基于蓝牙通信的IC卡水表远程付费装置设计

常兴智

(宁夏隆基宁光仪表股份有限公司，宁夏 银川 750021)

0　引言

近年来，随着物联网技术的快速发展，生产生活中对仪表智能化需求越来越高，远程付费、移动支付等功能已成为仪表支付领域中的新趋势[1]。并且由于移动终端蓝牙技术的普及，应用蓝牙通信实现自动化远程支付，不仅节省大量的人力物力资源，而且使仪表的充值缴费更加便捷、灵活[2]。

蓝牙(Bluetooth)通信是一种短距离无线通信技术，具有超低功耗、超强抗干扰能力的优势，以及成本低、通信速率高、容错能力强等特点[3]。其广泛应用于计算机、手机等消费电子产品领域、工业自动化领域以及局域网通信领域等[4]。

1　总体设计

系统由以下几部分组成：Bluetooth Low Energy Intelligent Card装置模块(以下简称BLE IC CARD装置模块)；IC卡水表(IC卡接口)；无线公网；移动终端(客户端)；管理服务器。系统的组成结构框架如图1所示。

图1　系统结构框架图

整体系统方案说明：本系统主要针对接触式IC卡水表为研究对象进行整体化设计。BLE IC CARD装置通过插入水表的IC卡座进行通信，实现BLE IC CARD装置对IC卡水表的充值和状态查询，可完全替代传统IC卡；BLE IC CARD装置与移动终端(phone/pad)通过蓝牙通信方式进行数据交互，实现对BLE IC CARD装置的读写操作。移动终端通过自动或手动的搜索方式连接已设定的BLE IC CARD装置，若要进行IC卡水表中的数据获取，可以通过插入BLE IC CARD装置到IC卡水表中来读取所需信息，并可以通过客户端显示所需数据。若要进行IC卡水表充值，客户端通过无线公网登录到管理服务器进行充值，充值成功后，移动终端通过蓝牙通信将充值数据传递至BLE IC CARD装置，BLE IC CARD装置插入IC卡水表中进行充值操作。

本系统核心设计为BLE IC CARD装置，以下将具体对该装置进行整体分析与设计说明。

2　系统设计

2.1　硬件设计

BLE IC CARD装置既具有普通IC卡的功能，也具有与移动终端进行数据交互的功能，其主要由3部分组成，如图2所示。

图2　BLE IC CARD装置结构图

本装置基于RL78/G1D芯片开发设计，其不仅具有工作电压低(1.8 V～3.6 V)，天线电路设计简易，而且由于不需要外配件可以大幅降低最后产品的成本。RL78/G1D内置有256 KB的Flash，8 KB的Data Flash以及20 KB的RAM；其串行接口(SCI)可以工作在全双工异步工作模式，交互接口也包括I2C多向控制总线[5]。

2.1.1蓝牙通信模块

BLE IC CARD装置蓝牙通信模块基于RL78/G1D微控制器开发，RL78/G1D微控制器支持低功耗蓝牙技术，其中RF发送电流为4.3 mA，RF接收电流为3.5 mA；RL78/G1D模块包括RL78/G1D微控制器、32 MHz的晶振以及天线,该模块完全获得Bluetooth SIG认证，可以运行蓝牙V4.2版本的标准协议栈[6]。图3为蓝牙模块外围电路以及天线电路原理图。

图3　蓝牙外围电路原理图

2.1.2电源模块

BLE IC CARD装置的电源模块采用MD5330电压稳压芯片，该芯片使用CMOS技术开发的具有高精度输出电压、超低功耗电流以及正电压型电压稳压电路。由于内置有低通态电阻MOS晶体管，因此输入输出压差较低，最高工作电压可达到10 V，适合需要较高耐压的应用电路。该稳压芯片输入最大额定电压为12 V，输出稳压电压为3 V，其精度可达到±2%。电源模块原理图如图4所示。

图4　电源模块原理图

电源模块基于稳压芯片MD5330设计，输入端为3.3 V纽扣电池，通过稳压芯片MD5330后，电压输出为3 V，用于给BLE IC CARD装置模块供电。

2.1.3BLEIC卡接口模块

BLE IC卡接口模块主要分为两部分：第一部分为水表的IC卡接口电路；第二部分为基于SLE4442逻辑加密储存卡的BLE IC CARD装置接口电路。

SLE4442是德国西门子公司设计的逻辑加密存储卡，具有2 Kbit的存储容量和完全独立的可编程代码存储器，内部电压提升电路保证了芯片能够以稳定的电压供电，其采用多存储器结构，两线连接协议，串行接口满足ISO7816同步传送协议[7]。

(1)水表的IC卡接口电路

图5为IC卡与IC卡水表核心控制芯片的接口电路原理图。在电路中IC卡接口与IC卡水表设备的连接采用ISO7816协议总线，支持ISO7816-3：接触式智能卡的电信号和传输协议[8]。除去密码区的执行外，其他类似于一般串行EEPROM的操作。

对SLE4442的操作只需3根数据线，即串行时钟线CLK、复位线RST以及双向数据线SDA。3根数据线都需要通过上拉电阻链接到电源VCC上，POW为IC卡座连接电路供电端。

该电路的供电采用了独立供电的方式，受控于IC卡水表的核心微控制器。

图5　IC卡与IC卡水表接口电路原理图

(2)BLE IC CARD装置接口电路

BLE IC CARD装置接口电路是基于SLE4442逻辑加密卡设计的，采用ISO7816协议总线通信模式，串行接口满足ISO7816同步传送协议。该装置接口电路包含6个引脚，其中使用通信的引脚为3个：CLK、SDA、RST；和IC卡与IC卡水表的连接电路相匹配；实现当BLE IC CARD装置插入IC卡水表的卡座时，这3个通信引脚接触后使用通信。图6所示为接口电路原理图，该电路的RST_1、CLK_1、SDA_1三个引脚都由RL78/G1D微控制器控制，Test IC引脚是装置测试线，当BLE IC CARD装置未插入IC卡座时，Test IC引脚为高电平；当装置插入时Test IC引脚为低电平[6]。

图6　装置接口电路原理图

2.2　软件设计

BLE IC CARD装置的软件设计主要分为两部分，第一部分为装置通过ISO7816协议总线与IC卡水表进行通信；第二部分为装置通过蓝牙通信与移动终端进行数据交互。

(1)装置与IC卡水表通信的软件设计

本装置为了与用户所使用的IC卡功能保持一致，需基于SLE4442逻辑加密储存卡为原型进行软件设计。软件工作流程为：① 初始化RL78/G1D。② 复位和应答：此命令可以判定接口设备是否兼容，若不兼容则将装置进入低功耗模式。③ 复位和应答之后芯片等待输入操作命令，这个命令由3部分组成：开始状态，写入3个字节(命令字、地址、数据)，之后是停止状态，其中开始状态的CLK为高电平，SDA由高电平变为低电平时，为开始状态；停止状态的CLK为高电平，SDA由低电平变为高电平时，为停止状态。④ 操作完成后，对密码储存器进行操作，密码存储器可以进行读、写和校验密码的命令操作。⑤ 密码寄存器命令操作后，是主寄存器命令操作，主寄存器主要包括了读/写保护区的指令操作。图7所示为装置与IC卡水表通信的软件流程图。

图7　装置与IC卡水表通信的软件流程图

(2)装置与移动终端数据交互的软件设计

BLE IC CARD装置与移动终端的蓝牙通信是基于RENESAS提供的蓝牙V4.2标准协议栈，该协议栈配备有标准的API(Application Program Interface)以及可自定义的API。本装置蓝牙通信软件设计应用BLE协议栈(以下称为BLE软件)，BLE软件提供RENESAS BLE API(以下简称rBLE API)，该软件也包括RENESA Wireless Kernel Extension(RWKE)，这是一个简单的非抢占多任务处理机制，该机制可以操作BLE协议栈。RWKE提供一个核心的事件管理、消息交互管理、任务声明管理、时间管理以及内存管理功能。

蓝牙通信程序要求对蓝牙模块进行初始化、复位和连接等。其中初始化需要对RWKE、MCU单元、RF单元、Data Flash单元以及BLE软件进行初始化。通过蓝牙传输数据的基本流程为初始化操作、复位、广播其他设备、建立连接、事件查询、数据传输、断开连接，由于蓝牙通信是客户端主动向装置建立连接，装置应当应答客户端，图8为客户端向装置进行蓝牙通信的软件流程图。

图8　装置与移动终端数据交互软件流程图

3　系统测试

根据系统整体设计输出，对BLE IC CARD装置进行通信和充值成功率测试。测试要求：采用IC水表作为测试水表，型号为LXSY；插拔次数：1 000次。

图9为用BLE IC CARD装置为IC卡水表进行充值的操作，当充值成功后IC卡水表液晶显示屏上会显示“交费”、“XX.XX元”、“成功”的字样。在测试过程中，每次用该装置给IC卡水表充值20.00元，依次观察其通信成功率与充值成功率。测试结果如表1所示。

图9　充值测试图

插拔次数成功率/%通信充值100098.899.7

4　结论

通过实践表明，基于蓝牙通信的IC卡水表远程付费装置具有高效、可靠、便捷的优势，可以弥补传统IC卡缴费不便捷，实现“一卡多途径”的便捷支付模式，即针对不同人群既可以和普通IC卡一样正常到水务公司缴费，也可以通过移动终端的客户端进行线上缴费。此外该装置还具有集成度高、安装便捷等特点，更易于将老、旧IC卡水表进行大批量改造，从而更迎合“智慧城市”与“智慧水务”的发展理念。

[1] 柳兰. 基于蓝牙技术和ARM的无线抄表系统[J].信息与电子工程，2010,8(3):353-356.

[2] 郑宇，姚加飞. 基于蓝牙通信的电表抄表系统设计[J].低压电器，2007(12):10-13.

[3] 绍栋栋. 蓝牙技术在抄表系统中的应用[D]. 杭州：浙江大学，2012.

[4] 陈大力,化雪荟. 基于蓝牙技术的计算机与ARM间无线通信系统[J]. 自动化技术与应用,2009,28(3):59-61.

[5] BILSTRUOP U,WIBERG P. Bluetooth in industrial environment[C].2000 IEEE International Workshop on Factory Communications Systems，2000:239-246.

[6] 任小洪,傅成华,胡科. 基于蓝牙技术的无线数据采集系统设计[J]. 测控技术,2009,28(1):16-19.

[7] 戴宏亮,张铭. 基于蓝牙技术的嵌入式数据采集系统设计[J]. 长春工业大学学报(自然科学版),2007,28(4):387-390.

[8] 周文举. 基于单片机蓝牙无线通信的抄表系统[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2004(7):28-30.