2023年 / 第11期 物联网技术
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0 引 言
近年来，随着物联网发展的突飞猛进，物联网IoT 设备数量呈指数增长，大规模物联网的设备信息、数据交互的应用具有巨大的价值；与此同时，价值的交易对货币流动载体提出了更高要求[1-3]。自2014年起，中国人民银行便成立了专门的研究团队，逐渐让及电子支付（Digital Currency Electronic Payment, DCEP ）
[4-6]
进入公众视
野。而作为央行发布的DCEP 更是具有M0（流通中的货币）替代、双层运营模式、账户松耦合、支撑双离线交易等特点，其与移动物联支付天然契合，为人与物之间、物与物之间的信息交互及价值交换提供流动性介质，提供了广泛信任与协作的金融基础设施。
目前智能电能表及用电终端已基本实现全面覆盖，是具有天然优势的物联网设备。在物联网和数字经济蓬勃发展的背景下，基于的物联支付终端的研制，对于探索基于DCEP 的本地实时结算和移动物联支付，提升服务便捷性、高效性、智慧性，实现万物互联、物物支付具有重要 意义。
1 需求分析
目前采用的线下缴费模式，主要存在几个方面的不足：①传统缴费模式不便捷，如遇距离用户较远、通行道路不畅、恶劣的天气等影响，线下缴费往往会造成用户用电不及时；
②传统缴费模式耗时较长，对于某些用户体如孤寡老人等多有不便；③传统模式无法准确估计剩余电费，容易造成缴费不及时，这些情况尤其体现在农村电网的居民用电中。在广大电力用户对缴费便捷度和舒适度要求提升的大背景下，线下缴费已经严重影响了用户的用电体验。现阶段虽然可以采用支付宝、APP 等第三方软件完成线上支付缴费，缓解了线下现金支付困难造成的不便，但是线下缴费、
电费亏欠、即时用电以及网络通信问题尚无有效的解决方案[7]。对此，为了实现电力行业全面保障可靠供电，进一步满足社会经济发展用电需求，针对移动物联支付方式的研究势在必行。
2 系统方案
本文对基于的物联支付终端实现方法开展研究，研制一套集物联支付终端、智能电能表、电网侧业务系统、银行侧DCEP 交易中心等于一体的电费交易系统[8]，并开展试点应用。整个系统的架构示意图如图1所示。该系统以智能电能表为基础，研发智能物联控制模块、交易模块，通过公网、银行专网、电力专网的通信交互，实现电网与银行系统的融合，从而完成电费本地支付及交易，实现用户侧用电“即付即用、实时结算、灵活支付”，满足用户便捷用电和智慧用电体验。
电表物联支付的工作业务流程可以详细描述为：（1）本地用户账户通过DCEP 物联支付后，交易模块进行身份认证、建立对应关系，自动同步信息至智能
物联控制模块，进而发送指令自动控制电能表合闸，实现用户“即来电”；（2）智能物联控制模块通过透抄电能表实时
杜运福，左 勇，宗海乐
（安徽南瑞中天电力电子有限公司，安徽 合肥 230031）
摘 要：
针对传统线下营业厅缴费模式存在充值耗时较长、对剩余电费估计不足导致的缴费不及时以及长距离购电缴费的问题，提出一种基于的物联支付终端设计方案。该终端采用模块化、平台化设计思路，由智能物联控制模块和交易模块组成，通过4G 远程通信方式实现加密交互。其中智能物联控制模块通过采集电能表当前电量、日冻结等数据来累计用户电费，并实现停复电命令的响应；交易模块设置多个硬件钱包，实现的终端离线支付和基于NFC 的非接触方式支付。该系统实现了用户智能电能表电费即付即用以及即时到账结算的功能，能够满足用户本地充值缴费的需求。
关键词：
；物联支付终端；智能物联控制；智能电表；模块化；NFC 中图分类号：TP399；TN911 文献标识码：A 文章编号：
2095-1302（2023）11-0121-05收稿日期：2022-10-21 修回日期：2022-11-17
基金项目：安徽南瑞中天电力电子有限公司科技项目：DCEP （数字
货币）电能表以及采集装置研发（524636220008）
物联网技术 2023年 / 第11期
122求、实时请求同步至智能物联控制模块，智能物联控制模块
付即结算
。
图1 系统架构示意图
支持数字人民币支付3 硬件设计
本文围绕国家电网公司智能电网“信息化、自动化、互动化”的建设要求，基于“模块化、平台化”的设计思 路[10]，采用标准化原理图和印制版图设计方式，进行终端硬件设计。终端硬件的结构如图
2所示，主要包含MCU （型号GD32F305）、铁电存储器
、FLASH 存储器、RTC 时钟芯片、SGM706看门狗芯片、RS 485抄表硬件接口、支付模块（简称支付模块）、HPLC 上行通信功能模块和7英寸触摸屏显示交互模块，
其中支付模块支持通过触摸屏进行人机交互配置，以实现相关电费业务的交易结算。
图2 硬件结构
3.1 支付模块
支付模块设计为独立的安全加密模块。外部支持RS 485通信和4G 无线方式通信，工作电源为12 V 。
支付模块集成安装到终端内部，通过排线方式连接。终端为支付模块提供12 V 直流工作电源，终端与支付模块通信采用RS 485通信。终端的支付模块接口硬件设计如图3所示。
3.2 触摸屏交互模块
终端选用7英寸1024*600图形点阵65K 电容触摸屏作为交互界面，触摸屏支持通过SD 卡配置和装载由PC 开发的交互界面数据。触摸屏支持RS 232串口通信，通信速率可以自由配置。
终端采用排线的方式与触摸屏连接，并为触摸屏提供 12 V 工作电源，通过UART 串口转RS 232方式与
触摸屏的通信串口连接。3.3 抄表接口设计
设计一路UART 串口转外部RS 485通信，终端通过
RS 485可以抄读电表数据和控制电表。3.4 存储设计
存储上，设计I 2C 接口的8 KB 铁电储存器和标准SPI 通信接口的8 MB 外部NorFLASH 存储器
。
图3 支付模块接口硬件设计
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4.1 支付模块交易功能设计
支付模块内部实现查询余额、电费支付和用户充值等功能。部分支付模块命令定义见表1所列。
表1 支付模块指令
序 号
功 能
发起方指令格式
1
查询余额
控制模块
查询余额指令码（01）+长度+币
箱号+校验码支付模块
查询余额回复码（81）+长度+币
箱号+金额+校验码
2电费支付
控制模块支付指令码（02）+长度+流水号
SN+付款币箱号+收款币箱号+交
易金额+校验码
支付模块
支付回复码（82）+长度+流水号SN+实际交易金额+状态字+
校验码
3用户充值
控制模块用户充值指令码（03）+长度+流
水号SN+币箱号+申请充值金额+
校验码
支付模块
用户充值回复码（83）+长度+流水号SN +币箱号+实际充值金额
+状态字+校验码
主程序通过轮询方式执行支付模块的通信交互处理任务。支付模块的交互流程如图4所示。程序默认每3 s 查询一次支付模块的用户钱包和电力公司商户钱包金额，并同步到屏幕显示。当查询到的用户余额小于门槛0.1元时，执行用户表计分闸断电操作。用户余额不小于门槛0.1元时，用
终端下发支付命令给支付模块，对用户钱包进行扣费，实现了实时扣费功能。支付命令执行后，需要置位立即查询标志，立即获取支付的结果数据并显示到屏幕上。
如果当前处于充值状态，需要将触摸屏获取的充值金额数据打包组帧下发给支付模块。
下面是支付模块通信处理的一段核心代码：
switch (gPayModuleCmd){
case CX_CMD: // 查询
{
if (CX_flag){
PackFrame_CX(1, gPayTestBuff, &gPayTestLen);
COMx_SendData(RS485_1_ID, gPayTestBuff, gPayTestLen);udelay(100000);
PackFrame_CX(0, gPayTestBuff, &gPayTestLen);
COMx_SendData(RS485_1_ID, gPayTestBuff, gPayTestLen);}return;}
case ZF_CMD: // 支付{
PackFrame_ZF(1,0,gCommonData.WaitPayMoney/100
,gPayTestBuff,&gPayTestLen); // 支付后清零gCommonData.WaitEnergy = 0;
gCommonData.WaitPayMoney -= (gCommonData.WaitPayMoney / 100)*100;
gPayModuleCmd = WAIT_CMD;break;
}
图4 支付模块交互流程
物联网技术 2023年 / 第11期
124gPayModuleCmd = WAIT_CMD;break;}
default: return ;}
COMx_SendData(RS485_1_ID, gPayTestBuff, gPayTestLen);
4.2 触摸屏交互功能设计
终端通过触摸屏模块实现人机交互功能。利用触摸屏厂家提供的PC 端开发套件，开发出完整的交互界面、命令按钮等操作流程后，通过SD 卡下载更新到触摸屏内部。
人机交互的充值流程如图5所示。此外，支持同步、提现等命令交互，内部通过支付模块与银行后台的远程连接交互来完成命令的操作
。
图5 用户充值流程
4.3 抄表计费功能设计
主程序默认每2 s 抄读用户电能表的电量、电费、电压、电流和功率等数据。抄读的数据临时放入内存变量中用于累积用户电费和屏幕显示。4.4 HPLC 上行通信设计
支持通过HPLC 上行通信方式获取用户电能表的用电采集类数据，此通道功能设计参照国网HPLC 采集器的通信功能要求。
4.5 存储功能设计
铁电存储器用于频繁的交易数据和抄表数据存储，也用于电能表配置档案等参数数据存储。外部FLASH 存储器用于交易记录类数据和电能表电能数据以及冻结、事件等数据存储。
计量数据精度验证。通过这两个方面的测试验证结果表明：该型终端在功能和性能上满足设计目标要求，部分性能超出既定的目标要求。5.1 交易验证
将设计的物联支付终端原型样机与智能费控电能表通过RS 485连接构成系统。终端上电后，设置通过4G 远程通信方式连接银行后台，搭建好测试环境。
采用支持NFC 的安卓智能手机和非接触IC 卡来测试的交易。手机里预先安装数字人民币APP ，
并绑定银行储蓄卡和充值一定的金额到数字人民币账户。交易测试的结果见表2所列，各测试项都满足预期要求。
表2 交易测试
序 号操 作参 数结 果结 论1查询00币箱 1.00元合格2查询01币箱10.00元合格3充值10.00元20.00元合格4充值0.55元20.55元合格5支付0.2元20.35元合格6支付 5.35元15.00元合格7退款10.00元 5.00元合格8退款5元0.00元合格9同步无同步到银行合格10
提现
无
提现到银行
合格
5.2 计量数据精度验证
将物联支付终端与智能电能表安装在国网规范要求的高精度单相表台体上，准备好测试环境。
操作台体按照指定的电压、电流和功率因数输出，召测终端采集到的电能表数据，对比台体的标准表数据计算实际引用误差。电能示值采用台体方案测试电能表测试完成后召测终端采集的数据是否有误差。具体的精度测试数据见 表3所列。
6 结 语
本设计实现了基于DCEP 的移动物联支付，可广泛应用于需采用费控方式结算的独立用电客户，客户可足不出户完成充值缴费。本地化的电费结算规则实现了即时充值与用电，实现了用电人与供电人之间的电费直接结算，可以进一步提升电力公司的供电服务水平。支付模块的安全性、低功耗和小型化等方面性能还需要进一步的研究和改善。
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电压
±1.0Unom -0.01 0.6Unom -0.03 电流
1.2Imax
-0.02 10Itr 0.00 Imin
0.00 功率
1.2Unom ，1.2Imax ，1.0
-0.07 Unom ，10Itr ，1.00.00 Unom ，0.04Itr ，1.0
0.00 功率因数
0.5L 0.03 电能示值
1.0L 0.00 0.5L
0.00
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作者简介： 杜运福（1986—），男，研究生，工程师，主要研究方向为电力用电领域产品。
左 勇（1982—），男，本科，工程师，主要研究方向为智能电表、计量类、采集类产品。 宗海乐（1995—），男，研究生，主要研究方向为电力用电领域产品。
云试验及商业化进程中，探索边缘服务平台的合作方式，以建立5G 边缘生态体系，促进边缘业务的快速发展。
参
考
文
献
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作者简介：陆显安（1976—），男，江西抚州人，硕士，研究方向为移动通信、5G 技术应用、医疗行业信息化等。
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