縫連接且共用原系統(tǒng)POS前置機(jī)的方式．鑒于GPRS無(wú)線傳輸中的安全隱患．除了利用GPRS網(wǎng)絡(luò)固有的SIM卡．網(wǎng)絡(luò)AUC密鑰加密外．還需要在POS前置機(jī)端和無(wú)線移動(dòng)POS終端增加校園一卡通無(wú)線移動(dòng)POS數(shù)據(jù)的加密解密和格式轉(zhuǎn)換功能 系統(tǒng)安全模型如圖5所示

    數(shù)據(jù)加密解密流程說(shuō)明：
 
    (1)首先在無(wú)線移動(dòng)POS終端側(cè)利用PIN密碼對(duì)于卡號(hào)、金額、1-6／15磁道信息、商戶(hù)號(hào)、終端設(shè)備號(hào)等進(jìn)行3DES加密 再通過(guò)GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)對(duì)加密信息進(jìn)行傳輸．最后通過(guò)POS前置機(jī)對(duì)被加密信息進(jìn)行解密和格式轉(zhuǎn)換．并還原其為標(biāo)準(zhǔn)校園一卡通平臺(tái)通信8583數(shù)據(jù)包．上傳給一卡通后臺(tái)服務(wù)器
 
    (2)一卡通后臺(tái)服務(wù)器對(duì)無(wú)線移動(dòng)POS的應(yīng)答信息加密后通過(guò)GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)逆向傳輸給無(wú)線移動(dòng)POS終端．由無(wú)線移動(dòng)POS終端解密并處理
 
    (3)數(shù)據(jù)傳輸中對(duì)應(yīng)用報(bào)文的完整性和正確性通過(guò)奇偶校驗(yàn)法進(jìn)行校驗(yàn)
 
    (4)利用每筆成功交易具有唯一的流水號(hào)來(lái)確定無(wú)線POS申請(qǐng)交易操作的不重復(fù) 并利用交易狀態(tài)標(biāo)示來(lái)確定一筆交易是否成功
 
    四、系統(tǒng)測(cè)試 

    鑒于校園一卡通系統(tǒng)的安全性和軟硬件的兼容性．系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)通過(guò)了嚴(yán)格的軟件測(cè)試和實(shí)地使用測(cè)試實(shí)地使用測(cè)試主要采取以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行：
 
    1利用大批量刷卡次數(shù)、速度、頻率方式測(cè)試射頻讀寫(xiě)卡模塊
 
    本系統(tǒng)分別測(cè)試3000次刷卡、刷卡速度1次／秒、10 秒連續(xù)刷卡10次的結(jié)果 通過(guò)測(cè)試一卡通后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄．結(jié)果表明校園一卡通無(wú)線POS終端設(shè)備通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與校園一卡通后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器通信成功．存人數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)正確無(wú)誤。
 
    2利用大容量數(shù)據(jù)測(cè)試
 
    利用1Mbps容量的數(shù)據(jù)包分別測(cè)試GPRS可以提供的四種不同編碼方式．四種不同的編碼方式每個(gè)時(shí)槽可提供的傳輸速率為CS一1(9．05Kbps)、CS一2(13．4Kbps)、CS一3(15．6Kbps)及CS一4(21．4Kbps)，其中CS一1的保護(hù)最為嚴(yán)密．CS一4則是完全未加以任何保護(hù)。每個(gè)用戶(hù)最多可同時(shí)使用八個(gè)時(shí)槽 結(jié)果表明校園一卡通無(wú)線POS終端設(shè)備通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與校園一卡通后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器通信成功．存人數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)正確無(wú)誤。
 
    3利用不同校園卡類(lèi)型測(cè)試
 
    校園卡剩余金額大于等于無(wú)線移動(dòng)POS扣款額的測(cè)試．校同卡剩余金額小于移動(dòng)無(wú)線POS扣款額的測(cè)試．教師身份卡刷卡測(cè)試．學(xué)生卡刷卡測(cè)試．離退休卡刷卡測(cè)試．臨時(shí)卡刷卡測(cè)試等 結(jié)果表明校園一卡通無(wú)線POS終端設(shè)備通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與校園一卡通后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器通信成功．需存人數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)正確無(wú)誤．?dāng)?shù)據(jù)處理正確無(wú)誤．允許無(wú)線移動(dòng)POS放行的和不允許無(wú)線移動(dòng)POS放行的校同一卡通刷卡操作處理邏輯正確無(wú)誤。
 
    4．?dāng)?shù)據(jù)上傳與刷卡操作同時(shí)進(jìn)行的測(cè)試
 
    先斷開(kāi)系統(tǒng)的GPRS鏈接．然后在一臺(tái)無(wú)線移動(dòng)POS終端上大次數(shù)刷卡(超過(guò)100)．恢復(fù)系統(tǒng)的GPRS鏈接在無(wú)線移動(dòng)POS終端上數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳時(shí)快速刷卡若干次．測(cè)試結(jié)果表明通信過(guò)程和刷卡過(guò)程互不影響．存入到一卡通后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)正確無(wú)誤。
 
    5．室內(nèi)外高低溫環(huán)境下對(duì)各硬件狀態(tài)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試結(jié)果顯示在一20～50℃溫度下．各個(gè)模塊的電源輸入電壓穩(wěn)定．各處紋波均在50mY以下：GPRS模塊在數(shù)據(jù)通信或來(lái)電時(shí)．電源平均波動(dòng)在±0．2V左右。
 
    6．系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試
 
    整合整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試．測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)和需求
 
    五、結(jié)束語(yǔ)
 
    本文在比較校園一卡通系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式的基礎(chǔ)上．提出基于GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一卡通無(wú)線POS遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通訊的設(shè)想 通過(guò)剖析GPRS網(wǎng)絡(luò)的通訊原理，設(shè)計(jì)了基于GPRS的校園一卡通無(wú)線POS系統(tǒng)．該系統(tǒng)為校園一卡通數(shù)據(jù)隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程通信提供了一個(gè)全新的解決方案。經(jīng)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用證明，該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)速度快、性能穩(wěn)定、安全保密性好，具有較高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。