CN101040293A - 使用带有自动能源切断装置的遥控智能卡的能源计量预付系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种计量表的应用，该计量表完全集成在单一芯片上，完全封闭且不与外界接触，其整合了一个预付费系统以及一种更加有效的方法，以控制电能供应并通过遥控智能卡从计量表中得到极佳的信息。

Description

使用带有自动能源切断装置的遥控智能卡的能源计量预付系统
技术领域
本发明涉及一种电能计量表(electric energy meters)的预付系统(prepaymentsystem)，尤指一种更加有效的系统和方法，以控制电能的供应，以及通过使用遥控智能卡(contactless intelligent cards)从计量表得到极佳的信息。
背景技术
能源公用事业公司过去实行的是在消费者使用了他们所提供的服务后以传统的读表和发票详单的方式来收取服务费用。近来提出了用于公共服务供应，例如电，水或煤气的预付系统技术，这种形式克服了传统收费系统的一些不便之处。
有一种预付系统设计为这样的结构，对电(水或煤气)的购买可以直接从中心站完成，并且有关购买数量的信息会随后被传送到消费了供应量的用户所在地。在用户的消费点(本地，公司，住宅等等)安装有计量装置，它接收预付通信的信息并且也对中心站确认购买数量。典型地，电能计量装置安装在商店或住宅的外部，且读取预付信息的终端和计量表安装在一起，或者通过电缆或电源线与计量表相连，该计量表安装在室内。这些种类的预付系统的一个缺点是安装困难，成本高。这种典型的预付系统的另一个问题是它不能提供有关消费信息(充值金额是如何使用的，哪里或哪一个计量表正在使用充值金额)和有关窜改计量表信息的双向通信。
另一种知名的预付系统同样基于从一个预定销售点直接进行购电，购买数量的信息存储在磁卡或遥控智能卡中。这种特殊的预付系统需要使用一种电表，该电表包括一个读卡装置或磁动电键，以及一系列管理电能供应的附加控制装置。
上述提到的该类型预付系统的例子由美国专利号4,240,030所披露，名称为“智能电表”(Electric Utility meter)，专利权人是杰斯R.贝特曼(Jess R.Baterman)及其合作者，授权日为1960年12月16日。该专利描述了一种使用可插入磁卡来控制能量供应的智能计量表。美国专利号4,629,874，名称为“预付计量系统”(Prepaymentmetering system)，授权日1980年12月16日，该专利描述了一种使用智能卡和附加元件来确定充值金额从而控制能量供应的系统。美国专利号4,731,575，名称为“使用编码购买卡的预付计量系统”(Prepayment metering system using encoded purchasecards)，授权日为1988年3月15日，专利权人为约瑟夫W.斯隆(Joseph W.Sloan)，该专利揭示了一种使用编码磁带卡(coded magnetic ribbon cards)从收费处向用户传送购买信息的系统。美国专利号4,795,892，名称为“预付商品系统”(Pre-paidcommodity system)，授权日1989年1月3日，专利权人为CIC系统有限公司(CICSystems，Inc.)，该专利包括了一种使用预付的系统，该预付由提供电，水，煤气等的销售卡激活。美国专利号4,803,632，名称为“智能公用事业系统”(Intelligent utilitysystem)，专利权人为公用事业系统公司(Utility Systems Corp.)，授权日为1989年2月7日，该专利描述了一种外置数据处理器计量表，其具有一个使用读取装置来确认和恢复信息的屏幕，以及一个被包含在LCD中的卡支付读取装置，其中，LCD位于装置内部。美国专利号4,908,769，名称为“商品计量系统”(Commodity meteringsystems)，专利权人为施伦贝格尔电力(英国)有限公司(Schlumberger Electronics(UK)Ltd.)，授权日为1990年3月13日，该专利揭示了一种预付计量系统，其包括一个电子按键和一个容纳这个电子按键的槽。美国专利号5,146,047，名称为“从多处使用编码购买卡的预付计量系统”(Prepayment metering system using encoded purchasecards from multiple locations)，专利权人为CIC系统有限公司(CIC Systems，Inc.)，授权日为1992年9月8日，该专利是关于一种使用磁带卡提供公共服务的预付系统。美国专利号5,668,538，名称为“具有远程可控开关的模块化电表装置”(Modularelectricity meter arrangement having remotely controllable switch)，专利权人为西门子计量有限公司(Siemens Measurements Ltd.)，授权日为1997年9月16日，该专利描述了一种包括预付模块的计量表配置，该预付模块有一能插入智能卡、内存卡等的槽。美国专利号6,529,883，名称为“具有双向智能卡通信的预付能量计量系统”(Prepayment energy metering system with two-way smart card communications)，专利权人为大卫M.伊(David M.Yee)及其合作者，授权日为2003年3月4日，该专利描述了一种预付能量计量系统，其使用智能卡提供双向数据通信，以将用户信息发送给服务提供者。
但是，这种带有磁卡读卡器或接触式智能卡的预付计量表的缺点在于，当读卡器暴露在外接收预付卡时，它易于被用户损坏(有意或无意)或由于含盐分的空气或高的相对湿度而受损。当读卡器通过电缆与计量表相连时出现了另一个问题，这是由于电缆也容易受到损坏。当读卡器与计量表合并一体时，计量表要经受大的物理改变，体积增大，且由于其部件暴露于环境中而使得其变得易于受损，另外它们不能同市场上现有的连接器，例如S型或A型连接器相兼容。
还有另一种用于控制电能供应的预付系统，整合了充值金额用完时切断能源的方法。这种系统的一个例子由美国专利号5,959,549所披露，名称为“公共计量系统”(Communal metering system)，专利权人为安德烈亚斯J.西内西奥(Andreas J.Synesiou)及其合作者，授权日为1999年9月28日，该专利描述了一种计量系统，其向广大消费者提供预付的电能，能源的供应和切断都是远程完成。这种形式的电能供应控制的预付系统的缺点在于其需要向能源站发送信息和从能源站接收信息的装备(例如：调制解调器)，此外，其价格昂贵。这种系统的另一个问题是其不提供有关计量表修改的信息。
考虑到现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种预付系统，以有效控制安装于用户所在地的电表中的电能供应。
本发明的另一个目的是提供一种能源的预付计量系统，其使用紧密封闭的计量表和遥控智能卡。
此外，本发明的另一目的是提供一种能源的预付计量系统，其整合了用于切断能源供应的自动装置。
本发明的另一目的是提供一种用于计量的能源预付系统，其通过使用遥控智能卡可以向供应者提供消费信息，如存储金额是如何使用的，哪里或哪个计量表正在使用存储金额，以及有关违法窜改计量表的信息。
本发明的更进一步目的是提供一种使用遥控读卡器系统的电能供应预付方法。
发明内容
本发明涉及一种完全集成在一个单一芯片中，完全封闭并且不与外界接触的计量表，其整合了预付费系统和一种更有效的方法，以控制电能的供应，并通过遥控智能卡从计量表得到极佳的信息。
本发明的预付费系统包括带有能源供应切断装置的预付控制遥控卡，该能源供应切断装置也负责预付卡的检测和验证，以及预付费系统的控制，并且负责对计量表的能源供应。在较佳实施例中，带有能源供应切断装置的预付控制遥控卡包括：遥控智能卡的读写元件，微控制器，交流电压过零检测器，能量切断元件的控制器，以及该控制卡的馈源。本发明的预付费系统并不是一直都在搜索遥控预付卡，因为那样会在只进行几次的操作上浪费太多的能源，因此只在每分钟的几秒钟内搜索智能卡。
电能预付方法使用了遥控智能卡和带有遥控智能卡的内置读写器的电能电子计量表，它控制在计量表和遥控智能卡之间通过射频进行的信息交互的步骤；以交互方式通过两个或多个数字签名以及计量器的序列号来鉴别智能预付卡和遥控智能卡的内置读写器；将智能预付卡的存储金额释放并存储在电子计量表的内存中；以及将生成的有关计量表状态的信息存储在预付遥控智能卡中。
附图说明
本发明涉及到的特征方面将会在附加的权利要求中详细阐述。而本发明自身相应的结构及其操作方法，将结合本发明其它目的及其特点在以下的实施例的描述中充分阐明，请参考附图阅读，其中相似的参考数字代表相同的元件，其中：
图l是一幅简图，揭示了根据本发明的一个较佳实施例的能量预付计量系统。
图2是根据本发明的一个较佳实施例的整合在电子计量表中的预付系统的功能框图。
图3和图3A是流程图，用于解释图1和图2所示的能源预付计量系统的操作流程。
具体实施方式
这里使用的术语“遥控卡”(contactless card)是指卡与读写模块之间不使用电流元件的指令交互(例如，读写模块与内置于卡中的集成电路之间不存在欧姆接触)，其中，使内置于卡中的集成电路工作的电源取自于读写模块产生的指令，对这些集成电路的通信和电源是通过耦合来提供的。因此，遥控卡能够与读写模块相隔一非固定距离，从几毫米到几厘米，它们之间都会有数据传输。
术语“智能卡”(Intelligent Card)指一种卡，其尺寸与塑料信用卡近似，其带有一集成电路(微处理器，内存或专用电路)，并带有一读卡器，该读卡器具有用于多种用途的处理电源，该智能卡具有极高的安全性。
术语“数字签名”(digital signature)或“数字密钥”(digital key)指一数字序列，通过它可以将具有相同数字序列的编码指令解密。
本发明中使用的术语“窜改”(tampering)是指所有改变计量表用户所消费电能的消费记录的行为。
术语“断开”(Disconnections)指不切断用户的电能供应而将电能计量表断电的行为，这种方式使得在计量表被断电期间，计量表不能记录用户的能源消费。术语“倒置”(Inversions)指在连接插座(connection socket)处改变计量表的机械位置，目的是不记或少记实际消耗的用量。这里所用的术语“支路”(Derivations)是指接在计量表外部的电阻最小的桥，使用它的目的是不让用户消费的电流全部都通过计量表的传感器，从而该传感器所感应到的电流要比用户实际消费的用量小，这些桥通常被称为“桥”。
术语“防碰(操作)”(anticollision)是指对卡的判断，其中根据卡的序列号最后只会选择出一张卡，这规定在ISO 14443-3A和ISO 14443-4A中。
本发明提供一种带有遥控数据通信的电能计量预付系统和方法，其中电子计量表完全集成在一单一芯片上，完全封闭并且不与外界环境相接触。根据较佳实施例，能源计量的预付系统和方法降低了安装成本，提供了一个完整的电子计量表，它使得对用户计量表的数据通信和对能源公用事业公司的数据通信一样多，并且无需通过额外的调制解调器来使用现有的电力线或通信传输装备。此外，根据本发明的较佳实施例，遥控数据通信是由集成于电子计量表中的遥控智能读写器的预付模块来提供的，其中智能卡直接向计量表传输购买数量的数据，并且接收和存储有关计量表操作变量的信息以及计量表修改信息，当遥控智能卡再充值时，计量表修改信息会被传输至能源供应者的数据库中。能源预付系统通过使用遥控智能卡使得对所提供服务的支付先于对其的消费。这种遥控智能卡可以在销售点终端或直接在能源提供者的动力站再次充值。
在本发明中，用户从发电站通过电力线直接将电接进业主的计量表中，而不必将计量表连接到任何通信终端或连接到提供连接服务(例如红外连接，直接电缆连接，射频连接或通过交流电线的通信)的外部装置上来控制电能供应。
图1是根据本发明较佳实施例的能源计量预付系统的简图。如图1所示，能源计量预付系统较佳地包括销售点终端20，其可位于中心站和/或供应者的收费站。销售点终端20配置有智能卡23的读写模块，其可为遥控卡的传统样式，或可为一种特殊开发的样式。销售点终端20具有通信接口27，用于将其与收费系统通过服务器21相互连接起来，以使收费系统保持能获知用户的帐单以及存储在供应者数据库22中的信息的状态。接口27使用的通信方法可以是，例如，通过调制解调器使用因特网，或企业内部网，或专用连接。数据库22也存储用户预付的kWh的数量，和在计量表的使用寿命内计量的kWh，以及用户所作的修改，以供能源公用事业公司分析及采取措施。
为了提供安全的通信以及在销售点终端20和服务器21之间的有效的数据发送和接收，能源计量预付系统包括一对安全模块24和25，如图1所示，安全模块24和25安装在服务器和销售点内。较佳地，安全模块24和25为服务器21和销售点终端20之间的数据传输提供加密和解密函数，例如通过使用数字密钥的方法，在此方法中数据只能用该数字密钥解密，因此当数据从销售点终端传输至服务器或反向传输时，即使该数据传输被中途截获，如果解密密钥不正确的话该数据也不会被解密。销售点终端20和预付智能卡15之间传输的数据由安全模块24通过使用写在智能卡15中的数字密钥来进行加密。安全模块24也为遥控智能卡15和智能卡的读写模块23之间进行的交易提供数据安全。较佳地，遥控智能卡15和电子计量表18也包括安装在它们各自的微控制器或集成电路(IC)中的加密/解密模块，特别用于预付系统执行加密信息的交互功能。在一最佳实施例中，电子计量表的加密模块位于具有能源供应切断装置的预付控制遥控卡的微控制器中，或位于遥控智能卡的读卡器中。
在租用或革新电能供应服务的时代，能源公用事业公司在用户家里19安装带有本发明的预付系统的电子计量表，并且在销售点20发放可重复使用的预付遥控智能卡15，该智能卡15中先充有预先购买的一定数量的kWh。在较佳实施例中，使用存储在微控制器的内存中的信息来对预付遥控智能卡15进行个性化设置，这些信息包括计量表的号码，合同号码，上次充值的日期，安全密钥，[例如数字签名以及在Mifare加密系统中所规定的(在较佳实施例中，密钥A用于释放一定数量的预付的kWh，密钥B能够在卡的一个扇区内充值或释放一定数量的预付的kWh)，或者是三重加密系统DES等等]，预付kWh数量的数据，和通过释放传送给计量表的预付KWh的数量。在最佳实施例中，预付遥控卡的微控制器内存能够确认并存储由电子计量表生成的有关用户在计量表使用期内消费能源及窜改计量表消费能源的信息。
为启动能源供应，用户要将遥控预付智能卡15靠近遥控电子计量表读写器18，该电子计量表的读写器会使预付卡15生效并会全部或部分地释放已购的预付kWh数量。决定是否全部或部分地从卡15中释放预付的kWh数量至计量表18中，取决于卡中所记录的要通过释放而传送至计量表的预付kWh数量的值，或者当充值金额少于此释放值时。在本发明中的术语“通过释放传送的预付kWh数量”(quantity ofprepaid kWh to be transferred by discharge)是一个预定的数量，其由用户或由能源公用事业公司确定，我们假设这个数字是50，当将卡放在靠近预付计量表处时，释放值将是50kWh的50，除非卡中剩余的预付kWh的数量小于50，在这种情况下会从卡中释放所有的预付kWh数量到计量表中。在释放预付kWh数量的同时或之后，计量表的遥控读写器会加载所有由电子计量表生成的信息，该信息是有关用户在计量表在卡内的使用期内消费能源的信息以及窜改计量表所消费能源的信息。电子计量表18的屏幕上持续显示有关预先所购买电能的剩余数量的信息，以便用户能够及时去销售点终端20给遥控智能卡15再充值。销售点终端20可接收、读取预付智能卡15，并向其写入数据，该预付智能卡15是由供应者的程序定制，特别用于电能计量的预付系统。如前面提到的，在销售点20可以给卡充值，但是也可释放卡所收集的有关电子计量表的数据，并将其发送至数据库22，以便能源公用事业公司修改数据。销售点终端20可以比索(或其他货币类型，取决于各国家)或千瓦/小时的形式来接受所要购买的数量，它会将此交易回传给服务供应者的服务器21以便存储在数据库22中。但是，由于这个信息是记录在预付智能卡15中，所以用户将预先购买的kWh数量释放至计量表18时它是以kWh的形式。因此，计量表的屏幕将会以kWh的形式显示此预付信息。
图2以简要框图的形式显示了一种实用的电子计量表，其整合了遥控预付系统，以控制电能供应并获得其相关信息，适用于根据本发明的较佳实施例。预付能源电子计量表18包括电能计量卡9，带有能源供应切断卡的预付控制遥控卡3，用于切断能源供应的装置1和天线14。
电能计量卡9包括能量计量模块10，微控制器11，液晶屏13以及独立的馈源(feeding source)12。能量计量模块10用于记录用户消费的电能。微控制器11用于控制能量计量模块10的操作。能源计量模块10具有一闪存，用于存储从预付控制遥控卡3中释放的预付电能的信息，以及由计量模块10生成的有关用户在计量表使用期内消费电能以及窜改计量表消费电能的信息(例如，断开，倒置，出现分支等等)。由微控制器控制的液晶屏13除了显示其他变量外，当能够从遥控卡15中释放预付的kWh数量时，还显示用户预付的可用的能源信息，屏幕13还会显示特殊信息告诉用户将卡靠近计量表以启动释放预付kWh数量。独立的馈源12是用于能源计量卡9的计量模块10和微控制器11。当有电能供应时能量源工作，当没有供应时它最多只工作一秒钟，时间足够备份每次能源交易的信息。
带有能源供应切断卡的预付控制遥控卡3是检测和验证预付卡15的主要模块，其还控制预付系统和对计量表的能源供应。在较佳实施例中，遥控预付控制和能源切断卡3包括：具有射频发生器的遥控智能卡的读写元件8；微控制器7；交流电源的过零检测器(cross zero detector)6；能源供应切断元件的控制器5；以及该控制卡3的馈源4。带有能源供应切断卡的预付控制遥控卡3并不总是在搜索遥控预付卡15，因为这样会在很少进行的操作上浪费太多的能源，因此仅在每分钟的几秒钟内搜索预付卡15。
本发明的遥控预付卡系统的读写元件首先通过微控制器7向电子计量表18的微控制器11提供预付智能卡15的信息。其次，遥控卡的读写元件8通过微控制器7向智能卡15提供计量表18的微控制器11的信息。遥控智能卡15和电子计量表18之间的信息通信分别通过计量表中的印刷电路天线和内置在遥控预付卡中的天线14、17完成，天线14和17感应着信息传输的射频频带。较佳地，卡的读写元件8是集成电路，其检测遥控预付卡的出现，解释遥控预付卡的指令，生成并发送射频指令。天线14也捕捉发送的射频变化指令，射频传输协议由标准ISO 14443-3A规定，甚至规定在标准ISO 14443-4A或其他适用本目的的数据射频传输协议中。
遥控卡的读写元件8生成并通过天线14向计量表18发送射频指令。遥控预付智能卡15的出现使天线14检测到的射频指令产生变化。遥控卡的读写元件8检测到预付卡15出现后，通过该遥控卡的读写元件8进行加密、解密读取并向微处理器7传送遥控预付卡15的预购买数量和卡15先前的校验及验证信息。这意味着，遥控卡的读写器8的加密/解密模块通过数字签名来检验和验证信息，该信息存储在微控制器的内存中或卡15专用于预付卡16的IC中，这些信息是，例如，计量表号码，合同号码，上次充值日期，安全密钥，预付kWh数量的数据，要通过释放而传送至计量表的预付kWh数量的数据，等等。如果这些信息没有通过检验和验证，读卡器不会将卡15的数量或预付信息释放至电子计量表18中。
一旦遥控预付卡15通过检验和验证，电能供应的预付数量的数据就会通过预付控制卡3而从遥控智能卡15释放至电能计量卡9中，其中电能计量卡9负责在用户消费能源时减少能源的数量。总之，预付kWh数量的信息存储在电能计量卡9中微控制器11的闪存中，并且当用户消费1kWh时，该微控制器11负责根据能源计量模块发来的消费信息而控制减少预付的电能供应数量。
在可替代方式中，有关计量表历史数据的相关信息会被记录在遥控智能预付卡15中，也会被存储在计量卡9的微控制器11的闪存中。因此，电子计量表18和智能卡15之间的信息交互是由预付控制卡3的微控制器7和计量卡的微控制器11通过串行接口完成的。换句话说，微控制器11的闪存中存储有信息，而微控制器7检测卡15的出现，它通过串行接口读取存储在微控制器11的闪存中的数据，还通过预付卡的读写器8来读取预付卡15的数据，并且充当将信息从一个系统传递到另一个系统的中间媒介。
在本发明的另一个实施例中，遥控智能卡计量电能的预付系统包括自动对用户19切断能源供应的装置。请参见图2，其中显示了预付控制卡也包括电能过零检测器6和能源供应切断装置控制器5，其控制着切断/恢复能源供应1的装置。在本发明的较佳实施例中，预付控制卡3的微控制器7知道还剩余多少电能可供用户消费，因为它从电能计量卡9中读取了该信息。因此，微控制器7可以控制对用户19供应电能或切断电能。
典型地，当存储在计量表18的电能计量卡9中的可用能源数量(由微控制器7读出)等于零时，将对用户19切断电能。当存储在电能计量卡9中的可用能源数量(由微控制器7读出)大于零时，恢复电能供应。预付卡3的微控制器7一直在从能源计量卡9中读取用户的可用电能数量。
能源供应切断和缺电警报的控制装置5提供能源供应的切断或恢复，在较佳实施例中，能源供应切断/恢复装置1可以是一个继电器。能源供应可以由继电器和缺电警报控制器5来切断。当微控制器7发出切断或打开指令时，该控制器5有打开和关闭继电器1的功能，控制器5是通过固态装置(solid state device)2来打开或关闭继电器。此外，如果发生能源短缺(由过零检测器6检测出)，继电器和缺电警报控制器5也会告知微控制器7，使其采取必要的预防措施，并且使信息不会在电能短缺期间丢失。所有这些装置由馈源4供电。
当微控制器7读出存储在电能计量卡中的可用电能数量等于零时，这个微控制器7会向继电器和缺电控制器5发送一个切断指令。继电器和缺电控制器5包括微控制器(图中未示)，该微控制器有三个输入端和两个输出端。一个输入端用于指示需要关闭用于切断或提供能源的继电器1。另一个输入端用于指示需要打开用于切断或提供能源的继电器1，而最后一个输入端用于指示过零交流线(以电路的地或零电压为基础)，指令指示着经过零点，也指示着极性变化。换句话说，最后这个输入端指示了相位相对于中性(即预付模块卡3的地)而变为正极性的时刻，以及相反情况(相位相对于中性变为负极性)。该功能是由电能过零检测器6(这是一个存在磁滞(histeresis)的电平检测电路，由运算放大器和电压分压器实现)完成的，过零用于两种目的：一是当继电器和缺电控制器5的微控制器(图中未示)没有检测到过零点时，其推断电能供应被暂停了，于是其在具有能源供应切断装置的预付控制遥控卡3中生成电能供应不足的信息，同时该微控制器通过它的一个输出端发出一个指令，以向微控制器7指示为了其自身的良好运行以及为了不丢失正在进行的交易数据，必须保持便捷的通信。第二个目的是打开和关闭继电器1的功能，为了关闭这个继电器需要在它的激活端之间接收一个直流电(DC)指令，为了打开继电器也需要接收一个DC指令，但是要以与关闭继电器相反的方式，以便于在检测过零点和交流电的极性时激活继电器。当相位极性相对于中性为负极性时，可以通过激活固态装置22来打开继电器，当相位相对于中性为正极性时，可以通过激活固态装置2来关闭继电器。反之，当微控制器7读出的可用能源数量大于零时，这个微控制器7会向继电器和缺电报警控制的微控制器发出一个供应指令，该指令会在正周期内激活能源过零检测器6的固态装置2。可以理解，能源供应切断装置和缺电报警控制器5可以被整合在一个很小的卡中，或者作为遥控预付和能源供应切断卡3的微控制器7的一个附加功能。
如前所述，智能卡15可重复使用，并且特定地针对每一个计量表，这意味着它必须只在一个特定的计量表上使用。智能卡在遥控预付卡16和天线17中包括有一个微控制器或特定用途的电路。卡的个性化信息记录在微控制器16的内存中。较佳地，智能卡的尺寸可以是传统信用卡的大小，并且由标准ISO14443-1，ISO14443-2，ISO14443-3，ISO14443-4所规定，但是这并不是强制性的。同样的，本发明在用于电能计量的电能供应预付系统中使用遥控预付智能卡包括三个主要功能：1)释放要并入能源电子计量表中的预付kWh数量；2)接收在计量表整个使用期内消费能量和窜改计量表(例如断开，倒置以及出现分支)消费能量的数据，而不需要雇用抄表员或整合复杂而昂贵的系统；以及，3)避免计量表的故障和机械损耗。
在操作中，本发明使用遥控智能卡的电能预付系统是通过带有能源供应切断装置的遥控预付控制卡来向计量表充值的，其执行检测和验证预付卡的操作，并且根据图3和3A的流程图控制预付系统和对计量表的能源供应。特别地，遥控预付控制和能源切断控制卡3的微控制器7控制本发明的预付系统，以及有关计量表18，预付卡15和能源计量卡9之间的预付费的通信，并且相对于系统的其它微控制器其操作是独立的。
在微控制器7执行控制和通信功能开始之前，微控制器7对其与微控制器11通信的串行端口初始化，并且配置遥控智能卡的读写器8使其的运行符合，例如，标准ISO14443-4A。一旦初始化端口和配置读写器完成后，微控制器7读取存储在电能计量卡9中的数据，例如用户序列号，在计量表使用期内存储的kWh.断开#，倒置#，分支以及在存在分支期间内累积的能源(计量表的序列号只能在程序的这部分读取，因为它是永远不会更改的)。读取数据后，初始化微控制器7内部的元件(temporizer)，使其每隔70毫秒产生一个中断，以便使该微控制器7完成一项特定任务。然后微控制器7进入非激活状态，这意味着停止执行任何任务并进入休眠，以最大节约能源，这对节约能源以符合标准具有极大的重要性，并且避免了能源公用事业公司不必要的经济损失。微控制器7只能通过元件(temporizer)的中断或通过能源供应短缺的中断而脱离非激活状态。因此，带有能源供应切断装置的预付控制遥控卡3的微控制器7总在等待一个中断，微控制器大多数时间都处在这种状态下。
这种方法，如果元件(temporizer)产生一个中断指令(方框90)，微控制器7脱离非激活状态并且读取计量表的余额，累积的kWh，断开的次数，中断，分支和倒置(方框100)。在相反情况下，微控制器7回到非激活状态以最大节省能源，同时等待中断指令(方框80)，。
一旦微控制器7执行读取存储在能源计量卡9中的数据(方框100)的功能时，就根据用户的预付余额来检验并改变继电器的状态。微控制器7根据方框100中得到的信息来检验这个供应的预付余额是否大于0(方框110)，如果存储的金额不大于0，则它检验继电器1是否打开(方框120)。如果方框120中对继电器1状态的检验结果为“否”，则微控制器7会向能源供应切断装置和缺电报警的控制器5发出指令，后者会打开继电器1(方框130)以切断对计量表18的电能供应。在方框130中打开继电器1后，微控制器7读取显示在计量表18的液晶屏(LCD)上的信息(方框160)。然而，如果方框120中确定的结果是“是”，这意味着继电器1是打开的，然后微控制器7从计量表18的屏幕上读取显示信息(方框160)。
否则，如果方框110中读取的余额大于0，则微控制器7会检验继电器1是否关闭(方框140)。如果方框140中继电器1状态的检验结果为“否”，则微控制器7会向能源供应切断装置和缺电报警的控制器5发出指令，后者会关闭继电器l(方框150)以允许(aloud)对计量表18的电能供应。在方框150关闭继电器1后，微控制器7会读取计量表18屏幕上的显示信息(方框160)。如果方框140中确定的结果为“是”，则意味这继电器1被关闭，然后微控制器7会读取计量表18屏幕上的显示信息(方框160)。
如方框110-160所述的检验完继电器1的状态后，微控制器7会通过能源计量模块10的微控制器来检验计量表的屏幕(方框170)。如果方框170中屏幕上显示的是“预付费”，则微控制器7会检验遥控智能卡读写器8的射频发生器是否打开(方框180)，然后开始搜索预付卡。如果方框180中的结果是“否”，则会生成一个指令以打开射频(方框190)，然后微控制器7回到非激活状态以最大节约能源，同时等待中断指令(方框80)并且重新开始如方框90-180所述的流程。如方框180中结果为“是”，这意味着射频是打开的，则会通过天线14发送射频指令以检测附近是否存在遥控智能卡15(方框220)。
当方框170中屏幕上显示为“kWh，倒置，断开，分支”时，微控制器7会校验射频发送是否被关闭，如果射频发送关闭，微控制器7会回到非激活状态以最大节约能源，同时等待中断指令(方框80)，并且重新开始如方框90-180所述的流程。如果射频发送状态的检验结果为“否”，这意味着射频发送是打开的，微控制器7就会关闭或不激活射频发送(方框210)，然后微控制器7会回到非激活状态以最大节约能源，同时等待中断指令(方框80)，并且重新开始如方框90-180所述的流程。
当微控制器7执行完读取存储在能源计量卡9中的数据，检验并改变继电器1的状态，并且检查完计量表的液晶屏显示以激活\不激活射频发射后，它会继续检测遥控智能预付卡15的存在，并且进行预付费释放交易。
如前所述，当微控制器确定射频打开时，微控制器会通过天线14发出射频指令，根据标准ISO14443-3A标准，该指令执行搜索卡15的功能(方框220)。在方框220中对卡的搜索完成后，微控制器7会检测在检测区域内是否有智能卡15(230)。在方框230中如果检测区域内存在智能卡的话，会进行防碰操作以确定检测区域内是否存在着多于一个的智能卡(根据ISO14443-3A标准，在存在着多于一个智能卡15的情况下，该智能卡会失效)。在方框230中如果检测区域内没有智能卡15的话，微控制器7会回到非激活状态以最大节约能源，同时等待中断指令(方框80)，并且重新开始如方框90至180所述的流程。
一旦检测区域内检测到一个智能卡，根据射频数据传输协议(例如由标准ISO14443-3A所规定的，甚至由标准ISO14443-4A所规定的)，系统会选择该卡
(方框250)。在方框250中选择该卡后，微控制器会通过预付kWh的释放数量的数字签名和计量表的序列号来鉴别卡(方框260)。然后微控制器会检验智能卡是否与计量表相对应(方框270)，如果卡不与这个计量表相对应，微控制器7会回到非激活状态以最大节约能源，同时等待中断指令(方框80)，并且重新开始如方框90至180所述的流程。但是，如果卡与这个计量表相对应，则其会读取卡中的余额(方框280)。此时，微控制器7会检验预付智能卡是否有存储金额(方框290)，如果方框290的结果为“否”，则微控制器7回到非激活状态以最大节约能源，同时等待中断指令(方框80)，并且重新开始如方框90至180所述的流程。如果方框290中的检验结果为“是”，则微控制器将通过遥控预付控制卡在能源计量卡9的微控制器11的闪存中允许(aloud)智能卡15的存储金额释放。有可能出现不是所有的预付存储金额都在一次释放操作中被释放，因为要释放的存储金额取决于存储在卡中的变量“通过释放而传送的预付kWh量”的数值。在方框300中释放存储金额后，系统读取计量表中剩余的存储金额(方框310)，并且从卡15中将被释放的存储金额增加至计量表内的剩余的存储金额中(方框320)。方框320中的操作完成后产生的新的预付存储金额值会通过微控制器11发送到能源计量表的闪存中(方框330)。在接收了新的存储金额值后或者与此同时，微控制器11向智能卡15发送由计量模块10生成的信息(方框340)，该信息是关于用户在计量表使用期内消费能源的信息以及窜改计量表(例如断开，倒置，出现分支等等)消费能源的信息。在向智能卡15发送完信息后，微控制器7回到非激活状态以最大节约能源，同时等待中断指令(方框80)，并且重新开始如方框90至180所述的流程。
尽管这里已经列举并描述了实现本发明的一些具体形式，但是对于本领域技术人员来说很明显的是，所做的其他不同变化和修改均不会超出本发明的精神和范围。因此，附加的权利要求给出了保护范围，任何变化和修改都在本发明的保护范围之内。

Claims (25)

1.一种采用遥控智能卡和带有遥控智能卡的内置读写器的电子电能计量表的电能预付方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过射频在计量表和遥控卡之间交互信息；
以相互的方式，通过两个或多个数字签名以及计量表的序列号来鉴别预付智能卡和遥控智能卡的内置读写器；
在电子计量表的内存中释放及存储智能预付卡的预付kWh数量；以及在遥控预付智能卡中记录生成的有关计量表状态的信息。
2.如权利要求1所述的电能预付方法，其特征在于，在计量表和遥控智能卡之间的信息交互步骤还进一步包括以下步骤：
通过遥控预付控制卡从计量表中发出射频指令；
在电能计量表的检测区域内检测遥控预付智能卡的存在；
确定在电能计量表的检测区域内是否存在多于一个的遥控预付智能卡；以及
根据数据传输协议的事先约定的射频选择遥控预付智能卡。
3.如权利要求1所述的电能预付方法，其特征在于，鉴别智能预付卡和遥控智能卡的内置读写器的步骤还进一步包括以下步骤：
检验遥控预付智能卡是否与电能计量表相对应；以及
确定遥控预付智能卡预付kWh数量的存储金额是否大于0。
4.如权利要求1所述的电能预付方法，其特征在于，还进一步包括可以部分或全部将预付智能卡的预付kWh数量释放至电子计量表的步骤。
5.如权利要求4所述的电能预付方法，进一步特征在于，全部或部分释放预付kWh数量取决于记录在遥控预付智能卡中的预定数量。
6.如权利要求1和4所述的电能预付方法，其特征在于，将预付智能卡的预付kWh数量释放至电子计量表的步骤还进一步包括以下步骤：
读取计量表中剩余的存储金额；
从智能卡中全部或部分释放的存储金额添加到计量表的剩余余额中；以及
存储计量表中新的预付存储金额的数值。
7.如权利要求1所述的电能预付方法，进一步特征在于，记录在遥控预付智能卡中的信息与用户在计量表使用期内内消费的能源，计量表的数据(例如可以是功率因数，电线质量，等等)以及窜改计量表，例如断开，倒置，出现分支和类似行为而消费的能源相一致。
8.如前面任一项权利要求所述的电能预付方法，进一步特征在于，根据屏幕上的显示信息来激活电子计量表的遥控智能卡的内置读写器，以为能源公用事业公司节省能源。
9.使用自动供应切断装置自动控制遥控预付电子计量表的电能供应的方法，其特征在于，包括以下步骤：
读取电子计量表内存中的预付存储金额；
检验该预付存储金额是否大于0；以及
检验装置自动能源切断装置的状态以确定它是打开还是关闭；以及
根据读出的预付存储金额产生打开或关闭自动电能供应切断装置的指令；
此处，当存储金额大于0时，产生指令关闭装置自动能源切断装置以允许(aloud)对计量表的电能供应，当余额不大于0时，产生指令打开装置自动能源切断装置，以切断对用户的电能供应。
10.权利要求9所述的控制遥控预付电子计量表的电能供应的方法，进一步特征在于，装置该自动能源切断装置是一个继电器。
11.一种获得有关使用带有遥控智能卡内置读写器的预付电子计量表的信息的方法，其特征在于：
将生成的有关计量表状态的信息存储在该计量表的内存中；
将存储在计量表中的信息传送至智能预付遥控卡；以及
每当用户给该可重复使用的卡充入预付kWh时，通过销售点将记录在该遥控智能卡中的信息释放入数据库，以便于能源公用事业公司进一步的分析。
12.如权利要求11所述的获得有关使用带有遥控智能卡内置读写器的电子预付计量表的信息的方法，进一步特征在于，所获得的信息与用户在计量表使用期内消费的能源，计量表的存储金额，以及窜改计量表，例如断开的次数，中段，分支，在使用分支和倒置期间累积的能源相一致。
13.一种用于电子计量表的电能供应预付和控制方法，该电子计量表具有遥控智能卡的内置读写器.以及使用遥控智能卡的自动能源切断装置，其特征在于，包括以下步骤：
读取电子计量表内存中的存储金额；
检验该存储金额是否大于0；
检验装置自动能源切断装置的状态以确定其是打开还是关闭；以及
根据读出的预付存储金额产生打开或关闭自动能源供应切断装置的指令，此处，当存储金额大于0时，产生指令关闭装置自动能源切断装置以允许(aloud)对计量表的电能供应，当存储金额不大于0时，产生指令打开装置自动能源切断装置，以暂停对用户的电能供应；
检测是否存在遥控预付智能卡；
在计量表和遥控智能卡之间通过射频来交互信息；
以相互的方式，通过两个或多个数字签名以及计量表的序列号来鉴别智能预付卡和遥控智能卡的内置读写器；
将智能预付卡中的预付kWh数量释放并存储至电子计量表的内存中；以及
将产生的有关计量表状态的信息记录在遥控预付智能卡中。
14.如权利要求13所述的用于电子计量表的电能供应预付和控制方法，进一步特征在于，在计量表和遥控智能卡之间的信息交互的步骤中还进一步包括如下步骤：
通过遥控预付控制卡从计量表发送一射频指令；
在电能计量表的检测区域内检测遥控预付智能卡的存在；
确定在电能计量表的检测区域内是否存在多于一个的遥控预付智能卡；
根据数据传输协议的事先约定的射频选择遥控预付智能卡。
15.如权利要求13所述的用于电子计量表的电能供应控制和预付方法，其特征在于，
对智能预付卡和遥控智能卡的内置读写器的鉴别步骤还进一步包括如下步骤：
检验遥控预付智能卡是否与电能计量表相对应；以及
确定遥控预付智能卡是否有存储金额。
16.如权利要求13所述的用于电子计量表的电能供应预付和控制方法，进一步特征在于，将预付智能卡中的预付kWh数量释放并存储至电子计量表的内存中的步骤，释放可以是部分或全部。
17.如权利要求16所述的用于电子计量表的电能供应预付和控制方法，进一步特征在于，全部或部分地释放预付kWh数量取决于记录在遥控智能预付卡中的预先确定的数量。
18.如权利要求13或16所述的用于电子计量表的电能供应预付和控制方法，其特征在于，释放电子计量表的预付智能卡中的预付kWh数量的步骤还进一步包括如下步骤：
读取计量表中的剩余存储金额；
将从智能卡中释放的余额全部或部分地添加至计量表的剩余余额中；
将新的预付存储金额的数值存入计量表。
19.如权利要求13所述的用于电子计量表的电能供应预付和控制方法，进一步特征在于，记录在遥控预付智能卡中的信息与用户在计量表使用期内消费的能源的信息，以及窜改计量表，例如断开，倒置，存在分支，在使用分支及类似行为时累积的能源的信息相一致。
20.如权利要求13-19中任一项所述的用于电子计量表的电能供应预付和控制方法，进一步特征在于，根据屏幕上显示的信息来激活电子计量表的遥控智能卡的内置读写器，以便于对能源公用事业配给公司节约能源。
21.一种使用了用于电子计量表的遥控智能卡的电能供应预付和控制系统，该电子计量表包括电能计量卡，该电能计量卡包括：记录用户消费电能的计量模块；
用于控制能源计量模块操作的微控制器，该微控制器具有闪存，以存储计量模块中产生的有关用户在计量表使用期内消费能源的信息和窜改计量表的信息；
显示计量表状态信息的液晶屏；以及为该能源计量模块和该微控制器供电的独立馈源，其特征在于，电能预付和控制系统包括：
a)遥控预付控制和能源供应切断卡，该控制卡包括：
i)遥控智能卡的读写元件，用于检测遥控预付智能卡的存在，解释遥控预付智能卡的指令，以及产生并发送射频指令；
ii)微控制器，用于在预付卡的读写器和能源计量表的计量模块的微控制器之间交互信息，其中该微控制器读取能源计量卡中的用户可用电能数量；
iii)电能的过零检测器，当出现能源短缺时，其向微控制器发送指令，以避免在电能短缺期间丢失信息；
iv)供应切断装置的控制器，当微控制器发出切断或打开指令时用于打开或关闭该切断装置；
v)该预付控制卡的馈源，其中，当存在电能供应时能量源工作，当供应短缺时它最多只工作一秒钟，该时间足够备份任何能源交易的信息。
b)能源供应切断装置；以及
c)指令发送/接收元件。
22.如权利要求21所述的使用了用于电子计量表的遥控智能卡的电能供应预付和控制系统，进一步特征在于，遥控卡的读写器还包括有加密/解密模块，以用于检验和验证预付卡的真实性；给传输数据编码；以及在释放数据之前检验记录在微控制器的内存中或记录在专用于该遥控预付卡的预付卡的印刷电路中的信息的有效性。
23.如权利要求22所述的使用了用于电子计量表的遥控智能卡的电能供应预付和控制系统，进一步特征在于，检验和验证遥控读写器的信息可以是计量表号码，合同号码，卡的上次充值日期，安全密钥，预付kWh数量的数据，和/或通过释放而传送给计量表的预付kWh数量。
24.如权利要求21所述的使用了用于电子计量表的遥控智能卡的电能供应预付和控制系统，进一步特征在于，从遥控预付控制卡中释放的电能预付数量的数据存储在计量模块的微控制器的闪存中。
25.如权利要求21所述的使用了用于电子计量表的遥控智能卡的电能供应预付和控制系统，进一步特征在于，计量表的液晶屏显示用户预付的可用能源信息，以及何时可以从遥控预付卡中释放预付kWh数量的信息，以及指示用户将卡靠近计量表以启动释放预付kWh数量的特殊信息。
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