基于數字貨幣的物聯支付終端設計

杜運福，左 勇，宗海樂

（安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

近年來，隨著物聯網發展的突飛猛進，物聯網IoT設備數量呈指數增長，大規模物聯網的設備信息、數據交互的應用具有巨大的價值；與此同時，價值的交易對貨幣流動載體提出了更高要求[1-3]。自2014年起，中國人民銀行便成立了專門的數字貨幣研究團隊，逐漸讓數字貨幣及電子支付（Digital Currency Electronic Payment,DCEP）[4-6]進入公眾視野。而作為央行發布的DCEP更是具有M0（流通中的貨幣）替代、雙層運營模式、賬戶松耦合、支撐雙離線交易等特點，其與移動物聯支付天然契合，為人與物之間、物與物之間的信息交互及價值交換提供流動性介質，提供了廣泛信任與協作的金融基礎設施。

目前智能電能表及用電終端已基本實現全面覆蓋，是具有天然優勢的物聯網設備。在物聯網和數字經濟蓬勃發展的背景下，基于數字貨幣的物聯支付終端的研制，對于探索基于DCEP的本地實時結算和移動物聯支付，提升服務便捷性、高效性、智慧性，實現萬物互聯、物物支付具有重要意義。

1 需求分析

目前采用的線下繳費模式，主要存在幾個方面的不足：①傳統繳費模式不便捷，如遇距離用戶較遠、通行道路不暢、惡劣的天氣等影響，線下繳費往往會造成用戶用電不及時；②傳統繳費模式耗時較長，對于某些用戶群體如孤寡老人等多有不便；③傳統模式無法準確估計剩余電費，容易造成繳費不及時，這些情況尤其體現在農村電網的居民用電中。在廣大電力用戶對繳費便捷度和舒適度要求提升的大背景下，線下繳費已經嚴重影響了用戶的用電體驗。現階段雖然可以采用支付寶、微信APP等第三方軟件完成線上支付繳費，緩解了線下現金支付困難造成的不便，但是線下繳費、電費虧欠、即時用電以及網絡通信問題尚無有效的解決方案[7]。對此，為了實現電力行業全面保障可靠供電，進一步滿足社會經濟發展用電需求，針對數字貨幣移動物聯支付方式的研究勢在必行。

2 系統方案

本文對基于數字貨幣的物聯支付終端實現方法開展研究，研制一套集數字貨幣物聯支付終端、智能電能表、電網側業務系統、銀行側DCEP交易中心等于一體的數字貨幣電費交易系統[8]，并開展試點應用。整個系統的架構示意圖如圖1所示。該系統以智能電能表為基礎，研發智能物聯控制模塊、數字貨幣交易模塊，通過公網、銀行專網、電力專網的通信交互，實現電網與銀行系統的融合，從而完成電費本地支付及交易，實現用戶側用電“即付即用、實時結算、靈活支付”，滿足用戶便捷用電和智慧用電體驗。

圖1 系統架構示意圖

數字貨幣電表物聯支付的工作業務流程可以詳細描述為：（1）本地用戶賬戶通過DCEP物聯支付后，數字貨幣交易模塊進行身份認證、建立對應關系，自動同步信息至智能物聯控制模塊，進而發送指令自動控制電能表合閘，實現用戶“即來電”；（2）智能物聯控制模塊通過透抄電能表實時數據，自動算費后將電費額發送至數字貨幣交易模塊，進行本地交易結算，從而達到實時結算的功能[9]；（3）當用戶結束用電，主動發起交易請求時，數字貨幣交易模塊將交易請求、實時請求同步至智能物聯控制模塊，智能物聯控制模塊發送指令自動控制電能表分閘，進行電費清算，退還剩余電費，該模塊同時支持雙離線支付；（4）交易后用戶錢包、電力公司錢包資金實時到賬，無需銀行再進行清算和結算，支付即結算。

3 硬件設計

本文圍繞國家電網公司智能電網“信息化、自動化、互動化”的建設要求，基于“模塊化、平臺化”的設計思路[10]，采用標準化原理圖和印制版圖設計方式，進行終端硬件設計。終端硬件的結構如圖2所示，主要包含MCU（型號GD32F305）、鐵電存儲器、FLASH存儲器、RTC時鐘芯片、SGM706看門狗芯片、RS 485抄表硬件接口、數字貨幣支付模塊（簡稱支付模塊）、HPLC上行通信功能模塊和7英寸觸摸屏顯示交互模塊，其中數字貨幣支付模塊支持通過觸摸屏進行人機交互配置，以實現相關電費業務的交易結算。

圖2 硬件結構

3.1 支付模塊

支付模塊設計為獨立的安全加密模塊。外部支持RS 485通信和4G無線方式通信，工作電源為12 V。

支付模塊集成安裝到終端內部，通過排線方式連接。終端為支付模塊提供12 V直流工作電源，終端與支付模塊通信采用RS 485通信。終端的支付模塊接口硬件設計如圖3所示。

圖3 支付模塊接口硬件設計

3.2 觸摸屏交互模塊

終端選用7英寸1024*600圖形點陣65K色電容觸摸屏作為交互界面，觸摸屏支持通過SD卡配置和裝載由PC開發的交互界面數據。觸摸屏支持RS 232串口通信，通信速率可以自由配置。

終端采用排線的方式與觸摸屏連接，并為觸摸屏提供12 V工作電源，通過UART串口轉RS 232方式與觸摸屏的通信串口連接。

3.3 抄表接口設計

設計一路UART串口轉外部RS 485通信，終端通過RS 485可以抄讀電表數據和控制電表。

3.4 存儲設計

存儲上，設計I2C接口的8 KB鐵電儲存器和標準SPI通信接口的8 MB外部NorFLASH存儲器。

4 軟件設計

終端軟件功能包括支付模塊交易、觸摸屏交互、抄表計費、HPLC上行通信和存儲等功能。

4.1 支付模塊交易功能設計

支付模塊內部實現查詢余額、電費支付和用戶充值等功能。部分支付模塊命令定義見表1所列。

主程序通過輪詢方式執行支付模塊的通信交互處理任務。支付模塊的交互流程如圖4所示。程序默認每3 s查詢一次支付模塊的用戶錢包和電力公司商戶錢包金額，并同步到屏幕顯示。當查詢到的用戶余額小于門檻0.1元時，執行用戶表計分閘斷電操作。用戶余額不小于門檻0.1元時，用戶表計正常合閘供電。

圖4 支付模塊交互流程

在非查詢狀態下，自動根據抄讀的電表計量計費信息累積用戶的待支付電費數據，當待支付電費>門檻0.1元時，終端下發支付命令給支付模塊，對用戶錢包進行扣費，實現了實時扣費功能。支付命令執行后，需要置位立即查詢標志，立即獲取支付的結果數據并顯示到屏幕上。

如果當前處于充值狀態，需要將觸摸屏獲取的充值金額數據打包組幀下發給支付模塊。

下面是支付模塊通信處理的一段核心代碼：

4.2 觸摸屏交互功能設計

終端通過觸摸屏模塊實現人機交互功能。利用觸摸屏廠家提供的PC端開發套件，開發出完整的交互界面、命令按鈕等操作流程后，通過SD卡下載更新到觸摸屏內部。

人機交互的數字貨幣充值流程如圖5所示。此外，支持同步、提現等命令交互，內部通過支付模塊與銀行后臺的遠程連接交互來完成命令的操作。

圖5 用戶充值流程

4.3 抄表計費功能設計

主程序默認每2 s抄讀用戶電能表的電量、電費、電壓、電流和功率等數據。抄讀的數據臨時放入內存變量中用于累積用戶電費和屏幕顯示。

4.4 HPLC上行通信設計

支持通過HPLC上行通信方式獲取用戶電能表的用電采集類數據，此通道功能設計參照國網HPLC采集器的通信功能要求。

4.5 存儲功能設計

鐵電存儲器用于頻繁的交易數據和抄表數據存儲，也用于電能表配置檔案等參數數據存儲。外部FLASH存儲器用于交易記錄類數據和電能表電能數據以及凍結、事件等數據存儲。

5 測試驗證

為了驗證該型物聯支付終端的交易性能與計量性能，針對該終端開展了兩個方面的測試驗證：數字貨幣交易驗證和計量數據精度驗證。通過這兩個方面的測試驗證結果表明：該型終端在功能和性能上滿足設計目標要求，部分性能超出既定的目標要求。

5.1 數字貨幣交易驗證

將設計的物聯支付終端原型樣機與智能費控電能表通過RS 485連接構成系統。終端上電后，設置通過4G遠程通信方式連接銀行后臺，搭建好測試環境。

采用支持NFC的安卓智能手機和非接觸IC卡來測試數字貨幣的交易。手機里預先安裝數字人民幣APP，并綁定銀行儲蓄卡和充值一定的金額到數字人民幣賬戶。交易測試的結果見表2所列，各測試項都滿足預期要求。

表2 數字貨幣交易測試

5.2 計量數據精度驗證

將物聯支付終端與智能電能表安裝在國網規范要求的高精度單相表臺體上，準備好測試環境。

操作臺體按照指定的電壓、電流和功率因數輸出，召測終端采集到的電能表數據，對比臺體的標準表數據計算實際引用誤差。電能示值采用臺體方案測試電能表測試完成后召測終端采集的數據是否有誤差。具體的精度測試數據見表3所列。

表3 計量數據精度測試

6 結 語

本設計實現了基于DCEP的移動物聯支付，可廣泛應用于需采用費控方式結算的獨立用電客戶，客戶可足不出戶完成充值繳費。本地化的電費結算規則實現了即時充值與用電，實現了用電人與供電人之間的電費直接結算，可以進一步提升電力公司的供電服務水平。支付模塊的安全性、低功耗和小型化等方面性能還需要進一步的研究和改善。