基于GPRS的校園無線POS系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

文章出處：http:// 作者：盛其杰．佟鑫 人氣： 發(fā)表時間：2010年07月21日

近年來．我國許多高校都進(jìn)行了校園一卡通系統(tǒng)的建設(shè)。系統(tǒng)廣泛采用RS485通訊線纜、雙絞線和光纖等有線傳輸方式 然而有線傳輸方式無法實現(xiàn)POS在移動中要求實時在線的應(yīng)用需求。

目前基于短距離無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式只能在信號覆蓋的有限范圍內(nèi)實現(xiàn)POS系統(tǒng)實時在線響應(yīng)，為了拓展無線POS系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。本文設(shè)計了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的校園一卡通無線POS系統(tǒng)，它具備一卡通數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸?shù)裙δ?，通過軟件測試及一定規(guī)模的應(yīng)用，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。

一、校園一卡通系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式比較

校園一卡通系統(tǒng)有線傳輸方式是指POS機與一卡通平臺的數(shù)據(jù)交換通過有線網(wǎng)絡(luò)完成，有線傳輸介質(zhì)主要包括RS485通訊線纜、雙絞線及光纖等。

短距離無線傳輸方式是指無線POS機讀取數(shù)據(jù)后存儲在本地，定時與無線基站進(jìn)行通訊，如無線POS機不在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍則脫網(wǎng)運行，待移動到信號覆蓋范圍時再進(jìn)行通訊，脫機流水?dāng)?shù)據(jù)在POS機重啟后完成數(shù)據(jù)上傳。

本文設(shè)計了一種全新的基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的校園一卡通POS系統(tǒng)，其主要方法是：一卡通POS機的應(yīng)用數(shù)據(jù)包通過GPRS DTU(GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元)使用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給校園一卡通平臺主機，一卡通平臺主機對應(yīng)用數(shù)據(jù)包處理后的數(shù)據(jù)和黑白名單信息經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)回傳給POS機，從而完成校園一卡通系統(tǒng)的各種應(yīng)用功能。

校園一卡通系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜N模式優(yōu)缺點對比如表所示：

二、基于GPRS的校園一卡通無線POS系統(tǒng)通信原理與設(shè)計

GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)具有覆蓋面廣、通信可靠和傳輸穩(wěn)定等特點，以其作為校園一卡通移動POS交易的通信載體，可實現(xiàn)不受場地、環(huán)境和線路限制的校園卡實時交易和認(rèn)證。GPRS網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點決定了其隨著應(yīng)用的發(fā)展和無線移動POS的增加不會對校園一卡通交易的速度和成功率造成影響。

本系統(tǒng)的設(shè)計原理是：首先把具有GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸功能的GPRS DTU通過RS485接口接收一卡通POS機的刷卡數(shù)據(jù)，然后GPRS DTU通過無線方式與GPRS基站通信，將一卡通POS發(fā)送的數(shù)據(jù)包從基站發(fā)送到SGSN節(jié)點。

SGSN與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點GGSN進(jìn)行通信，GGSN對分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后發(fā)送到校園一卡通平臺端的路由器，經(jīng)過防火墻再發(fā)送到校園一卡通主機上；最后經(jīng)過校園一卡通后臺服務(wù)器處理的數(shù)據(jù)包經(jīng)由原路返回，經(jīng)GPRS DTU 回傳給一卡通系統(tǒng)POS機，從而完成校園一卡通系統(tǒng)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)POS系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸。

同時，使用第二層隧道協(xié)議L2TP在GPRS網(wǎng)絡(luò)上建立企業(yè)虛擬專網(wǎng)，保證網(wǎng)絡(luò)連接的專用性和持續(xù)性。

其工作原理如下圖所示：

三、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

1．硬件設(shè)計

本系統(tǒng)分為終端POS設(shè)備、GPRS DTU、校園一卡通后臺服務(wù)器三大部分

(1)終端POS設(shè)備

本系統(tǒng)采用51系列單片機模型作為終端POS設(shè)備的硬件原理支持。終端POS設(shè)備主要由CPU(SM5964)，F(xiàn)LASH數(shù)據(jù)存儲器AM29F040B／39SF020復(fù)位芯片IMP810．485通信芯片SN75174和MAX487。射頻卡讀寫卡器，顧客面LED顯示器。操作面LED顯示器，線性電源，主鍵盤．密碼鍵盤接口組成．其工作原理如圖2所示

(2)GPRS DTU

系統(tǒng)中完成數(shù)據(jù)通信傳輸工作的是GPRS DTU和GPRS網(wǎng)，而GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于IP協(xié)議的，所以本系統(tǒng)中的GPRS DTU采用內(nèi)嵌TCWIP協(xié)議棧，具有Socket通信功能，并提供透明數(shù)據(jù)傳輸通道。GPRS DTU在每次開機后會自動撥號，接入GPRS網(wǎng)絡(luò)并動態(tài)地獲得一個IP地址，此地址由GPRS骨干內(nèi)網(wǎng)地址池分發(fā)。當(dāng)GPRSDTU通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向校園一卡通系統(tǒng)后臺服務(wù)器發(fā)送連接請求后，校園一卡通系統(tǒng)后臺服務(wù)器返回應(yīng)答，連接路由建立。

為了保證鏈路暢通，預(yù)定30秒發(fā)送一次“心跳”數(shù)據(jù)包，以維持GPRS DTU終端與校園一卡通系統(tǒng)后臺服務(wù)器之間的路由，確保終端與服務(wù)器之間可以及時互相通信?！靶奶睌?shù)據(jù)包包括鏈路保活功能信息與終端ID信息

(3)校園一卡通系統(tǒng)后臺服務(wù)器

硬件系統(tǒng)使用SUN公司小型機，軟件系統(tǒng)使用SUN公司的SOLARIS操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫支持使用甲骨文公司的ORACLE 9I數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

2．軟件設(shè)計

(1)GPRS遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中GPRS遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)的系統(tǒng)底層軟件采用了模塊化的設(shè)計方法，語言采用的是標(biāo)準(zhǔn)C語言，各個功能模塊由子程序?qū)崿F(xiàn)，通過主程序調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所設(shè)計的各個功能。

GPRS通訊終端軟件邏輯流程如圖所示。

軟件邏輯流程說明如下：

系統(tǒng)完成GPRS初始化，接人GPRS網(wǎng)絡(luò)并動態(tài)地獲得一個IP地址，驗證系統(tǒng)是否允許無線移動POS上傳數(shù)據(jù)。

若允許，可建立連接；若不允許，可延時請求上傳數(shù)據(jù)。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)撥號，PPP協(xié)商，建立TCP/IP連接無線移動POS。

通過TCP或UDP協(xié)議在GPRS網(wǎng)絡(luò)與校園一卡通數(shù)據(jù)后臺服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，當(dāng)無線移動POS收到控制命令時，先檢驗命令的合法性，再按照命令執(zhí)行相應(yīng)操作。

(2)無線移動POS系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計

無線移動POS系統(tǒng)為軟件業(yè)務(wù)系統(tǒng)單元的核心。其工作流程如圖所示：

3．系統(tǒng)安全性設(shè)計

本系統(tǒng)的安全性考量主要包含了兩個方面：一個是在設(shè)計中注意各個通信和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的安全可靠性。統(tǒng)籌規(guī)劃，在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，防止非法用戶享受服務(wù)，防止計算機病毒的入侵；對重要設(shè)備及數(shù)據(jù)鏈路提供備份，確保信息及傳輸?shù)陌踩Ａ硪粋€是GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕ㄟ^鑒權(quán)、加密，達(dá)到安全的目的。鑒權(quán)用來驗證用戶的入網(wǎng)權(quán)利，加密用于空中接口和校園一卡通無線移動POS數(shù)據(jù)安全傳輸，由SIM卡、網(wǎng)絡(luò)AUC、校園一卡通POS系統(tǒng)的專屬加密算法(3DES)決定。

本系統(tǒng)中的無線POS采用的是與原POS系統(tǒng)無縫連接且共用原系統(tǒng)POS前置機的方式，鑒于GPRS無線傳輸中的安全隱患，除了利用GPRS網(wǎng)絡(luò)固有的SIM卡、網(wǎng)絡(luò)AUC密鑰加密外，還需要在POS前置機端和無線移動POS終端增加校園一卡通無線移動POS數(shù)據(jù)的加密解密和格式轉(zhuǎn)換功能。

系統(tǒng)安全模型如圖5所示

數(shù)據(jù)加密解密流程說明：

(1)首先在無線移動POS終端側(cè)利用PIN密碼對于卡號、金額、1-6／15磁道信息、商戶號、終端設(shè)備號等進(jìn)行3DES加密，再通過GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)對加密信息進(jìn)行傳輸，最后通過POS前置機對被加密信息進(jìn)行解密和格式轉(zhuǎn)換，并還原其為標(biāo)準(zhǔn)校園一卡通平臺通信8583數(shù)據(jù)包，上傳給一卡通后臺服務(wù)器。

(2)一卡通后臺服務(wù)器對無線移動POS的應(yīng)答信息加密后，通過GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)逆向傳輸給無線移動POS終端，由無線移動POS終端解密并處理。

(3)數(shù)據(jù)傳輸中對應(yīng)用報文的完整性和正確性通過奇偶校驗法進(jìn)行校驗。

(4)利用每筆成功交易具有唯一的流水號，來確定無線POS申請交易操作的不重復(fù)，并利用交易狀態(tài)標(biāo)示來確定一筆交易是否成功。

四、系統(tǒng)測試

鑒于校園一卡通系統(tǒng)的安全性和軟硬件的兼容性，系統(tǒng)在測試時通過了嚴(yán)格的軟件測試和實地使用測試，實地使用測試主要采取以下幾個方面來進(jìn)行：

1利用大批量刷卡次數(shù)、速度、頻率方式測試射頻讀寫卡模塊。

本系統(tǒng)分別測試3000次刷卡、刷卡速度1次/秒、10 秒連續(xù)刷卡10次的結(jié)果,通過測試一卡通后臺數(shù)據(jù)庫記錄,結(jié)果表明校園一卡通無線POS終端設(shè)備通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與校園一卡通后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通信成功,存人數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)正確無誤。

2利用大容量數(shù)據(jù)測試

利用1Mbps容量的數(shù)據(jù)包分別測試GPRS可以提供的四種不同編碼方式.四種不同的編碼方式每個時槽可提供的傳輸速率為CS一1(9．05Kbps)、CS一2(13．4Kbps)、CS一3(15．6Kbps)及CS一4(21．4Kbps)，其中CS一1的保護最為嚴(yán)密，CS一4則是完全未加以任何保護。每個用戶最多可同時使用八個時槽,結(jié)果表明校園一卡通無線POS終端設(shè)備通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與校園一卡通后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通信成功,存人數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)正確無誤。

3利用不同校園卡類型測試

校園卡剩余金額大于等于無線移動POS扣款額的測試，校同卡剩余金額小于移動無線POS扣款額的測試，教師身份卡刷卡測試，學(xué)生卡刷卡測試，離退休卡刷卡測試，臨時卡刷卡測試等，結(jié)果表明校園一卡通無線POS終端設(shè)備通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與校園一卡通后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通信成功，需存人數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)正確無誤，數(shù)據(jù)處理正確無誤，允許無線移動POS放行的和不允許無線移動POS放行的校同一卡通刷卡操作處理邏輯正確無誤。

4．?dāng)?shù)據(jù)上傳與刷卡操作同時進(jìn)行的測試

先斷開系統(tǒng)的GPRS鏈接，然后在一臺無線移動POS終端上大次數(shù)刷卡(超過100)，恢復(fù)系統(tǒng)的GPRS鏈接在無線移動POS終端上數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳時快速刷卡若干次，測試結(jié)果表明通信過程和刷卡過程互不影響，存入到一卡通后臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)正確無誤。

5．室內(nèi)外高低溫環(huán)境下對各硬件狀態(tài)進(jìn)行靜態(tài)測試結(jié)果顯示在一20～50℃溫度下，各個模塊的電源輸入電壓穩(wěn)定，各處紋波均在50mY以下：GPRS模塊在數(shù)據(jù)通信或來電時，電源平均波動在±0．2V左右。

6．系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試

整合整個系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)和需求。

五、結(jié)束語

本文在比較校園一卡通系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式的基礎(chǔ)上，提出基于GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)一卡通無線POS遠(yuǎn)程實時通訊的設(shè)想。通過剖析GPRS網(wǎng)絡(luò)的通訊原理，設(shè)計了基于GPRS的校園一卡通無線POS系統(tǒng)，該系統(tǒng)為校園一卡通數(shù)據(jù)隨時隨地遠(yuǎn)程通信提供了一個全新的解決方案。經(jīng)實驗和應(yīng)用證明，該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)速度快、性能穩(wěn)定、安全保密性好，具有較高的應(yīng)用和推廣價值。