CN1955641B - 通过通信方式实现功能转换的计量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通过通信方式实现功能转换的计量装置和方法，以方便快捷地转换计量装置功能。该计量装置包括通信接口、微型计算机系统和嵌入式安全存储模块。通信接口接收配套的后台运营系统为该计量装置生成的指令代码流并发送给微型计算机系统。微型计算机系统将指令代码流发送给嵌入式安全存储模块。在嵌入式安全存储模块内，指令判断单元判断来自微型计算机系统的指令的类型并将确定类型后的配置参数更新指令发送给命令解释单元；命令解释单元对来自指令判断单元的配置参数更新指令进行解析；配置参数信息单元将从配置参数更新指令中解析出来的配置参数更新数据保存到内部的指定文件中，新模式激活单元激活保存着配置参数更新数据的指定文件。

Description

通过通信方式实现功能转换的计量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种智能计量装置，尤其涉及一种通过通信方式实现功能转换的计量装置及方法。

背景技术

现有的预付费、后付费的电能表、水表、燃气表等智能计量装置产品，均根据特定计费模式和特定应用要求编制特定程序来实现智能计量装置的功能，这种设计方案导致对于不同的用户，需要分别设计软件以满足不同的要求。即使对于同一用户，一旦投入实际应用，则产品内部的软件固定为设计时的功能，不可更改，缺乏灵活性。如果项目运行一段时间后，根据现实情况的变化，运营商需要修改或者变更运行模式及收费方式，如从阶梯复费率方式修改为分时复费率方式等，则原来的计量装置不能适应这种变化，需要换成新的计量装置。这样产品设计工程师需要根据不同的功能、不同的应用或者项目开发不同的软件，大大增加了设计人员和测试人员的工作量。而且不同的设计产生不同版本的产品，也增加了产品管理和生产管理的工作量，极易造成错误。

发明内容

鉴于上述现有智能计量装置产品功能不能变化、难以适应不同需求、灵活性不足等缺点，本发明提供一种通过通信方式实现功能转换的计量装置及方法。

一方面，提出一种通过通信方式实现功能转换的计量装置。该装置包括通信接口、微型计算机系统和嵌入式安全存储模块。其中，通信接口用于接收配套的后台运营系统为该计量装置生成的指令代码流；微型计算机系统用于读取通信接口收到的指令代码流并向嵌入式安全存储模块发送；嵌入式安全存储模块进一步包括：

-指令判断单元，用于判断来自微型计算机系统的指令的类型并将确定类型后的配置参数更新指令发送给命令解释单元；

-命令解释单元，用于对来自指令判断单元的配置参数更新指令进行解析；

-配置参数信息单元，用于将命令解释单元解析出来的配置参数更新数据保存到内部的指定文件中；

-新模式激活单元，用于激活配置参数信息单元内保存着配置参数更新数据的指定文件。

上述命令解释单元进一步包括内容提取模块，用于按预定的指令格式和解码协议从收到的指令中提取配置参数更新数据。

上述命令解释单元还包括数据解密模块，用于至少利用计量装置内部存储的线路保护密钥对收到的指令数据域进行解密。

上述命令解释单元还包括消息鉴别模块，用于至少利用计量装置内部存储的密钥和所述计量装置的唯一标识码来计算指令的验证码，并与收到的指令中包含的验证码进行比较完成校验。

上述新模式激活单元，用于不断读取实时时间与配置参数更新数据所包括的启动时间做比较，直到两个时间一致时激活新模式。

上述计量装置生成的指令代码流中还包含充值指令。

上述通信接口包括以下类型接口中至少一种接口：供IC卡插的接口；用来连接便携式设备的接口；用来接入网络的接口。

另一方面，提出一种通过通信方式实现计量装置功能转换的方法。包括以下步骤：A、配套的后台运营系统为该计量装置生成指令代码流；B、该计量装置中的嵌入式安全存储模块从微型计算机系统收到自通信接口传递来的指令代码流之后，判断该指令代码的类型；C、所述嵌入式安全存储模块确定所述指令代码为配置参数更新指令类型时，解析该指令代码并将解析出来的配置参数更新数据保存到指定文件中；D、所述嵌入式安全存储模块激活保存着配置参数更新数据的指定文件。

上述步骤C进一步包括：按照预定的指令格式和解码协议将配置参数更新数据提取出来。

上述步骤A还包括：所述后台运营系统至少利用其内部存储的密钥和计量装置的唯一标识码为准备传递给所述计量装置的指令代码流添加验证码。

上述步骤C还包括：在提取配置参数更新数据之前，所述计量装置至少利用其内部存储的密钥和所述计量装置的唯一标识码来计算配置参数更新指令的验证码，并与收到的指令中包含的验证码进行比较完成校验。

上述步骤A还包括：所述后台运营系统至少利用其内部存储的线路保护密钥对所述指令代码流的数据域进行加密。

上述步骤C还包括：在提取配置参数更新数据之前，所述计量装置至少利用其内部存储的线路保护密钥对配置参数更新指令的数据域进行解密。

上述步骤D进一步包括：不断读取实时时间与配置参数更新数据所包括的启动时间做比较，直到两个时间一致时激活保存着配置参数更新数据的指定文件。

上述步骤A中为所述计量装置生成的指令代码流中还包含充值指令。

上述步骤B中的通信接口包括以下类型的接口中至少一种接口：供IC卡插入的接口；用来连接便携式设备的接口；用来接入网络的接口。

与现有技术相比，本发明利用通信方式来改变计量装置的功能配置，使计量装置的功能转换变得方便快捷。本发明的技术方案能够对同一计量装置灵活实现多种计量功能，因而取得适应不同用户或者同一用户在不同时期的不同需求这一优点。

附图说明

图1是按照本发明所述的计量装置的结构示意图；

图2是本发明所述计量装置中ESAM模块的组成结构示意图；

图3是按照本发明所述实现计量装置功能转换的方法流程图；

图4是实施例所述的电能表通过通信方式实现功能转换的方法流程图；

图5是实施例所述的电能表在阶梯费率模式下的计费方法流程图。

具体实施方式

本发明的计量装置需要配套的后台运营系统。图1是按照本发明所述的计量装置的结构示意图。

参照图1，该计量装置运行于客户端，用于完成计量用户耗能量、接受用户在后台运营系统购买的用量和/或缴费金额、计算剩余用量等功能。

该计量装置包括微型计算机系统和多个外围部件。其中，微型计算机系统用于控制管理这些外围部件，使它们之间协调运行。

多个外围部件包括但不限于：通信接口，比如用户IC卡接口电路。从后台运营系统上得到的数据通过通信接口输入计量装置；传感器及其配套电路和光隔离电路，用于检测耗能量并通过光隔离电路将耗能信息传递给微型计算机系统；嵌入式安全存储模块(ESAM)，与微型计算机系统之间通过接口来双向传递信息，该模块与微型计算机系统一起按事先设置好的运营模式和参数对耗能信息进行计量和计费；时钟电路，与微型计算机系统之间也通过接口相连，而且微型计算机系统利用接口协议对时钟电路进行读、写操作，以获得实时时钟；负载控制电路，根据微型计算机系统输出的信号来控制电路开启或关断，达到控制耗能的目的；电源及电磁干扰(EMI)处理电路，用于给计量装置供电，并保证计量装置满足国家标准中电磁兼容性的要求；掉电保护电路，该电路在电源掉电时输出一个TTL信号给计量装置，通知计量装置进行数据保护；显示电路，将计量装置输出的信息呈现给用户，在有些方案中，还通过显示电路比如触摸显示屏进行计量装置与用户之间的交互。

上述计量装置中ESAM模块的组成结构如图2所示。该ESAM模块包括但不限于：指令判断单元，用于判断ESAM模块收到的指令所属的类型，如果类型为充值指令则发送给充值运算单元，如果类型为配置参数更新指令则发送给命令解释单元，如果为计费运算指令则发送给计费运算单元；命令解释单元，用于对配置参数更新指令进行解析并将解析出来的配置参数更新数据保存到配置参数信息单元内的指定文件中；计费运算单元，用于从配置参数信息单元获取计费运算公式和费率参数并从计费数据记录文件中获取上次运算得到的累计用量和/或剩余用量，来完成多种应用下的用量计算，包括计算当前累计用量和/或当前剩余用量，同时实现费率更新、用量冻结等功能；充值运算单元，完成计量装置的安全充值；配置参数信息单元，用于将多种运行模式的计费运算公式、当前及待切换费率的信息，费率状态及其切换启动时间信息等分别记录到内部指定文件中；新模式激活单元，用于激活配置参数信息单元内保存着配置参数更新数据的指定文件。此外，ESAM还包括通用产品所具有的传输管理、文件管理、安全体系等单元，该模块的文件结构中还有密钥文件、参数信息文件、运行信息文件以及上述的计费数据记录文件等。

这里，命令解释单元包括消息鉴别模块，比如MAC计算模块，用于取计量装置的脱机交易序号作为初始值来完成MAC计算；数据解密模块，用于读取计量装置内部存储的线路保护密钥，对通过校验的指令的数据域进行解密；内容提取模块，用于按预定的指令格式和解码协议从正确完整的指令中提取配置参数更新数据。

本发明所述的后台运营系统是运行于计算机系统上的相应软件，功能包括但不限于抄收、结算、统计、缴费、购买用量、运行模式修改、费率修改、参数设置等。通信通道用在配套的后台运营系统和计量装置之间传递信息，可以采用IC卡、便携式设备如手持式微型计算机系统、以及网络等通道中的至少一种。

利用本发明提供的方法能够灵活实现计量功能的转换，下面参照图3描述该方法。

在步骤301，根据选定的计量装置运营模式、运营参数和设置的启动日期，基于与计量装置之间约定的指令格式和编解码协议，后台运营系统生成相对应的特定指令代码流。

在步骤302，基于与计量装置之间约定的加密验证方式对上述指令代码形成密文加校验码的数据信息。

在步骤303，经由通信通道将上述带校验码的密文数据信息传递给计量装置。

在步骤304，计量装置接收数据信息后，基于约定的加密验证方式，对信息进行校验并解密，仅对正确且完整的指令转入下一步处理，其它的指令抛弃。

在步骤305，计量装置对完整正确的指令按约定的指令格式和编解码协议进行解析，提取并存储其中的运营模式和参数信息，包括例如设置的启动日期等信息。

在步骤306，计量装置在适当时机激活新的运营模式，例如从所设置的启动日期开始按新模式和新参数进行计量等工作，实现新的功能。

附加地，在上述步骤303中，计量装置在接受指令流之前，需对通信通道进行认证，以确保该通信通道的合法性。

下面以基于IC卡传递信息的电能计量装置即电能表为例，说明本发明的技术方案。

该电能计量装置中的微型计算机系统，在本实施例中选用ST公司的ST72F324构成。传感器及其配套电路和光隔离电路用于检测用户的用电量，并通过光隔离电路将用电信息传递给ST72F324微型计算机系统，后者与ESAM一道按规定的运营模式和参数对用电信息进行计量和计费。通信接口，本实施例中选用符合ISO7816标准的IC卡接口，IC卡与ST72F324之间、IC卡与后台运营系统之间分别双向传递信息，这样IC卡就成了电能表与后台运营系统之间传递信息的通道。嵌入式安全存储模块(ESAM)与ST72F324之间采用符合ISO7816标准的接口连接，双向传递信息，电能表的运行模式及其各种参数都安全存储在ESAM中，而且对电能表读取IC卡得到的指令流进行校验、解密、以及解析等均在ESAM中实现，从而保证了电能表信息安全性。时钟电路，本实施例中选用Epson公司的Rx8025实时时钟芯片构成，其与ST72F324之间采用符合I²C标准的接口相连，ST72F324利用I²C标准协议对Rx8025进行读、写操作，以获得实时时钟。负载控制电路根据ST72F324输出的信号来控制电路开启或关断，达到控制用电的目的。电源及电磁干扰(EMI)处理电路用于给电能表供电，同时保证电能表满足国家标准中电磁兼容性的要求。掉电保护电路在电源掉电时输出一个TTL信号给电能表，通知电能表进行数据保护。显示电路将电能表输出的信息呈现给用户。

在本实施例中，与电能表匹配的后台运营系统运行于通用的个人计算机(PC)或者服务器等计算机系统中，功能包括抄收、结算、统计、缴费、购买用量、运行模式修改、费率修改、参数设置等。

图4是按照实施例所述的电能表通过通信方式实现功能转换的方法流程图。

在步骤401，根据要求，在后台运营系统中，选定运营模式和运营参数并设置启动日期和充值数据，还可以对电能表的其他参数进行配置，然后基于约定格式和编解码协议，后台运营系统生成特定指令代码流。

在步骤402，当用户购电时，后台运营系统利用内部存储的密钥和与购电用户卡相对应的用户电能表唯一标识码对第一步所生成的指令代码进行3DES加密运算形成密文，并生成4字节的MAC验证码，这样加密后的密文和MAC验证码组成了代表运营模式、参数和设置启动日期的数据信息。

在步骤403，后台运营系统将第二步所生成的密文和MAC码数据信息写入用户IC卡的指定数据文件中，当用户卡对电能表充值时，电能表即读入这些指令数据信息。

在步骤404，电能表通过ISO7816接口将接收到的数据信息传递给ESAM，ESAM利用内部存储的密钥和表唯一标识码对指令信息进行MAC码校验并进行解密。

在步骤405，ESAM对完整正确的解密明文信息进行解析，提取并存储其中的运营模式、参数信息、设置的新模式启动日期等，存储于内部新模式和参数文件中。

在步骤406，电能表读取实时时钟信息传递给ESAM，当当前日期和时间与设置的新模式启动日期和时间一致时，ESAM激活内部新模式和参数信息文件，按照新的运营模式和参数进行计量等工作，实现新的功能。

下面，进一步以IC卡电能表从阶梯计费模式转化为分时计费模式为例，说明电能表功能转换的具体实施方法。

当用户IC卡插入电表时，首先，电能表主微处理器ST72F324对其进行内部认证，如果用户IC卡不能通过认证则退出操作。对通过认证的合法用户IC卡，ST72F324读取用户卡中由后台运营系统根据分时计量模态信息(模态字为03H)、分时计费系数、启动日期和充值数据等为该电能表生成的加密加校验码指令流，将其通过ISO7816接口传送给ESAM。ESAM通过传输管理模块如ISO7816物理接口接收信息后，将其传送给指令判断单元对信息进行判别，如为配置参数更新指令则将其传送给MAC计算模块。MAC计算模块根据电表内部的密钥、本表的唯一标识符和交易次数计算指令的MAC，并与接收指令中包括的MAC进行比较，以确认接收到的指令完整性以及本指令发送方的合法性。如果确认了指令的完整性和合法性，则数据解密模块调用双钥密码算法文件提供的密码算法，根据内部存储的线路保护密钥对指令数据域进行解密，然后提取其中的分时计量模态信息、分时计费系数、启动日期等并传送到配置参数信息模块，由后者将上述信息存储于内部新模式和参数文件中。当ESAM收到ST72F324传来的实时时钟信息后，将该信息发送到内部的新模式激活单元。该新模式激活单元比较当前实时时钟与费率修改启动日期，当时间一致时，ESAM激活内部新模式和参数信息文件，以便后续计量、计费以及统计等均按照分时计费模式和参数进行，从而实现新的功能。

接着，对如上所述的电能表在阶梯费率模式下实施计量的具体流程进行说明。

首先，假设电能表计量统计类型及参数信息如表1所示：

表1计量统计类型及参数表

电能表脉冲常数K_p和冻结日期等，存储于电表ESAM模块的参数配置信息单元内一个指定文件中，表1所述的统计类型及系数信息等存储于ESAM的参数配置信息单元内另一个指定文件中。

ST72F324单片机从参数配置信息单元的指定文件中读取脉冲常数K_p并存储到内部RAM中，同时对传感器传来的代表耗电量的脉冲进行采样并计数，当耗电量脉冲Pulse计数达到K_p或者检测到有IC卡插入时，ST72F324单片机将Pulse和从时钟模块中读取的当前时间和日期Date作为计量运算单元的参数，通过ISO7816接口将其发送给ESAM，ESAM通过传输管理模块，即ISO7816物理接口接收信息后，将其传送给指令判断单元对信息进行判断，如为计量运算指令则将其传送到计量运算模块，否则调用命令解释单元直接执行相应的指令。

计量运算模块收到计量运算指令后，按以下步骤完成计量和计费过程，参照图5所示的流程。

在步骤501，计算当前用量A＝Pulse/K_p；

在步骤502，从计费数据记录文件中读出上次运算得到的累计用量Total和剩余量Bal，从配置参数信息单元中读出表1所示的费率信息；

在步骤503，根据累计用量Total判断当前计费应该使用的费率系数K：比较判断Total在四个阶梯用量范围[0-10]、[10-20]、[20-30]、[30-0xFFFFFFFF]的哪一个之内，并由该范围确定K取为1.0、1.2、1.5和2.0中的一个值；

在步骤504，根据剩余量＝剩余量Bal-用量A*K公式计算当前剩余用量，根据累计用量＝累计用量Total+用量A*K公式计算当前累计用量；

在步骤505，判断当前时间日期Date是否等于冻结日期，如果是，则统计当前结算周期内各个阶梯段用量和总累计用量；

在步骤506，将上述当前累计用量、剩余用量以及当前结算周期内各个阶梯段用量等计费信息存入计费数据记录文件中。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种通过通信方式实现功能转换的计量装置，包括通信接口、微型计算机系统和嵌入式安全存储模块，其中

通信接口用于接收配套的后台运营系统为所述计量装置生成的指令代码流；

微型计算机系统用于读取通信接口收到的指令代码流并向嵌入式安全存储模块发送；

嵌入式安全存储模块进一步包括：

-指令判断单元，用于判断来自微型计算机系统的指令的类型并将确定类型后的配置参数更新指令发送给命令解释单元；

-命令解释单元，用于对来自指令判断单元的配置参数更新指令进行解析；

-配置参数信息单元，用于将命令解释单元解析出来的配置参数更新数据保存到内部的指定文件中；

-新模式激活单元，用于激活配置参数信息单元内保存着配置参数更新数据的指定文件。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述命令解释单元进一步包括内容提取模块，用于按预定的指令格式和解码协议从收到的指令中提取配置参数更新数据。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述命令解释单元还包括数据解密模块，用于至少利用计量装置内部存储的线路保护密钥对收到的指令数据域进行解密。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述命令解释单元还包括消息鉴别模块，用于至少利用计量装置内部存储的密钥和所述计量装置的唯一标识码来计算指令的验证码，并与收到的指令中包含的验证码进行比较完成校验。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述新模式激活单元，用于不断读取实时时间与配置参数更新数据所包括的启动时间做比较，直到两个时间一致时激活新模式。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于为所述计量装置生成的指令代码流中还包含充值指令。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述通信接口包括以下类型接口中至少一种接口：

供IC卡插入的接口；

用来连接便携式设备的接口；

用来接入网络的接口。

8.一种通过通信方式实现计量装置功能转换的方法，包括以下步骤：

A、配套的后台运营系统为所述计量装置生成指令代码流；

B、所述计量装置中的嵌入式安全存储模块从微型计算机系统收到自通信接口传递来的指令代码流之后，判断所述指令代码的类型；

C、所述嵌入式安全存储模块确定所述指令代码为配置参数更新指令类型时，解析所述指令代码并将解析出来的配置参数更新数据保存到指定文件中；

D、所述嵌入式安全存储模块激活保存着配置参数更新数据的指定文件。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述步骤C进一步包括：按照预定的指令格式和解码协议将配置参数更新数据提取出来。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述步骤A还包括：所述后台运营系统至少利用其内部存储的密钥和计量装置的唯一标识码为准备传递给所述计量装置的指令代码流添加验证码.

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述步骤C还包括：在提取配置参数更新数据之前，所述计量装置至少利用其内部存储的密钥和所述计量装置的唯一标识码来计算配置参数更新指令的验证码，并与收到的指令中包含的验证码进行比较完成校验。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述步骤A还包括：所述后台运营系统至少利用其内部存储的线路保护密钥对所述指令代码流的数据域进行加密。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述步骤C还包括：在提取配置参数更新数据之前，所述计量装置至少利用其内部存储的线路保护密钥对配置参数更新指令的数据域进行解密。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述步骤D进一步包括：不断读取实时时间与配置参数更新数据所包括的启动时间做比较，直到两个时间一致时激活保存着配置参数更新数据的指定文件。

15.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述步骤A中为所述计量装置生成的指令代码流中还包含充值指令。

16.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述步骤B中的通信接口包括以下类型的接口中至少一种接口：

供IC卡插入的接口；

用来连接便携式设备的接口；

用来接入网络的接口。

Images