登录
注册
校园一卡通在校车收费中脱网按次消费读写器的开发
作者：徐鹏程 陈耿
来源：RFID世界网
日期：2011-01-10 10:23:22
摘要：近年来，校园内实现一卡通管理已经成为校园管理发展的必然趋势，它替代了现行校园日常生活中使用的教师工作证、学生证、借书证、医疗卡、上机卡、与现金交易相关联的食堂饭卡、澡票等， 因此， “校园一卡通系统” 建设程度的高低将从一个侧面反映出现代高校信息化的快慢。
近年来，校园内实现一卡通管理已经成为校园管理发展的必然趋势，它替代了现行校园日常生活中使用的教师工作证、学生证、借书证、医疗卡、上机卡、与现金交易相关联的食堂饭卡、澡票等， 因此， “校园一卡通系统” 建设程度的高低将从一个侧面反映出现代高校信息化的快慢。
1 设计思想
校内现已实现校园一卡通，但IC卡读写机都是用网线与服务器连接起来的，即时通信，进行数据处理，而校车上的IC卡读写机不能进行即时通信，而且消费金额不用人工确定，是按次进行扣减，我们在现有的IC卡读写机上进行设计。使之能实现读写器脱离服务器单独工作，按次消费，消费后不记帐，只在卡上扣减消费额，正确扣款显示余额，对卡余额不足或其他不允许扣钱情况，有错误提示功能。
2 硬件设计
硬件设计部分分别从非接触式IC卡和IC卡读写器来分析。
2．1非接触式Ic卡
由于该卡在支付乘车款按次消费时，消费后不记帐，只在卡上扣消费额，那么我们在其他现金交易相关联的地方消费时，例如食堂用餐，食堂的IC卡读写器是联网的，与服务器即时通信，进行数据交换，就会出现服务器中的金额与卡中金额不符，系统出错。那么我们就有必要在Ic卡中开辟出另外一个存储空间用来专门存储乘车款。
以Mifare IC卡为例，存储容量为8192位，分16个扇区，每个扇区由4块组成，每块有16个字节。每个扇区都在第4块的前6个字节保存密码A，最后6个字节存储密码B，中间余下的4个字节是存取控制字。根据IC卡的存取控制方式，每个读／写指令周期只能访问一个块，所以数据存储时采用不跨块存储方式。以8421码存储方式，每块可以存储32位十进制数字，对于一卡通用户来说，一个块的存储容量就绰绰有余了。所以将0-9块作为主存块，1号块作为备份块，3号块作为
备用。由于在这16个扇区中，00块是厂商代码，已经固化，不可以改写，这样MifareIC卡可以化分出1 5个完全一致的独立分区(即钱包)。
发卡中心对不同的应用部门设置不同的存取控制字(4bit)和密码A，B，注意其每一位的格式，发卡时写入对应位置后生效。不同类型的读写机不能访问与自己无关的扇区。这样就解决了乘车款与其他消费款共存的问题。如表1。
读写器又称PCD(Proximity Coupling Device)，具有读写功能。主要由读写模块，天线， 显示模块， 电源等部分组成。
荷兰Philips公司的读写模块MCM(mifare coremodule，指Mifare核心模块)主要有两种型号：MCM200和MCM5O0。这两种智能模块均被用于读写Mifarel非接触式IC智能射频卡的读写器中，负责读写器中对非接触式IC智能射频卡片的读写功能。单片机MCU是通过对读写模块MCM 内核特殊的内存寄存器的读写来控制MCM 的。MCM 实际上是MCU与非接触式IC智能卡(射频卡)之间信息交换的中介。无论读取卡片上的数据，或写进卡片上的数据均须通过MCM 传递。对一个非接触的数据载体的读、写操作是严格按照“主一从原则” 来进行的。这意味着，读写器和应答器的所有动作均有应用软件来控制。因此在一个分层系统结构中，应用软件是作为主动方，而读写器则作为从方只对应用软件的读写指令做出反应。
为了执行应用软件发出的一条指令，读写器会与一个应答器建立通信。而相对于应答器，此时的读写器是主动方。应答器只响应读写器所发出的指令，从不自主活动。由应用软件向读写器发出的一条简单的读取命令，此时会在读写器和某个应答器之间触发一系列的通信步骤。
(2)天线
天线部分是用来与卡片上的天线进行耦合，整个卡片是由RF射频接口电路和数字电路两个部分构成，卡片上没有电源，工作时的电源由读写器的天线向Ic卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LG串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，L G 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储， 当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据 射频卡使用不同的频段来通讯，在非接触式Ic卡中最常使用的频率是l3．56MHz。
(3)显示模块
由于一卡通Ic卡读写器采用的是模块化设计，模块间的通信采用IIC总线联接，所以一卡通IC卡读写器显示模块也是一个独立的单片微机系统。
(4)电源部分
本系统中显示器使用16 X 4的LED，最大功耗电流为：
最大功耗电流：(6+6)X 6mA+6mA ×8X 8 X 4=l608mA
若采用5V 电源，则显示部分功耗就达8 W ，再加上其它部份供电，系统就得选用20W 的电源。为此，我们采用3．3V电源，这时显示部份功耗降为5．3W，再加上其它部份供电3W，我们就可选用10W 的开关电源。这样既减小了成本，也减小了系统的发热，减少了故障的发生。所以我们选用汽车自带的12V电源，提供5V和3．3V两种电压输出，5V供电满负荷0．8A，4W；3V供电满负荷1．6A，5W。
3 软件设计
我们使用现有的连网消费的读写机作硬件，只按功能要求修改读卡板软件。模块软件采用V7．0版C5l语言模块化方式编写。
3．2 开机自检
开机自检时，保证PC机通讯、显示通讯、EEPROM 读写、RC500初始化等部件正常工作，并完成声、光、显示提示。
3．3软件流程
3．4通信协议
3．4．1帧格式
起始、长度、机号、机型及命令．数据、校验、结束
起始、结束：l字节，
长度：l字节(0-127)最高位为l表示后面还有l字节或2字节(128-16383)
机号：2字节l6进制，产品唯一编号(上传为源机号，下传为目的机号)；
命令：l 字节
校验：累加和校验
3．4．2 命令
(1)系统命令(下传)
设置读写器参数，该数据存于EEPROM中，掉电保护，无需每次初始化都设置。长度为1 6字节：0区．1 5区A、B密钥，等待时间，重发次数，告警线K A ，每次消费金额(单位角)。
W LT复位命令，无数据。
ICK R／W 复位命令，无数据。
设置IP地址命令，新IP地址4字节，16进制。
(2)应答命令
3E／3F：ACK／NAK(通信正确与错误)；为提高在汽车的适应能力，包括用户的各类特殊要求，抗干扰，抗恶劣环境，除硬件上采用监控电路外，在软件上还采取了指令冗余和软件陷阱。
4 结语
本论文主要探讨的是在校园一卡通基础上，开发了运用在校车上收费的脱网按次消费校园IC卡读写器，在此基础上，可由校园管理部门对校园所有活动进行统一管理，提高管理效率，避免其他部门“各自为政”，减少重复投资，降低系统总成本，达到全面优化的目的。
1 设计思想
校内现已实现校园一卡通，但IC卡读写机都是用网线与服务器连接起来的，即时通信，进行数据处理，而校车上的IC卡读写机不能进行即时通信，而且消费金额不用人工确定，是按次进行扣减，我们在现有的IC卡读写机上进行设计。使之能实现读写器脱离服务器单独工作，按次消费，消费后不记帐，只在卡上扣减消费额，正确扣款显示余额，对卡余额不足或其他不允许扣钱情况，有错误提示功能。
2 硬件设计
硬件设计部分分别从非接触式IC卡和IC卡读写器来分析。
2．1非接触式Ic卡
由于该卡在支付乘车款按次消费时，消费后不记帐，只在卡上扣消费额，那么我们在其他现金交易相关联的地方消费时，例如食堂用餐，食堂的IC卡读写器是联网的，与服务器即时通信，进行数据交换，就会出现服务器中的金额与卡中金额不符，系统出错。那么我们就有必要在Ic卡中开辟出另外一个存储空间用来专门存储乘车款。
以Mifare IC卡为例，存储容量为8192位，分16个扇区，每个扇区由4块组成，每块有16个字节。每个扇区都在第4块的前6个字节保存密码A，最后6个字节存储密码B，中间余下的4个字节是存取控制字。根据IC卡的存取控制方式，每个读／写指令周期只能访问一个块，所以数据存储时采用不跨块存储方式。以8421码存储方式，每块可以存储32位十进制数字，对于一卡通用户来说，一个块的存储容量就绰绰有余了。所以将0-9块作为主存块，1号块作为备份块，3号块作为
备用。由于在这16个扇区中，00块是厂商代码，已经固化，不可以改写，这样MifareIC卡可以化分出1 5个完全一致的独立分区(即钱包)。
发卡中心对不同的应用部门设置不同的存取控制字(4bit)和密码A，B，注意其每一位的格式，发卡时写入对应位置后生效。不同类型的读写机不能访问与自己无关的扇区。这样就解决了乘车款与其他消费款共存的问题。如表1。
读写器又称PCD(Proximity Coupling Device)，具有读写功能。主要由读写模块，天线， 显示模块， 电源等部分组成。
荷兰Philips公司的读写模块MCM(mifare coremodule，指Mifare核心模块)主要有两种型号：MCM200和MCM5O0。这两种智能模块均被用于读写Mifarel非接触式IC智能射频卡的读写器中，负责读写器中对非接触式IC智能射频卡片的读写功能。单片机MCU是通过对读写模块MCM 内核特殊的内存寄存器的读写来控制MCM 的。MCM 实际上是MCU与非接触式IC智能卡(射频卡)之间信息交换的中介。无论读取卡片上的数据，或写进卡片上的数据均须通过MCM 传递。对一个非接触的数据载体的读、写操作是严格按照“主一从原则” 来进行的。这意味着，读写器和应答器的所有动作均有应用软件来控制。因此在一个分层系统结构中，应用软件是作为主动方，而读写器则作为从方只对应用软件的读写指令做出反应。
为了执行应用软件发出的一条指令，读写器会与一个应答器建立通信。而相对于应答器，此时的读写器是主动方。应答器只响应读写器所发出的指令，从不自主活动。由应用软件向读写器发出的一条简单的读取命令，此时会在读写器和某个应答器之间触发一系列的通信步骤。
(2)天线
天线部分是用来与卡片上的天线进行耦合，整个卡片是由RF射频接口电路和数字电路两个部分构成，卡片上没有电源，工作时的电源由读写器的天线向Ic卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LG串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，L G 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储， 当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据 射频卡使用不同的频段来通讯，在非接触式Ic卡中最常使用的频率是l3．56MHz。
(3)显示模块
由于一卡通Ic卡读写器采用的是模块化设计，模块间的通信采用IIC总线联接，所以一卡通IC卡读写器显示模块也是一个独立的单片微机系统。
(4)电源部分
本系统中显示器使用16 X 4的LED，最大功耗电流为：
最大功耗电流：(6+6)X 6mA+6mA ×8X 8 X 4=l608mA
若采用5V 电源，则显示部分功耗就达8 W ，再加上其它部份供电，系统就得选用20W 的电源。为此，我们采用3．3V电源，这时显示部份功耗降为5．3W，再加上其它部份供电3W，我们就可选用10W 的开关电源。这样既减小了成本，也减小了系统的发热，减少了故障的发生。所以我们选用汽车自带的12V电源，提供5V和3．3V两种电压输出，5V供电满负荷0．8A，4W；3V供电满负荷1．6A，5W。
3 软件设计
我们使用现有的连网消费的读写机作硬件，只按功能要求修改读卡板软件。模块软件采用V7．0版C5l语言模块化方式编写。
3．2 开机自检
开机自检时，保证PC机通讯、显示通讯、EEPROM 读写、RC500初始化等部件正常工作，并完成声、光、显示提示。
3．3软件流程
3．4通信协议
3．4．1帧格式
起始、长度、机号、机型及命令．数据、校验、结束
起始、结束：l字节，
长度：l字节(0-127)最高位为l表示后面还有l字节或2字节(128-16383)
机号：2字节l6进制，产品唯一编号(上传为源机号，下传为目的机号)；
命令：l 字节
校验：累加和校验
3．4．2 命令
(1)系统命令(下传)
设置读写器参数，该数据存于EEPROM中，掉电保护，无需每次初始化都设置。长度为1 6字节：0区．1 5区A、B密钥，等待时间，重发次数，告警线K A ，每次消费金额(单位角)。
W LT复位命令，无数据。
ICK R／W 复位命令，无数据。
设置IP地址命令，新IP地址4字节，16进制。
(2)应答命令
3E／3F：ACK／NAK(通信正确与错误)；为提高在汽车的适应能力，包括用户的各类特殊要求，抗干扰，抗恶劣环境，除硬件上采用监控电路外，在软件上还采取了指令冗余和软件陷阱。
4 结语
本论文主要探讨的是在校园一卡通基础上，开发了运用在校车上收费的脱网按次消费校园IC卡读写器，在此基础上，可由校园管理部门对校园所有活动进行统一管理，提高管理效率，避免其他部门“各自为政”，减少重复投资，降低系统总成本，达到全面优化的目的。
