基于数字货币的物联支付终端设计

杜运福，左 勇，宗海乐

（安徽南瑞中天电力电子有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

近年来，随着物联网发展的突飞猛进，物联网IoT设备数量呈指数增长，大规模物联网的设备信息、数据交互的应用具有巨大的价值；与此同时，价值的交易对货币流动载体提出了更高要求[1-3]。自2014年起，中国人民银行便成立了专门的数字货币研究团队，逐渐让数字货币及电子支付（Digital Currency Electronic Payment,DCEP）[4-6]进入公众视野。而作为央行发布的DCEP更是具有M0（流通中的货币）替代、双层运营模式、账户松耦合、支撑双离线交易等特点，其与移动物联支付天然契合，为人与物之间、物与物之间的信息交互及价值交换提供流动性介质，提供了广泛信任与协作的金融基础设施。

目前智能电能表及用电终端已基本实现全面覆盖，是具有天然优势的物联网设备。在物联网和数字经济蓬勃发展的背景下，基于数字货币的物联支付终端的研制，对于探索基于DCEP的本地实时结算和移动物联支付，提升服务便捷性、高效性、智慧性，实现万物互联、物物支付具有重要意义。

1 需求分析

目前采用的线下缴费模式，主要存在几个方面的不足：①传统缴费模式不便捷，如遇距离用户较远、通行道路不畅、恶劣的天气等影响，线下缴费往往会造成用户用电不及时；②传统缴费模式耗时较长，对于某些用户群体如孤寡老人等多有不便；③传统模式无法准确估计剩余电费，容易造成缴费不及时，这些情况尤其体现在农村电网的居民用电中。在广大电力用户对缴费便捷度和舒适度要求提升的大背景下，线下缴费已经严重影响了用户的用电体验。现阶段虽然可以采用支付宝、微信APP等第三方软件完成线上支付缴费，缓解了线下现金支付困难造成的不便，但是线下缴费、电费亏欠、即时用电以及网络通信问题尚无有效的解决方案[7]。对此，为了实现电力行业全面保障可靠供电，进一步满足社会经济发展用电需求，针对数字货币移动物联支付方式的研究势在必行。

2 系统方案

本文对基于数字货币的物联支付终端实现方法开展研究，研制一套集数字货币物联支付终端、智能电能表、电网侧业务系统、银行侧DCEP交易中心等于一体的数字货币电费交易系统[8]，并开展试点应用。整个系统的架构示意图如图1所示。该系统以智能电能表为基础，研发智能物联控制模块、数字货币交易模块，通过公网、银行专网、电力专网的通信交互，实现电网与银行系统的融合，从而完成电费本地支付及交易，实现用户侧用电“即付即用、实时结算、灵活支付”，满足用户便捷用电和智慧用电体验。

图1 系统架构示意图

数字货币电表物联支付的工作业务流程可以详细描述为：（1）本地用户账户通过DCEP物联支付后，数字货币交易模块进行身份认证、建立对应关系，自动同步信息至智能物联控制模块，进而发送指令自动控制电能表合闸，实现用户“即来电”；（2）智能物联控制模块通过透抄电能表实时数据，自动算费后将电费额发送至数字货币交易模块，进行本地交易结算，从而达到实时结算的功能[9]；（3）当用户结束用电，主动发起交易请求时，数字货币交易模块将交易请求、实时请求同步至智能物联控制模块，智能物联控制模块发送指令自动控制电能表分闸，进行电费清算，退还剩余电费，该模块同时支持双离线支付；（4）交易后用户钱包、电力公司钱包资金实时到账，无需银行再进行清算和结算，支付即结算。

3 硬件设计

本文围绕国家电网公司智能电网“信息化、自动化、互动化”的建设要求，基于“模块化、平台化”的设计思路[10]，采用标准化原理图和印制版图设计方式，进行终端硬件设计。终端硬件的结构如图2所示，主要包含MCU（型号GD32F305）、铁电存储器、FLASH存储器、RTC时钟芯片、SGM706看门狗芯片、RS 485抄表硬件接口、数字货币支付模块（简称支付模块）、HPLC上行通信功能模块和7英寸触摸屏显示交互模块，其中数字货币支付模块支持通过触摸屏进行人机交互配置，以实现相关电费业务的交易结算。

图2 硬件结构

3.1 支付模块

支付模块设计为独立的安全加密模块。外部支持RS 485通信和4G无线方式通信，工作电源为12 V。

支付模块集成安装到终端内部，通过排线方式连接。终端为支付模块提供12 V直流工作电源，终端与支付模块通信采用RS 485通信。终端的支付模块接口硬件设计如图3所示。

图3 支付模块接口硬件设计

3.2 触摸屏交互模块

终端选用7英寸1024*600图形点阵65K色电容触摸屏作为交互界面，触摸屏支持通过SD卡配置和装载由PC开发的交互界面数据。触摸屏支持RS 232串口通信，通信速率可以自由配置。

终端采用排线的方式与触摸屏连接，并为触摸屏提供12 V工作电源，通过UART串口转RS 232方式与触摸屏的通信串口连接。

3.3 抄表接口设计

设计一路UART串口转外部RS 485通信，终端通过RS 485可以抄读电表数据和控制电表。

3.4 存储设计

存储上，设计I2C接口的8 KB铁电储存器和标准SPI通信接口的8 MB外部NorFLASH存储器。

4 软件设计

终端软件功能包括支付模块交易、触摸屏交互、抄表计费、HPLC上行通信和存储等功能。

4.1 支付模块交易功能设计

支付模块内部实现查询余额、电费支付和用户充值等功能。部分支付模块命令定义见表1所列。

主程序通过轮询方式执行支付模块的通信交互处理任务。支付模块的交互流程如图4所示。程序默认每3 s查询一次支付模块的用户钱包和电力公司商户钱包金额，并同步到屏幕显示。当查询到的用户余额小于门槛0.1元时，执行用户表计分闸断电操作。用户余额不小于门槛0.1元时，用户表计正常合闸供电。

图4 支付模块交互流程

在非查询状态下，自动根据抄读的电表计量计费信息累积用户的待支付电费数据，当待支付电费>门槛0.1元时，终端下发支付命令给支付模块，对用户钱包进行扣费，实现了实时扣费功能。支付命令执行后，需要置位立即查询标志，立即获取支付的结果数据并显示到屏幕上。

如果当前处于充值状态，需要将触摸屏获取的充值金额数据打包组帧下发给支付模块。

下面是支付模块通信处理的一段核心代码：

4.2 触摸屏交互功能设计

终端通过触摸屏模块实现人机交互功能。利用触摸屏厂家提供的PC端开发套件，开发出完整的交互界面、命令按钮等操作流程后，通过SD卡下载更新到触摸屏内部。

人机交互的数字货币充值流程如图5所示。此外，支持同步、提现等命令交互，内部通过支付模块与银行后台的远程连接交互来完成命令的操作。

图5 用户充值流程

4.3 抄表计费功能设计

主程序默认每2 s抄读用户电能表的电量、电费、电压、电流和功率等数据。抄读的数据临时放入内存变量中用于累积用户电费和屏幕显示。

4.4 HPLC上行通信设计

支持通过HPLC上行通信方式获取用户电能表的用电采集类数据，此通道功能设计参照国网HPLC采集器的通信功能要求。

4.5 存储功能设计

铁电存储器用于频繁的交易数据和抄表数据存储，也用于电能表配置档案等参数数据存储。外部FLASH存储器用于交易记录类数据和电能表电能数据以及冻结、事件等数据存储。

5 测试验证

为了验证该型物联支付终端的交易性能与计量性能，针对该终端开展了两个方面的测试验证：数字货币交易验证和计量数据精度验证。通过这两个方面的测试验证结果表明：该型终端在功能和性能上满足设计目标要求，部分性能超出既定的目标要求。

5.1 数字货币交易验证

将设计的物联支付终端原型样机与智能费控电能表通过RS 485连接构成系统。终端上电后，设置通过4G远程通信方式连接银行后台，搭建好测试环境。

采用支持NFC的安卓智能手机和非接触IC卡来测试数字货币的交易。手机里预先安装数字人民币APP，并绑定银行储蓄卡和充值一定的金额到数字人民币账户。交易测试的结果见表2所列，各测试项都满足预期要求。

表2 数字货币交易测试

5.2 计量数据精度验证

将物联支付终端与智能电能表安装在国网规范要求的高精度单相表台体上，准备好测试环境。

操作台体按照指定的电压、电流和功率因数输出，召测终端采集到的电能表数据，对比台体的标准表数据计算实际引用误差。电能示值采用台体方案测试电能表测试完成后召测终端采集的数据是否有误差。具体的精度测试数据见表3所列。

表3 计量数据精度测试

6 结 语

本设计实现了基于DCEP的移动物联支付，可广泛应用于需采用费控方式结算的独立用电客户，客户可足不出户完成充值缴费。本地化的电费结算规则实现了即时充值与用电，实现了用电人与供电人之间的电费直接结算，可以进一步提升电力公司的供电服务水平。支付模块的安全性、低功耗和小型化等方面性能还需要进一步的研究和改善。