自动售货机IC卡收费模块的设计与应用

1引言 

    近几年，自动售货机在国内迅速普及，逐渐被越来越多的消费者所接受。自动售货机在为消费者带来方便的同时，其分布零散的特点也为经营者在监控、管理、维护等方面带来很大的不便。采用无线网络管理系统将是自动售货机行业应用发展的方向。 

    比较现有的无线数据通信方式，如GSM短信、无线短波电台等，GPRS(Gerneral Packer Radio Service)的性能特点最为符合自动售货机无线网络管理系统的要求。 

    （1）GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用； 

    （2）GPRS永远在线，按流量计费，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输； 

    （3）国内的GPRS网络由中国移动建立维护，覆盖地域广，信号质量好。 

    同时，智能IC卡的应用已十分广泛，采用IC卡收费模式对于经营者和消费者都十分便利。因此研究开发基于GPRS的自动售货机IC卡收费模块具有明显的现实意义和商业价值。 

    本文主要介绍的是一款罐装食品售货机控制器设计开发的支持GPRS的IC卡收费模块的设计及应用实现。 

2系统组网方式 

    从整体角度来看，基于GPRS移动网络的自动售货系统可分为售货机终端、GSM/GPRS网络和管理中心三大块。如图1所示： 

    组网方案：向中国移动申请APN专网业务，分配专用的APN并申请绑定移动内网的固定IP地址。中心用无线MODEM拨号上网，得到其内网固定IP；监控点直接向中心发起连接。中心和监控点都具有移动内网固定IP。 

    此种方案中间环节少，稳定性较强，所有数据都在移动GPRS的APN内网传输，无需经过公网，安全性增强。 

图 1  自动售货机无线网络管理系统结构图

3  应用开发方案 

    设计开发的目的是要实现自动售货机刷卡消费并将消费信息、货品库存信息等通过GPRS上传，挂失名单、单价等信息也通过GPRS实时下传至售货机，因此设计中按功能划分了射频卡读写子模块和GPRS通讯子模块。GPRS通讯子模块直接与射频卡读写子模块连接，通过MDB协议整合入自动售货机控制器。见图2： 

图 2    模块连接图

    采用这种方案的优点是：射频卡子模块需要与管理中心交换的数据主要是刷卡消费纪录、货品库存、挂失名单、单价等信息，可直接由GPRS通道实现；射频卡子模块通过MDB总线实现整合，只需对其内部的SST89E554RC单片机编程增加相应子功能即可作为GPRS通讯子模块联入MDB总线的桥接器。 

4 射频卡读写子模块设计 

4.1 MIFARE卡读写子模块 

    此模块核心芯片为MF530读卡芯片和支持在线编程的SST89E554RC单片机。可支持对MIFARE系列非接触式IC的操作。此模块对外的接口为标准RS232/485接口，实现了与售货机MDB总线的通讯接口。硬件框图如图3所示。 

图 3  卡读写子模块硬件框图

4.2 MDB（Multi-Drop Bus / Internal Communication Protocol）简介 

    MDB接口信号分为电源部分和通讯部分。主机VMC提供的电源为24 VDC或34 VDC 。通讯部分信号有Master Receive、Master Transmit、Communications Common，主从通讯则采用V隔离型电流环通讯方式，通讯格式为：9600 NRZ、1 Start Bit、8 Data Bits、1 Mode Bit、1 Stop Bit。射频卡读写模块的MDB地址为00010xxxB。主要的命令有Reset、 Setup、Poll、 Vend 、Reader Revalue(option)、Expansion等。MDB接口电路如图4所示。 

图 4    MDB接口电路

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5 GPRS通讯子模块设计  

5.1 GPRS工作模式 

    GPRS数据分组是从基站发送到SGSN（GPRS业务支持节点）， SGSN与网关支持节点GGSM进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络。来自Internet、标识有移动台地址的IP包，由GGSN（GPRS网关支持节点）接收，再转发到SGSN，继而传送到无线终端。图5 简要描述了GPRS网络数据包的的发送与接收路径。 

图 5    GPRS网络数据包的的发送与接收示意

5.2 硬件结构 

    如图6所示。设计采用西门子的MC35i工业级GPRS/GSM模块,台湾华邦公司的8位单片机W77E58,外部接口采用标准串口方式。 

图 6  GPRS 子模块硬件框图

    SIEMENS MC35i模块主要由GSM基带处理器、射频天线、FLASH，SRAM、匹配电源和一个40脚的ZIF插座组成。其中GSM基带处理器是核心部件，他的作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送过来的AT指令。射频天线部分主要实现信号的调制与解调，实现外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换。匹配电源为处理器、射频部分和ZIF插座提供所需的电源。ZIF插座是提供给用户的应用接口，可外接SIM卡。 

    MCU选用华邦的八位机W77E58。W77E58是与MCS51系列单片机兼容的、可多次编程的快速微处理器，在其内部集成有32KB的可重复编程的Flash ROM、256字节的片内存储器、IKB用MOVX指令访问的SRAM、可编程看门狗定时器、三个16位定时器、二个增强型的全双工串行口、片内RC振荡器、双16位数据指针等诸多功能。在很多场合，几乎不用扩展外围芯片就能够满足系统要求。W77E58的作用主要有： 

（1） 通过串口1直接与MC35模块相连接，输入AT指令,完成对MC35模块的初始化和基于GPRS业务的数据收发功能；  

（2） 串口2扩展MAX232标准串口与射频卡模块进行数据交换； 

（3） 控制完成TCP/IP协议转换； 

（4） 自主或根据远程控制指令采取其他操作。 

5.3 软件设计 

    软件主要采用C语言开发，除完成基本的单片机管理及串口通讯任务外。主要根据相应简化的协议对数据包进行处理。 

5.3.1 协议简化 

    根据应用需要，对TCP/IP协议族进行了必要的简化，使之可在有限资源的单片机系统实现。各层的定义符合OSI参考模型规范，如表1所示。 

5.3.2 数据处理及发送流程 

    在简化的协议族基础上设计“开机即在线”，模块上电后即入网工作。如图7所示: 

图 7  软件实现流程图

①     GPRS通讯子模块从管理中心接受的数据解包后,通过串口传送给射频卡读写模块，由在射频卡读写子模块上扩充的功能模块进行相应处理； 

② 射频卡读写子模块提供串口数据。 

6  应用情况 

    目前已成功实现了跨区范围的自动售货机终端的无线联网。此系统可实现：黑名单及时下发，终端刷卡消费，消费纪录立即上传至管理中心，管理中心通过对纪录的分析了解销售情况做出相应分析，进行维护和经营。此系统已在试运营阶段。  

7  结论 

    本文介绍的基于GPRS的自动售货机IC卡收费模块成本低廉，功能易于扩展，实际应用方式简单实用，适合自动售货机无线网络系统的应用，有着广泛的应用前景。 

参考文献： 
[1]文志,通用分组无线业务—GPRS,北京：电子工业出版社2004,1 
[2]MC35i Hardware Interface Description version:01,02  
[3]MC35i AT Command Set version:01.02  
[4]詹昌平，金瓯,基于移动支付的自动售货机,电子技术应用 
[5]Multi-Drop Bus / Internal Communication Protocol NAMA Vending Technology Standards Committee 
[6]Mifare Standard Card IC MF1 IC S50 Functional Specification