胡冠楠
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定
【摘要】針對公用事業計量收費的特點和技術要求，指出了現有IC卡預付費表應用系統在實際應用中存在的問題，提出了基于智能卡的預付費表應用系統的設計方案。選用美國德州儀器公司的MSP430系列微動耗單片機,使系統具有較低的功耗和較高的集成度,提高了系統的可靠性和抗干擾能力，對其他領域中采用IC卡預付費應用技術具有一定的借鑒意義。
【關鍵詞】預付費表;智能卡;預付費控制器;應用系統
一、公用事業計量收費技術的現狀與發展趨勢
在本世紀中期以前，由于受技術條件的限制，公用事業的計量收費問題一直沒能得到很好的解決。很多國家采用將戶用表安裝到戶外以解決査表問題。
目前許多發達國家釆用遙讀方式采集用戶用量數據,并通過用戶在銀行的賬戶進行資金結算。在歐洲，許多國家釆用有線遙讀方式査表;而在美國等國家則采用無線遙讀方式查表。近年來， 日本等國家又出現通過電線采集數據的查表方式，可以實現雙向遙讀、遙控功能,且具有泄露保護、地震保護等各種輔助功能，抄讀方便、控制可靠。然而，由于釆用這種方式査表需將用戶計量表具安裝在戶外，這樣做無疑會增加投資成本。
在查表收費方面,國內卻一直延用著原始落后的入戶查表收費方式。這種收費方式是先抄表，后收款，每月需上門兩次。“先使用、后收費"的方式存在抄表收費擾民、人工收費成本高及資金回收周期長等問題。
IC卡預付費表的應用解決了查表收費難題,IC卡技術的推廣應用,兼顧了企業和用戶的利益。
二、公用事業智能插卡式預付費系統的組成
公用事業智能卡預付費表應用系統主要由以下三個部分構成:智能卡、預付費控制器、銷售管理系統。
預付費控制器由計量傳感器電路、微功耗單片機、微功耗閥門機、電壓測試電路、防竊用電路、流量監測等部分組成。具有準確記數功能、功能卡傳輸媒介功能、閥門自動處理功能、非法操作處理功能、掉電處理功能、數據下載功能、數據顯示與聲音提示功能等。
銷售管理功能主要包括計算機、服務器、打印機、讀寫卡器、 POS機、系統軟件、應用軟件等，完整的銷售管理系統可以實現秘鑰管理、開戶發卡、售氣管理、數據查詢、用戶管理、運營管理等。
公用事業只能卡預付費表應用系統設計上釆用新的微功耗大規模集成電路、專用的低功耗閥門和表面貼裝工藝，并選用智能卡作為數據傳輸的存儲媒介，集用戶預付費、煤氣表自動付費、狀態報警提示和防止竊用等功能于一體，是適用公用事業管理現代化的計量器具。
三、公用事業智能插卡式預付費系統的工作過程
在銷售管理系統中建立用戶基本檔案信息,發行開戶卡并充值。用戶將已充值的開戶卡插入到智能卡預付費表中，預付費控制器讀取卡中數據，并判斷數據的有效性。若數據有效則開啟閥門，允許用戶使用。同時,智能卡預付費表會將表的當前工作狀態、運行狀態等數據寫入到用戶卡中。當用戶持卡再次充值時，管理部門能夠記錄用戶表的運行信息,以便監測用戶的使用情況。當智能卡預付費表檢測到用戶剩余量不足時將給出報警信息，提示用戶及時充值。當用戶剩余量用盡時，智能卡預付費表將自動關閉閥門，直到用戶持卡充值并重新插后才能繼續恢復使用。
智能卡預付費表應用系統通過信息載體-智能卡實現信息的雙向傳遞，用戶現場使用的智能卡預付費表同公用事業公司的智能卡預付費表銷售管理系統之間通過智能卡建立聯系，實現用戶計量儀表使用的預付費管理。預付費控制器通過對用戶用計量儀表基表流量信號的檢測，來控制閥門的開關動作，以達到控制用戶預付費使用的目的。
四、IC卡的種類及特點
IC卡即智能卡，又稱集成電路卡，是隨著半導體技術和存儲容量的要求日益提高應運而生的。IC卡芯片具有存儲數據和改寫數據的能力,IC卡存儲器中的內容可以根據需要有條件地供外部讀取，或供內部信息處理和判斷之用。根據IC卡內所向鑲嵌成電路的不同,可以將IC卡分成存儲卡，邏輯加密卡、智能卡（CPU 卡）等，它們各自有不同的數據保護安全級別。
智能卡是在將EEPROM芯片封裝在卡片上的同時,將微處理器芯片（CPU）也封裝在卡片上，外部讀寫設備只能通過CPU與IC卡內的EEPROM進行數據交換，在任何情況下都不能訪問到 EEPROM中的任何一個單元。
五、公用事業智能插卡式預付費系統的硬件及軟件設計
5.1 硬件設計
本系統硬件設計時還需要考慮的兩大因素是現場環境和操作人員技術水平。在實際應用時，現場環境與實驗環境條件相比差異很大，而不同地區的現場環境又有所不同。如北方地區冬季較為寒冷干燥，預付費控制器中的液晶及電池等器件的工作溫度范圍應符合實際工作環境需求;南方地區夏季多雨且氣候潮濕,預付 費控制器中元器件的設計選型應充分考慮到這些因素，并加強預付費控制器特別是卡座等環節的整體密封設計。
5.2 銷售管理系統的軟件設計
銷售管理系統主要包括計算機、服務器、打印機、讀寫卡器、POS機、系統軟件、應用軟件等，完整的銷售管理系統可以實現秘鑰管理、開戶發卡、售氣管理、數據查詢、用戶管理、運營管理等。
本方案充分利用了城市中星羅棋布的銀行服務網點,來實現IC卡的發行和充值，同時銀行也能獲取大量的預付費沉淀資金并提高發卡數量。在每個服務網點設立一到兩個IC卡終端機（PC機+ IC卡讀寫器+打印機，或是專用的POS終端），來服務周圍的居民用戶。
在煤氣公司的銷售公司，建立一個銷售管理中心，它的核心是一個局域網，包括網絡服務器、若干臺銷售管理工作站、若干臺用戶發行工作站以及打印設備等。用戶發行工作站用來建立用戶檔案、發行岀始IC卡、預售一定數量的煤氣等。銷售管理工作站負責分析全市的銷售情況，形成各種統計報表，并對銷售情況進行分析。而服務器運行數據庫則存儲所有用戶的檔案和銷售記錄，并管理文件系統和打印任務。
銷售管理系統主要用于完成對城市居民用戶的檔案管理、智能卡預付費表的收費管理及運營管理。系統分為前臺和后臺兩個版本，設計上采用客戶機/服務器體系結構,服務器端采用了Window NT操作系統及SQL Server企業版數據庫，各種數據軍存儲在中心服務器上。前臺微機即可通過局域網訪問中心服務器進行收費，也可通過Modem、電話線、遠程訪問服務器訪問中心服務器進行遠程收費，遠程訪問需對通信數據進行加密。本系統前臺辦理業務效率高，系統管理功能完善，后臺數據吞吐量大，運行可靠等優點。
5.3 智能卡的密鑰生成及發行管理
在IC卡預付費系統設計中關鍵的是安全性，安全性與密鑰的發行、管理關系密切。密鑰要實行分級管理，總控卡密鑰及DES算法的關鍵信息分別由幾個人輸入，密鑰的產生、存放、使用都是以密文的形式出現，對應用系統來說不可見,增加了破譯難度，提高了坑攻擊性。密鑰的管理應遵循售氣流程與密鑰的生成、管理無關的原則。
六、安科瑞智能插卡式預付費系統（含選型）
6.1 概述
《ACREL- PVMS預付費售電管理系統》是與預付費電能表配套的售電管理系統。它是以售電管理軟件和數據庫軟件為主，包括計算機、IC卡讀寫器、打印機等設備在內的計算機系統。主要完成電能表參數設置、售電管理及用電管理工作。操作簡便，具有良好的人機界面，能夠有效的統計和管理數據，并對數據的安全性做有效的保密措施。是用電管理部門和物業小區管理部門提高用電管理水平，解決收費難問題的理想產品。
6.2 系統組成
6.3 系統運行環境
為正確地運行安科瑞預付費售電管理系統，將系統性能發揮到合理水平，推薦以下配置：
硬件環境：
●工作站配置：雙核處理器2.8G或更快，2G內存，120GB以上的可用磁盤空間。建議使用硬盤備份，確保數據安全。
●配套工具：IC卡讀寫器、IC卡及預付費電能表。
●LQ1600K打印機或其他打印機(票據打印機)。
●顯示器分辨率:：(根據顯示器大小設定)。
軟件環境：
●工作站操作系統：中文WINDOWS 7 ,WINDOWS 2003，WINDOWS XP。
推薦操作系統 WINDOWS XP。
●服務器操作系統 WINDOWS 2003。
●數據庫系統：Microsoft SQL SERVER 2008 R2。
6.4 系統功能模塊
●登錄管理：主要管理登錄系統的操作，包括操作員管理、修改操作員密碼、權限的管理等。
●系統設置：系統相關參數維護管理。
●客戶管理：包括新表開戶、換表補電、過戶處理、注銷客戶信息等。
●IC卡操作：包括讀卡、清卡、售電寫卡、制作各種參數卡等。
●數據查詢：各類明細報表、統計報表、通用查詢等。
●數據管理：系統數據庫備份、數據庫管理。
6.5 設備選型
注：預付費儀表、電流互感器等應根據現場回路電流大小等選擇配置，安裝、接線等由甲方負責。
七、結束語
本系統利用計算機網絡技術、大型數據庫技術、智能卡及其專用機具技術,解決了企業信息管理、用戶管理、交易自動化和電子支付等問題。本系統實現了工作流程自動化，強化了公用實業公司的管理，減少了公用事業公司不應有的經濟損失，保證了公用事業公司應收賬款的及時到位。既方便了公用事業用戶，也方便了公用事業公司基工作人員。同時本系統具有良好的擴展性，為公用事業公司開展新型業務和服務奠定了技術基礎和數據基礎，具有較好的經濟效益和社會效益，值得推廣應用。
