基于GPRS的校園無線POS系統的設計與應用
文章出處：http://5052h112.com 作者：盛其杰．佟鑫 人氣： 發表時間：2010年07月21日
近年來．我國許多高校都進行了校園一卡通系統的建設。系統廣泛采用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POS在移動中要求實時在線的應用需求。
目前基于短距離無線網絡傳輸方式只能在信號覆蓋的有限范圍內實現POS系統實時在線響應，為了拓展無線POS系統的應用范圍。本文設計了基于GPRS網絡的校園一卡通無線POS系統，它具備一卡通數據的采集、存儲和傳輸等功能，通過軟件測試及一定規模的應用，證明了系統的穩定性、安全性和可靠性。
一、校園一卡通系統數據傳輸方式比較
校園一卡通系統有線傳輸方式是指POS機與一卡通平臺的數據交換通過有線網絡完成，有線傳輸介質主要包括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機讀取數據后存儲在本地，定時與無線基站進行通訊，如無線POS機不在網絡覆蓋范圍則脫網運行，待移動到信號覆蓋范圍時再進行通訊，脫機流水數據在POS機重啟后完成數據上傳。
本文設計了一種全新的基于GPRS網絡的校園一卡通POS系統，其主要方法是：一卡通POS機的應用數據包通過GPRS DTU(GPRS數據傳輸單元)使用現有的GPRS網絡上傳給校園一卡通平臺主機，一卡通平臺主機對應用數據包處理后的數據和黑白名單信息經GPRS網絡回傳給POS機，從而完成校園一卡通系統的各種應用功能。
校園一卡通系統數據傳輸的三種模式優缺點對比如表所示：
二、基于GPRS的校園一卡通無線POS系統通信原理與設計
GPRS網絡傳輸技術具有覆蓋面廣、通信可靠和傳輸穩定等特點，以其作為校園一卡通移動POS交易的通信載體，可實現不受場地、環境和線路限制的校園卡實時交易和認證。GPRS網絡的技術特點決定了其隨著應用的發展和無線移動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。
本系統的設計原理是：首先把具有GPRS無線數據傳輸功能的GPRS DTU通過RS485接口接收一卡通POS機的刷卡數據，然后GPRS DTU通過無線方式與GPRS基站通信，將一卡通POS發送的數據包從基站發送到SGSN節點。
SGSN與網關支持節點GGSN進行通信，GGSN對分組數據進行相應的處理后發送到校園一卡通平臺端的路由器，經過防火墻再發送到校園一卡通主機上；最后經過校園一卡通后臺服務器處理的數據包經由原路返回，經GPRS DTU 回傳給一卡通系統POS機，從而完成校園一卡通系統與GPRS網絡的數據交換，實現POS系統的無線數據傳輸。
同時，使用第二層隧道協議L2TP在GPRS網絡上建立企業虛擬專網，保證網絡連接的專用性和持續性。
其工作原理如下圖所示：
三、系統詳細設計
1．硬件設計
本系統分為終端POS設備、GPRS DTU、校園一卡通后臺服務器三大部分
(1)終端POS設備
本系統采用51系列單片機模型作為終端POS設備的硬件原理支持。終端POS設備主要由CPU(SM5964)，FLASH數據存儲器AM29F040B／39SF020復位芯片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
系統中完成數據通信傳輸工作的是GPRS DTU和GPRS網，而GPRS網絡是基于IP協議的，所以本系統中的GPRS DTU采用內嵌TCWIP協議棧，具有Socket通信功能，并提供透明數據傳輸通道。GPRS DTU在每次開機后會自動撥號，接入GPRS網絡并動態地獲得一個IP地址，此地址由GPRS骨干內網地址池分發。當GPRSDTU通過GPRS網絡向校園一卡通系統后臺服務器發送連接請求后，校園一卡通系統后臺服務器返回應答，連接路由建立。
為了保證鏈路暢通，預定30秒發送一次“心跳”數據包，以維持GPRS DTU終端與校園一卡通系統后臺服務器之間的路由，確保終端與服務器之間可以及時互相通信。“心跳”數據包包括鏈路保活功能信息與終端ID信息
(3)校園一卡通系統后臺服務器
硬件系統使用SUN公司小型機，軟件系統使用SUN公司的SOLARIS操作系統，數據庫支持使用甲骨文公司的ORACLE 9I數據庫管理系統。
2．軟件設計
(1)GPRS遠程通訊系統軟件設計
本系統中GPRS遠程通訊系統的系統底層軟件采用了模塊化的設計方法，語言采用的是標準C語言，各個功能模塊由子程序實現，通過主程序調用子程序實現系統所設計的各個功能。
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：
系統完成GPRS初始化，接人GPRS網絡并動態地獲得一個IP地址，驗證系統是否允許無線移動POS上傳數據。
若允許，可建立連接；若不允許，可延時請求上傳數據。進行網絡撥號，PPP協商，建立TCP/IP連接無線移動POS。
通過TCP或UDP協議在GPRS網絡與校園一卡通數據后臺服務器之間進行數據交互，當無線移動POS收到控制命令時，先檢驗命令的合法性，再按照命令執行相應操作。
(2)無線移動POS系統業務流程設計
無線移動POS系統為軟件業務系統單元的核心。其工作流程如圖所示：
3．系統安全性設計
本系統的安全性考量主要包含了兩個方面：一個是在設計中注意各個通信和數據處理環節的安全可靠性。統籌規劃，在互聯網絡中，防止非法用戶享受服務，防止計算機病毒的入侵；對重要設備及數據鏈路提供備份，確保信息及傳輸的安全。另一個是GPRS網絡數據傳輸的安全性，通過鑒權、加密，達到安全的目的。鑒權用來驗證用戶的入網權利，加密用于空中接口和校園一卡通無線移動POS數據安全傳輸，由SIM卡、網絡AUC、校園一卡通POS系統的專屬加密算法(3DES)決定。
本系統中的無線POS采用的是與原POS系統無縫連接且共用原系統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網絡固有的SIM卡、網絡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數據的加密解密和格式轉換功能。
系統安全模型如圖5所示
數據加密解密流程說明：
(1)首先在無線移動POS終端側利用PIN密碼對于卡號、金額、1-6／15磁道信息、商戶號、終端設備號等進行3DES加密，再通過GPRS通訊網絡對加密信息進行傳輸，最后通過POS前置機對被加密信息進行解密和格式轉換，并還原其為標準校園一卡通平臺通信8583數據包，上傳給一卡通后臺服務器。
(2)一卡通后臺服務器對無線移動POS的應答信息加密后，通過GPRS通訊網絡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)數據傳輸中對應用報文的完整性和正確性通過奇偶校驗法進行校驗。
(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，并利用交易狀態標示來確定一筆交易是否成功。
四、系統測試
鑒于校園一卡通系統的安全性和軟硬件的兼容性，系統在測試時通過了嚴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行：
1利用大批量刷卡次數、速度、頻率方式測試射頻讀寫卡模塊。
本系統分別測試3000次刷卡、刷卡速度1次/秒、10 秒連續刷卡10次的結果,通過測試一卡通后臺數據庫記錄,結果表明校園一卡通無線POS終端設備通過GPRS網絡與校園一卡通后臺數據庫服務器通信成功,存人數據庫的數據正確無誤。
2利用大容量數據測試
利用1Mbps容量的數據包分別測試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,結果表明校園一卡通無線POS終端設備通過GPRS網絡與校園一卡通后臺數據庫服務器通信成功,存人數據庫的數據正確無誤。
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，學生卡刷卡測試，離退休卡刷卡測試，臨時卡刷卡測試等，結果表明校園一卡通無線POS終端設備通過GPRS網絡與校園一卡通后臺數據庫服務器通信成功，需存人數據庫的數據正確無誤，數據處理正確無誤，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．數據上傳與刷卡操作同時進行的測試
先斷開系統的GPRS鏈接，然后在一臺無線移動POS終端上大次數刷卡(超過100)，恢復系統的GPRS鏈接在無線移動POS終端上數據進行上傳時快速刷卡若干次，測試結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據庫中的數據正確無誤。
5．室內外高低溫環境下對各硬件狀態進行靜態測試結果顯示在一20～50℃溫度下，各個模塊的電源輸入電壓穩定，各處紋波均在50mY以下：GPRS模塊在數據通信或來電時，電源平均波動在±0．2V左右。
6．系統聯調測試
整合整個系統進行聯調測試，測試結果表明系統達到預期設計目標和需求。
五、結束語
本文在比較校園一卡通系統數據傳輸模式的基礎上，提出基于GPRS網絡實現一卡通無線POS遠程實時通訊的設想。通過剖析GPRS網絡的通訊原理，設計了基于GPRS的校園一卡通無線POS系統，該系統為校園一卡通數據隨時隨地遠程通信提供了一個全新的解決方案。經實驗和應用證明，該系統采集數據速度快、性能穩定、安全保密性好，具有較高的應用和推廣價值。
