杜運(yùn)福，左 勇，宗海樂(lè)

（安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)IoT設(shè)備數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)交互的應(yīng)用具有巨大的價(jià)值；與此同時(shí)，價(jià)值的交易對(duì)貨幣流動(dòng)載體提出了更高要求[1-3]。自2014年起，中國(guó)人民銀行便成立了專門的數(shù)字貨幣研究團(tuán)隊(duì)，逐漸讓數(shù)字貨幣及電子支付（Digital Currency Electronic Payment,DCEP）[4-6]進(jìn)入公眾視野。而作為央行發(fā)布的DCEP更是具有M0（流通中的貨幣）替代、雙層運(yùn)營(yíng)模式、賬戶松耦合、支撐雙離線交易等特點(diǎn)，其與移動(dòng)物聯(lián)支付天然契合，為人與物之間、物與物之間的信息交互及價(jià)值交換提供流動(dòng)性介質(zhì)，提供了廣泛信任與協(xié)作的金融基礎(chǔ)設(shè)施。

目前智能電能表及用電終端已基本實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，是具有天然優(yōu)勢(shì)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的背景下，基于數(shù)字貨幣的物聯(lián)支付終端的研制，對(duì)于探索基于DCEP的本地實(shí)時(shí)結(jié)算和移動(dòng)物聯(lián)支付，提升服務(wù)便捷性、高效性、智慧性，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)、物物支付具有重要意義。

1 需求分析

目前采用的線下繳費(fèi)模式，主要存在幾個(gè)方面的不足：①傳統(tǒng)繳費(fèi)模式不便捷，如遇距離用戶較遠(yuǎn)、通行道路不暢、惡劣的天氣等影響，線下繳費(fèi)往往會(huì)造成用戶用電不及時(shí)；②傳統(tǒng)繳費(fèi)模式耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)于某些用戶群體如孤寡老人等多有不便；③傳統(tǒng)模式無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)剩余電費(fèi)，容易造成繳費(fèi)不及時(shí)，這些情況尤其體現(xiàn)在農(nóng)村電網(wǎng)的居民用電中。在廣大電力用戶對(duì)繳費(fèi)便捷度和舒適度要求提升的大背景下，線下繳費(fèi)已經(jīng)嚴(yán)重影響了用戶的用電體驗(yàn)。現(xiàn)階段雖然可以采用支付寶、微信APP等第三方軟件完成線上支付繳費(fèi)，緩解了線下現(xiàn)金支付困難造成的不便，但是線下繳費(fèi)、電費(fèi)虧欠、即時(shí)用電以及網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題尚無(wú)有效的解決方案[7]。對(duì)此，為了實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)全面保障可靠供電，進(jìn)一步滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展用電需求，針對(duì)數(shù)字貨幣移動(dòng)物聯(lián)支付方式的研究勢(shì)在必行。

2 系統(tǒng)方案

本文對(duì)基于數(shù)字貨幣的物聯(lián)支付終端實(shí)現(xiàn)方法開展研究，研制一套集數(shù)字貨幣物聯(lián)支付終端、智能電能表、電網(wǎng)側(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)、銀行側(cè)DCEP交易中心等于一體的數(shù)字貨幣電費(fèi)交易系統(tǒng)[8]，并開展試點(diǎn)應(yīng)用。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)以智能電能表為基礎(chǔ)，研發(fā)智能物聯(lián)控制模塊、數(shù)字貨幣交易模塊，通過(guò)公網(wǎng)、銀行專網(wǎng)、電力專網(wǎng)的通信交互，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與銀行系統(tǒng)的融合，從而完成電費(fèi)本地支付及交易，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)用電“即付即用、實(shí)時(shí)結(jié)算、靈活支付”，滿足用戶便捷用電和智慧用電體驗(yàn)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

數(shù)字貨幣電表物聯(lián)支付的工作業(yè)務(wù)流程可以詳細(xì)描述為：（1）本地用戶賬戶通過(guò)DCEP物聯(lián)支付后，數(shù)字貨幣交易模塊進(jìn)行身份認(rèn)證、建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，自動(dòng)同步信息至智能物聯(lián)控制模塊，進(jìn)而發(fā)送指令自動(dòng)控制電能表合閘，實(shí)現(xiàn)用戶“即來(lái)電”；（2）智能物聯(lián)控制模塊通過(guò)透抄電能表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，自動(dòng)算費(fèi)后將電費(fèi)額發(fā)送至數(shù)字貨幣交易模塊，進(jìn)行本地交易結(jié)算，從而達(dá)到實(shí)時(shí)結(jié)算的功能[9]；（3）當(dāng)用戶結(jié)束用電，主動(dòng)發(fā)起交易請(qǐng)求時(shí)，數(shù)字貨幣交易模塊將交易請(qǐng)求、實(shí)時(shí)請(qǐng)求同步至智能物聯(lián)控制模塊，智能物聯(lián)控制模塊發(fā)送指令自動(dòng)控制電能表分閘，進(jìn)行電費(fèi)清算，退還剩余電費(fèi)，該模塊同時(shí)支持雙離線支付；（4）交易后用戶錢包、電力公司錢包資金實(shí)時(shí)到賬，無(wú)需銀行再進(jìn)行清算和結(jié)算，支付即結(jié)算。

3 硬件設(shè)計(jì)

本文圍繞國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)“信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化”的建設(shè)要求，基于“模塊化、平臺(tái)化”的設(shè)計(jì)思路[10]，采用標(biāo)準(zhǔn)化原理圖和印制版圖設(shè)計(jì)方式，進(jìn)行終端硬件設(shè)計(jì)。終端硬件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包含MCU（型號(hào)GD32F305）、鐵電存儲(chǔ)器、FLASH存儲(chǔ)器、RTC時(shí)鐘芯片、SGM706看門狗芯片、RS 485抄表硬件接口、數(shù)字貨幣支付模塊（簡(jiǎn)稱支付模塊）、HPLC上行通信功能模塊和7英寸觸摸屏顯示交互模塊，其中數(shù)字貨幣支付模塊支持通過(guò)觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互配置，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)電費(fèi)業(yè)務(wù)的交易結(jié)算。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

3.1 支付模塊

支付模塊設(shè)計(jì)為獨(dú)立的安全加密模塊。外部支持RS 485通信和4G無(wú)線方式通信，工作電源為12 V。

支付模塊集成安裝到終端內(nèi)部，通過(guò)排線方式連接。終端為支付模塊提供12 V直流工作電源，終端與支付模塊通信采用RS 485通信。終端的支付模塊接口硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 支付模塊接口硬件設(shè)計(jì)

3.2 觸摸屏交互模塊

終端選用7英寸1024*600圖形點(diǎn)陣65K色電容觸摸屏作為交互界面，觸摸屏支持通過(guò)SD卡配置和裝載由PC開發(fā)的交互界面數(shù)據(jù)。觸摸屏支持RS 232串口通信，通信速率可以自由配置。

終端采用排線的方式與觸摸屏連接，并為觸摸屏提供12 V工作電源，通過(guò)UART串口轉(zhuǎn)RS 232方式與觸摸屏的通信串口連接。

3.3 抄表接口設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一路UART串口轉(zhuǎn)外部RS 485通信，終端通過(guò)RS 485可以抄讀電表數(shù)據(jù)和控制電表。

3.4 存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)上，設(shè)計(jì)I2C接口的8 KB鐵電儲(chǔ)存器和標(biāo)準(zhǔn)SPI通信接口的8 MB外部NorFLASH存儲(chǔ)器。

4 軟件設(shè)計(jì)

終端軟件功能包括支付模塊交易、觸摸屏交互、抄表計(jì)費(fèi)、HPLC上行通信和存儲(chǔ)等功能。

4.1 支付模塊交易功能設(shè)計(jì)

支付模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)查詢余額、電費(fèi)支付和用戶充值等功能。部分支付模塊命令定義見表1所列。

主程序通過(guò)輪詢方式執(zhí)行支付模塊的通信交互處理任務(wù)。支付模塊的交互流程如圖4所示。程序默認(rèn)每3 s查詢一次支付模塊的用戶錢包和電力公司商戶錢包金額，并同步到屏幕顯示。當(dāng)查詢到的用戶余額小于門檻0.1元時(shí)，執(zhí)行用戶表計(jì)分閘斷電操作。用戶余額不小于門檻0.1元時(shí)，用戶表計(jì)正常合閘供電。

圖4 支付模塊交互流程

在非查詢狀態(tài)下，自動(dòng)根據(jù)抄讀的電表計(jì)量計(jì)費(fèi)信息累積用戶的待支付電費(fèi)數(shù)據(jù)，當(dāng)待支付電費(fèi)>門檻0.1元時(shí)，終端下發(fā)支付命令給支付模塊，對(duì)用戶錢包進(jìn)行扣費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)扣費(fèi)功能。支付命令執(zhí)行后，需要置位立即查詢標(biāo)志，立即獲取支付的結(jié)果數(shù)據(jù)并顯示到屏幕上。

如果當(dāng)前處于充值狀態(tài)，需要將觸摸屏獲取的充值金額數(shù)據(jù)打包組幀下發(fā)給支付模塊。

下面是支付模塊通信處理的一段核心代碼：

4.2 觸摸屏交互功能設(shè)計(jì)

終端通過(guò)觸摸屏模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。利用觸摸屏廠家提供的PC端開發(fā)套件，開發(fā)出完整的交互界面、命令按鈕等操作流程后，通過(guò)SD卡下載更新到觸摸屏內(nèi)部。

人機(jī)交互的數(shù)字貨幣充值流程如圖5所示。此外，支持同步、提現(xiàn)等命令交互，內(nèi)部通過(guò)支付模塊與銀行后臺(tái)的遠(yuǎn)程連接交互來(lái)完成命令的操作。

圖5 用戶充值流程

4.3 抄表計(jì)費(fèi)功能設(shè)計(jì)

主程序默認(rèn)每2 s抄讀用戶電能表的電量、電費(fèi)、電壓、電流和功率等數(shù)據(jù)。抄讀的數(shù)據(jù)臨時(shí)放入內(nèi)存變量中用于累積用戶電費(fèi)和屏幕顯示。

4.4 HPLC上行通信設(shè)計(jì)

支持通過(guò)HPLC上行通信方式獲取用戶電能表的用電采集類數(shù)據(jù)，此通道功能設(shè)計(jì)參照國(guó)網(wǎng)HPLC采集器的通信功能要求。

4.5 存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)

鐵電存儲(chǔ)器用于頻繁的交易數(shù)據(jù)和抄表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，也用于電能表配置檔案等參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。外部FLASH存儲(chǔ)器用于交易記錄類數(shù)據(jù)和電能表電能數(shù)據(jù)以及凍結(jié)、事件等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

5 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該型物聯(lián)支付終端的交易性能與計(jì)量性能，針對(duì)該終端開展了兩個(gè)方面的測(cè)試驗(yàn)證：數(shù)字貨幣交易驗(yàn)證和計(jì)量數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證。通過(guò)這兩個(gè)方面的測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明：該型終端在功能和性能上滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，部分性能超出既定的目標(biāo)要求。

5.1 數(shù)字貨幣交易驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的物聯(lián)支付終端原型樣機(jī)與智能費(fèi)控電能表通過(guò)RS 485連接構(gòu)成系統(tǒng)。終端上電后，設(shè)置通過(guò)4G遠(yuǎn)程通信方式連接銀行后臺(tái)，搭建好測(cè)試環(huán)境。

采用支持NFC的安卓智能手機(jī)和非接觸IC卡來(lái)測(cè)試數(shù)字貨幣的交易。手機(jī)里預(yù)先安裝數(shù)字人民幣APP，并綁定銀行儲(chǔ)蓄卡和充值一定的金額到數(shù)字人民幣賬戶。交易測(cè)試的結(jié)果見表2所列，各測(cè)試項(xiàng)都滿足預(yù)期要求。

表2 數(shù)字貨幣交易測(cè)試

5.2 計(jì)量數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

將物聯(lián)支付終端與智能電能表安裝在國(guó)網(wǎng)規(guī)范要求的高精度單相表臺(tái)體上，準(zhǔn)備好測(cè)試環(huán)境。

操作臺(tái)體按照指定的電壓、電流和功率因數(shù)輸出，召測(cè)終端采集到的電能表數(shù)據(jù)，對(duì)比臺(tái)體的標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際引用誤差。電能示值采用臺(tái)體方案測(cè)試電能表測(cè)試完成后召測(cè)終端采集的數(shù)據(jù)是否有誤差。具體的精度測(cè)試數(shù)據(jù)見表3所列。

表3 計(jì)量數(shù)據(jù)精度測(cè)試

6 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于DCEP的移動(dòng)物聯(lián)支付，可廣泛應(yīng)用于需采用費(fèi)控方式結(jié)算的獨(dú)立用電客戶，客戶可足不出戶完成充值繳費(fèi)。本地化的電費(fèi)結(jié)算規(guī)則實(shí)現(xiàn)了即時(shí)充值與用電，實(shí)現(xiàn)了用電人與供電人之間的電費(fèi)直接結(jié)算，可以進(jìn)一步提升電力公司的供電服務(wù)水平。支付模塊的安全性、低功耗和小型化等方面性能還需要進(jìn)一步的研究和改善。