目前我國高校的校園卡圈存通常采用傳統圈存技術，傳統技術接入方式是以太網控器作為接入設備，通過圈存機將交易報文在銀行系統和校園一卡通系統中的卡務管理中心子系統之間進行傳送，銀校圈存系統通過銀行卡與校園卡一起插入轉賬圈存機以達到把用戶的銀行卡賬戶下的金額劃入校園卡賬戶中為目的[1]，傳統圈存方式的圈存機具有價格昂貴、位置移動不靈活、設計復雜、故障率偏高等不足，而且經常會出現銀行和學校交易流水賬務不一致的情況；同時，該模式下的學校與銀行的實時通信信道需向通信部門租用一條專線，增加了工程的設計成本與維護費用。鑒于此，在計算機比較普及和計算機網絡高度發展的今天，結合高校的實際情況，筆者探索出一種全新的圈存思路和設計，實現校園卡單卡圈存（即圈存時僅使用校園卡），設計一種基于WEB圈存的方式以克服傳統圈存方式的不足，大大降低了系統的開發和材料成本，使其設計與應用真正做到經濟、簡單、方便、實用和圈存機移動、接入方便。

　　1 圈存流程總體設計原理

　　圈存的過程主要分成2大步驟，第一步驟就是用戶通過學校自主開發的WEB圈存繳費系統和銀行開發的網上銀行系統把其在銀行賬戶下的指定大小的金額劃入學校的銀行賬戶下，成功交易的金額記錄再提交給學校轉賬系統數據庫服務器中；第二步驟是用戶把第一步轉入的金額在學校WEB圈存繳費系統進行圈存支付，形成圈存等待流水。最后，用戶可在任何一臺以太網圈存機上進行刷卡充值，同時后臺運行軟件會自動實時地上傳刷卡之后的圈存流水傳至卡務中心，以保證卡庫金額一致。其圈存思路設計流程如圖1所示。

　　2 系統設計

　　系統主要由圈存機與WEB圈存繳費系統兩大部分組成，用戶借助于WEB圈存繳費系統把其在銀行的錢轉入學校系統中，然后進行圈存消費支付，最終在服務器數據庫中形成等待圈存刷卡流水，圈存機則主要完成讀卡并把圈存金額寫入校園卡。

　　2.1系統硬件設計

　　圈存機硬件處理單元結構如圖2所示。系統由主控板、網絡通(wlt)、顯示電路板、鍵盤板、讀卡器天線板等主要部分組成。

　　2.1.1ICR/W主控電路板

　　ICR/W是圈存機硬件系統的核心，主要由讀卡芯片MFRC500、MCU（STC89C58RD+）、實時時鐘芯片（8563T）、蜂鳴電路等部分組成。由它完成數據信號處理及優化，包括鍵盤輸入、顯示控制、以及與PC機和網絡通信等功能。該系統采用的是STC89C58RD+單片機，其內部有增強型1T流水線/精簡指令集結構8051CPU、512BRAM、通用I/O口（27/23個）、ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程）、看門狗、2個16bit定時器/計數器、2路外部中斷等部件，同時具有EEPROM功能，另外該微處理器具有超低功耗的特點，在系統供電方面具有很強的優勢。

　　2.1.2網絡通及底層通信

　　網絡通也叫以太網測控網關，主要由單片機與以太網接口芯片組成，負責完成網絡層上的以太網TCP/IP協議與測控設備現場總線RS－232、RS－485、并口通信等協議的轉換，完成以太網和現場總線網絡間的互聯，實現不同以太網和現場總線網絡之間的數據交換[4]，網絡通對單片機沒有什么特殊要求，可選用普通單片機，例如89C51等。可用匯編語言在單片機中寫入TCP/IP通信協議和RS－232、RS－485等現場總線及并行總線通信協議。它將從以太網接收來的IP包進行拆包取出數據，再按RS－232、RS－485等現場總線或并行總線通信協議重新組成新幀，發送給測控設備；或者將測控設備發來的數據幀，重新打成IP包向以太網發送。

　　硬件部分對各主要功能模塊采用基于單片機的模塊化設計，即分別設計了顯示控制模塊、讀卡模塊以及按鍵控制模塊，這些獨立模塊與主控芯片（MCU）之間的通信采用串口或I2C通信方式。采用模塊化的設計有利于減輕MCU的處理壓力，同時有利于提高各功能模塊與MCU之間的通信速度，提高硬件系統的靈活性與可擴展性，方便故障的排查。

　　2.1.3顯示板、鍵盤及感應天線板

　　顯示電路板由LPC932A、2塊LED數碼管顯示屏構成，每個顯示屏有6個漢字和2排數碼管，每排8個帶小數點數字；LPC932是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求；LPC932也集成了許多系統級的功能，這樣可以大大減少元件的數目、電路板面積以及系統的成本。鍵盤采用4×4矩陣形式，共16個鍵，鍵盤使用LPC932的鍵盤中斷工作方式，能夠完成功能選擇和圈存額查詢。感應天線是讀卡器發送載波信號的關鍵部件，用于向MF卡提供能量并在讀卡器和MF卡之間傳送信息，天線板的核心部分是天線與讀卡模塊間的耦合電路，為了節約成本、減小系統體積，采用PCB板天線設計，品質因數Q是一個很重要的參數。用于電感耦合式射頻識別系統的天線，其特征值就是它的諧振頻率和品質因數[3]。較高的品質因數值會增加天線線圈中的電流強度，由此可以改善對MF卡的功率傳送。

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　　2.2圈存機上位機軟件和WEB圈存繳費系統的設計

　　這2部分主要采用基于WEB的結構模式，包括2部分，一部分是采用WEB頁面形式對圈存機的進行參數修改、狀態監控、在線升級等管理；另外一部分是用戶圈存、查看消費記錄等操作在網上執行（用戶僅到了把圈存金額進行寫卡這一步聚時才須到圈存機上執行刷卡操作），圈存機控制和數據采集模塊則依然使用C/S模式，該模塊與圈存機處于校園網中同一個虛擬子網里。

　　2.2.1上位機主程序模塊結構模型圖

　　系統設計采用模塊化程序結構，由WEB圈存繳費子系統、圈存機控制和數據采集處理模塊、圈存機狀態和參數修改模塊、后臺數據處理組成。上位機部分的主要結構模型如圖3所示。

　　2.2.2數據采集

　　圈存機控制、數據采集模塊同圈存機的數據通信以及數據采集是本系統中非常關鍵的部分，必須做到通信數據安全、準確、實時和高效，鑒于此，為了提高通信效率和避免圈存機數量過多而出現的通信瓶頸，故采用不可靠投遞數據幀的UDP協議，雖然使用的UDP協議是不可靠的，但通過一定次數的數據幀應答和重發機制來彌補UDP協議的不足，通過記錄用戶第一次圈存刷卡時卡內余額，能有效地避免上位機監控程序沒有收到用戶圈存成功之后的上傳應答幀，而此時如果用戶再次在圈存機刷卡又會把圈存金額重復寫入卡片的情況，使用多線程的監控程序，增大監控程序的通信吞吐量，盡最大努力避免通信高峰期出現數據包丟失現象；對通信數據全部進行CRC冗余校驗，可避免通信雙方接收到錯誤或被篡改的數據，保證通信數據的一致性和正確性。

　　2.2.3WEB在線監控或修改圈存機的狀態和參數

　　WEB在線監控和修改模塊前臺表現為WEB網頁形式（合并于WEB圈存繳費系統后臺系統中），后臺調用SOCKET通信組件，SOCKET通常也稱作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄[4]。SOCKET服務端（內置于圈存機控制、數據采集模塊中）和SOCKET客戶端（位于WEB圈存繳費系統服務器中）同屬于一個校園網的子網中，所以2個SOCKET程序是基于局域網中的通信，較易實現；當用戶進行WEB網頁操作時，系統后臺調用客戶端的SOCKET組件，客戶端SOCKET根據自定義的通信規則向服務端SOCKET發出請求，接到請求后，向圈存機發出命令幀，圈存機接到定義幀后，作出應答和處理，結果再逆向返回給用戶。

　　2.2.4測試方法與技巧

　　單元測試、模塊測試和集成測試等測試方法嚴格貫穿于系統開發過程中，由于本系統自身的特點，獨辟蹊徑地使用了一些較特殊的方法，以達到相應的測試目的，例如模擬下位機的CreditsForLoadDriver的驅動程序、模擬建設銀行的網上銀行系統的BankStakeAndDDriver驅動和樁程序、模擬卡務中心系統、教務處的學生管理系統和財務處系統的驅動或樁程序等。這樣在虛擬的環境里就能夠很好地測試出軟件的性能和通信吞吐量，現實中不可能找出幾百臺圈存機來與圈存機控制、數據采集模塊進行真實的連接和通信，由于受條件限制，可以通過能夠模擬出幾百臺的圈存機驅動程序來測試通信控制模塊的效果。另外，為了很好地達到通信測試和錯誤修改的目的，建議盡可能使用市場上一些流行的抓包分析軟件。

　　3 試驗數據和結果分析

　　根據2.2.4節的方法實現實驗過程，下面以網上圈存交易系統和圈存機同圈存機控制、數據采集模塊之間的通信為例進行實驗，在圈存機通信的測試實驗中，把上位機軟件部分全部放置在WEB服務器上，測試工作則在其它普通的PC機上進行，使用模擬下位機的creditsForLoadDriver驅動程序測試圈存機控制及數據采集模塊的承載力，其實驗數據如表1所示。

　　從實驗結果來看，證明實驗方法正確、理論可行、系統設計良好。通過在學校實際使用和檢驗，該系統有如下優點。

　　(1)系統運行穩定，操作簡單；

　　(2)性能良好，圈存機故障率極低，通信效果十分好。

　　隨著計算機迅速普及和計算機網絡的快速發展，這給本系統的推廣和發展提供了良好的使用背景，系統中的圈存機開發和維護成本十分低廉，其每臺材料成本不到400元，售價在1000元左右，而市場上圈存機的售價普遍在7千元以上，而且傳統的圈存機體積大，移動十不便，我們設計出的圈存機體積很小，移動很方便，可以接入校園網范圍內的任何地點；另外，由于傳統圈存機的通訊需要直接與銀行通訊，所以還需要向通訊部門租于1條價格不菲的專線，而本系統圈存機與WEB圈存繳費系統的相結合，可免去專線的鋪設，因此WEB圈存繳費系統又可十分方便地擴展學費、等級考試、重修費等等支付功能。

　　從當前和發展的趨勢來看，本系統的設計和應用具有十分可觀的經濟價值和較大的市場發展潛力，部分技術對企事業單位在建設網上支付系統方面也有著一定的借鑒意義。

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　　參考文獻

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　　[3]鄭杰,徐晶．RFID讀寫器天線的研究與設計[J].微計算機信息,2007,8(2):228-229.

　　[4]張瑩,于重重,劉杰．基于DataSocket的果園生態環境遠程數據采集系統[J]．微計算機信息,2007,4(3):103-105．