基于嵌入式系統的智能一卡通處理終端設計

朱海星 劉振忠

摘? 要： 為更好實現我國智慧城市建設中通用、共享、快捷、方便、安全的“一卡通用”的小額支付體系，以及拓展智能一卡通卡在公共交通領域的應用和信息獲取，在系統需求分析的基礎上，采用自頂向下的方法完成智能一卡通處理終端整體系統設計、硬件和軟件系統設計，以及車載刷卡、實時監控、全球定位、WiFi熱點、無線數據互通、后臺數據處理、遠程管理終端等功能模塊的設計。實際應用表明，基于嵌入式系統的智能一卡通處理終端在系統功能方面能夠滿足城市中公用服務收費需求，能夠為公共交通等服務行業機構的運營與決策提供數據資源，將促進國家金卡工程建設。

關鍵詞： 一卡通; 嵌入式系統; 硬件設計; 軟件設計; 功能模塊; 自頂向下設計

中圖分類號： TN915?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

智能卡封裝在PVC卡片內，由感應電線和IC芯片（CPU）等組成。IC卡利用射頻識別技術[1]，在一定距離范圍（5～10 cm）靠近讀寫模塊（或讀寫器）的天線，由無線傳輸完成數據讀寫以及密鑰認證操作[2]。城市一卡通系統普遍采用符合PBOC技術標準規范的智能芯片CPU卡，根據卡片封裝時采用的芯片類型可分為智能CPU卡、存儲卡和邏輯加密卡等三種主要類型[3]。對于各個城市而言，一卡通系統的建設規劃還未有一個可用來套用的標準模式，各地交通特點的不同造成了系統結構的差異，有很高的地域特色。但是，一卡通系統的核心是便利人們的出行，不同的地域特色會使系統更加完善以適應復雜多變的需求[4]。這就要求對系統的穩定性、實用易用性、數據的安全性等方面進行更加完善的設計，由此才能設計出覆蓋整套公共交通的一卡通系統，對提高交通效率，緩解公共交通壓力，提升整體服務效率有著舉足輕重的意義。此外，對于城市建設和發展，建立和諧社會有輔助意義。智能卡一卡處理終端用于公共交通行業等技術，重點是智能卡應用事務業務系統開發[5]、機器程序開發[6]、機器通信模塊相關接口開發[7]、數據采集和通信網絡[8]、公共交通管理系統和清算中心訪問開發[9]等。智能一卡通處理終端需要在充分考慮公共交通系統的需求和業務監控關系嚴密的基礎上，不僅要求功能全面，而且需要滿足相關行業規范，以便智能一卡通處理終端的升級、擴展和對接。本文面向智慧城市建設中小額支付體系目標的實現，基于嵌入式系統設計了一種新穎的智能一卡通處理終端。

1? 系統設計

基于嵌入式系統的智能一卡通處理終端系統整體設計工作采用自頂向下的設計方法[10]。首先設計智能一卡通處理終端總體框架結構，然后再逐層深入設計各個子系統，直至進行到每一個模塊的設計。智能一卡通處理終端總體設計主要是在系統分析的基礎上，將整體系統合理劃分為各個子系統，包括智能一卡通處理終端硬件系統設計、軟件系統設計和系統功能模塊結構設計。按照結構化設計的思想，對模塊或子系統進行劃分[11]。嵌入式智能一卡通處理終端整個系統架構建立在互聯互通、實時數據交流的基礎之上，包含車載刷卡、手機刷卡、實時監控、WiFi熱點、GPS/北斗全球定位、GPRS數據互通、遠程視頻監控、后臺數據處理、遠程管理終端等功能。如圖1所示為按職能劃分方式劃分所組成的系統。

1.1? 硬件系統設計

智能一卡通處理終端硬件系統以ARM9為控制核心器件，以非接觸邏輯加密卡、雙界面CPU卡、PSAM卡、SIM卡等各類卡為數據載體的智能車載消費管理終端，能滿足處理各種公交月票、電子錢包等交易方式。數據安全性、完整性是由系統通過采用PSAM卡管控消費環節來保證的。消費環節是通過采用RF射頻技術非接觸完成。實現對路況及車內情況的實時監控，并采用先進的H.264視頻壓縮算法。車輛行駛狀況被GPS/北斗實時跟蹤定位，具有WiFi熱點功能，可實現車輛內無線上網，大屏幕LCD實時顯示各種信息，所有數據可通過GPRS網絡與后臺交互，采用Unicode編碼，實現國際化。如圖2所示為處理終端硬件系統設計框架結構。

1.2? 軟件系統設計

本系統以嵌入式Linux操作系統為核心，軟件架構如圖3所示。按照功能模塊化的方法，劃分了智能一卡通處理終端的功能，每個功能模塊完成一個子功能，然后將這些功能模塊整合到滿足整個系統功能的要求，包括Smartcards信息識別處理模塊、無線數據信息處理模塊、車內無線局域網、全球定位、后置智能主控中心、互聯互通收費管理系統等。

2? 交易流程設計

智能卡是指將一個微電子芯片嵌入符合ISO 7816標準的卡基里面，做成卡片形式，形成一個嵌入式的小系統，并由CPU，ROM，RAM，E2PROM及串行通行單元組成。智能卡初始化SCI模塊進入讀寫流程，每隔一定的周期CPU會掃描中斷源并檢測是否有中斷請求。當CPU檢測到串口中斷后立即進入串口建立連接，并檢測智能卡狀態是否可用，將獲取的ATR數據發送出去，以激活智能卡完成交易或充值。智能卡按照異步方式傳送字節，其具有統一的字符傳輸格式，一個字由連續的10個ETU完成發送，期間傳送1個起始位，8個數據位和1個奇偶檢驗位。

交易流程設計包括公交消費主流程、卡充值、交易異常處理等。消費時的主流程包括終端恢復子流程、卡檢測子流程以及消費子流程;充值的主流程包括充值恢復子流程、卡充值檢測子流程以及卡充值子流程;當CPU卡交易不成功，并且沒有在指定時間內再進行拍卡，或在重新拍卡前已有其他CPU卡進行交易，這時該CPU卡需走恢復機制，即異常處理程序。交易流程如圖4所示。

3? 系統測試

按照ISO/IEC 9126?1國際標準模擬交易過程，通過PC機端模擬測試程序在后臺完成對智能一卡通處理終端應用程序的測試。在實驗環境中搭建了測試平臺，測試使用VMware Workstain 10.0虛擬機平臺，內核為Linux 2.6的Fedora 18操作系統，Qt Creator 1.3集成開發環境，采用Qt 4.7開發工具來開發智能一卡通處理終端應用程序，如圖5所示為主應用程序調試界面。同時保留測試文件，發現異常修改程序后重新測試，圖6為實際設備運行照片。

測試結果表明，基于嵌入式系統的智能一卡通處理終端符合相關國際標準，系統功能良好，能夠滿足公共交通領域的實際需求。

4? 結? 語

基于嵌入式系統的智能一卡通處理終端給出了公共交通領域城市智能一卡通數據交易系統的設計思路與開發過程，并在城市一卡通和公共交通系統之間建立了兼容性強、架構靈活的小額交易系統以及公共服務收費體系。根據城市公共服務領域中不同的業務需求和行業特點，通過采用多種安全措施保證了交易系統的安全、高效運營，為將來進一步擴展功能模塊開展應用奠定了基礎，同時通過提高公用事業的服務質量來提升城市現代化形象，為智慧城市發展帶來新的商機。

注：本文通訊作者為劉振忠。

參考文獻

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