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分析移動(dòng)支付POS終端系統軟件

陳群賢 2011/04/28

　　摘要：本文介紹了GPRS無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)與無(wú)線(xiàn)打印終端系統之間的實(shí)時(shí)數據通信流程、通信協(xié)議及其軟件設計與實(shí)現方法，詳細地分析了各軟件層次的實(shí)現方法和TCP/IP在RABBIT3000上的實(shí)現，達到了移動(dòng)支付即時(shí)獲取的設計目的，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

　　引言

　　在信用卡應用不到半個(gè)世紀，支付方式又將經(jīng)歷一次歷史性的變革——基于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)上的移動(dòng)支付方式的出現，使支付形式徹底擺脫空間上的一切束縛，不但廣泛而便捷地應用在固定交易場(chǎng)所；而且可以實(shí)現移動(dòng)過(guò)程中的支付功能，從而為消費者創(chuàng )造了更靈活、更親切的消費環(huán)境，實(shí)現了錢(qián)包的電子化、移動(dòng)化，是一種全新的支付手段。

　　目前，世界各國都在積極研究這項新興的移動(dòng)支付系統，澳大利亞和芬蘭已經(jīng)率先推出了商用模式，廣東省也在國內第一個(gè)推出了商用的移動(dòng)支付系統，移動(dòng)用戶(hù)可以通過(guò)他們的手機購買(mǎi)地鐵票、可樂(lè )、零食等商品。據統計，移動(dòng)終端將在三至五年內將成為廣泛使用的支付工具，然而這種新興的支付方式，還不能提供消費者票據憑證，這不符合中國人目前的消費觀(guān)念，人們急待一種能夠獲取票據憑證的方法來(lái)完善這一新興的支付方式，基于這種狀況研制開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)POS 打印終端系統就很有必要。

　　1、系統總體方案的設計

　　系統總體框圖如圖1所示：
　　

　　統組成說(shuō)明：主控CPU 采用Z-WORLD 公司的RABBIT3000，SRAM 采用CYPRESS 公司的CY62128，FLASH 采用SST 公司的SST39VF020，打印機采用GPRINTER 公司的GP－7635，GPRS模塊采用西門(mén)子公司的MC35，CPU 內嵌TCP／IP 協(xié)議棧。

　　系統整體框架如下，為了控制整個(gè)系統穩定運行，系統需要一個(gè)微處理器，為了打印出一張憑證，系統需要一個(gè)微型打印機。因為系統需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式接入Internet，所以該系統還需要一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信模塊，該通訊模塊可以接入Internet，選用GPRS 通信模塊或者CDMA 通訊模塊。為了接入Internet，僅僅有一個(gè)通訊模塊還不行，還需要遵循Internet 的共有通信協(xié)議。這樣改系統有好幾種組合方式，本系統選用內嵌TCP／IP 協(xié)議棧的CPU。采用MCU 及固化了TCP／IP 協(xié)議的芯片組成應用系統的核心，應用系統可以直接上網(wǎng)，硬件電路相對簡(jiǎn)單。該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)；①不依賴(lài)PC 機或高檔單片機，真正實(shí)現8 位單片機系統直接接入Internet，整個(gè)系統完全自給自足；②使用外圍器件少，系統成由低。

　　2、軟件層次結構

　　程序中的所有代碼都是由C 語(yǔ)言編寫(xiě)的，并采用分層的結構，從底到上分別為：串口驅動(dòng)層、GPRS 模塊驅動(dòng)層、PPP 協(xié)議層、IP 協(xié)議層、UDP 協(xié)議層與應用層。上層函數的實(shí)現需要應用到底層函數，而底層函數的任務(wù)就是為上層函數提供服務(wù)，最終完成應用層任務(wù)——傳送數據。各層的主要函數如圖2 所示：
　　

　　2.1 驅動(dòng)程序編寫(xiě)

　　首先是串行口驅動(dòng)層。它實(shí)現打開(kāi)串口（OpenComm）、關(guān)閉串口（CloseComm）、讀串口數據（ReadComm）、寫(xiě)串口數據（WriteComm）等函數。例如 WriteComm 函數向串口發(fā)送一個(gè)字節的數據，而transmit 函數向串口發(fā)送一個(gè)字符串的數據。

　　然后，在這些串口函數的基礎上編寫(xiě)GPRS 模塊的驅動(dòng)函數。微控制器通過(guò)串行口控制GPRS模塊，進(jìn)行撥號、設置等操作。控制的方法是采用AT 命令。在控制GPRS 模塊撥打移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)GGSN的登錄號碼“*99**1#”之后，GPRS 模塊就轉入在線(xiàn)模式（0n－Line）。此時(shí)微控制器向串行口發(fā)送的所有數據都透明地傳送給了GGSN ，同樣GGSN 的回答也傳回單片機的串行口。當數據傳送完成后，微控制器需要通知 GPRS 模塊結束會(huì )話(huà)，并從在線(xiàn)模式轉口普通的命令模式，這可以通過(guò)置高DTR 線(xiàn)完成。同時(shí)，如果線(xiàn)路由于異常斷開(kāi)，CD 線(xiàn)會(huì )回復到平常的低電平，所以處于在線(xiàn)模式下也要不斷檢測CD 線(xiàn)是否處于高電平。根據這些操作，可以編寫(xiě)GPRS 驅動(dòng)函數：初始化GPRS模塊函數（GPRSInit）、撥號函數（GPRSDial）、斷開(kāi)連接函數（GPRSHangup）、檢測是否處于在線(xiàn)狀態(tài)函數（GPRS0nline）。

　　這些底層的驅動(dòng)函數將會(huì )使上層協(xié)議的編寫(xiě)很方便，更重要的是，它為我們提供了一個(gè)驅動(dòng)抽象層。當底層硬件做出改動(dòng)的時(shí)候，只需要對底層的驅動(dòng)函數進(jìn)行改動(dòng)，而上層函數的代碼不變。

　　2.2 PPP協(xié)議的實(shí)現

　　由于移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)的GGSN與GPRS模塊通信時(shí)遵循PPP 協(xié)議，所以要在微控制器中也實(shí)現一部分PPP協(xié)議才能與之對話(huà)。GPRS 模塊在撥號后首先要與GPRS 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信鏈路的協(xié)商，即協(xié)商點(diǎn)到點(diǎn)的各種鏈路參數配置。協(xié)商過(guò)程遵守LCP（Link Control Protocol）、PAP（Password AuthenticationProtocol）和IPCP（Internet Protocol Control Protocol）等協(xié)議。其中 LCP 協(xié)議用于建立、構造、測試鏈路連接；PAP 協(xié)議用于處理密碼驗證部分；IPCP 協(xié)議用于設置網(wǎng)絡(luò )協(xié)議環(huán)境，并分配IP 地址。

　　協(xié)商機制用有限狀態(tài)機的模型來(lái)實(shí)現。一旦協(xié)商完成，鏈路已經(jīng)創(chuàng )建，IP 地址已經(jīng)分配就可以按照協(xié)商的標準進(jìn)行IP 報文的傳輸了。根據應用的不同，IP 報文中可以攜帶UDP 報文，也可以是TCP或ICMP 報文。數據傳輸完成之后，微控制器會(huì )向GGSN 發(fā)送LCP 的斷開(kāi)連接報文，以終止網(wǎng)絡(luò )連接。

　　微控制器的串口中斷接收程序首先以包起始和結束符來(lái)判斷是否有完整的PPP 包，并對PPP 包的內容進(jìn)行校驗；以確定數據包的完整性和正確性。然后，在主循環(huán)中進(jìn)入PPP 報文解析模塊，解析過(guò)程如圖4 所示。
　　

　　2.3 登錄GGSN 的過(guò)程

　　系統的一個(gè)難點(diǎn)是微控制器登陸 GPRS 網(wǎng)關(guān)（GGSN）并與網(wǎng)關(guān)通過(guò)LCP、PAP、IPCP 協(xié)議進(jìn)行協(xié)商的過(guò)程。LCP、PAP 與IPCP 協(xié)議的幀結構大同小異，最常用的為請求（REQ）、同意（ACK）和拒絕（NAK）三種幀。微控制器與GGSN 各為一方進(jìn)行協(xié)商，任何一方都可以發(fā)送REQ 幀請求某方面的配制，另一方覺(jué)得配置不能接受會(huì )回應NAK 幀，如果可以則回應ACK 幀。為了節省資源，我們只處理這三種數據幀，其它鏈路問(wèn)題都由微控制器在程序控制下自己重新?lián)芴柦鉀Q。協(xié)商過(guò)程大致描述如下：在撥號成功連接后，GGSN 首先會(huì )返回一個(gè)PAP REQ 數據幀。我們發(fā)送一個(gè)空 LCP REQ 幀，以強迫進(jìn)行協(xié)議協(xié)商階段。隨后，GGSN 發(fā)送LCP 設置幀，我們拒絕所有的設置并請求驗證模式。GGSN 選擇CHAP 或PAP 方式驗證，我們只接受PAP 方式。然后，進(jìn)行PAP 驗證用戶(hù)名和密碼過(guò)程，在GPRS 中用戶(hù)名與密碼都為空，如果成功，GGSN 會(huì )返回IPCP報文分配動(dòng)態(tài)IP 地址。此時(shí)，就完成了與GGSN 的協(xié)商過(guò)程。協(xié)商過(guò)程的狀態(tài)轉換如圖5 所示。
　　

　　協(xié)商完成后進(jìn)入 IP 數據報通信階段。此時(shí)，微控制器向GGSN 發(fā)送的所有包含IP 報文的PPP 報文都會(huì )被傳送給Internet網(wǎng)中相應的IP地址；而遠端所有向微控制器IP地址發(fā)送的報文也都會(huì )經(jīng)GPRS網(wǎng)傳送到微控制器上，從而完成微控制器與遠程主機通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的數據傳輸。

　　　　3、TCP/IP 在 RABBIT3000 上的實(shí)現

　　Rabbit 3000 系列芯片是一種高性能8 位器件。由于其C 語(yǔ)言友好指令集和快速數字處理功能，因而受到矚目。Rabbit 結構以Zilog 公司的原始Z80 微處理器為基礎，但作了幾項改進(jìn)：不像Z80指令集那樣使用16 位尋址覆蓋存儲空間，而用一個(gè)20 位或1MB 的實(shí)際存儲空間；采取直接與靜態(tài)存儲器件相連接的方式；有3 條存儲芯片選擇線(xiàn)路和2 組寫(xiě)入/輸出啟動(dòng)線(xiàn)路；片上外設包括4 個(gè)串行端口、l 個(gè)子端口、40 條p 線(xiàn)、7 個(gè)不同的定時(shí)器、精確脈沖發(fā)生硬件和電池支持的RTC。

　　用戶(hù)只需對應添加相關(guān)芯片及輔助設施（如電源、用戶(hù)所需外設等）即可；而軟件的實(shí)現，由于 Rabbit 3000 系列芯片得到 Dynamic C 編譯器的支持以及實(shí)現TCP/IP 所需的庫文件dcrtcp.lib，因此只要會(huì )用C 語(yǔ)言就可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)。用戶(hù)關(guān)注的重點(diǎn)也變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò )通信實(shí)現以后的代碼編制及優(yōu)化，可以極大提高開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

　　以下是 Dynamic C 實(shí)現 TCP/IP 協(xié)議通信的程序主體框架。程序中起始宏定義為默認IP 配置信息；“memmap”句可使程序在芯片里面運行時(shí)，如同在擴展代碼窗口下被編譯；“use”句使編譯器按照庫文件配置編譯代碼。

　　＃define TCPCONFIG 1
　　＃memmap xmem
　　＃use dcrtcp.lib
　　main()｛
　　sock_init()；
　　for(；；) ｛
　　tcp_tick(NULL);}
　　｝

　　sock_init()和 tcp_tick()都是 TCP/IP 函數庫的基本函數，前者為初始化TCP/IP 協(xié)議棧函數，使協(xié)議棧開(kāi)始處理入棧數據報；后者主要有兩個(gè)用途：①支持后臺處理的最新信息；②測試 TCP/IP套接字的狀態(tài)。

　　利用Dynamic C 提供的TCP/IP 協(xié)議包，用戶(hù)可以輕松建立起TCP/IP 通信。當通信建立以后，就可以在此基礎上進(jìn)行后續的進(jìn)一步功能擴展，開(kāi)展例如 HTTP、PPP 等應用層的協(xié)議實(shí)現。

　　4、系統軟件部分實(shí)現

　　本系統軟件部分主要包括4 個(gè)部分，l、GPRS 撥號部分2、TCP/IP 協(xié)議棧部分3、打印驅動(dòng)部分4、存儲部分。

　　GPRS 撥號部分主要是采用PPP 協(xié)議向移動(dòng)服務(wù)中心發(fā)出一個(gè)使用其網(wǎng)絡(luò )的請求，并有服務(wù)中心驗證通過(guò)，TCP/IP 協(xié)議棧是現在網(wǎng)絡(luò )傳輸數據所共同遵循的網(wǎng)絡(luò )傳輸與控制協(xié)議，打印驅動(dòng)部分主要是控制打印機把需要打印的憑證給打印出來(lái)，存儲部分主要是對存儲器的控制以存儲數據等信息。

　　5、結語(yǔ)

　　本移動(dòng)支付系統充分考慮人們“一手交錢(qián)，一手交貨”的消費心理，利用無(wú)線(xiàn)票據打印終端（無(wú)線(xiàn)POS 終端）打印收據，打印終端通過(guò)識別短消息的來(lái)源進(jìn)行身份驗證，依據客戶(hù)需要，打印客戶(hù)電話(huà)號碼（或客戶(hù)身份驗證代碼）、交易金額、交易時(shí)間、交易方打印POS 機器編號以及交易費用等詳細信息，并可實(shí)現多層紙的打印。

　　無(wú)線(xiàn)POS 終端采用GPRS 方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接到移動(dòng)局的GGSN，移動(dòng)局的GGSN 通過(guò)Internet 與支付系統連接，這樣無(wú)線(xiàn)POS 終端就可以與支付系統進(jìn)行TCP/IP 通信。 GPRS 無(wú)線(xiàn)數據傳輸具有設備成本低、數據傳輸安全可靠、使用靈活方便等特點(diǎn)，非常適合在無(wú)線(xiàn)POS 終端上應用，因此無(wú)線(xiàn)票據打印終端具有接通速度快、傳輸速率高、配置靈活、建設成本低等優(yōu)點(diǎn)。雖然目前國內市場(chǎng)上已有移動(dòng)支付（利用手機支計小面額貨款），但是用戶(hù)在使用的過(guò)程中；沒(méi)有一個(gè)憑證并且在出現問(wèn)題時(shí)（如手機中的錢(qián)被多扣除或者其他情況人用戶(hù)也沒(méi)有憑據與貨主進(jìn)行核實(shí)，也就是說(shuō)目前移動(dòng)支付沒(méi)有形成一個(gè)閉環(huán)。這也是移動(dòng)支付推廣緩慢的一個(gè)原因。我們推出基于移動(dòng)支付的無(wú)線(xiàn)POS 打印終端正好解決了這個(gè)問(wèn)題，它將廣泛應用于連鎖便利店、藥店、報亭、自動(dòng)售貨亭等地方，這將大大地改善人們的生活水平，使人們的生活更加便利。

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