吳宇航 謝少偉 俞軻鑫 黃恒英

（浙江水利水電學(xué)院，浙江杭州310018）

0 引言

隨著淡水資源日益短缺，用水管理逐漸加強(qiáng)，供水企業(yè)管理的水表數(shù)急劇增加，為方便管理與提倡節(jié)約用水，很多地區(qū)尤其是一些缺水地區(qū)，預(yù)付費(fèi)水表的應(yīng)用正在日益增加。目前預(yù)付費(fèi)水表主要有兩種形式：IC卡式[1]及代碼式[2]。這兩種形式主要存在以下問題[3]：IC卡預(yù)付費(fèi)水表，需要建立營(yíng)業(yè)廳，用戶到指定地進(jìn)行充值，易丟卡；代碼式預(yù)付費(fèi)水表，需要將代碼手動(dòng)輸入到水表，操作不便，并對(duì)安裝空間及位置要求較高。

本文提出了一種基于MIT App Inventor設(shè)計(jì)的預(yù)付費(fèi)水表手機(jī)充值系統(tǒng)，較好地解決了預(yù)付費(fèi)水表存在的上述問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為預(yù)付費(fèi)水表手機(jī)充值系統(tǒng)框圖。代碼式預(yù)付費(fèi)水表通過增加內(nèi)置式“藍(lán)牙接口”單元，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)終端的通信。手機(jī)通過第三方支付平臺(tái)完成預(yù)付費(fèi)后，獲取加密的預(yù)付費(fèi)代碼，預(yù)付費(fèi)代碼與水表身份（固化在水表中的身份識(shí)別號(hào)）關(guān)聯(lián)，無法在其他水表使用，具有唯一性，降低了移動(dòng)支付系統(tǒng)中代碼安全性要求。手機(jī)終端采用藍(lán)牙通信方式，通過App軟件將預(yù)付費(fèi)代碼發(fā)送至預(yù)付費(fèi)水表，實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)充值、余額及用水量查詢等功能。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 預(yù)付費(fèi)水表藍(lán)牙接口單元

可采用串口透?jìng)魉{(lán)牙模塊，通過串口與預(yù)付費(fèi)水表進(jìn)行通信。本次設(shè)計(jì)采用HC-05模塊，該模塊基于英國(guó)CSR公司BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.1+EDR藍(lán)牙規(guī)范，手機(jī)普及程度較高，但功耗相對(duì)較大，Page scan狀態(tài)時(shí)的平均功耗為0.42 mA，Standby Host connection狀態(tài)時(shí)的平均功耗為40 μA。對(duì)于預(yù)付費(fèi)充值來說，由于使用頻率很低，可以采用圖2所示的工作電源控制原理圖，通過控制圖2中的使能端EN，使HC-05藍(lán)牙模塊間隙式工作，間隙時(shí)間遠(yuǎn)大于工作時(shí)間，以降低功耗。圖2中Q1為P溝道MOS管，當(dāng)EN為低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，輸出3.3 V工作電壓到HC-05藍(lán)牙模塊。

圖2 工作電源控制原理圖

3 預(yù)付費(fèi)充值手機(jī)App設(shè)計(jì)

3.1 MIT App Inventor

采用MIT App Inventor工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，MIT App Inventor是以可視化編程語言為基礎(chǔ)的Android應(yīng)用開發(fā)工具，它拋棄了復(fù)雜的程序代碼，事先將代碼全部編寫完畢，用戶只要根據(jù)自己的需求編寫簡(jiǎn)單的代碼拼裝程序，使用樂高積木式的堆棧法來完成Android程序設(shè)計(jì)[4]。

3.2 通信協(xié)議

主要包括充值及查詢兩個(gè)方面，查詢數(shù)據(jù)主要包括：余量查詢、累計(jì)購(gòu)買量查詢、累計(jì)使用量查詢等。以下為本次設(shè)計(jì)采用的預(yù)付費(fèi)水表通信協(xié)議：

手機(jī)App發(fā)送的命令格式：前導(dǎo)字符+通信地址數(shù)據(jù)幀+命令代碼數(shù)據(jù)幀+CS校驗(yàn)碼+結(jié)束字符。

水表返回的數(shù)據(jù)格式：前導(dǎo)字符+通信地址數(shù)據(jù)幀+返回?cái)?shù)據(jù)幀+CS校驗(yàn)碼+結(jié)束字符。

相關(guān)說明：

（1）通信地址：為6字節(jié)，每個(gè)水表都有唯一的地址，需要在手機(jī)App中輸入并保存。

（2）命令代碼：余量查詢?yōu)?2（5字節(jié)，前4字節(jié)為00，下同）；累計(jì)購(gòu)買量查詢?yōu)?7；累計(jì)使用量查詢?yōu)?1等。充值命令代碼：06（5字節(jié)）+10字節(jié)加密的預(yù)付費(fèi)代碼。預(yù)付費(fèi)代碼需要在手機(jī)App中輸入。

（3）CS檢驗(yàn)碼：為通信地址數(shù)據(jù)幀、命令代碼數(shù)據(jù)幀或返回?cái)?shù)據(jù)幀的所有字節(jié)的累加和，單字節(jié)，不計(jì)溢出值。

（4）返回?cái)?shù)據(jù)幀格式：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+狀態(tài)字+命令代碼+返回?cái)?shù)據(jù)。查詢時(shí)狀態(tài)字：00表示讀取數(shù)據(jù)成功，01表示讀取數(shù)據(jù)不成功，后面的返回?cái)?shù)據(jù)無效。查詢時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)為5字節(jié)16進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制后最后1位為小數(shù)，水表及手機(jī)App上的顯示數(shù)據(jù)為6位，如：00000.6 m3。充值時(shí)狀態(tài)字：03表示充值成功，其他數(shù)據(jù)表示充值不成功，充值時(shí)狀態(tài)字及命令代碼后無返回?cái)?shù)據(jù)。

3.3 App交互界面設(shè)計(jì)

圖3為App交互界面。按照系統(tǒng)的功能需求，用組件設(shè)計(jì)器把開發(fā)軟件需要的設(shè)計(jì)功能組件擺放到手機(jī)設(shè)計(jì)界面上，本設(shè)計(jì)所需要的設(shè)計(jì)功能組件有按鈕（完成相應(yīng)功能的控制）、標(biāo)簽（用于提示以及顯示水表返回?cái)?shù)據(jù)）、文本輸入框（用于輸入通信地址與預(yù)付費(fèi)代碼）、對(duì)話框（用于發(fā)送警告信息）、微數(shù)據(jù)庫1（用于存儲(chǔ)通信地址）、藍(lán)牙客戶端1（通過藍(lán)牙使手機(jī)與水表通信）、計(jì)時(shí)器1（用于接收水表返回值）等，各功能設(shè)計(jì)組件按照項(xiàng)目需求設(shè)置相應(yīng)的功能屬性和界面位置。

3.4 主要功能實(shí)現(xiàn)

3.4.1 通信地址輸入及保存

通過邏輯設(shè)計(jì)器來組裝程序塊，首先將輸入的通信地址添入列表項(xiàng)保存。然后將列表保存入微數(shù)據(jù)庫，使通信地址保存在手機(jī)本地?cái)?shù)據(jù)庫中，如圖4所示。

圖4 通信地址輸入及保存程序代碼

3.4.2 預(yù)付費(fèi)代碼輸入

首先對(duì)藍(lán)牙是否連接，通信地址與充值碼輸入框是否為空進(jìn)行判斷。然后將輸入框中的數(shù)據(jù)通過“提取文本字串”加入到“充值列表”，如圖5所示。最后通過藍(lán)牙發(fā)送列表并更新手機(jī)交互記錄，如圖6所示。

圖5 文本字串的提取與充值列表的創(chuàng)建程序代碼

圖3 手機(jī)App交互界面設(shè)計(jì)圖

圖6 充值按鈕程序代碼

3.4.3 CS檢驗(yàn)碼計(jì)算

首先提取“通信地址輸入框”中的相應(yīng)字串，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制之后求和。然后將前一步驟所得的值與事先求得的固定值相加，并設(shè)定為局部變量“求和”。最后進(jìn)行溢出值判斷之后得出CS校驗(yàn)碼，如圖7所示。

3.4.4 查詢數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及顯示

首先對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，確定為何種命令的返回?cái)?shù)據(jù)，然后進(jìn)行校驗(yàn)碼CS判斷，最后將返回?cái)?shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)位置的列表項(xiàng)提取出來，并運(yùn)用AI2自帶的“轉(zhuǎn)換字符塊”轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，在合并字符串之后再轉(zhuǎn)回十進(jìn)制數(shù)，并套用公式處理，形成所需值，進(jìn)行相應(yīng)的顯示，如圖8所示。

4 結(jié)語

基于藍(lán)牙通信，采用簡(jiǎn)單而能快速掌握的Android應(yīng)用開發(fā)工具M(jìn)IT App Inventor，完成了預(yù)付費(fèi)水表手機(jī)充值系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)付費(fèi)水表充值及數(shù)據(jù)查詢相關(guān)功能，系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際使用，穩(wěn)定可靠。

圖7 CS校驗(yàn)碼計(jì)算程序代碼

圖8 查詢數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及顯示程序代碼

[1]龔靜雯，全書海.代碼式預(yù)付費(fèi)水表繳費(fèi)發(fā)行管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2005，27（3）：110-113.

[2]澤越科技.各種預(yù)付費(fèi)水表的優(yōu)缺點(diǎn)[EB/OL].（2013-09-23）[2018-04-10]https://wenku.baidu.com/view/887607d37c1cfad6195fa7c1.html.

[3]邢偉華.預(yù)付費(fèi)智能水表現(xiàn)狀調(diào)查：智能水表問題及解決[EB/OL].（2011-05-11）[2018-04-10]https://wenku.baidu.com/view/9b4a65 dbad51f01dc281f12a.html.

[4]張居彥.移動(dòng)App設(shè)計(jì)工具Inventor[J].電子世界，2013（15）：170-171.