IC卡燃气表预付费系统的研究

    引言

    目前，煤气和天然气作为主要的能源进入千家万户，传统的人工抄表计费方式存在着效率低下、计费人员工作量增大等缺点，越来越无法满足用户的需求。随着计算机技术的发展，IC卡预付费燃气表作为燃气计费的主要手段在众多城市中相继应用。预付费技术在燃气计费中的应用主要针对在燃气计费收费中出现的用户拖欠燃气费、人工统计出错率高、计费人员与用户出现纠纷等问题。IC卡预付费燃气表的应用不仅能够很好地解决上述问题，而且还具有以下优点： 

    (1)有效地收集用户信息，为企业发展提供了良好的支持。
    (2)方便用户缴费，为普及燃气使用提供了良好的支持。
    (3)减轻了燃气公司资金周转负担，杜绝了计费人员与现金直接接触的现象，帮助燃气公司提高燃气销售的管理水平。因此，IC卡预付费燃气表已经成为燃气计费的主要手段之一。

    自动计费功能是IC卡燃气表的核心功能之一。因此，预付费系统是IC卡燃气表的重要组成部分。然而，在目前众多预付费系统中还存在着诸多问题，如：计费系统拥有各自的规范，没有提供统一的接口，使得系统之间的数据无法共享；很少提供系统二次开发接口，使得系统无法升级，以满足用户需求等。

    基于以上系统中出现的问题，本文设计了一个预付费系统，并进行了初步的实验验证。经实验结果表明，该系统能够初步地解决了以上问题。

    1 系统的功能

    根据IC卡燃气表应用的现状，IC卡燃气表预付费系统可分解为以下功能：

    (1)流量计费：从计量传感器中获得燃气流量，并结合燃气单位价格计算燃气价格，再通过读卡设备更新IC卡中的金额。
    (2)流量控制：从读卡器中获得用户的插卡信息及IC卡内的金额信息，以判断是否开启或关闭控制阀门以及提醒用户充值后继续使用。
    (3)自动报警及预警：燃气发生泄漏、电源供电不足、燃气表损坏或被打开时，关闭阀门并提示用户申请工作人员上门检修、或更换电池、燃气表。
    (4)IC卡验证：通过读卡器读入用户信息并进行本地验证，若卡与用户信息不符或插入的IC卡与读卡器不匹配，则将系统锁定。
    (5)网络管理：将IC卡中的信息通过Interact进行定时传送，不仅能够确保服务器与IC卡燃气表中的数据在一定程度上一致，而且也能够便于数据的统计。
    (6)信息提示：通过燃气表的显示设备将IC卡的余额、燃气表状态及其他状态信息通过显示设备显示给用户。

    2 IC卡燃气表控制系统的设计

    由于以往的IC卡燃气表成本较高，使得IC卡燃气表的普及速度较慢，然而如何在确保IC卡燃气表成本较低的情况下满足预付费系统对硬件需求成为了目前的难点。IC卡燃气表在设计上应当减少用户以往从终端中获取IC卡信息的烦琐性，让客户及时了解IC卡的余额、IC卡状态及燃气表状态等信息，体现更人性化的服务。

    本文给出了一种IC卡燃气表的控制系统的结构，能够满足预付费系统对硬件需求且成本较低(如图1所示)。该系统微处理器采用ARM9的EP9315芯片，由Cirrus Logic公司出品，基于ARM920T内核，内带MMU、16 kB的指令cache、16 kB的数据cache、Maverick Crunch数学协处理器；主频高达200 MHz。EP9315芯片克服了同类产品的内核资源有限的缺点，能够提供较高的处理能力，可轻松实现音频、视频等多媒体功能；存储器采用NOR Flash32M字节存储器(2片Intel E28F128 FLASH芯片组成32位接口)，能够提供较大的存储单元；音频接口采用IIS接口芯片UDAl341。以上硬件设备不仅能够满足预付费系统的运行，而且能够支持嵌入式操作系统，为系统的升级及移植提供良好的硬件平台。 

    3 系统结构设计

    根据IC卡燃气表预付费系统的总体功能，应采用一户一表制，不仅有利于IC卡燃气表的管理，而且也减少了预付费系统开发的成本，并且可以将IC卡燃气表进行二次开发，例如，可利用其硬件性价比高的优势，在现有燃气表功能的基础上增加多媒体等附加功能。由于燃气用户较多、且分布较广、不集中，采用实时数据网络传输会造成服务器压力负载较大，带来设备更换或系统升级的问题。根据IC卡燃气表的实际应用情况，采用三层网络体系结构，第一层为IC卡燃气表，通过Internet与子应用服务器连接；第二层为子应用服务器；第三层为中心应用服务器、数据库服务器，通过Internet防火墙与子应用服务器连接。系统结构如图2所示。

    三层网络体系结构拥有以下优点：

    (1)IC卡燃气表设备可灵活管理。燃气作为主要日常主要能源，普及使用的速度较快，当燃气表新增速度较快时，频繁更新数量庞大的用户数据时，会增加系统负担，不利于IC卡燃气表的扩展使用。因此，当IC卡燃气表增加时，可先将用户的开户信息添加至子应用服务器中，再由子应用服务器将开户信息上传至中心应用服务器中。这样不仅可以确保数据安全，也可降低中心应用服务器的负载，更有利于燃气公司业务的扩展。 

    (2)便于系统升级。子应用服务器减少了IC卡燃气表设备与服务器之间的物理距离，便于服务器对终端设备的控制。随着IC卡燃气表设备的不断增加，相应的增加子应用服务器的数量以应对业务量的增加。 

    (3)便于网络业务的开展。随着互联网的发展和应用，可对系统进行升级，增加网络服务功能。系统可增加网络缴费和短信提醒等业务。注册用户可通过网上银行对帐户进行充值，中心应用服务器将更新后的用户信息发送至该终端所在的子应用服务器，由子应用服务器对该IC卡燃气表发送写命令，由IC卡燃气表更新用户的IC卡信息，充值后可由中心应用服务器通过短信网关为用户发送充值成功的信息。用户也可通过互联网查询帐户信息，查询的内容可包括IC卡余额、用户基本信息、消费及充值记录等。

    预付费系统包括服务器管控系统及IC卡燃气表管控系统。服务器管控系统是在中心应用服务器的基础上，通过通信控制器对子应用服务器及终端进行管理及控制，并对IC卡用户信息进行管理、统计、分析。IC卡燃气表管控系统是在IC卡燃气表现有功能的基础上，实现对IC卡燃气表的控制与管理，对IC卡识别器、电源、存储器、阀门等进行有效控制，并对IC卡燃气表中存储的数据进行初步地统计、整理、分析，再通过通信控制器将IC卡信息进行上传。

    IC卡燃气表预付费系统工作流程为：

    (1)用户将IC卡插入IC卡燃气表中，系统将验证IC卡的合法性，若出现IC卡损坏、无法识别、错卡等情况，则系统将IC卡燃气表进行锁定，并通过显示设备及音频信息通知用户；若IC卡通过合法性验证后，则对IC卡金额进行判断，若小于最小单位燃气所对应的金额，则将IC卡燃气表锁定，并通过显示设备将IC卡余额显示，同时用音频提示用户充值；若IC卡中金额大于最小单位燃气使用金额，则将IC卡燃气表开启，打开燃气阀门。并启动电压测试、计量传感等设备对IC卡燃气表进行监控；在使用时，当IC卡中金额低于预警数值时通过显示设备及音频提示用户充值，当IC卡中金额为零时，则关闭燃气阀门，再次通过显示设备及音频提示用户充值，并关闭IC卡燃气表。

    (2)根据IC卡燃气表中的燃气计量设备获取的燃气量及换算后的金额等数据进行存储，将IC卡中的信息进行更新，并将燃气量、IC卡信息、系统时间等数据通过通信控制器上传至子应用服务器中。

    (3)子应用服务器将IC卡燃气表中数据进行存储后根据系统时间再将数据上传至中心应用服务器中。

    4 实验

    4．1 实验环境

    根据现有条件，硬件环境：PC机1台(CPU：Pentium D2．8 G，内存1．5 Gb，硬盘160 Gb)作为数据库服务器，PC机1台(CPU AMD3000+，内存1．5 Gb以上，硬盘160 Gb)作为中心应用服务器，低端PC机2台(CPU Pentium4 1．6 G，内存1 Gb，硬盘80 Gb以上)作为子应用服务器。IC卡燃气表10个。
软件及开发工具：WindowsXP Professional，RedHat Linux4企业版，Oracle10g企业版，Rational Rose2003，Office2003，JDKl．5，Eclipse3．3，Tomcat6．O等。

    4．2 实验结果

    将中心应用服务器、数据库服务器、服务器群、子应用服务器和IC卡燃气表通过Internet连接，每个子应用服务器首先连接2个IC卡燃气表，将预付费系统移植到IC卡燃气表中后进行群集测试。实验结果表明，该系统能够正常运行，并且能够初步地实现系统预期的功能。当每个子应用服务器连接到5个IC卡燃气表时，且终端数据上传时间间隔较短时，子应用服务器的数据处理压力就会过大。若终端数据上传时间间隔较长，则不利于服务器中数据的一致性。因此，实际应用的数据上传间隔时间可根据硬件设备的选择来确定。

    5 结束语

    IC卡燃气表的应用是燃气公司信息化的重要一环，能够大大减少人员的工作量、减少抄表人员的配备、降低统计出错率、有利于资金的流动等，从而间接地提高燃气公司管理的水平并逐步降低燃气公司的成本。IC卡燃气表作为用户日常生活密切相关的产品为用户提供服务，也是燃气公司为用户提供服务的平台之一，因此，IC卡燃气表的应用受到了业内的广泛关注。智能IC卡燃气表成为了IC卡燃气表未来发展方向之一，智能IC卡燃气表不仅能够为用户提供更安全可靠的服务，也能够为用户提供一个人机交互的平台，为用户提供的信息不仅限于简单的IC卡余额、IC卡燃气表的状态等信息，而是将音频、视频等多媒体信息提供给用户，用户还能通过终端设备进行充值、开户、消户等业务的办理。可见，随着硬件设备成本的逐渐降低，IC卡燃气表的普及便会是个必然的趋势；随着智能技术的不断发展，智能IC卡燃气表的应用也会很快到来。本文根据目前IC卡燃气表应用的现状及存在的问题，设计了一个预付费系统，给出了IC卡燃气表的硬件结构，分析了预付费系统的体系结构，并进行了初步的实验验证。下一步工作将进行更大范围的实验，并逐步对软件及硬件进行不断地优化。