一款自動售貨機IC卡收費模塊設計思路
文章出處：http://hz-huyue.com 作者：張文 人氣： 發表時間：2011年05月17日
近幾年，自動售貨機在國內迅速普及，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營者在監控、管理、維護等方面帶來很大的不便。采用無線網絡管理系統將是自動售貨機行業應用發展的方向。
比較現有的無線數據通信方式，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絡管理系統的要求。
（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據業務。特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、點多分散、中小流量的數據傳輸；
（3）國內的GPRS網絡由中國移動建立維護，覆蓋地域廣，信號質量好。
同時，智能IC卡的應用已十分廣泛，采用IC卡收費模式對于經營者和消費者都十分便利。因此研究開發基于GPRS的自動售貨機IC卡收費模塊具有明顯的現實意義和商業價值。
本文主要介紹的是一款罐裝食品售貨機控制器設計開發的支持GPRS的IC卡收費模塊的設計及應用實現。
2系統組網方式
從整體角度來看，基于GPRS移動網絡的自動售貨系統可分為售貨機終端、GSM/GPRS網絡和管理中心三大塊。如圖1所示：
組網方案：向中國移動申請APN專網業務，分配專用的APN并申請綁定移動內網的固定IP地址。中心用無線MODEM撥號上網，得到其內網固定IP；監控點直接向中心發起連接。中心和監控點都具有移動內網固定IP。
此種方案中間環節少，穩定性較強，所有數據都在移動GPRS的APN內網傳輸，無需經過公網，安全性增強。
圖 1 自動售貨機無線網絡管理系統結構圖
3 應用開發方案
設計開發的目的是要實現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協議整合入自動售貨機控制器。見圖2：
圖 2 模塊連接圖
采用這種方案的優點是：射頻卡子模塊需要與管理中心交換的數據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；射頻卡子模塊通過MDB總線實現整合，只需對其內部的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，實現了與售貨機MDB總線的通訊接口。硬件框圖如圖3所示。
圖 3 卡讀寫子模塊硬件框圖
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數據分組是從基站發送到SGSN（GPRS業務支持節點）， SGSN與網關支持節點GGSM進行通信。GGSN對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，如Internet或X.25網絡。來自Internet、標識有移動臺地址的IP包，由GGSN（GPRS網關支持節點）接收，再轉發到SGSN，繼而傳送到無線終端。圖5 簡要描述了GPRS網絡數據包的的發送與接收路徑。
圖 5 GPRS網絡數據包的的發送與接收示意
5.2 硬件結構
如圖6所示。設計采用西門子的MC35i工業級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議處理器，用來處理外部系統通過串口發送過來的AT指令。射頻天線部分主要實現信號的調制與解調，實現外部射頻信號與內部基帶處理器之間的信號轉換。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，在其內部集成有32KB的可重復編程的Flash ROM、256字節的片內存儲器、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RC振蕩器、雙16位數據指針等諸多功能。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業務的數據收發功能；
（2） 串口2擴展MAX232標準串口與射頻卡模塊進行數據交換；
（3） 控制完成TCP/IP協議轉換；
（4） 自主或根據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，除完成基本的單片機管理及串口通訊任務外。主要根據相應簡化的協議對數據包進行處理。
5.3.1 協議簡化
根據應用需要，對TCP/IP協議族進行了必要的簡化，使之可在有限資源的單片機系統實現。各層的定義符合OSI參考模型規范，如表1所示。
5.3.2 數據處理及發送流程
在簡化的協議族基礎上設計“開機即在線”，模塊上電后即入網工作。如圖7所示:
圖 7 軟件實現流程圖
① GPRS通訊子模塊從管理中心接受的數據解包后,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據。
6 應用情況
目前已成功實現了跨區范圍的自動售貨機終端的無線聯網。此系統可實現：黑名單及時下發，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，進行維護和經營。此系統已在試運營階段。
7 結論
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絡系統的應用，有著廣泛的應用前景。
