作者 李晓明 兰玉明
目 录
一、产品设计方案
(一)、IC卡水表的使用说明
(二)、IC卡水表技术说明
(三)、IC卡水表的功能
（四）可靠性设计
（五）、IC卡的选用
（六）、无线部分功能设计
（七）、计算机管理系统
二、技术特征
三、总体技术指标
四、与国内外同类先进技术的比较
五、技术成熟程度
六、对社会发展和科技进步的意义
七、推广应用的条件和前景
八、存在的问题
关键词：IC卡水表、CPU卡、IC卡无线水表、POS表
摘要：本文提出了一种具有无线与IC卡相结合的新型智能水表，解决了IC卡水表与无线水表的各自缺点，并提出了详细的技术指标。并论述了一种信息智能水表。
一、产品设计方案
无线IC卡水表是在原有计量表具的基础上，再安装电子装置来实现数据远传、查表、预付费等功能，计量原理未变，只是改变的查表、收费方式。主要应用于民用和大流量工业用户的计量和收费。
(一)、IC卡水表的使用说明
IC卡水表应用系统由IC卡表、传输媒体IC卡、计算机销售管理系统构成。使用时，首先在计算机销售管理系统中建立用户档案，进行用户开户、预付费处理，通过计算机销售管理系统将预付费的量写入IC卡，用户将写有预购量的IC卡插入IC卡预付费表，IC卡预付费表识别卡的合法性后，将卡内数据读入表内，阀门打开，用户可正常使用。在使用过程中，IC卡表会将使用量从预购量中自动扣除，当剩余量不足时，有声响提示，提醒用户余量不足，尽快交费；当剩余量为零时，IC卡预付费自动切断阀门，停止使用。此时，用户只有重新持卡交费，才能恢复正常使用。IC卡可以反复使用。这样就可以实现免查表、免收费、自动计费和预收费。
(二)、IC卡表技术说明
我公司研制生产的IC卡水表电子控制部分结构如下：
1）中央控制单元。
2）工作电压和工作电流。
3）电源部分：IC卡表的电池主要有两种：锂电池和碱性电池。国外的IC卡表都是使用锂电池供电，锂电池的优点是性能稳定，容量大，安装在表上可用六年以上；缺点是价格贵，存在滞后效应，提供大电流较困难。进口产品质量要好一些，但是进口锂电池价格太高，单价至少在20元以上。国外的表设计使用寿命是11年，但实际使用10年后全部报废更换，这时可以解决锂电池的更换问题。但国内的表经常会超期服役，锂电池的到期更换将是一个问题，而且还涉及到锂电池的费用由谁来出的问题。
碱性电池的优点是价格便宜，没有滞后效应，瞬间提供较大电流；缺点是容量小，存储期短，使用寿命一般为一年，用户可以自行更换电池。使用碱性电池的一个关键问题是解决断电可靠关阀。目前丹东思凯的碱性电池IC卡表已完全过关，经受住了市场的严格考验，受到自来水公司的好评。
4）在结构上经历了分体式到一体化的形式；
5）阀门：低功耗电动球阀，断电时阀门能自动关闭。
6）计数传感器：使用寿命大于108次。
7）显示部分：可显示用户使用累计量、剩余量和一些状态信息。同时保留机械计数器。
8）线路板：采用SMD工艺，小巧精致。
(三)、 IC卡水表的功能
我公司研制生产的IC卡表可以选配以下功能：
1、基本功能：
A. 预付费、自动计费、免抄表、免上门收费
B.累计量统计
C.电池电压监控功能
D.断电关阀功能
E.余量不足提示
F.一表一卡一密，一一对应
G.参数设置功能
2、防窃保护功能
A.防磁干扰措施
B.防拆卸功能
C.断线保护功能
D.卡座防攻击功能
E.电源防攻击功能
F.非法操作提示功能
3、透支功能
在强调人性化服务的今天，IC卡表具备透支功能。透支功能是否启用及透支限额均可通过参数设置功能来设置。启动透支功能时，IC卡表自动记录透支量，透支量达到限额时，阀门将自动关闭，不再允许透支。在下次插入有量的用户卡时，IC卡表自动扣减透支量同时将本次透支量返写用户卡。
4、应急购气功能
特殊情况下，用户可购买一次性的面值卡进行IC卡表的充值。同时不影响用户卡的正常使用。
5、防止气量囤积功能
IC卡表内的剩余量大于或等于充值限额时，IC卡上的量将不能充到表内。
6、地区识别码功能
为防止不同地区或不同用户管理单位的表或销售管理系统发的卡混用，严格保证各用户管理单位的IC卡表只能识别各自系统发出的IC卡，特设立了地区识别码设置功能。IC卡表在出厂前，要进行地区识别码设置。
7、自动检测停表功能
为防止表具出现“死表”（即基表机械轮不转）的情况，IC卡表将自动检测停表。
8、安全功能
IC卡水表设置以下安全功能：
A.最大流量监测功能
B.最小流量监测功能
9、表内数据统计功能
IC卡表将记录并统计下列数据，下列数据通过用户卡及工具卡可以反馈到销售管理系统。
A.累计量统计功能
B.负计数统计功能
C.透支水量统计功能
D.应急购水量统计功能
E.打压量统计功能
F.最近十二月用量统计功能
10、支持的功能卡
A.检表卡
B.打压卡
C.设置卡
D.转移卡
E.应急卡
F.复位卡
11、IC卡＋无线远传
IC卡收费管理模式可以实现对用户表的抄表、收费、控制。有效地解决了恶意拖欠费用的的问题，但是，管理部门不能做到实时掌握用户使用情况。
自动抄表方式实时性好，管理部门可以随时掌握用户使用情况，但是，不能有效解决收费问题，并且数据安全性不如IC卡。
远传IC卡表收费管理系统将IC卡技术和自动抄表技术结合在一起，弥补了IC卡表和自动抄表的不足，解决了收费难和实时抄表的问题。
（四）可靠性设计
线路板上单片机内置液晶驱动器，电路集成度高；其他厂家的板或是多块集成电路，或是液晶驱动采用绑定技术，采用绑定技术成本低，普通民用产品中应用的较多。在电子产品的制造过程中，正确选用的元器件十分重要。
集成电路在功能相同的前提下，有 军品、工业级 和 民品 之分，其性能和可靠性有着很大的差异，其中使用温度范围：民品 0～70℃； 工业级-40～85℃； 军品-65～155℃。价格：工业级芯片是民品的2～3倍左右，军品是民品的5～10倍左右。
一些厂家为了降低成本，选用了价格较便宜的民品级芯片。从它们的温度特性可以看出，高温区间相差不大，但低温特性相差甚远，民品为0℃，工业级为-40℃。民品级芯片制造产品，这本身就是对用户不负责任的态度。为了提高产品质量，我们不惜增加成本，我们的产品选用的都是工业级芯片。
另外线路板的板材也是有区别的，板材的厚度不同，质量不同，甚至有的厂家采用纸板。
IC卡气表为了防潮、防酶，在生产制造过程中，电子线路板表面涂敷了三防漆。
IC卡水表在生产制造过程中，为了防水、防潮、防酶，采用了更为严格的电子线路板灌胶密封工艺。
（五）、IC卡的选用
1、IC卡的种类简介
IC卡又称集成电路卡，它将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式，其外形与覆盖磁条的磁卡相似。
IC卡从芯片结构上可以分为一次性卡、存储卡、逻辑加密卡、CPU卡（又称IC智能卡）。
存储卡主要由E2PROM 构成，可随时读写，一般应用在安全性要求不高的场合；
逻辑加密卡主要由E2PROM 和逻辑电路构成，自由读，密码控制写。
CPU卡卡内的集成电路包括CPU（中央处理器）、E2PROM 、ROM（随机存储器）及固化在RAM（只读存储器）中的片内操作系统COS和加密运算协处理器组成。
由于有了微处理机（CPU）和片内操作系统COS，当CPU卡进行操作时，可进行加密/解密运算,类似一台小型计算机，一切操作由芯片内的操作系统控制，也正是凭借这种独特的片内处理机制，使的CPU卡成为IC卡家族中功能最强、安全性最高的成员，并且已经逐渐在各种应用中占据主导地位。
IC卡根据是否带触点，可分为接触式IC卡和非接触式IC卡。非接触式卡与读写器之间利用电磁电波进行通讯实现读写，一般应用于客流量大、速度快的公交系统。
另外还有一种双界面卡，即可做接触卡用又可做非接触卡用。成本高。适合于城市一卡通。
2、CPU卡的特点：
（1）、先进性。CPU卡可以作为银行的金融卡使用，代表当前IC卡应用的最高安全等级，正在成为IC卡应用中的主流产品。
（2）、规范性。支持符合ISO7816-3标准的 T=0、T=1 通讯协议，符合《中国金融集成电路（IC）卡规范》、《中国金融集成电路（IC）卡应用规范》，支持符合银行规范的电子钱包、电子存折功能。
（3）、兼容性。由于有中国人民银行的统一规范及严格检测，CPU卡具有很好的兼容性。
（4）、安全性。芯片和COS的安全技术为CPU卡提供了双重的安全保证。支持DES、Triple DES等加密算法，支持线路加密、线路保密功能，防止通信数据被非法窃取或篡改，使用过程密钥实现加密、解密。
（5）、可扩展性。卡片支持多种容量选择。CPU卡从卡结构到卡容量可以很容易扩展到多应用，可以与银行联合发，实现真正意义上的一卡多用。
（6）、可实现脱机操作。自带操作系统的CPU卡可完成合法性检查，能存储交易的详细数据，对计算机网络系统要求较低，不必为每一笔交易与中央计算机/数据库进行通信，提高了交易速度，降低了处理费用。
3、CPU卡的使用
CPU卡对数据的读写采取目录、文件的管理方式，使用时首先要根据应用情况在每张CPU卡上建好文件结构，每张卡片只能有一个MF但可以有多个ADF，每个文件都在各自的密钥的控制下进行读写，因而可实现真正安全可靠的一卡多用。
以气表为例，在该目录文件下，有密钥文件、钱包文件、交易明细文件及其他信息文件。
CPU卡的认证、消费过程中，表内的MCU只是数据传递作用，具体的加解密运算、卡的读写都是在卡内操作系统控制下进行的，不同于逻辑加密卡的读写控制。
4、CPU卡表的特点
（1）、高度安全的收费管理卡
因为采用了CPU卡，从而具备了CPU卡的所有功能，卡表与卡的操作是在多组多级密钥的控制下进行的，只有在正确完成相应密钥的安全认证后，才可对卡表进行相应的操作。密钥是以密文的形式下装到表内，表内部的安全认证过程完全在卡内部和ESAM模块内部实现的，安全级别高。当CPU卡表到供水公司后，由供水公司把CPU卡表在生产过程中的一组测试密钥，替换成供水公司自己设计的运行密钥，可以做到密钥与厂家完全无关。
（2）、方便灵活的收费管理网络
收费管理系统充分利用银行储蓄网点，用户所有的缴费操作都可通过银行储蓄网点进行，实现了就近缴费和异地缴费，极大地方便了用户。
（3）、提供方便的辅助收费管理
除银行储蓄网点正常收费管理外，还在社会上发行一定数量存有固定气（水、热）量的不记名卡，当用户由于各种原因不能及时到银行储蓄网点购气（水、热）时，可以购买不记名卡作应急用。
（4）、可扩展的收费管理系统
采用CPU卡后，已经与金融系统使用的IC卡一致，并且收费管理系统已经保留有与银行系统接轨的接口，具备了与银行发行联名卡的条件，为将来实现一卡多用（城市一卡通）打下了基础。
我们公司的产品IC卡水表使用的IC卡包括逻辑加密、CPU卡和非接触卡。在吉林实现了电子钱包圈存，与商业银行卡兼容使用。
（六）、无线部分功能设计
根据市场的需求，在成功的开发IC卡表的基础，2004年我们有开始研制具有无线数据采集的IC卡表。2005年10月研制成功，2006年4月开始正式批量生产，投放市场。
1、无线远程抄表系统介绍
1）、系统组成。无线远程抄表网络系统由以下各部分组成：
（1）终端计量表
（2）数据采集器
（3）数据集中器
系统构成示意图：
（4）手持集抄设备
（5）车载集抄设备
（6）管理中心
2、工作原理简介
终端表将计量的数据送至采集器；采集器收集一组终端表的数据送至集中器；集中器收集汇总数据送至管理中心；管理中心将数据存入数据库，并实施维护和管理服务。可以手持或车载抄表设备在(集中器安置)现场收集终端表计量数据,然后带回管理中心处理。
3、功能和特点
无线远程抄表系统，适用于多种电子计量仪表集中或分散现场的长距离计量数据自动化采集管理和管道控制（对于带阀门的表具）。由计算机构架的管理平台进行自动化采集和管理服务。
可用于民用水、电、燃气、热量等多种计量表的抄表收费管理。使用该系统，可以大大降低收费管理成本，避免人工的少抄漏收，对带阀门表具的开关控制，防止欠费使用， 提高产出收入比。
也适用于工业、民用供水管道、燃气管道输送等以及单个分散计量表的管理和控制。该系统可实现实时准确的数据收集，便于供能公司及时掌握相关统计量的变化情况，以利于优化生产，节约能源，实现社会效益和公司效益的双赢。
系统的使用安装，由于无线传输数据，计量表无须线缆连接，更适合不便于线缆施工的场合。
系统各部分之间的通信采用短距离微功率无线方式。使用频率为国际通用开放（ISM）频段：433MHz (/868MHz)。无线模组采用集成单片收发器，嵌入芯片的Manchester 编码和GFSK调制以及CRC校验。特色的工作模式，保证了通信的高抗干扰和低误码率。
高度整合设计的由电子控制单元、射频单元和基表组成的计量表具，保证了使用的可靠性和计量准确度。
集中器与管理中心之间可采用公网(GPRS)通信，通信距离由公网可通达通信距离覆盖，实现真正的远程管理。在小区物业管理应用中，可采用集中器与管理中心之间的短距无线通信，无须网络费用，没有等待时间。
4、无线POS表
无线POS表是无线采集系统的重要组成部分，采用最新的微功耗大规模集成电路、专用的低功耗无线通讯模块和先进的表面贴装工艺精工制造的手持抄表设备。由PDA、蓝牙无线转接器、蓝牙微打（可选）构成便携式现场抄表系统，各设备之间采用蓝牙技术连接，PDA从服务器中下载用户数据，现场通过PDA控制无线转接器实现抄表、修改单价等操作，操作记录保存在PDA中，可以上传记录到服务器中，可以现场查询、打印相应的抄表信息。
通过无线POS表实现室外抄收无线远传表数据；控制无线远传表开关阀；修改无线远传表单价等功能，所有信息将保存在POS表内部存储器中。无线POS表可以与计算机进行连接，将采集的信息上传到计算机中，同时接收并保存计算机下传的指令。
功 能：
设置和更改无线远传表设备号及参数
u 直接抄收无线远传表数据或通过网络抄表
u 直接或通过网络控制无线远传表阀门
u 直接或通过网络更改无线远传表单价
u 将POS表所有操作信息上传到计算机管理系统
u 通过RS232接口、蓝牙接口（可选）与计算机进行连接
u 具有实时时钟功能
PDA、蓝牙无线转接器、蓝牙微打（可选）通过蓝牙技术连接
u 单独或成批抄收无线远传表用户数据
u 控制无线远传表阀门开关（可选）
u 修改无线远传表单价（系统下载数据控制）
u 通过PDA下载用户信息及上传抄表记录
u 通过蓝牙微型打印机（可选）现场打印抄表信息
抄表员现场携带便携式工作包，可以将PDA、蓝牙无线转接器、蓝牙微打（可选）装到工作包中，方便现场抄表员操作，抄表员现场携带便携式工作包
（七）、计算机管理系统
自来水销售管理中心（由计算机和应用软件组成的管理系统）。可以实现常规抄表，按每月结算日抄收用量（计量数）。实时抄表，随时抄收计量数。实时管理，随时查询和设定计量表的各项控制参数，随时掌握计量表的运行状态。用户余额不足时，提示交费，以及欠费时（带阀表具）可关闭阀门。由用户注册数据库、用户计量表数据库、系统参数数据库和财会数据库组成的管理数据库，实现方便的用户登记、查询、统计、收费。
我公司根据自来水行业发展的现状，参照众多用户提出的管理要求，结合多年的管理系统开发经验，应用最先进的系统构架、数据库环境及用户解决方案，构建了一套能够管理逻辑加密卡、CPU卡和无线数据采集全新的管理平台。其中所属CPU卡的密钥管理系统、统一发卡中心及CPU卡片的应用结构在同行业中最具有代表性、权威性，也是被实践证明了的成熟的、成功的解决方案。
管理系统的技术构成包括以下两个部分：
1、无线IC卡水表销售管理系统平台
2、便携式抄表核查终端
3、系统可分为七大功能：
(一）用户管理；(二) IC卡管理；(三) 表具管理； (四)售水管理；(五)采集数据管理；(六)查询统计；(七)系统设置、维护； （八）报表打印；（九）数据通讯；（十）操作员管理。
管理系统分为单机版和网络版。
二、技术特征
思凯公司研制的无线水表，采用了目前国际上先进的电子技术，使产品的综合性能、技术指标，达到最优。
产品具有以下特点：
1、使用CPU卡，使产品的保密性更好。在国际IC 卡燃气表领域，首次研发出了符合EUROPAY、MASTERCARD、VISA及中国人民银行PBOC2.0标准的产品，具有电子钱包圈存功能，并实现了批量应用。
2、在IC卡预付费的基础上，增加了无线双向数据通迅功能，控制、查表方便，并可随时修改单价，能够满足市场价格变动的管理需求。
3、具有用量阶梯价格计量功能，有利于节约资源，适合更高的管理要求。
4、产品的无线部分在装置结构上采用内置螺旋天线和固定螺旋天线的支撑架。解决了复杂建筑物内微功耗数据通讯的可靠性问题，结构紧凑，实用性强，方便包装、运输、安装。
5、水表采用阀门定时开关方式，以防止长时间不动作而造成锈死。
6、采用步进电机阀门，性能更加可靠。
三、总体技术指标
（一）、IC卡水表部分技术指标
1、计量精度：误差±＜2％。
2、工作电源：碱性电池三节4.5V；或一节锂电池，3.6V。
3、总压力损失：水表≤0.1MPa
4、静态功耗：＜15μA。
5、电池寿命：碱性电池寿命>１年。
6、IC卡读写次数：＞100000次
7、阀门开关寿命：＞50000次
IC卡表符合以下国家标准：
1)产品防护标准为 IP 65。
2)符合中华人民共和国城镇建设行业标准《IC卡冷水水表 CJ/T133-2001》。
3)符合电子测量仪器电磁兼容性试验规范，辐射敏感度试验CB/T 6833.5-1987 ；
4)电气强度试验按CJ/T 3074-1998 中6.6.1 的方法进行；
5)耐冲击电压试验按CJ/T 3074-1998 中6.6.2 的方法进行；
6)电源瞬态敏感度试验按CJ/T 3074-1998 中6.6.3 的方法进行。
（二）、无线部分
1、采集器主要技术参数
无线通信速率 50kbps
载波频率 433MHz (频段)
载波功率 10mW
接收灵敏度 -100 dBm
工作方式 半双工
计量表平均电流消耗 25μA ( 3.6V 锂电池)
采集器电流 (DC 5V)
接收 18 mA
发射 35mA
采集器电源功率 0.35W AC 220V
无线通信距离
无遮挡 200 m
建筑内 10 m – 40 m (受构造影响)
采集数据间隔时间 8秒
采集器用户(表)容量 < 64
集中器用户(表)容量 <10000
系统用户(表)容量 2,500,000
2、IC卡无线水表技术参数：
无线通信速率 50kbps
u 载波频率 433MHz (频段)
u 载波功率 10mW
u 接收灵敏度 -100 dBm
u 工作方式 半双工
u 工作电压 4.5V (3节5# 碱性电池或充电电池)
u 工作电流 15mA
u 静态工作电流 〈 15μA
u 无线通信距离
无遮挡 200 m
建筑内 10 m – 40 m (受构造影响)
u 采集数据间隔时间 8秒
u 记录容量 12000条
3、手持POS技术参数：
无线通信速率 50kbps
u 载波频率 433MHz (与无线系统通讯)
u 2.4 GHz(与PDA通讯)
u 载波功率 10mW
u 接收灵敏度 -100 dBm
u 工作方式 半双工
u 工作电压 4.5V
u 工作电流 30mA
u 静态工作电流 〈 15μA
u 无线通信距离
无遮挡 200 m
建筑内 10 m – 40 m (受构造影响)
u 与PDA通讯距离 10m
u 采集数据间隔时间 8秒
四、与国内外同类先进技术的比较
1998年，我们研制成功国内第一块IC卡水表，至今8年的时间里，我们对产品进行不断的改进，使之性能更加完善，其技术水平始终处于国际先进、国内领先水平。我们将最先进的电子信息技术应用到公用事业领域的供水查表收费领域，为用户提供全面的查表收费解决方案。
目前，我们的产品采用CPU卡与银行卡兼容、实现了电子钱包圈存、步进电机阀门，具有预付费、无线双向数据通迅功能、具有用量阶梯价格计量功能，产品的综合技术指标和功能居国际先进水平。
目前在国内，我们不但完成了产品的技术开发工作，同时在产品的实际使用、产品的商品化方面取得了较好的成绩。在吉林省吉林市安装使用了我们的IC卡水表12.5万块，在一个城市的安装使用单一生产厂家、单一品牌的IC卡水表数量，我们居国内第一。
国外的产品，由于价格等因素，无法在国内得到推广应用，无法与我们竞争。
五、技术成熟程度
我们将IC低功耗技术、IC卡（CPU卡）应用技术、无线通讯技术、系统管理等技术，应用到产品设计制造中。我们的产品IC卡燃气表、水表投放市场已有十年的历史，用户数量超过50万。无线IC卡产品的应用数量超过3万。从市场反馈情况来看，产品的质量是可靠的、技术是成熟的。同时，也应该指出，产品仍存在返修现象。总的返修率在2％以内，2005、2006年的产品返修率为0.8％左右。今后我们在元器件质量、生产过程工艺控制等方面努力改进。
六、对社会发展和科技进步的意义
IC卡水表的应用：
1）、 杜绝了欠费问题，加快了资金回收；避免人为因素，减少资金流失；
2）、IC卡表中设置了超量加价、分段计价的功能，对节约资源十分有利；
3）、提高了企业管理的现代化水平；
用无线IC卡收费系统，取代传统的收费方式，有利于保护用户的个人尊严和隐私权，提高社会的文明程度，使用户更加方便、安全；将有效防止用户和收费者作弊，减少国家财产损失和财政补贴；将促进燃气、供水等相关部门的管理水平，加快其向社会主义市场转变的步伐：由于产品中设置了超量加价和梯级计价功能，面对缺水的严峻情况，是目前迫切急需的智能用水计量产品，对节约水资源十分有利；将有利于提高国民信息化水平，对推进国民经济和社会服务信息化意义重大。
该项目的实施将带动集成电路、IC卡、电子元器件、金属和塑料件加工、网络和软件等一大批相关产业的发展。
七、推广应用的条件和前景
国家已经把住宅产业作为拉动经济发展的重点来发展。2005年全国竣工房面积已达3亿平方米，即相当于300多万户。今后几年内，每年新增住宅都在300多万户左右。在发展住宅产业的同时，供气、供水事业必将得到同步发展。我国县级以上城市有1500多个。每年新增的管道燃气用户在200万左右、自来水用户在300万左右。
八、存在的问题等基本内容
该产品是贸易结算计量器具，最终的用户是老百姓，涉及到千家万户，自来水的使用是人们最基本的生活内容。“百姓之事无小事”。一旦产品出现故障，势必影响到人们的正常生活，同时影响了企业经济效益。所以，对该产品的可靠性要求很高。同时还要有良好的技术支持和售后服务。同时继续加大开拓市场的力度，以取得更好的经济效益和社会效益。
