基于IC卡的電能收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　1 引言

　　近年來(lái)，我國(guó)電力建設(shè)發(fā)展迅速，電網(wǎng)改造在有些地區(qū)已初步完成，用戶(hù)不僅要求有電用，而且要求用高質(zhì)量的電，享受到更好的服務(wù)。提高電力部門(mén)電費(fèi)實(shí)時(shí)性結(jié)算水平，建立區(qū)域乃至全國(guó)統(tǒng)一的電力大市場(chǎng)已成為所有電力部門(mén)的共識(shí)。由此帶來(lái)的對(duì)傳統(tǒng)結(jié)算手段的改進(jìn)。

　　人工手工抄表工作量大，工作效率低，同時(shí)也容易出現(xiàn)混淆、錯(cuò)誤，也容易導(dǎo)致用戶(hù)與供電企業(yè)的糾紛。

　　鑒于此，目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)無(wú)線(xiàn)（或者有線(xiàn)）抄表的電表和IC 卡電表。例如基于電力線(xiàn)載波的有線(xiàn)抄表系統(tǒng)、基于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)、基于GPRS/CDMA 的無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)、基于有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)有線(xiàn)抄表系統(tǒng)和IC卡電表等。

　　2 已有電能收費(fèi)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　2.1 基于電力載波的有線(xiàn)抄表系統(tǒng)

　　利用電力載波作為自動(dòng)抄表系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)通道，可以充分利用已有的供電線(xiàn)路，無(wú)需單獨(dú)架設(shè)通訊網(wǎng)絡(luò)，也無(wú)須后續(xù)的通訊費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)且實(shí)用性強(qiáng)，采集所得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性較好，運(yùn)行成本低，無(wú)疑是很方便的。但是用低壓電力線(xiàn)作為傳輸信道還存在許多問(wèn)題，首先電力線(xiàn)的干擾非常大，特別是在用戶(hù)線(xiàn)路上，用戶(hù)的家用電器、開(kāi)關(guān)電源等產(chǎn)生的高次諧波，各種用電設(shè)備的通斷產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖干擾和各種大功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的寬頻譜的駐波干擾等等。不同地方的線(xiàn)路特性可能完全不同，使用線(xiàn)路的種類(lèi)及線(xiàn)路上的負(fù)荷情況都會(huì)對(duì)高頻信號(hào)在電力線(xiàn)上的傳輸特性產(chǎn)生很大的影響，即使是同一段電力線(xiàn)路，其傳輸特性也會(huì)隨各種電力負(fù)荷的變化而改變，這樣影響了數(shù)據(jù)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送。其次線(xiàn)路在經(jīng)歷變壓器的位置需要安裝集中器;傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)，載波信號(hào)衰減嚴(yán)重，需要進(jìn)行中繼，這樣增加了設(shè)備投資。

　　2.2 基于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)

　　利用無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，對(duì)范圍廣、分布分散的電表采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，是一種較好的選擇。使用這種通信方式，安裝調(diào)試方便。但是無(wú)線(xiàn)信號(hào)屬于空中傳輸信號(hào)，現(xiàn)在各種無(wú)線(xiàn)信號(hào)繁多，相鄰兩個(gè)信道會(huì)產(chǎn)生相互干擾。

　　2.3 基于GPRS/CDMA的無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)

　　基于GPRS/CDMA 的無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)是利用GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)數(shù)傳業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程自動(dòng)集中抄表監(jiān)控管理分析系統(tǒng)。由于它施工簡(jiǎn)便，性能可靠，自動(dòng)化程度高，投資回報(bào)快，深受廣大用戶(hù)歡迎。但是基于GPRS/CDMA 的無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)需要一定的數(shù)據(jù)通信費(fèi)用，這就增加了抄表系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

　　2.4 基于有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)有線(xiàn)抄表系統(tǒng)

　　基于有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)的居民集抄是利用已有的有線(xiàn)電視通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)居民集抄的一種集抄方案。

　　有線(xiàn)電視網(wǎng)作為現(xiàn)行有線(xiàn)電視普遍使用的通信機(jī)制，其提供的頻帶寬（可達(dá)1GHz），等時(shí)服務(wù)性能好，支持全部現(xiàn)存的和發(fā)展的窄帶和寬帶業(yè)務(wù)，并為用戶(hù)提供了廉價(jià)的以電為基礎(chǔ)的終端設(shè)備，這可以使用戶(hù)根據(jù)需要逐漸增加投資以加入某些新的通信業(yè)務(wù)，從而使有線(xiàn)電視網(wǎng)與其它網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相比在帶寬、等時(shí)性、兼容性及投資方面占據(jù)了優(yōu)勢(shì)，成為目前實(shí)現(xiàn)多媒體通信最具競(jìng)爭(zhēng)力的網(wǎng)絡(luò)。基于有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)的電表集抄系統(tǒng)是一種較理想的方案。但是利用有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抄表需要用戶(hù)電表和有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)之間建立數(shù)據(jù)通信，完成這種數(shù)據(jù)通信需要采集器和調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備，這將增加抄表系統(tǒng)的成本。而且基于有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)的居民集抄也需要一定的通信費(fèi)用，這將增加抄表系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

　　2.5 IC卡電表

　　采用IC卡電表和采用傳統(tǒng)的手工抄表相比有很多優(yōu)勢(shì)：

　　（1）有了IC卡電表，不需要麻煩人工抄表，有利于現(xiàn)代化管理。

　　（2）IC卡電表的使用避免人工抄表上門(mén)收費(fèi)給客戶(hù)帶來(lái)的諸多不便，且歷史購(gòu)電數(shù)據(jù)均可以保存，便于客戶(hù)查詢(xún)。

　　（3）充分體現(xiàn)了電力的商品屬性。實(shí)現(xiàn)了預(yù)付費(fèi)功能，實(shí)行先買(mǎi)電后用電，客戶(hù)可以根據(jù)自己的實(shí)際需要有計(jì)劃地購(gòu)電、用電，不會(huì)因欠費(fèi)而發(fā)生滯納金，增加不必要的開(kāi)支。

　?。?）IC卡電表即解決了收費(fèi)難的問(wèn)題，也很好地解決零散居民客戶(hù)、臨時(shí)用電客戶(hù)、經(jīng)常欠費(fèi)客戶(hù)的收費(fèi)問(wèn)題。但目前的用戶(hù)電卡，需要插到電表里或靠近電表將所購(gòu)電量傳遞給用戶(hù)電表，操作起來(lái)比較麻煩，特別在農(nóng)村，電表一般裝在幾米高的地方，操作起來(lái)就更加麻煩。以上分析了有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)和 IC 卡電表的優(yōu)缺點(diǎn)。遠(yuǎn)程集中抄表是用于小區(qū)用戶(hù)用電量的智能采集系統(tǒng)，采用遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)和采用傳統(tǒng)的手工抄表相比有很多優(yōu)勢(shì)：

　　第一、遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)抄表速度快，抄收同時(shí)性好。

　　第二、遠(yuǎn)程集中抄表省時(shí)省力，大大減少了手工抄表所用的人力物力。

　　第三、有利于消除人工抄表的誤差。

　　第四、可實(shí)現(xiàn)分時(shí)電價(jià)統(tǒng)計(jì)，時(shí)段電量控制。

　　第五、可遠(yuǎn)程控制通斷，實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)管理功能。

　　但是遠(yuǎn)程集中抄表要借助通信網(wǎng)絡(luò)才能完成，新建通信網(wǎng)絡(luò)投資較大，而借助已有通信網(wǎng)絡(luò)則需要繳納一定的通信費(fèi)用，導(dǎo)致遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)運(yùn)行成本較高。 IC 卡電表不需要借助任何通信網(wǎng)絡(luò)也不需要繳納任何的通信費(fèi)用，系統(tǒng)投資少運(yùn)行成本低。但目前的IC 卡電表，需要將用戶(hù)電卡插到電表里或靠近電表才能將所購(gòu)電量傳遞給用戶(hù)電表，操作起來(lái)比較麻煩，特別在農(nóng)村，電表一般裝在幾米高的地方，操作起來(lái)就更加麻煩。為了解決遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)投資較大、運(yùn)行成本較高，而IC 卡電表操作比較麻煩的問(wèn)題，提出了一種基于IC卡的電能收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

　　3 本設(shè)計(jì)方案涉及到的主要技術(shù)

　　本方案涉及到電力載波通訊技術(shù)，故首先介紹一下：電力載波通訊即PLC，是英文Power line Communication的簡(jiǎn)稱(chēng)。電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現(xiàn)有電力線(xiàn)，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線(xiàn)，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

　　4 設(shè)計(jì)方案

　　4.1 本設(shè)計(jì)的總體方案

　　本方案的總體設(shè)計(jì)思路：生產(chǎn)一種IC 卡接口裝置放在用戶(hù)家中，該裝置和用戶(hù)電表之間可以通過(guò)有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)或電力載波進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。用戶(hù)將IC卡插入或靠近IC卡接口裝置，該裝置可以將用戶(hù)所購(gòu)電量等數(shù)據(jù)傳遞給用戶(hù)電表，而用戶(hù)電表內(nèi)的剩余電量等數(shù)據(jù)也可以通過(guò)該裝置傳遞給IC卡。

　　4.2 用戶(hù)電表的組成

　　用戶(hù)電表的組成：傳統(tǒng)的IC 卡電表內(nèi)部由基表，主控單片機(jī)芯片，數(shù)碼顯示，繼電器開(kāi)關(guān)，ESAM 安全模塊和IC卡接口組成。本設(shè)計(jì)方案用戶(hù)電表的組成和傳統(tǒng)的IC 卡電表沒(méi)有什么兩樣，只是將IC 卡接口電路分離出來(lái)，增加一個(gè)通信接口用來(lái)和IC 卡接口裝置通過(guò)有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)或電力載波進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這樣做可以多塊電表共用一條線(xiàn)路或共用一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊或電力載波收發(fā)模塊。也可以不用通信接口而將無(wú)線(xiàn)收發(fā)摸塊（無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)模塊）或電力載波收發(fā)模塊（電力載波調(diào)制解調(diào)模塊）置于用戶(hù)電表內(nèi)部，用無(wú)線(xiàn)或電力載波和IC卡接口裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這樣做每塊電表都要安裝一個(gè)無(wú)線(xiàn)或電力載波收發(fā)模塊。

　　4.3 IC卡接口裝置的組成

　　IC卡接口裝置的組成：IC卡接口裝置主要由IC卡接口電路、主控單片機(jī)芯片、數(shù)碼顯示、操作按鍵、通信接口或無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊或電力載波收發(fā)模塊等組成。用通信接口可以實(shí)現(xiàn)IC 卡接口裝置和用戶(hù)電表之間的有線(xiàn)數(shù)據(jù)通信，用無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊可以實(shí)現(xiàn)IC 卡接口裝置和用戶(hù)電表之間的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信，用電力載波收發(fā)模塊可以實(shí)現(xiàn)IC 卡接口裝置和用戶(hù)電表之間的通過(guò)電力載波的數(shù)據(jù)通信。因?yàn)镮C 卡接口裝置和用戶(hù)電表的距離一般比較近，所以無(wú)論用有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)還是電力載波都比較簡(jiǎn)單可靠，成本也比較低。

　　4.4 收費(fèi)功能的實(shí)現(xiàn)

　　收費(fèi)功能的實(shí)現(xiàn)：用戶(hù)在供電部門(mén)交款購(gòu)買(mǎi)，所購(gòu)電量在售電機(jī)上被寫(xiě)進(jìn)用戶(hù)電卡，用戶(hù)將用戶(hù)電卡（IC 卡）插到或靠近IC卡接口裝置，通過(guò)IC卡接口裝置將用戶(hù)所購(gòu)電量等數(shù)據(jù)傳遞給電表，同時(shí)用戶(hù)電表將表內(nèi)剩余電量等數(shù)據(jù)通過(guò)IC卡接口裝置傳遞給IC卡 （用戶(hù)電卡），用戶(hù)電卡經(jīng)多次加密可以保證用戶(hù)可靠的使用。當(dāng)所購(gòu)電量用完后，表內(nèi)繼電器將自動(dòng)切斷供電回路。這種方式對(duì)長(zhǎng)期固定用戶(hù)比較適用，而對(duì)流動(dòng)性較強(qiáng)的臨時(shí)性用戶(hù)應(yīng)采用以下方式比較方便。用戶(hù)在供電部門(mén)交款購(gòu)買(mǎi)，所購(gòu)電量在售電機(jī)上被寫(xiě)進(jìn)用戶(hù)電卡，用戶(hù)將用戶(hù)電卡（IC卡）插到IC卡接口裝置上，用戶(hù)電卡和用戶(hù)電表通過(guò)IC 卡接口裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將用戶(hù)所用電量從用戶(hù)電卡中扣除，而剩余電量保留在用戶(hù)電卡中。這對(duì)流動(dòng)性較強(qiáng)的臨時(shí)性用戶(hù)特別適用，他們可以拿著用戶(hù)電卡中的剩余電量到別的地方繼續(xù)使用，或到供電部門(mén)換成現(xiàn)金。以上兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)具體采用哪種方式需要根據(jù)實(shí)際情況而定。

　　本設(shè)計(jì)方案所論述的收費(fèi)系統(tǒng)無(wú)需借助任何通信網(wǎng)絡(luò)，投資少運(yùn)行成本低。而且IC 卡接口裝置放在用戶(hù)家中，用戶(hù)操作起來(lái)非常方便。比較適合用于居民小區(qū)，特別適合用于農(nóng)村用電戶(hù)。本設(shè)計(jì)方案也可以用于水、氣、暖的收費(fèi)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用一卡多用，給用戶(hù)提供了極大的方便。本收費(fèi)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)且實(shí)用性強(qiáng)，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。是電能收費(fèi)系統(tǒng)比較理想的收費(fèi)方案。