基于藍牙通信的IC卡水表遠程付費裝置設計

常興智

(寧夏隆基寧光儀表股份有限公司，寧夏 銀川 750021)

0　引言

近年來，隨著物聯網技術的快速發展，生產生活中對儀表智能化需求越來越高，遠程付費、移動支付等功能已成為儀表支付領域中的新趨勢[1]。并且由于移動終端藍牙技術的普及，應用藍牙通信實現自動化遠程支付，不僅節省大量的人力物力資源，而且使儀表的充值繳費更加便捷、靈活[2]。

藍牙(Bluetooth)通信是一種短距離無線通信技術，具有超低功耗、超強抗干擾能力的優勢，以及成本低、通信速率高、容錯能力強等特點[3]。其廣泛應用于計算機、手機等消費電子產品領域、工業自動化領域以及局域網通信領域等[4]。

1　總體設計

系統由以下幾部分組成：Bluetooth Low Energy Intelligent Card裝置模塊(以下簡稱BLE IC CARD裝置模塊)；IC卡水表(IC卡接口)；無線公網；移動終端(客戶端)；管理服務器。系統的組成結構框架如圖1所示。

圖1　系統結構框架圖

整體系統方案說明：本系統主要針對接觸式IC卡水表為研究對象進行整體化設計。BLE IC CARD裝置通過插入水表的IC卡座進行通信，實現BLE IC CARD裝置對IC卡水表的充值和狀態查詢，可完全替代傳統IC卡；BLE IC CARD裝置與移動終端(phone/pad)通過藍牙通信方式進行數據交互，實現對BLE IC CARD裝置的讀寫操作。移動終端通過自動或手動的搜索方式連接已設定的BLE IC CARD裝置，若要進行IC卡水表中的數據獲取，可以通過插入BLE IC CARD裝置到IC卡水表中來讀取所需信息，并可以通過客戶端顯示所需數據。若要進行IC卡水表充值，客戶端通過無線公網登錄到管理服務器進行充值，充值成功后，移動終端通過藍牙通信將充值數據傳遞至BLE IC CARD裝置，BLE IC CARD裝置插入IC卡水表中進行充值操作。

本系統核心設計為BLE IC CARD裝置，以下將具體對該裝置進行整體分析與設計說明。

2　系統設計

2.1　硬件設計

BLE IC CARD裝置既具有普通IC卡的功能，也具有與移動終端進行數據交互的功能，其主要由3部分組成，如圖2所示。

圖2　BLE IC CARD裝置結構圖

本裝置基于RL78/G1D芯片開發設計，其不僅具有工作電壓低(1.8 V～3.6 V)，天線電路設計簡易，而且由于不需要外配件可以大幅降低最后產品的成本。RL78/G1D內置有256 KB的Flash，8 KB的Data Flash以及20 KB的RAM；其串行接口(SCI)可以工作在全雙工異步工作模式，交互接口也包括I2C多向控制總線[5]。

2.1.1藍牙通信模塊

BLE IC CARD裝置藍牙通信模塊基于RL78/G1D微控制器開發，RL78/G1D微控制器支持低功耗藍牙技術，其中RF發送電流為4.3 mA，RF接收電流為3.5 mA；RL78/G1D模塊包括RL78/G1D微控制器、32 MHz的晶振以及天線,該模塊完全獲得Bluetooth SIG認證，可以運行藍牙V4.2版本的標準協議棧[6]。圖3為藍牙模塊外圍電路以及天線電路原理圖。

圖3　藍牙外圍電路原理圖

2.1.2電源模塊

BLE IC CARD裝置的電源模塊采用MD5330電壓穩壓芯片，該芯片使用CMOS技術開發的具有高精度輸出電壓、超低功耗電流以及正電壓型電壓穩壓電路。由于內置有低通態電阻MOS晶體管，因此輸入輸出壓差較低，最高工作電壓可達到10 V，適合需要較高耐壓的應用電路。該穩壓芯片輸入最大額定電壓為12 V，輸出穩壓電壓為3 V，其精度可達到±2%。電源模塊原理圖如圖4所示。

圖4　電源模塊原理圖

電源模塊基于穩壓芯片MD5330設計，輸入端為3.3 V紐扣電池，通過穩壓芯片MD5330后，電壓輸出為3 V，用于給BLE IC CARD裝置模塊供電。

2.1.3BLEIC卡接口模塊

BLE IC卡接口模塊主要分為兩部分：第一部分為水表的IC卡接口電路；第二部分為基于SLE4442邏輯加密儲存卡的BLE IC CARD裝置接口電路。

SLE4442是德國西門子公司設計的邏輯加密存儲卡，具有2 Kbit的存儲容量和完全獨立的可編程代碼存儲器，內部電壓提升電路保證了芯片能夠以穩定的電壓供電，其采用多存儲器結構，兩線連接協議，串行接口滿足ISO7816同步傳送協議[7]。

(1)水表的IC卡接口電路

圖5為IC卡與IC卡水表核心控制芯片的接口電路原理圖。在電路中IC卡接口與IC卡水表設備的連接采用ISO7816協議總線，支持ISO7816-3：接觸式智能卡的電信號和傳輸協議[8]。除去密碼區的執行外，其他類似于一般串行EEPROM的操作。

對SLE4442的操作只需3根數據線，即串行時鐘線CLK、復位線RST以及雙向數據線SDA。3根數據線都需要通過上拉電阻鏈接到電源VCC上，POW為IC卡座連接電路供電端。

該電路的供電采用了獨立供電的方式，受控于IC卡水表的核心微控制器。

圖5　IC卡與IC卡水表接口電路原理圖

(2)BLE IC CARD裝置接口電路

BLE IC CARD裝置接口電路是基于SLE4442邏輯加密卡設計的，采用ISO7816協議總線通信模式，串行接口滿足ISO7816同步傳送協議。該裝置接口電路包含6個引腳，其中使用通信的引腳為3個：CLK、SDA、RST；和IC卡與IC卡水表的連接電路相匹配；實現當BLE IC CARD裝置插入IC卡水表的卡座時，這3個通信引腳接觸后使用通信。圖6所示為接口電路原理圖，該電路的RST_1、CLK_1、SDA_1三個引腳都由RL78/G1D微控制器控制，Test IC引腳是裝置測試線，當BLE IC CARD裝置未插入IC卡座時，Test IC引腳為高電平；當裝置插入時Test IC引腳為低電平[6]。

圖6　裝置接口電路原理圖

2.2　軟件設計

BLE IC CARD裝置的軟件設計主要分為兩部分，第一部分為裝置通過ISO7816協議總線與IC卡水表進行通信；第二部分為裝置通過藍牙通信與移動終端進行數據交互。

(1)裝置與IC卡水表通信的軟件設計

本裝置為了與用戶所使用的IC卡功能保持一致，需基于SLE4442邏輯加密儲存卡為原型進行軟件設計。軟件工作流程為：① 初始化RL78/G1D。② 復位和應答：此命令可以判定接口設備是否兼容，若不兼容則將裝置進入低功耗模式。③ 復位和應答之后芯片等待輸入操作命令，這個命令由3部分組成：開始狀態，寫入3個字節(命令字、地址、數據)，之后是停止狀態，其中開始狀態的CLK為高電平，SDA由高電平變為低電平時，為開始狀態；停止狀態的CLK為高電平，SDA由低電平變為高電平時，為停止狀態。④ 操作完成后，對密碼儲存器進行操作，密碼存儲器可以進行讀、寫和校驗密碼的命令操作。⑤ 密碼寄存器命令操作后，是主寄存器命令操作，主寄存器主要包括了讀/寫保護區的指令操作。圖7所示為裝置與IC卡水表通信的軟件流程圖。

圖7　裝置與IC卡水表通信的軟件流程圖

(2)裝置與移動終端數據交互的軟件設計

BLE IC CARD裝置與移動終端的藍牙通信是基于RENESAS提供的藍牙V4.2標準協議棧，該協議棧配備有標準的API(Application Program Interface)以及可自定義的API。本裝置藍牙通信軟件設計應用BLE協議棧(以下稱為BLE軟件)，BLE軟件提供RENESAS BLE API(以下簡稱rBLE API)，該軟件也包括RENESA Wireless Kernel Extension(RWKE)，這是一個簡單的非搶占多任務處理機制，該機制可以操作BLE協議棧。RWKE提供一個核心的事件管理、消息交互管理、任務聲明管理、時間管理以及內存管理功能。

藍牙通信程序要求對藍牙模塊進行初始化、復位和連接等。其中初始化需要對RWKE、MCU單元、RF單元、Data Flash單元以及BLE軟件進行初始化。通過藍牙傳輸數據的基本流程為初始化操作、復位、廣播其他設備、建立連接、事件查詢、數據傳輸、斷開連接，由于藍牙通信是客戶端主動向裝置建立連接，裝置應當應答客戶端，圖8為客戶端向裝置進行藍牙通信的軟件流程圖。

圖8　裝置與移動終端數據交互軟件流程圖

3　系統測試

根據系統整體設計輸出，對BLE IC CARD裝置進行通信和充值成功率測試。測試要求：采用IC水表作為測試水表，型號為LXSY；插拔次數：1 000次。

圖9為用BLE IC CARD裝置為IC卡水表進行充值的操作，當充值成功后IC卡水表液晶顯示屏上會顯示“交費”、“XX.XX元”、“成功”的字樣。在測試過程中，每次用該裝置給IC卡水表充值20.00元，依次觀察其通信成功率與充值成功率。測試結果如表1所示。

圖9　充值測試圖

插拔次數成功率/%通信充值100098.899.7

4　結論

通過實踐表明，基于藍牙通信的IC卡水表遠程付費裝置具有高效、可靠、便捷的優勢，可以彌補傳統IC卡繳費不便捷，實現“一卡多途徑”的便捷支付模式，即針對不同人群既可以和普通IC卡一樣正常到水務公司繳費，也可以通過移動終端的客戶端進行線上繳費。此外該裝置還具有集成度高、安裝便捷等特點，更易于將老、舊IC卡水表進行大批量改造，從而更迎合“智慧城市”與“智慧水務”的發展理念。

[1] 柳蘭. 基于藍牙技術和ARM的無線抄表系統[J].信息與電子工程，2010,8(3):353-356.

[2] 鄭宇，姚加飛. 基于藍牙通信的電表抄表系統設計[J].低壓電器，2007(12):10-13.

[3] 紹棟棟. 藍牙技術在抄表系統中的應用[D]. 杭州：浙江大學，2012.

[4] 陳大力,化雪薈. 基于藍牙技術的計算機與ARM間無線通信系統[J]. 自動化技術與應用,2009,28(3):59-61.

[5] BILSTRUOP U,WIBERG P. Bluetooth in industrial environment[C].2000 IEEE International Workshop on Factory Communications Systems，2000:239-246.

[6] 任小洪,傅成華,胡科. 基于藍牙技術的無線數據采集系統設計[J]. 測控技術,2009,28(1):16-19.

[7] 戴宏亮,張銘. 基于藍牙技術的嵌入式數據采集系統設計[J]. 長春工業大學學報(自然科學版),2007,28(4):387-390.

[8] 周文舉. 基于單片機藍牙無線通信的抄表系統[J]. 單片機與嵌入式系統應用,2004(7):28-30.