基于数字化校园的一卡通系统设计与应用.doc

王思沫 汪志龙 谭雨晴 阮庭珅 蒋峰

摘 要： 针对当前校园一卡通系统存在的查询难、储值难等问题，基于无线通信、北斗定位等技术，设计一种新颖的智能校园一卡通系统。该系统将其后台数据库与手机APP端相连，学生使用其学号和密码登录APP，能自助办理充值、查询、转账、定位、上锁、解锁等业务，使得学生告別时间和空间上的限制，随时随地对自己的校园一卡通进行业务操作，具有较高的实用性和便捷性。

关键词： 校园一卡通； 手机APP； 无线通信； 自助业务； 转账； 系统设计

中图分类号： TN915?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）16?0055?04

Abstract： In allusion to the query and recharge difficulties existing in the current campus e?card system， a novel intelligent campus e?card system is designed based on the wireless communication technology and Beidou positioning technology. In the system， the background database is connected to the mobile phone APP. Students use their student IDs and passwords to log into the APP to independently handle services such as recharge， query， money transfer， positioning， locking and unlocking， so that they can be free from the limitation of time and space to conduct service operations on their campus cards anytime and anywhere， which has a high practicality and convenience.

Keywords： campus e?card； mobile phone APP； wireless communication； self?service operation； money transfer； system design

0 引 言

随着教育信息化的快速发展，校园一卡通已经成为高等院校加强基础管理的重要工具，同时也成为了学生在校园必不可缺的生活用品。然而，随着时代的发展，一卡通的革新似乎很少。当前，校园一卡通的充值方式有两种：一种是在工作时间到指定充值点由人工进行业务办理；另一种是在充值机器处自助办理业务。第一种充值方式受时间空间限制，第二种则受地点限制，深受广大学生的诟病。更为重要的是当一卡通一旦丢失，学生们往往很难在第一时间进行挂失，容易造成经济上的损失，同时补办一卡通也至少需要三天的时间，对学生的校园生活带来很多不便。文中针对当前校园一卡通系统存在的问题，结合“互联网+”以及北斗定位等技术[1]，设计一种新颖的智能一卡通系统，拟解决上述问题。

1 系统的硬件设计

1.1 智能校园一卡通芯片的设计

本文设计的智能校园一卡通系统由IC卡芯片、读写控制器以及数据中心组成。文中将重点介绍这3个部分的实现过程。

智能校园一卡通IC卡芯片以Freescale 16位单片机MC9S12XS128[2]作为控制核心器件，由嵌入式的操作系统进行统一调度从而最终达到实现多任务同时进行的目的，智能校园一卡通IC卡芯片的组成原理框图如图1所示。芯片中控制核心模块采用太阳能供电，然后通过LM7805芯片对所产生的电能进行稳压处理，最后使得机器一直处于工作状态。图1中，无线通信模块选用芯讯通（SIMCom）公司的SIMCom GSM/GPRS[3]，单片机通过USB接口与无线通信模块相连，该无线通信模块通过与手机APP服务器端无线通信的硬件接口连接来整体实现智能校园一卡通的通信。图1中的定位采用北斗定位模块，其中包括北斗卫星定位[4]单元：近程无线信标被动定位单元，单片机通过UART接口与该北斗定位单元连接，确定校园卡所在的经纬度信息。若智能校园卡不慎遗失，则可以根据定位信息迅速找回。

1.2 读写控制器设计

读写控制器不仅保证了智能校园一卡通系统具有优良的可靠性和绝对的安全性，还可以根据不同的场所，选择不同的读写终端，同时用户可以根据现有的网络情况、地理位置及一卡通信息流的计划，选择适当的网络结构。读写器[5]以射频识别技术为核心，读卡器采用双CPU系统设计，其中单片机89C52作为主控器件，通过P1口与串行器件24C64、显示、报警电路连接。显示模块采用串行方式进行通信，24C64用来存储本消费终端机地址和其他数据信息。

P0口分别与MMM微模块及CAN总线控制器SJA1000相连，用作数据线。监控电路选用DS1232L芯片，上电和掉电时给89C52、MMM模块及CAN总线控制器SJA1000产生RESET信号；看门狗对系统进行监控，防止死机。由于单片机的I/O口资源比较紧张，而键盘需要8个I/O口，因此，设计中键盘处理使用一个独立的从CPU（89C2051）完成。89C2051从按键扫描过程中获得键码，最后以串行的方式与主CPU进行通信，主CPU获得键码后再做相应的后续处理。读写器的电路原理如图2所示。

1.3 数据中心的组成

所设计的智能校园一卡通系统的网络结构采用多层C/S模式[6]：第一层以数据库服务器为中心的局域网的分布式结构；第二层以应用服务器为中心的局域网的分布式结构；第三层以第二层局域网的网络工作站作为控制主机的现场总线网络结构，该层网络控制各个校园卡收费终端，其系统数据中心组成框图如图3所示。

1.4 基于数据中心的北斗定位功能

为实现智能校园一卡通的定位功能，设计中将北斗芯片装载在能自动检测智能校园一卡通PVC卡的装置上，通过北斗终端定位系统得到相应的位置坐标，然后由数据中心进行计算处理来确定智能校园一卡通的位置。北斗终端的定位是基于伪距测量原理实现的。在用户位置未知的卫星导航定位中，用户位置有三个未知数，定位时间由于也是未知量，所以单频点在定位的时候至少需要接收4颗卫星信号才能实现定位。假设由导航电文计算得到的4颗北斗卫星的坐标分别为[（x1，y1，z1）]，[（x2，y2，z2）]，[（x3，y3，z3）]，[（x4，y4，z4）]；用户位置坐标为[（ρ1，ρ2，ρ3）]；用户钟相对于UTC时间的钟差为[Δt]，则有：

2 智能校园一卡通系统的软件设计

智能校园一卡通系统的软件由嵌入式操作系统控制程序、无线通信控制程序、IC卡读写程序、定位数据处理程序、基于Android手持终端的APP程序等组成。限于篇幅，这里只介绍APP程序的设计流程和嵌入式控制程序。

2.1 基于Android 的APP程序开发

智能校园一卡通系统的手持终端APP基于Android操作系统开发。文中采用Android开发技术和服务器、数据库原理等相关技术，并运用NET.Framework4的开发端环境和MVC框架（模型?视图?控制器）模式[7]的Native技术手段开发手机应用服务端，通过无线通信系統（3G/4G/WiFi信号）将智能校园一卡通与手机APP端对接，实现功能强大的智能校园一卡通与APP应用，开发流程如图4所示。

APP应用程序利用Java语言来开发，由于还需要基于Dalvik的虚拟机，因此，选用Google公司推荐的Java集成开发环境Eclipse。同时选用了由SUN公司提供的Java SDK，其中包括JRE（Java Runtime Environment）。此外，进行Android的应用程序开发还需要有Google提供的Android SDK，并需要在Eclipse中安装ADT，为Android开发提供开发工具的升级或者变更。

在手机APP端中采用C/S（Client/Server）模式，在eclipse中采用Android DeveloperTools为开发工具[8]，界面的整体布局以LinearLayout和RelativeLayout为主，界面的视图、字体，图片等经过美化处理，适合手机用户浏览和操作。选用Android系统中的核心组件Activity 、Service，核心组件之间的通信功能由Intent来实现。手机APP端连接服务器端采用TCP/IP网络协议，为降低数据传送的流量，在数据接收上采用轻量级的Json数据交换格式，从而实现校园一卡通查询、充值、转账、定位、上锁、解锁6个功能模块，其中定位功能采用HTML5定位实现[9]。

与手机APP通信的服务器端采用经典的MVC设计模式结合Tomcat 6.0和SQL Server数据库搭建而成。利用JDBC 访问后台数据库，选用queryBalanceServlet处理查询校园一卡通内余额操作；选用lockCardServlet处理学生锁定校园一卡通操作；选用rechargeConsumptionServlet处理学生充值操作；选用showNewsServlet处理学生查看校园一卡通定位功能等，同时系统选用MD5加密系统进行敏感数据的加密[10]，比如支付密码、登录密码等。APP无线通信操作利用Java语言中常用的网络通信方式[11]让开发的APP与相关服务器端使用的ServerSocket产生的实例Socket对象连接。设计中指定服务器的程序端口号和IP地址，使得APP与PC服务器处于同一局域网。此时，一旦APP与Socket之间有动作产生，客户端便会建立虚拟链路，从而获取其中的istream和ostream，发送和接收服务器中XML存储的数据[12]，并使用DOM4J来解析数据。之后布局信息也将通过DOM4J强制转换成XML文档，反馈给服务器端。

2.2 嵌入式控制核心模块软件进程

智能校园一卡通IC卡芯片以Freescale 16位单片机MC9S12XS128作为控制核心器件，由嵌入式的操作系统进行统一调度从而最终达到实现多任务同时进行的目的，嵌入式控制核心模块软件进程包括3个线程。线程1为主流程，实现对校园一卡通钱包进行实时显示，线程2实现对钱包的实时记录监测模块通信，线程3为通信与定位线程，实现与北斗定位模块和无线通信模块通信，其中还设置了一个所有线程共享的内存空间用来进行线程之间的数据传递，同时线程1与线程2及线程3之间还可以进行消息的传递。嵌入式控制核心模块线程图如图5所示。

3 APP界面测试以及系统联调

智能校园一卡通系统的APP界面[13]用Java语言进行编程实现，该APP界面实现了查询、转账、充值、定位等功能，实现流程图如图6所示，APP应用界面见图7。

4 结 论

本文系统为高校学生提供了极大的便利。线上的自助一卡通业务操作告别了传统线下排队办理业务的麻烦，不受时间和空间限制，随时随地办理充值、查询、转账、定位、上锁、解锁等业务。一旦遗失一卡通，也能在第一时间进行上锁（挂失），再通过定位功能查询详细位置，从而在第一时间找回丢失的一卡通，找回后一键解锁，使一卡通正常使用，极大可能地减少一卡通丢失所造成的损失，具有较高的实用性。

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