北京自来水集团京兆水表有限责任公司 何满汉
随着城市供水事业的不断发展和查表到户工程的不断推进，人们在不断探索和研究如何实现查表到户既不扰民、又能保证供水企业按时、准确回收水费、为用户提供更完善服务的手段和相关的高科技含量的设备，IC卡水表就是在此背景下推出的一种产品，下面结合自身在参与CJ/T133-2001《IC卡冷水水表》标准制定和修订，以及IC卡水表及应用系统研制过程中所遇到的技术难点和经验，就IC卡水表做一系统研究和讨论。
1 背景资料
IC卡水表是伴随着城市供水企业不断推进科学管理和查表到户，以及对高科技含量产品需求不断提高的前提下产生的，其目的是提高用户节水意识、应用高新技术手段解决查表到户和水费回收难的问题。
2 IC卡水表系统组成及研究
2.1 IC卡水表应用系统的组成
IC卡水表应用系统主要由：售水系统、卡、卡表组成。
售水系统：主要由POS机、计算机、服务器、通信网络及相关设备组成。
卡：作为售水系统和卡表之间的数据传递媒体，在IC卡水表应用系统中占据着重要的位置，系统安全、数据传递等靠其实现。
卡表：主要由水计量机构（基表）、数据传感器、控制阀、控制器等组成。属于机电一体化产品，是IC卡水表应用系统的终端设备，要安装于各个用水终端用户，其质量的可靠性和稳定性如何对IC卡水表的推广和应用产生直接影响。
2.2 IC卡的功能与应用
目前应用的 IC卡包括：非智能型存储卡、逻辑加密卡、智能卡。
通过对卡的各项技术指标进行对比得出结论。 非智能型存储卡、逻辑加密卡、智能卡，这三种卡虽然统称为 IC卡。但在技术成分、安全性、可靠性、可维护性、可兼容性、可扩展性及金融系统的可支持性上有着本质上的区别和差异。
2.2.1 存储卡和逻辑加密卡
2.2.1.1非智能 IC卡安全性较差。甚至没有任何安全保护，卡内数据与卡式水表内的数据很容易被篡改和伪造。
非智能 IC卡表无法解决研制单位和使用单位的安全脱钩技术问题。使用单位的卡表安全从技术上无法脱离对研制单位的依赖（即：研制单位根本不可能把钥匙完全彻底地交给使用单位）这将有可能给应用部门的经济利益造成极大的威胁。
由于上述原因，最终可能造成水费的严重流失，使设备系统安全形同虚设。
2.2.1.2非智能 IC卡读写可靠性较差。其自身无法判断卡内的数据的读写和存储是否正确，在用户插拔卡不规范或其他不确定因素下可能造成数据混乱，造成不必要的用户纠纷和较大量的维护工作。
2.2.1.3非智能 IC卡可兼容性和可扩展性差。其技术平台是限于某个厂商的特定型号的半导体芯片技术，同一厂商的不同型号的芯片技术也互不兼容，不同厂商的芯片技术更是互不兼容。这就使得非智能 IC卡表技术只能局限于某个厂商的特定型号的半导体芯片技术。而从当前国际 IC卡技术发展趋势看，非智能 IC卡技术产品的生产已趋于萎缩，一旦该厂商停止生产该种产品，将给应用单位造成严重的经济损失。
存储卡和逻辑加密卡属非智能 IC卡技术与智能卡技术相比较存在较大的技术隐患。
2.2.2智能卡
智能卡是一种智能型的 IC卡，又称 CPU卡或微处理器卡、智慧卡。
智能卡芯片具有微型计算机软硬件配置，如： CPU、 RAM、 ROM、EEPROM、 COS操作系统，同时还具有用于信息安全保护的加密器(基于国际金融通常适用的3DES加密算法)、随机数发生器及物理攻击自毁电路。而非智能 IC卡的芯片上只有一个简单的存储器逻辑电路。因此，从可靠性和安全性而言，智能卡具有天生的优势。
智能卡芯片内的物理资源由储存在 ROM内的芯片操作系统（COS）来进行统一管理和调度，我们可以根据具体的应用要求设计卡片的应用规则和规范，建立卡片的安全系统，并通过芯片操作系统实现智能卡的具体应用功能。因而，智能卡具有灵活性较强的、开放式的应用设计平台。
智能卡芯片操作系统包括四大功能：
卡片与外界通讯管理—负责外界卡终端和卡片的通讯协议处理、通讯检错处理和纠错处理，保证卡片读写传输数据正确可靠；
信息存储文件管理—为用户提供灵活、方便、多种格式的信息存储文件管理，以适应多种应用需求；
信息使用安全管理—使应用单位可以根据自身应用需求对卡内信息进行灵活的权限分割、权限设置和权限认证设计，从而建立信息防火墙，抵御外界逻辑攻击；
命令解释执行管理—为应用设计能实现提供驱动管道。
国内外目前有大量的智能卡技术标准和应用规范，包括国际通用标准ISO7816、欧洲 EMV标准、中国人民银行金融卡标准、中国建设部IC卡应用技术规范等。这些技术标准和应用规范为智能卡推广和应用的通用性、兼容性、可扩展性提供了必要的技术保证和依据。因此，智能卡在我国及世界已逐步成为主流被广泛应用，如：中国电信的SIM卡、中国人民银行金融卡、国家金税工程—增值税发票防伪税控系统的税控卡、海关总署报关管理系统的报关卡、北京市智能卡电表预付费系统的电表卡、北京市交通违规处理智能卡管理系统的交通卡等。
2.2.3TM卡
TM卡是美国达拉斯（DALLAS）公司生产的产品，其工作原理与 IC卡没有本质其别，只是外形和读卡机具的不同。有存储卡、逻辑加密卡。存储卡和逻辑加密卡在饭店门锁上应用较多，其他行业也有应用。由于目前世界上只有美国达拉斯（DALLAS）公司生产这一产品，尚无国际通用标准，应用单位必须依靠该公司的技术平台，进行应用开发，应此在应用上有较大的局限性。
2.3 终端机具（IC卡水表）
2.3.1 终端机具的构成
终端机具主要由基表、数据传感器、控制器、电控阀门四部分组成。其各部分的主要作用分别为：
基表—计量水量；
数据传感器—将基表计量的水量转换为脉冲信号，传送至控制器。
控制器—接受IC卡输入的购水量指令，并判别指令的真伪，真则储存购水量，并按基表传感器的输入水量脉冲信号核减储存购水量，在储存水量为零时向电控阀门发出关阀指令。
电控阀门—执行控制器发出的开、关阀门指令。
2.3.2研制开发工程中的技术难点和研究
由于终端机具（IC卡水表）将安装在千家万户，其可靠性、安全性直接影响到供水企业的运营安全和水用户的利益。同时由于该产品是在供水管网上安装潮湿、水垢等环境条件都将对产品的安全使用产生不利的影响。再有就是该产品是机电一体化产品，需要电力作为记录数据和驱动阀门的能源，而该能源应能长期稳定的工作等都为产品的开发设置了一定的困难。在研制开发过程中需要解决电控阀门的电耗和可靠性、控制器的微功耗和安全性、数据传感器应用选型、抗磁扰和精度控制等课题。
2.3.2.1电控阀门
各种电控阀门功耗对比和分析。
膜片式电磁先导阀：启动速度快，但启动电流在120～270mA。由于水垢原因膜片针孔容易堵塞，造成不动作；水的通流面积小造成压力损失大。
电动球阀：阀门全开时没有压力损失。但由于水垢和水的腐蚀性可造成开关阀门的电流增高或阀门不动作；正常情况下启动电流在40～120mA。
电动柱塞式先导阀：由于柱塞阀芯直线运动，针孔直径较膜片阀针孔直径大，不易受水垢影响；启动电流一般在40～70mA；压力损失较膜片式电磁阀小，较电动球阀大。由于该种阀门是靠磁力驱动的，因此是长期使用过程中磁性驱动元件可能因退磁、磁吸附等原因造成失效。
目前电控球阀被广泛采用。为了保证阀门的动作安全可靠，一些厂家采用在一定周期内定期驱动阀门闭合和开启一次的方法。
2.3.2.2控制器的安全性
终端机具（IC卡水表）的控制器是最易受到外部干扰和攻击的部分，如：外部的强电磁波干扰，通过卡坐口对控制器进行高电压、电流攻击及卡坐短路攻击等。若终端机具受到干扰和攻击将造成数据混乱或丢失，将直至造成终端机具瘫痪，其后果不堪设想。
这些问题只有通过单片机芯片的技术参数选型和控制器合理布线来解决，在设计过程中可用过下述方案措施解决：
●防电磁干扰问题的解决
◎通过充分的调研和选型，选择产品成熟、技术参数指标稳定的产品；
◎合理布线：
○芯片接地面积尽量大，以更好地通过接地吸收电磁干扰；
○布线与晶振间应保留足够的距离；
◎加低电压复位保护和WATCHDOG（看门狗）保护。
●防高电压、高电流攻击的解决
◎通过热敏电阻做芯片IO接口与卡盒的输入接口的隔离保护，利用热敏电阻通过电流产生过热提高阻值的原理限制大电流进入芯片。
◎通过芯片IO接口与卡盒的输入接口间加装稳压二极管进行保护，将交流电压中的负电压部分通过接地吸收。
◎将卡口与内部工作电源进行隔离，防卡口短路击毁芯片。
●经验证明在控制器接地方面也要下足够的功夫。
2.3.2.3数据传感器的应用与误差控制
数据传感器直接影响IC卡水表的计量精度。因此，在选型和产品设计上要特别下功夫。
传感器大体分为两类：一种是有源传感器，如：由霍尔元件、苇根、电感桥、光点元件组成的传感器。一种是无源传感器，如：干簧管、机械触点式传感器等。
目前在卡式水表中大都采用干簧管，少量采用机械触电传感器。其优点是靠外磁感应工作不耗电。当磁性元件进入干簧管感应区内时干簧管吸合，当磁性元件离开后干簧管恢复常开状态，大多数卡式水表应用干簧管的这一工作原理，通过干簧管将基表所计量的单位水量转换为开关信号传输给控制器。而干簧管也有其缺点，即在磁感应的临界状态时干簧管容易抖动产生误计数，干簧管在临界状态时一秒钟可抖动几次。经研究解决此问题的方法是：采用双干簧管，在控制器中加入干簧管状态延时对比电路，并可取得较好的效果。
其原理是：我们将双干簧管各吸合一次计为一个单位用水量，而两个干簧管在正常情况下不会同时吸合。一个干簧管吸合时，另一个干簧管是常开的。利用水表每单位水量通过干簧管计数都有一定的时间间隔，对干簧管的状态进行对比，以剔除因干簧管抖动而产生的错误信号。
以20mm水表为例：水表在最大流量下工作时，时间间隔最小，以最大流量5000升/时计算。磁性元件安置在10升位齿轮上，通过计算最小的时间间隔为72秒，双干黄管间距为10升位齿轮周长的1/3，则最小时间间隔为24秒，磁性元件从进入到离开干簧管感应区的时间为5秒。则在这5秒的时间间隔内，通过对比电路将两个干簧管的状态进行对比。
而干簧管最大的弊端是抗磁扰性能差，大部分厂商都是通过磁扰分析电路判断，在判断有磁扰时关闭电控阀门来解决。这也将成为用户使用不便和增大售后服务的故障点源。再有就是干簧管传感器对制造工艺的要求较为苛刻，一是不能将外力作用在管角；二是在焊接时要把握好焊接温度和世间；三是在封装时要特别注意干簧管不能受外力；四是干簧管在使用时技术指标参数要严格配对等。因此，干簧管传感器在生产制造过程中的合格率不高，要通过反复筛选方可使用。
近年来，苇根、电感桥和光电直读传感器在远传水表领域被逐步推广使用，给IC卡水表传感器带来了更多的选择和发展机遇，我们因该加以重视和研究。这些传感器的抗磁扰性能高，但就传感头来讲较干簧管制造工艺较宜于控制。
3 IC卡水表系统应用过程中应注意相关问题的讨论
IC卡水表系统应用是一项基于卡应用技术平台建立起来的科学技术系统的应用，是一项系统工程。
在IC卡水表应用过程中首先应考虑系统的最终目的，包括系统规模、安全性、可靠性、可维护性、可扩展性、通用性和兼容性。依据上述条件认真选择卡的类型。最后是选择经济适用的表具。
3.1 应用系统的建立和选型
卡式水表应用系统从功能上分为五个子系统：密钥管理系统、开户发卡和售水管理子系统、卡表终端子系统、用户信息管理系统和运营管理系统。
城市卡式水表应用系统包括：计算机、服务器、卡、 POS机、卡表、通信网络（DDN/X.25/F.R）及设备应用系统程序软件等。
物业小区卡式水表应用系统包括：计算机、 POS机、卡和卡表等。
由于各地供水行业的具体情况的不同，为避免盲目上项目带来不必要的经济损失，在应用卡式水表和系统建立时，主要应注意以下工作：
○ 可行性研究和论证；
○ 进行业务管理调研分析，规范业务管理模式，制订应用标准和技术规范，提出技术总体方案；
○ 建立供水企业内部信息系统，为项目实施提供后台管理技术平台；
○ 商榷与代理银行的合作模式和技术接口；
○ 确定试点地区和方案，提出试点管理规范；
○ 建立供水企业内部密钥管理系统，生成总控密钥，发行总控卡；配置应用种子密钥并生成密钥母卡；
○ 进行前期试点实施工作，总结试点经验，不断完善系统和管理规范；
○ 根据试点实施情况和技术成熟情况，决定试点推广工作安排。
在项目选型时应注意到：
○ 选择符合多项国内外技术标准和应用规范，特别是国际通用标准
ISO7816、欧洲 EMV标准、中国人民银行金融卡标准、中国建设部 IC卡应用技术规范，并符合统一规划要求，支持统一技术平台，从而保证系统安全可靠、通用性和兼容性强，易于推广、扩展和升级（应特别注意物业小区系统向城市系统的升级）；
○ 整个系统应始终只受控于供水企业，具有极高的安全性，从而保证供水企业和用户的利益不受损害；
○ 采用银行交易标准技术，保证购水数据安全可靠，支持多种售水模式和一卡多表、一卡多用，方便用户，提高服务水平；
○ 便于供水企业加强运营管理，提高管理水平，并为科学决策提供依据；
○ 系统维护方便，以及后期应用维护费用低。
3.2 卡式水表的选型
卡式水表的构成主要分为以下几部分：基表、数据传感器、控制阀门、控制器（包括：控制电路、液晶显示屏、卡座、电池）等。
在卡式水表（以下简称：机具）选型的过程中主要应从以下几方面考虑：
○ 机具所采用的卡型是否符合系统要求和相关技术标准和应用规范；
○ 基表是否计量准确、可靠；
○ 数据传感器的数据传输是否可靠，基表和控制器之间数据是否准确无误；
○ 阀门和基表造成的水头损失不应过大，要符合相关标准和技术规范；
○ 阀门开合是否可靠；
○ 控制电路和机具整体的抗干扰性、抗攻击性和抗入侵性是否良好；
○ 发生不规范插拔卡时是否会发生数据丢失，或造成数据混乱；
○ 能否配合系统的升级和扩展；
○ 机具的整体功耗是否小；
○ 机具的可维护性是否良好。
