胡冠楠
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定
【摘要】针对公用事业计量收费的特点和技术要求，指出了现有IC卡预付费表应用系统在实际应用中存在的问题，提出了基于智能卡的预付费表应用系统的设计方案。选用美国德州仪器公司的MSP430系列微动耗单片机,使系统具有较低的功耗和较高的集成度,提高了系统的可靠性和抗干扰能力，对其他领域中采用IC卡预付费应用技术具有一定的借鉴意义。
【关键词】预付费表;智能卡;预付费控制器;应用系统
一、公用事业计量收费技术的现状与发展趋势
在本世纪中期以前，由于受技术条件的限制，公用事业的计量收费问题一直没能得到很好的解决。很多国家采用将户用表安装到户外以解决査表问题。
目前许多发达国家釆用遥读方式采集用户用量数据,并通过用户在银行的账户进行资金结算。在欧洲，许多国家釆用有线遥读方式査表;而在美国等国家则采用无线遥读方式查表。近年来， 日本等国家又出现通过电线采集数据的查表方式，可以实现双向遥读、遥控功能,且具有泄露保护、地震保护等各种辅助功能，抄读方便、控制可靠。然而，由于釆用这种方式査表需将用户计量表具安装在户外，这样做无疑会增加投资成本。
在查表收费方面,国内却一直延用着原始落后的入户查表收费方式。这种收费方式是先抄表，后收款，每月需上门两次。“先使用、后收费"的方式存在抄表收费扰民、人工收费成本高及资金回收周期长等问题。
IC卡预付费表的应用解决了查表收费难题,IC卡技术的推广应用,兼顾了企业和用户的利益。
二、公用事业智能插卡式预付费系统的组成
公用事业智能卡预付费表应用系统主要由以下三个部分构成:智能卡、预付费控制器、销售管理系统。
预付费控制器由计量传感器电路、微功耗单片机、微功耗阀门机、电压测试电路、防窃用电路、流量监测等部分组成。具有准确记数功能、功能卡传输媒介功能、阀门自动处理功能、非法操作处理功能、掉电处理功能、数据下载功能、数据显示与声音提示功能等。
销售管理功能主要包括计算机、服务器、打印机、读写卡器、 POS机、系统软件、应用软件等，完整的销售管理系统可以实现秘钥管理、开户发卡、售气管理、数据查询、用户管理、运营管理等。
公用事业只能卡预付费表应用系统设计上釆用新的微功耗大规模集成电路、专用的低功耗阀门和表面贴装工艺，并选用智能卡作为数据传输的存储媒介，集用户预付费、煤气表自动付费、状态报警提示和防止窃用等功能于一体，是适用公用事业管理现代化的计量器具。
三、公用事业智能插卡式预付费系统的工作过程
在销售管理系统中建立用户基本档案信息,发行开户卡并充值。用户将已充值的开户卡插入到智能卡预付费表中，预付费控制器读取卡中数据，并判断数据的有效性。若数据有效则开启阀门，允许用户使用。同时,智能卡预付费表会将表的当前工作状态、运行状态等数据写入到用户卡中。当用户持卡再次充值时，管理部门能够记录用户表的运行信息,以便监测用户的使用情况。当智能卡预付费表检测到用户剩余量不足时将给出报警信息，提示用户及时充值。当用户剩余量用尽时，智能卡预付费表将自动关闭阀门，直到用户持卡充值并重新插后才能继续恢复使用。
智能卡预付费表应用系统通过信息载体-智能卡实现信息的双向传递，用户现场使用的智能卡预付费表同公用事业公司的智能卡预付费表销售管理系统之间通过智能卡建立联系，实现用户计量仪表使用的预付费管理。预付费控制器通过对用户用计量仪表基表流量信号的检测，来控制阀门的开关动作，以达到控制用户预付费使用的目的。
四、IC卡的种类及特点
IC卡即智能卡，又称集成电路卡，是随着半导体技术和存储容量的要求日益提高应运而生的。IC卡芯片具有存储数据和改写数据的能力,IC卡存储器中的内容可以根据需要有条件地供外部读取，或供内部信息处理和判断之用。根据IC卡内所向镶嵌成电路的不同,可以将IC卡分成存储卡，逻辑加密卡、智能卡（CPU 卡）等，它们各自有不同的数据保护安全级别。
智能卡是在将EEPROM芯片封装在卡片上的同时,将微处理器芯片（CPU）也封装在卡片上，外部读写设备只能通过CPU与IC卡内的EEPROM进行数据交换，在任何情况下都不能访问到 EEPROM中的任何一个单元。
五、公用事业智能插卡式预付费系统的硬件及软件设计
5.1 硬件设计
本系统硬件设计时还需要考虑的两大因素是现场环境和操作人员技术水平。在实际应用时，现场环境与实验环境条件相比差异很大，而不同地区的现场环境又有所不同。如北方地区冬季较为寒冷干燥，预付费控制器中的液晶及电池等器件的工作温度范围应符合实际工作环境需求;南方地区夏季多雨且气候潮湿,预付 费控制器中元器件的设计选型应充分考虑到这些因素，并加强预付费控制器特别是卡座等环节的整体密封设计。
5.2 销售管理系统的软件设计
销售管理系统主要包括计算机、服务器、打印机、读写卡器、POS机、系统软件、应用软件等，完整的销售管理系统可以实现秘钥管理、开户发卡、售气管理、数据查询、用户管理、运营管理等。
本方案充分利用了城市中星罗棋布的银行服务网点,来实现IC卡的发行和充值，同时银行也能获取大量的预付费沉淀资金并提高发卡数量。在每个服务网点设立一到两个IC卡终端机（PC机+ IC卡读写器+打印机，或是专用的POS终端），来服务周围的居民用户。
在煤气公司的销售公司，建立一个销售管理中心，它的核心是一个局域网，包括网络服务器、若干台销售管理工作站、若干台用户发行工作站以及打印设备等。用户发行工作站用来建立用户档案、发行岀始IC卡、预售一定数量的煤气等。销售管理工作站负责分析全市的销售情况，形成各种统计报表，并对销售情况进行分析。而服务器运行数据库则存储所有用户的档案和销售记录，并管理文件系统和打印任务。
销售管理系统主要用于完成对城市居民用户的档案管理、智能卡预付费表的收费管理及运营管理。系统分为前台和后台两个版本，设计上采用客户机/服务器体系结构,服务器端采用了Window NT操作系统及SQL Server企业版数据库，各种数据军存储在中心服务器上。前台微机即可通过局域网访问中心服务器进行收费，也可通过Modem、电话线、远程访问服务器访问中心服务器进行远程收费，远程访问需对通信数据进行加密。本系统前台办理业务效率高，系统管理功能完善，后台数据吞吐量大，运行可靠等优点。
5.3 智能卡的密钥生成及发行管理
在IC卡预付费系统设计中关键的是安全性，安全性与密钥的发行、管理关系密切。密钥要实行分级管理，总控卡密钥及DES算法的关键信息分别由几个人输入，密钥的产生、存放、使用都是以密文的形式出现，对应用系统来说不可见,增加了破译难度，提高了坑攻击性。密钥的管理应遵循售气流程与密钥的生成、管理无关的原则。
六、安科瑞智能插卡式预付费系统（含选型）
6.1 概述
《ACREL- PVMS预付费售电管理系统》是与预付费电能表配套的售电管理系统。它是以售电管理软件和数据库软件为主，包括计算机、IC卡读写器、打印机等设备在内的计算机系统。主要完成电能表参数设置、售电管理及用电管理工作。操作简便，具有良好的人机界面，能够有效的统计和管理数据，并对数据的安全性做有效的保密措施。是用电管理部门和物业小区管理部门提高用电管理水平，解决收费难问题的理想产品。
6.2 系统组成
6.3 系统运行环境
为正确地运行安科瑞预付费售电管理系统，将系统性能发挥到合理水平，推荐以下配置：
硬件环境：
●工作站配置：双核处理器2.8G或更快，2G内存，120GB以上的可用磁盘空间。建议使用硬盘备份，确保数据安全。
●配套工具：IC卡读写器、IC卡及预付费电能表。
●LQ1600K打印机或其他打印机(票据打印机)。
●显示器分辨率:：(根据显示器大小设定)。
软件环境：
●工作站操作系统：中文WINDOWS 7 ,WINDOWS 2003，WINDOWS XP。
推荐操作系统 WINDOWS XP。
●服务器操作系统 WINDOWS 2003。
●数据库系统：Microsoft SQL SERVER 2008 R2。
6.4 系统功能模块
●登录管理：主要管理登录系统的操作，包括操作员管理、修改操作员密码、权限的管理等。
●系统设置：系统相关参数维护管理。
●客户管理：包括新表开户、换表补电、过户处理、注销客户信息等。
●IC卡操作：包括读卡、清卡、售电写卡、制作各种参数卡等。
●数据查询：各类明细报表、统计报表、通用查询等。
●数据管理：系统数据库备份、数据库管理。
6.5 设备选型
注：预付费仪表、电流互感器等应根据现场回路电流大小等选择配置，安装、接线等由甲方负责。
七、结束语
本系统利用计算机网络技术、大型数据库技术、智能卡及其专用机具技术,解决了企业信息管理、用户管理、交易自动化和电子支付等问题。本系统实现了工作流程自动化，强化了公用实业公司的管理，减少了公用事业公司不应有的经济损失，保证了公用事业公司应收账款的及时到位。既方便了公用事业用户，也方便了公用事业公司基工作人员。同时本系统具有良好的扩展性，为公用事业公司开展新型业务和服务奠定了技术基础和数据基础，具有较好的经济效益和社会效益，值得推广应用。
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更新时间：2023-06-02 
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