石晨 曹永忠

摘 要：以STM32為控制核心，IC卡為預付費載體，文章設計了IC水卡預付費終端，其中IC卡模塊完成IC卡的讀寫，GPRS模塊基于Socket與消息服務器完成數(shù)據(jù)傳輸，消息服務器基于Web服務完成了水務數(shù)據(jù)庫業(yè)務流程。為了保障系統(tǒng)在惡劣網(wǎng)絡環(huán)境的容錯性能，文章提出基于CRC報文緩存技術(shù)的解決方案，很好地處理了網(wǎng)絡異常下刷卡未同步數(shù)據(jù)庫的問題。

關(guān)鍵詞：GPRS； CRC報文；緩存技術(shù)

當前，在“智慧城市”建設大背景下，智慧水務的構(gòu)想應運而生，而收費業(yè)務的信息化、智能化是實現(xiàn)智慧水務的第一止，目前國內(nèi)出現(xiàn)了很多IC水卡預付費終端，然而這些終端大都采用CAN總線或采用485總線與服務器通信，由于分布零散等因素，造成系統(tǒng)的建設投資大、運營費用高、監(jiān)控維護不及時等缺點。而小部分GPRS無線傳輸預付費終端，也會出現(xiàn)因外部因素干擾導致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。針對這種情況，本文提出采用GPRS無線網(wǎng)絡與微信支付、IC卡讀寫相結(jié)合的方式對自來水公司收費業(yè)務進行智能化改造的方案，該方案投資小、維護成本低，特別適合大面積實施。同時提出CRC報文緩存技術(shù)，顯著改善了網(wǎng)絡異常下刷卡未同步數(shù)據(jù)庫的問題。

1 IC水卡預付費終端硬件設計

IC水卡預付費終端工作流程大致如下：首先用戶通過微信關(guān)注自來水公司的公眾號，輸入卡號、充值金額等信息進行預付費。用戶收到預付費成功的消息之后將IC水卡插入預付費終端完成充值，交易完成之后預付費終端語音播報同時屏幕顯示充值量、充值結(jié)果等信息。根據(jù)預付費終端的業(yè)務特點將硬件分為兩大部分：主板部分和外設部分。外設部分主要由處理器通過串口驅(qū)動，主要有語音顯示模塊、屏幕顯示模塊，負責用戶刷卡過程中的語音提示和屏幕展示，提升了人機交互體驗。主板部分主要用于讀取用戶IC水卡信息并上傳以及解析服務器返回的報文最終寫卡。

設計目的主要實現(xiàn)用戶預付費完成之后刷卡充值時，預付費刷卡終端讀取卡內(nèi)用戶號、余額（量）等信息通過GPRS上傳服務器，服務器下傳充值金額（量）等信息，最終完成充值。因此按功能分為讀寫卡模塊和GPRS子模塊。讀寫卡模塊通過端口與預付費刷卡終端的主控制器相連，GPRS模塊則為串口。這種設計方案硬件實現(xiàn)簡單、易于調(diào)試，另外為軟件的編寫也帶來很大的便利。這一切都歸功于基于ARM Cortex-M3內(nèi)核STM32系列單片機的廣泛應用。此外預付費刷卡終端還需具有存儲模塊和供電模塊，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 lC水卡預付費終端軟件設計

2.1 軟件概述

軟件主要采用C語言在Keil平臺下編寫，除完成對STM32及各個子模塊的初始化之外主要編寫與服務器之間的通信程序，讀T5557卡時的曼徹斯特解碼程序以及模擬IIC讀寫24卡程序。

預付費終端開機后初始化流程如圖2所示。終端上電后首先進行中斷優(yōu)先級、各端口串口的初始化，然后讀取存儲模塊中的服務器IP、機器號等信息，接著M6311上電、初始化，向服務器發(fā)送心跳包，20 s內(nèi)收到服務器返回報文則初始化成功，5次未收到則初始化失敗，進入錯誤處理程序。初始化完成后進入自檢程序如圖3所示：系統(tǒng)通過對存儲模塊、語音模塊顯示模塊、GPRS信號強度等檢測后語音播報自檢成功，若某一模塊故障則退出進入錯誤處理程序。

此外，為了解決在外部電磁環(huán)境惡劣的情況下，GPRS無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的誤碼率升高和網(wǎng)絡中斷的問題。為此設計了基于循環(huán)冗余碼校驗（Cyclic RedundancyCheck，CRC）的報文緩存技術(shù)，良好地解決了這一問題。

2.2 CRC報文緩存技術(shù)的實現(xiàn)

2.2.1 CRC報文設計

CRC算法是計算機網(wǎng)絡通信中常用的差錯檢測控制方法，其主要目的是減少數(shù)據(jù)通信線路的傳輸錯誤。其原理是：在發(fā)送端將發(fā)送的數(shù)據(jù)追加CRC校驗碼，CRC校驗碼是由原數(shù)據(jù)與選取的多項式數(shù)學運算所得，追加CRC校驗碼的原數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端后，接收端檢驗原數(shù)據(jù)和CRC校驗碼的數(shù)學關(guān)系是否正確，正確則數(shù)據(jù)傳輸無誤。CRC算法的關(guān)鍵是多項式的選取，本系統(tǒng)選用了國際電報電話咨詢委員會（Comite Consultatif International Telephoniqueet Telegraphique，CCITT）推薦的CRC16（多項式是G（X）=X16+X12+X5+1）作為報文的多項式，其對于大于16位的突發(fā)性錯誤檢測出的概率為99.9%，非常適用于抗干擾能力弱的GPRS網(wǎng)絡。

參照自來水公司收費業(yè)務邏輯在預付費終端與服務器之間設計了如表1所示的CRC報文。

字段簡要說明：報頭表示前兩個字節(jié)為固定，第3個字節(jié)為應答字，其中Ox00為發(fā)送端報文，Oxll表示應答成功報文，Oxl0為應答失敗報文。第4個字節(jié)為報文類型如：Ox00-Ox06為T5557預付費報文，OxlO-Ox16為T5557階梯報文。第5個字節(jié)為協(xié)議版本號。報文長度表示從報頭到報文內(nèi)容的整個報文長度的16進制數(shù)。機器編號表示預付費刷卡終端的編號，共10位以16進制表示，如2018010925。報文內(nèi)容表示不同類型的報文，報文內(nèi)容不同，如T5557預付費請求訂單報文：“卡號%卡內(nèi)售水量”，中間以“%”隔開。

預付費刷卡終端與服務器之間的通信為一種擴展的C/S模式，預付費終端作為Client端向Server端（Socket中間件）請求訂單信息并將刷卡結(jié)果上傳，期間報文傳輸時CRC校驗方法如下：發(fā)送方首先將被校驗的K位數(shù)據(jù)M（x）左移16位得到數(shù)據(jù)M（x）。X16，目的是為了給將來拼接16CRC校驗碼留出空位；將選取的17位CRC多項G（X）=X16+X12+X5+1對M（x）。X16做模2除法得到1 6位CRC校驗碼R（x）：由移16位的被校驗K數(shù)據(jù)與余數(shù)R（x）模2加法，即拼接為循環(huán)校驗碼。并發(fā)送至接收端；接收端接收到循環(huán)校驗碼后與約定的多項式G（x）做模2除法，若余數(shù)為0則數(shù)據(jù)無誤。

2.2.2 CRC報文的緩存方法

預付費終端和服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸都以CRC報文形式傳輸，主要分為4個過程：終端將包含卡號、卡內(nèi)余量等信息上傳服務器；服務器根據(jù)卡號查詢數(shù)據(jù)庫，得到該卡的訂單信息并下傳至終端；若訂單狀態(tài)為已預付費未刷卡狀態(tài)，終端執(zhí)行寫卡操作并將寫卡結(jié)果上傳至服務器服務器收到寫卡結(jié)果以后更改數(shù)據(jù)庫訂單狀態(tài)，并將結(jié)果下傳。

系統(tǒng)僅在終端寫卡并上傳寫卡結(jié)果后，未收到服務器返回或返回一直錯誤的情況下，執(zhí)行報文緩存操作。目的在于防止用戶在充值完IC水卡后，系統(tǒng)出現(xiàn)斷電、GPRS故障、網(wǎng)絡通信受阻，從而導致終端請求服務器修改訂單狀態(tài)失敗，造成一個訂單多次充值的情況。

終端寫卡并上傳寫卡結(jié)果后，若20 s內(nèi)未收到應答，則判斷為網(wǎng)絡故障，立即緩存報文重置網(wǎng)絡后重新發(fā)送，若終端接收到循環(huán)校驗碼，則將其與約定的多項式G（x）做模2除法，當余數(shù)不為0時，應答報文報頭中的應答字應為Oxl0，終端判斷為接收到錯誤應答，此時服務器重發(fā)報文，若3次應答錯誤則緩存報文，等待下一個心跳重發(fā)報文。緩存方法流程如圖4所示。

緩存的報文存儲于終端的存儲模塊，該模塊采用256字節(jié)的EEPROM-24C02作為存儲芯片，利用其掉電數(shù)據(jù)不丟失的特性，實現(xiàn)了終端斷電和GPRS模塊故障狀況下的報文緩存，待系統(tǒng)恢復正常后重新將緩存報文上傳服務器。緩存報文存儲于100字節(jié)以后。

2.2.3 CRC報文緩存方法容錯率驗證

通過實驗對比未使用CRC報文緩存技術(shù)的終端，發(fā)現(xiàn)刷卡未同步數(shù)據(jù)庫問題得到了明顯改善。對比實驗采用模擬實際使用場景的方法，在5個未使用CRC報文緩存技術(shù)的終端執(zhí)行的1 000次刷卡。

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)采用了CRC報文緩存技術(shù)的預付費終端，在2 000次刷卡充值中刷卡未同步數(shù)據(jù)庫概率從0.8%降至0.1%，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

經(jīng)測試基于CRC報文緩存技術(shù)的IC水卡預付費終端能夠良好地完成IC水卡數(shù)據(jù)的讀寫以及與服務器之間的通信，同時利用CRC報文緩存技術(shù)，保證了在通信環(huán)境惡劣的情況下報文的正確性，以及在終端斷電、GPRS模塊故障狀況下水費充值業(yè)務的完整性。同時還具有語音播報屏幕顯示等人機交互功能。終端運行穩(wěn)定可靠、功能豐富、抗干擾性良好、資費計算準確。能夠?qū)崿F(xiàn)自來水公司收費業(yè)務智能化改造的同時，節(jié)約了運營成本，具有廣闊市場前景。