【正文】 集、處理、存儲(chǔ)等基礎(chǔ)工作全由水表本身完成，上位機(jī)不參與底層數(shù)據(jù)采集，僅進(jìn)行通信聯(lián)系，消除了外界因素對(duì)計(jì)量的影響。但是成本較高，推廣普及較慢。瑞典ABB公司開發(fā)的無(wú)線發(fā)射式水表，除安裝常規(guī)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)模塊外，另設(shè)置無(wú)線發(fā)射裝置，通過(guò)遠(yuǎn)程接收裝置接收信號(hào)，此種水表不需敷設(shè)線路和線路維護(hù)、安裝方便。國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀相對(duì)于國(guó)外遠(yuǎn)程集中抄表和智能化水表的發(fā)展，我國(guó)在這方面的技術(shù)起步較晚，但是發(fā)展十分迅速。對(duì)于傳統(tǒng)水表出現(xiàn)的缺陷，我國(guó)市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多種智能化水表，具體分類如圖 11所示。(2)九十年代初期，IC卡智能水表成為研究的重點(diǎn)，但是當(dāng)時(shí)水表中電路的主控芯片功耗大、數(shù)據(jù)采集精度、水表閥門的質(zhì)量和缺乏國(guó)家行業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題使早期的IC卡智能水表發(fā)展和推廣比較緩慢?，F(xiàn)在的IC卡智能水表主要有：接觸式IC卡智能水表、階梯式IC卡預(yù)付費(fèi)智能水表、非接觸式IC卡 (射頻卡)智能水表等(1)接觸式IC卡智能水表：可以顯示用水量、現(xiàn)行水價(jià)、剩余金額等數(shù)據(jù)；欠壓報(bào)警；防盜水等功能。 　　　　 (2)階梯式IC卡預(yù)付費(fèi)水表 (又名分量計(jì)費(fèi)水表和復(fù)費(fèi)率計(jì)費(fèi)水表)：具有水量定額平價(jià)、超額高價(jià)的自動(dòng)階梯式計(jì)費(fèi)功能。二段式收費(fèi)是第一段定額水量平價(jià)，超額水量高價(jià)；三段式收費(fèi)是在二段式 的基礎(chǔ)上增加了一段鼓勵(lì)水量，這段鼓勵(lì)水量低價(jià)，這樣可以鼓勵(lì)居民節(jié)約用水；多段式收費(fèi)具有二段和三段收費(fèi)的功能，而且具有階梯上行和階梯下行的收費(fèi)功能。 　　　　 (3) 非接觸式IC卡水表：采用射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)，通過(guò)無(wú)線電磁波傳遞技術(shù)進(jìn)行信息的讀寫。第二，電路全樹脂密封，徹底解決了防潮、防水的問(wèn)題。使用非接觸式IC卡完全密封無(wú)裸露芯片，不怕劃傷、不怕磨損更不怕水洗， 無(wú)需擔(dān)心芯片脫落、靜電擊穿、彎曲損壞等問(wèn)題。而且非接觸式卡本身沒(méi)有電池，需要設(shè)備首先產(chǎn)生電磁輻射，通過(guò)感應(yīng)電為卡提供能源，持卡工作后，通過(guò)高頻電波與設(shè)備交換信息，因此數(shù)據(jù)交換不可靠，產(chǎn)品成本也較高。其中：①無(wú)線遠(yuǎn)傳水表：這種水表除安裝常規(guī)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)模塊外，另設(shè)置 無(wú)線發(fā)射裝置，通過(guò)遠(yuǎn)程接收裝置接收信號(hào)，此種水表不需敷設(shè)線路和線路維護(hù)、安裝方便。這樣減少了單表的成本，不必為占用頻率 點(diǎn)需交付一定的租用金和管理費(fèi)。天津市計(jì)劃在2005年有63萬(wàn)用戶使用無(wú)線遠(yuǎn)傳水表，北京市同樣有這樣的舉措。但是我國(guó)電網(wǎng)干擾較大，所以這些芯片的可靠使用還存在問(wèn)題，利用電力線作為通信載體的智能遠(yuǎn)傳水表的廣泛應(yīng)用還需要一些時(shí)日。但是這種遠(yuǎn)傳水表成本較大，在上海等市有一定規(guī)模的使用[2]。從1998年開始，國(guó)內(nèi)電表行業(yè)進(jìn)行了大規(guī)模IC卡電表改造工程。從當(dāng)前的種種跡象來(lái)看，水表大規(guī)模更新?lián)Q代的機(jī)會(huì)也即將來(lái)臨。二是目前IC卡智能水表的技術(shù)已經(jīng)成熟，具備了大面積推廣應(yīng)用產(chǎn)品基礎(chǔ)。 水資源短缺是我國(guó)的基本國(guó)情，缺水給中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活帶來(lái)巨大的負(fù)面影響。為了更有效緩解我國(guó)水資源短缺的問(wèn)題，原國(guó)家計(jì)委、水利部等5部委聯(lián)合決定，全國(guó)所有城市要在2005年年底以前全部實(shí)行居民生活用水階梯式計(jì)量水價(jià)的政策。天津、哈爾濱、銀川等14個(gè)城市已經(jīng)率先開展了城市供水價(jià)格改革試點(diǎn)工作，實(shí)行了階梯式計(jì)量水價(jià)。但是水計(jì)量手段落后卻是制約階梯水價(jià)的最大障礙。如果自來(lái)水公司不能準(zhǔn)確地知道用戶每月的用水量，如何實(shí)施階梯水價(jià)？正因如此，一些城市提出階梯水價(jià)短期內(nèi)不會(huì)實(shí)行。據(jù)介紹，居民階梯水價(jià)實(shí)施的前提條件是“一戶一表，抄表到戶”?，F(xiàn)狀是，有的幾個(gè)月抄一次或自報(bào)水量。實(shí)現(xiàn)階梯水價(jià)在當(dāng)前面臨的最大困難就是水計(jì)量手段的落后。IC卡智能水表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、I卡技術(shù)對(duì)用水量進(jìn)行計(jì)量并進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過(guò)IC卡進(jìn)行，因而可以實(shí)現(xiàn)由工作人員上門抄表收費(fèi)到用戶自己去營(yíng)業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變。雖然各個(gè)廠家提出實(shí)現(xiàn)階梯水價(jià)的技術(shù)手段很多，但從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，IC卡智能水表還是最現(xiàn)實(shí)的選擇。第三，IC卡智能水表不僅能實(shí)現(xiàn)階梯水價(jià)，而且可以幫助自來(lái)水公司用最簡(jiǎn)單的方式收費(fèi)，解決拖欠水費(fèi)的難題。從近期的情況看，許多城市如北京、重慶、天津、南京、銀川、哈爾濱、沈陽(yáng)、庫(kù)爾勒、石家莊等城市都已經(jīng)開始實(shí)施IC卡水表改造工程。如此巨大的需求量，吸引了大量廠家投身其中。 IC卡智能水表大規(guī)模更新?lián)Q代的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，紛紛搶占區(qū)域市場(chǎng)成為水表企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，機(jī)會(huì)是平等的，只要努力，相信水表業(yè)將迎來(lái)盛夏[3]！隨著“一戶一表”工程的實(shí)施，利用IC卡作為傳輸介質(zhì)，采用預(yù)付費(fèi)的收費(fèi)方式對(duì)公用事業(yè)儀表進(jìn)行抄表收費(fèi)管理的模式得到了迅速的發(fā)展，并且逐漸從物業(yè)小區(qū)管理方式發(fā)展到行業(yè)或城市管理方式。這個(gè)問(wèn)題解決的好壞，將直接影響IC卡表以及預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)的推廣使用?！? 對(duì)IC卡和智能卡表中的信息安全性保護(hù)主要體現(xiàn)在對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行非法攻擊的防護(hù)上，常用的攻擊行為有以下幾種：　 截取信道中的信息：通過(guò)非法設(shè)備以及相關(guān)技術(shù)手段讀取IC卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息以及在IC卡與智能卡表進(jìn)行操作時(shí)截取數(shù)據(jù)交換信息。　 復(fù)現(xiàn)IC卡中的數(shù)據(jù)信息：攻擊者在截獲數(shù)據(jù)信息后，并不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析破譯，而是記錄在特定操作中數(shù)據(jù)流的變化情況，在需要時(shí)，將記錄的數(shù)據(jù)流直接復(fù)制發(fā)送到IC卡或智能卡表，從而達(dá)到非法改變數(shù)據(jù)信息的目的?！? 在上述所描述的攻擊方法中，第一種方式是手段，由于IC卡和智能卡表全部由用戶掌握和使用，管理方無(wú)法做到實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，因此在現(xiàn)實(shí)中是無(wú)法阻止攻擊者進(jìn)行這種嘗試的。如果對(duì)IC卡與智能卡表之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全保護(hù)處理或者采用較為簡(jiǎn)單的安全保護(hù)，攻擊是非常容易達(dá)到效果的。 　 由于在智能卡表及系統(tǒng)中，IC卡是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳遞的載體，因此IC卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性是需要著重予以考慮的。)集成電路卡的核心是采用集成電路芯片來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)?！? IC卡根據(jù)對(duì)EEPROM讀寫處理方式的不同，可以分為存儲(chǔ)卡、邏輯加密卡以及智能卡(CPU卡)三大類，它們具有不同的數(shù)據(jù)保護(hù)安全級(jí)別?！? 由于存儲(chǔ)卡中只有EEPROM一個(gè)芯片，因此IC卡的對(duì)外接口實(shí)際上就是EEPROM的對(duì)外接口，這樣外部讀寫設(shè)備就可以十分方便地對(duì)EEPROM進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，作為IC卡而言，無(wú)法對(duì)合法或非法的讀寫設(shè)備進(jìn)行判斷和識(shí)別，非常容易進(jìn)行攻擊?！? 邏輯加密卡：邏輯加密卡是在將EEPROM芯片封裝在卡片上的同時(shí)，將一組硬件邏輯電路也封裝在卡片上，外部讀寫設(shè)備必須通過(guò)硬件邏輯電路的判斷后才能訪問(wèn)到EEPROM中的任何一個(gè)單元。外部讀寫設(shè)備在訪問(wèn)IC卡芯片中的EEPROM單元之前，必須首先發(fā)一組數(shù)據(jù)給硬件邏輯電路，硬件邏輯電路在判斷數(shù)據(jù)的合法性后(即密碼校驗(yàn))，才決定是否將IC卡內(nèi)的開關(guān)閉合。通過(guò)這種方式，邏輯加密卡對(duì)內(nèi)部EEPROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了安全性保護(hù)，因此邏輯加密卡具備數(shù)據(jù)安全性保護(hù)措施。因此邏輯加密卡雖然具備一定的數(shù)據(jù)安全性保護(hù)，但它的安全級(jí)別依然較低，具備一定的手段仍然是可以攻破的?！? 智能卡(CPU卡)：智能卡是在將EEPROM芯片封裝在卡片上的同時(shí)，將微處理器芯片(CPU)也封裝在卡片上，外部讀寫設(shè)備只能通過(guò)CPU與IC卡內(nèi)的EEPROM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在任何情況下都不能再訪問(wèn)到EEPROM中的任何一個(gè)單元。外部讀寫設(shè)備在與智能卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，首先必須發(fā)指令給CPU，由CPU根據(jù)其內(nèi)部ROM中存儲(chǔ)的卡片操作系統(tǒng)(COS)對(duì)指令進(jìn)行解釋，并進(jìn)行分析判斷，在確認(rèn)讀寫設(shè)備的合法性后，允許外部讀寫設(shè)備與智能卡建立連接?？梢钥吹?，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，外部讀寫設(shè)備只是和CPU打交道，同時(shí)數(shù)據(jù)交換也只能和數(shù)據(jù)緩存區(qū)RAM進(jìn)行，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)智能卡中EEPROM數(shù)據(jù)的直接訪問(wèn)?！? 與邏輯加密卡相比，由于智能卡內(nèi)部具有CPU芯片，在具有數(shù)據(jù)判斷能力的同時(shí)，也具備了數(shù)據(jù)分析處理能力，因此智能卡可以隨時(shí)區(qū)別合法和非法讀寫設(shè)備，并且由于有了CPU芯片，具備數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密解密處理，因此具備非常高的安全性，其安全級(jí)別很高。因此提高IC卡的安全性是設(shè)計(jì)好的智能卡表及系統(tǒng)的關(guān)鍵。　 在設(shè)計(jì)實(shí)際的智能卡表系統(tǒng)時(shí)，安全性的指標(biāo)也是相對(duì)而言的。 　 根據(jù)上面的分析，在智能卡表及系統(tǒng)中選擇使用智能卡可以有效保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性，但即使這樣也只是阻止了非法讀寫設(shè)備直接對(duì)IC卡中數(shù)據(jù)的操作，并不能保證在IC卡與智能卡表或合法讀寫器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)不被非法設(shè)備跟蹤破譯，要解決這種類型的非法攻擊，還需要采用安全認(rèn)證以及對(duì)數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)進(jìn)行線路保護(hù)處理。只有雙方身份確認(rèn)后，才能建立相互之間聯(lián)系的通道進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)交換?！? 安全認(rèn)證有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)，一是通過(guò)密碼進(jìn)行安全認(rèn)證；一是通過(guò)密鑰進(jìn)行安全認(rèn)證。如果密碼不同，則返回錯(cuò)誤結(jié)果，IC卡數(shù)據(jù)與外部進(jìn)行交換的權(quán)限被關(guān)閉。密碼認(rèn)證的方式比較簡(jiǎn)單實(shí)用，是一種常用的安全認(rèn)證手段。 (1)讀寫設(shè)備向IC卡發(fā)取隨機(jī)數(shù)指令 (2)IC卡向讀寫設(shè)備返回隨機(jī)數(shù) (3)讀寫設(shè)備用存儲(chǔ)的密鑰對(duì)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加密運(yùn)算，生成加密結(jié)果即密碼 (4)讀寫設(shè)備發(fā)送密碼到IC卡 (5)IC卡用存儲(chǔ)的密鑰和隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加密運(yùn)算，并將生成的密碼和收到的密碼進(jìn)行比較 (6)IC卡將比較結(jié)果返回讀寫設(shè)備 　 與密碼認(rèn)證過(guò)程相比，密鑰認(rèn)證增加了兩個(gè)內(nèi)容，一是引入了密鑰的概念，增加了加密運(yùn)算過(guò)程；二是增加了產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的過(guò)程，有了這兩個(gè)過(guò)程，就可以有效地保證密鑰認(rèn)證過(guò)程被非法跟蹤后，仍然能夠保證認(rèn)證過(guò)程的安全性。 　 在這里值得特別指出的是加密運(yùn)算過(guò)程也是保證密鑰認(rèn)證安全性的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，加密運(yùn)算的算法必須滿足下面的條件： (1)已知加密因子和密鑰可以計(jì)算出加密結(jié)果，即數(shù)據(jù)加密運(yùn)算； (2)已知加密結(jié)果和密鑰可以推出加密因子，即數(shù)據(jù)解密運(yùn)算； (3)已知加密因子和加密結(jié)果不可以推出密鑰； (4)加密算法應(yīng)該是公開的算法。同時(shí)需要特別指出的是在智能卡表及系統(tǒng)中采用的算法一定應(yīng)該是國(guó)際上公認(rèn)的具備上述特征的算法，只有采用這樣的算法，才能夠有效保證安全性，同時(shí)也能使智能卡表及系統(tǒng)具有兼容性和互換性。 　 目前國(guó)際上公認(rèn)的加密算法主要分為兩大類型：一種是對(duì)稱加密算法，這種算法的加密密鑰和解密密鑰是相同的，代表性的算法有DES算法和DES算法；另一種算法是非對(duì)稱算法，這種算法的加密密鑰和解密密鑰是不相同的，代表性的算法有RSA算法。 　 在智能卡表應(yīng)用中，如果是非金融的單機(jī)系統(tǒng)，采用DES算法比較適宜；如果考慮今后和金融系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，則應(yīng)滿足銀行規(guī)范使用DES算法。數(shù)據(jù)的線路保護(hù)分為兩個(gè)層面：一是數(shù)據(jù)的機(jī)密性保護(hù)；一是數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)。這樣在線路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為密文數(shù)據(jù)，非法設(shè)備截獲后無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)破譯和分析，接收方收到密文數(shù)據(jù)后再用解密密鑰進(jìn)行解密重新得到明文數(shù)據(jù)。由于密鑰不在線路上傳輸，這樣非法設(shè)備截獲數(shù)據(jù)后如果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行竄改，必然會(huì)導(dǎo)致校驗(yàn)碼不正確，接收方就能夠拒絕接受錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。 　 綜合運(yùn)用上述兩種方法，就可以有效地保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全性，也就最終實(shí)現(xiàn)了在公開的傳輸介質(zhì)或信道上，采用公開的加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)能夠是有效的，正確的，安全的。 　 綜合上面所討論的內(nèi)容，在智能卡表及系統(tǒng)中要具備高的數(shù)據(jù)安全性，一是要采用安全級(jí)別高的IC卡即智能卡(CPU卡)作為傳輸介質(zhì)，二是利用密鑰和相應(yīng)的加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的安全認(rèn)證和有效傳輸?！　　〉诙?主要進(jìn)行了遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的整體設(shè)計(jì)，首先闡述了遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的總體結(jié)構(gòu)，然后分別介紹了上位機(jī)管理系統(tǒng)、集中器和智能網(wǎng)絡(luò)水表的主要功能，進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案的論證，最后比較詳細(xì)地介紹了設(shè)計(jì)過(guò)程中用的主要軟件PROTELL。對(duì)其中各個(gè)部件的選型和功能做了方案論證。給出了各個(gè)子程序模塊的流程圖，以及重要模塊的程序。第六章 對(duì)全文和本次設(shè)計(jì)做了總結(jié)。遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，在實(shí)際的使用中，可以采用多種通信方式，使遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)更加完善?！　　?　　　　本文所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)主要由上位機(jī)管理系統(tǒng)、集中器和智能網(wǎng)絡(luò)水表 等三級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。上位機(jī)管理軟件包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、水費(fèi)水量模塊、小區(qū)管理模塊、用戶管理 模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊等,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊等,管理人員可以通過(guò)操 作實(shí)現(xiàn)以下的一些功能： 　　　　(1)錄入用戶資料，統(tǒng)計(jì)用戶用水量和交費(fèi)情況； 　　　　(2)定時(shí)或隨時(shí)抄收集中器的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理； 　　　　(3)查詢智能網(wǎng)絡(luò)水表的運(yùn)行情況，觀察用戶水表的運(yùn)行狀態(tài)。上位機(jī)管理系統(tǒng)和集中器是一對(duì)多的關(guān)系，管理的集中器數(shù)量受到管理中心采用的計(jì)算機(jī)的硬盤空間、采用的通信方式等方面的限制。它的 主要任務(wù)有兩項(xiàng)：一是完成和水表的通信，根據(jù)系統(tǒng)的要求接收某個(gè)水表的數(shù)據(jù)；二 是根據(jù)系統(tǒng)要求完成和上位機(jī)的通信，將水表的數(shù)據(jù)信息傳輸給上位機(jī)管理系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的智能網(wǎng)絡(luò)水表具有普通智能水表的全部功能： (1)數(shù)據(jù)采集：通過(guò)傳感器將水流量轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，記錄用水量。(3) 欠壓提示：當(dāng)水表內(nèi)的電池電壓不足時(shí)，水表顯示“電池欠壓”，提醒用戶更換電池等。遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)中關(guān)鍵要解決的問(wèn)題是數(shù)據(jù)通信的問(wèn)題，因而遠(yuǎn)程集中抄表 系統(tǒng)也隨著各種通信方式的發(fā)展而不斷發(fā)展起來(lái)。圖22抄表方式分類圖 　　　　主要包括：RS485總線傳輸方式、基于LonWorks 網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方式、電力載波方式傳輸方式、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式和利用MODEM、電話網(wǎng)的傳輸方式等。通常由一個(gè)采集終端通過(guò)RS85總線采集一定數(shù)量基表的數(shù)據(jù)，基表為具有RS85接口的電子表，采集終端通過(guò)專用電纜或RS485總線，將采集到的數(shù)據(jù)送到集中器進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。它在制造業(yè)、 流程工業(yè)、交通、LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中最被看好的技術(shù)之一。 　　　　(3)電力線載波 (PLC)抄表方式：其原理是把水表、電表、氣表的數(shù)據(jù)通過(guò) 采集終端設(shè)備將數(shù)據(jù)調(diào)制后，通過(guò)電力線傳送，在接收端解調(diào)還原成數(shù)據(jù)信號(hào)，在同一臺(tái)配電變壓供電范圍內(nèi)用戶統(tǒng)一編址，并由采集器巡回讀寫。在我國(guó)電網(wǎng)干擾比較大，從國(guó)外引進(jìn)的電力載波芯片不合適我國(guó)的電網(wǎng)，現(xiàn)在雖然有