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摘要 智能水表系统的研究与开发 姓名：孟泽初 导师：张传海，郁建平 东南大学 摘要 随着微电f 技术的快速发展以及国家相关政策的推动，民用汁量仪表的智能化将是一个必然的 发展趋势。吣此，实现与广人人民群众利益密切相关的水表的智能化也是势在必行。智能化水表的 推行，不但可以提高供水管理部门的工作效率，也可在技术上为节约用水、台理用水创造条件。本 沦文阻t i m j _ l = 智能水表系统为研究对象，详细论述了t m 卡水表及其收费管理系统的设计和实现。 论文首先对常刚的智能 作了比较，阐述了选择t m 卡作为信息传输介质的理由：系统地介缁 了以p 8 7 l p c 7 6 4 单片机为核心的t m 卡水表控制系统的硬件结构和软件实现，采h j 软硬什结合的技 术，提出了系统的低功耗和可靠性措施，并对微流量计量问题作了一定研究：随，| 亓详细介缁r 收费 管理系统的实现，包括数据库设计、数据库实现、系统功能分析和系统功能实现，l ：对开发过程中 所涉及到的支撑技术和关键技术作了具体研究；最后对t m 智能水表系统的数据安全性作了探讨， 提山了有效保证t m 数据安全性的方法。 7 ：此基础r 研制的t m 智能水表系统已投入试用，并取得了良好的使用效果。 【关键宁】：t m ，t m 卡水表，收费管理系统，低功耗。数据安全性，p 8 7 l p c 7 6 4 单片机 查堕叁兰堡主兰垡笙三| 三 t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f i n t e l l i g e n tw a t e r m e t e rs y s t e m n a m e ：m e n gz e - c h u s u p e r v i s o r ：z h a n gc h u r n h a i ；y ul i a n - p i n g s o u t h e a s lu n i v e r s i t y a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o n i c sa n dt h es u p p o r to fn a t i o n a lp o l i c y ，i ti sa n i n e v i t a b l et r e n dt h a tc i v i lm e t r o l o g i ci n s t r u m e n t sa r ei n t e l l i g e n t i z e d t h e r e f o r e ，r e a l i z i n gt h e i n t e l l i g e n t w a t e r m e t e ri s i m p e r a t i v e u n d e rt h es i t u a t i o n t h e a p p l i c a t i o n o fi n t e l l i g e n t w a t e r m e t e rn o to n l yi m p r o v e sw o r ke f f i c i e n c yo ft h ed e p a r t m e n ts u p p l y i n gw a t e rb u ta l s o c r e a t e sac o n d i t i o nf o r u s i n gw a t e rf r u g a l l y a n dr a t i o n a l l y t h i s p a p e r t a k e s i n t e l l i g e n t w a t e r - m e t e r s y s t e mb a s e d o nt mc a r da st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n dt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t mc a r d - b a s e dw a t e r m e t e ra n d c h a r g em a n a g e m e n ts y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l i nt h i sp a p e r , s m a r tc a r d su s e dc o m m o n l ya r ef i r s t l yc o m p a r e d ；t h er e a s o n st h a tt mc a r d i ss e l e c t e da sam e d i u m t r a n s m i t t i n g i n f o r m a t i o na r ed e s c r i b e d a n dt h e nt h et h e s i s s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e sh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o t b , v a r er e a l i z a t i o no r t h ec o n t r o ls y s t e mo f 7 f mc a r d b a s e dw a t e r m e t e gw h i c ha d o p t sp 8 7 l p c 7 6 4n i l e c h i pc o m p u t e ra s t h ec o r e a c c o r d i n g t ot h ec o m b i n a t i o no fs o f t w a r ea n d h a r d w a r e ，t h em e a s u r e sa b o u t l o w c o n s u m p t i o n a n d d e p e n d a b i l i t ya r ep u t f o r w a r d t h er e a l i z a t i o no f c h a r g em a n a g e m e n ts y s t e m i sd e t a i l e d l y i n t r o d u c e dn e x t ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no f d a t a b a s e ，t h er e a l i z a t i o no fd a t a b a s e ，t h ea n a l y s i so f s y s t e m f u n c t i o n sa n dt h er e a l i z a t i o no ff u n c t i o n s ，a n dt h e s u p p o r tt e c h n o l o g ya n dk e y t e c h n o l o g yr e l a t e dt ot h es y s t e mi sc o n c r e t e l ys t u d i e d f i n a l l y , t h et h e s i sd i s c u s s e st h ed a t a s e c u r i t yo f w h o l es y s t e m ，a n da d v a n c e se f f i c i e n tm e t h o d s t oe n s u r et mc a r d sd a t a s a f e t y t h ew h o l es y s t e mi s a c c o m p l i s h e d m a dc o m e si n t oo p e r a t i o n t h er e s u l to fu s e i s s a t i s f y i n g 【k e y w o r d s 】：t mc a r d ，t m c a r d b a s e d w a t e r m e t e r , c h a r g em a n a g e m e n ts y s t e m ，l o w c o n s u m p t i o n ，d a t as e c u r i t y , p 8 7 l p c 7 6 4o n e c h i pc o m p u t e r l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的l 刊志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：耋簟释旺l 一日 期： 呼 东南大学学位论文使用授权声明 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存沦文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究z 卜签名：麴玺i 卫 导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着社会科学技术的高速发展，资源短缺现象日益严重，尤其是与人类生存息息相关的水资源。 水是宝贵的环境资源，也是我国可持续发展战略的重要物质基础。但足，我国是世界上人均水资源 据有餐十分贫乏的国家之一，节约和保护水资源是我国当前一项十分重要的战略措施。节约水资源 包扦两个方面的措施，一是人力推广应用节水新技术；二是加强用水的科学管理，在某种意义上来 说，加强用水科学管理烂当前的首要任务。耍加强用水的科学管理，最重要的是加速研究开发科技 先进、应州方便的节水科学管理仪表以及这种仪表的普及应用。因此，研制一种低功耗、计量精确 方便的智能水表显得极为重要。 乏期以米，我国城镇居民所使_ _ j 的水表普遍是普通机械旋翼湿式水表，这种水表价格低廉，性 能比较稳定，但是还采用人t 抄表、按户收费的模式。此方式存在着工作量火，收费周期长，收费 l = i 5 l 难，效率低f 等缺点。随着我国信息产业的飞速发展，金 工程的全面实施，实现自来水收费管 理的电子化、信息化及网络化已成为可能。水表系统的智能化可以大人提高供水管理部门的工作效 率，讧约费h j ，h 以改善供水设施，提高居民饮用水质量；同时还能为加强自来水使用的监督管理 提供手段，从而在技术i 二为b - 约j | j 水、合理用水创造条件”2 1 0 我国目前的智能化水表新产品开发基本上是借鉴国外的先进模式，因为国外此方面的研究设计 起步较早。例如a b b 公司的k e n t 水表采用充电电池，具有按键读数、可以显示日期时间及各户 州水量，兼有机械式与电子式读数功能，而且还配备1 b m p c 兼容机接口，可以进行电话通信；德 国s a m e c o 公司的新型水表可显示上一年与本年度的用水量以及日期与时间等，并开发电卡式水表； 此外，日本、以色列等国也相继推出自己的新产品。国内舟勺一些企业也对多种智能化水表系统作了 研究，但在微功耗、可靠性等方面效果并不理想，因此并末投入大批量生产。 从国内外水表行业的目前情况以及水资源的可持续性发展目标来看，我国的传统水表必须进行 改进，才能适应衬会和经济的发展。本课题就是在综合了国内外水表的发展现况和未来趋势的情况 r 提 l 的。 1 2 智能水表系统的现状及发展方向 日前，国内企业与研究机构主要致力于智能网络远传水表和智能卡式水表系统方面的研究开 发。由于智能刚络远传水表系统需要配套远传通信网络支持，其初期投资大，因此只适用于在一些 新建住宅小区组成相对独立的小网；而后者采用先付费斤用水的管理模式，在当前收费困难、人上 抄表效率低f 的隋况下，更能获得供水管理部门的青睐。 1 、智能列络远传水表系统p 1 就目前来讲，智能网络远传水表义可分为分线制集中抄表方式和总线制智能抄表方式。 ( j ) 、分线制集中抄表方式 各种分线制集中抄表方式的基本原理人致相同，即由采集器定时顺序采集来自多路分户线的水 表信号，并进行数据处理、存储。各采集器之间采用总线制连接，最后连接到计算机。其典型特点 是各户表通过分户线连接至采集器。 分线制集中抄表模式单纯从技术上讲较成熟，也节约成本( 多户表共享一个采集器) ，但从实际 情况看，分线制集中抄表模式存在如下缺点： 、由于每次水表的计量信号是通过分户线穿越较k 距离到达采集器，中途任何一个环节出现 疏漏都将使采集器采集不到数据，而且铺设分户线不仅使安装任务繁重，也存在许多隐患：短线、 东南大学顽上学位论文 断线等。错综复杂的线路更使得维护工作困难重重。 、采集器均安装丁现场，需专业人员调试系统爿：定期巡视维护，专业队伍e t 盏“壮大”，维护 费用也相应剧增。 、分线制集中抄表模式的风险小仅仅是各表风险的简单累加。如果采集器掉电或出现其他严 重故障则会使该采集器上的所有户表数据丢失，集中抄表的风险无法有效分散，与测控系统强调的 集中管理、分散控制的分布式设计思想相违背。 ( 2 ) 、总线制智能抄表方式 总线制智能水表由丁采集、计数工作单元均安装在智能水表内并密封，本表的数据采集、处理、 存贮等基础工作全由智能水表本身完成，手抄器或电脑不参与底层数据采集，仅进行通讯联系，消 除r 外界因素对计量的影响。另外因智能水表引出的总线通、断不影响单表数据采集和保存( 仅影 响本表数据的读出) ，也不影响其它水表数据的读山，即使本次读数时该表总线出现故障，只需重新 择接好总线，无需重新置数，水表的真实读数仍可继续读出，其安全性、稳定性是比较可靠的。但 由于单表内漫置单片机和后备电源，成本较高，推广普及较慢。 由j 备表输出的总线只需挂接，可以减少分线制抄表方式人量烦琐的布线、系统调试任务以及 后期使 过程中线路、系统维护等繁重劳动强度，也方便高层次设计如网络结构的设计、与其他系 统( 如安防、照明、空调、消防) 兆享开放式网络的设计，进而为崩户提供完善、综合的配套服务。 2 、智能 式水表系统1 4 j 智能卡水表是在当今智能卡技术与市场迅猛发展、单个智能卡及刷卡机性能价格比日益提高的 特定时明应运而生的。主要有智能f 式水表、智能f ：- 、读卡器、收费管理信息系统等组成。用户须 存供水部门指定传卡点预购水后刷卡方能使用。它具有限量用水、解决用水收费纠纷的功能，这是 其它抄表方式及普通水表上门抄表方式所不能比拟的，并且智能忙水表如同普通水表，无需铺设管 线及线路维护，安装方便、维护简单；另外，智能卡水表白带数据采集模块、电源部分、电磁阀( 电 动删) 控制，由智能骨读入预购水量等信息，使用简单，动作可靠；并且它的前期投资费用低，因 此止e l 益受到供水管理部fj 的青睐。 根据我国“三金”工程的长远发展建酷来看，单纯地将普通机械式水表转化成机械式+ 电子式 同然已迈出了稿要的一步，但是还不够完善，因为水表的计量与收费及管理自动化将是大势所趋。 术来信息技术的发展必将朝着网络化的方向发展，作为楼宇自动化发展方向的一个重要方面一一智 能化水表系统网络化也将是它的最终归属。因此，如何设置合适的平台，将自动抄表系统、远程 监控报警系统、家居安防系统等无“缝隙”地与数据网及控制网连接起来，开发出能体现优良的综 合性、互操作性、方便实际现场安装维护的一体化智能系统将成为今后一段时期内的热点“1 。 1 3 智能水表系统的关键技术 智能化水表系统作为一种民用的高科技项目。在计量控制精度、功耗、数据保密性、动作可靠 性、收费管理信息系统的易用性和安全性等方面必然要有较高的要求。就本课题所研究的智能卡式 水表系统来讲，主要解决咀r 几个方面的关键技术问题。 1 、功耗问题 近年米，在设汁单片机应用系统时，关心系统的“功能实现”、“可靠性”等冈素的同时，对系 统的“低功耗”特性也越来越重视。尤其在一些电池供电的场合，系统功耗的高低不仅将影响到系 统的维护成本，也将对系统的可靠性产生影响口】。由丁智能卡式水表系统的特殊性，只能采取电池 供电，而且要求k 期稳定可靠上作。因此，如何实现水表的微功耗性能也成为一个技术难点。以下 儿种是比较常用的低功耗设计方法： ( 1 ) 、系统核心一一微控制器的选择； 2 第一章绪论 ( 2 ) 、系统中微控制器以外的其它电路器件尽可能选用静态功耗低的器件； ( 3 ) 、设计外部中断唤醒电路，使微控制器在等待时可进入休眠模式或待机模式，需要时由外部 中断信号唤醒； ( 4 ) 、设计外部器件的电源控制电路，使外部器件或设备在4 i _ 作时关断供电，减少无效功耗； ( 5 ) 、没训充分利用系统低功耗特点的软件。 2 、数据安全性问题 智能 式水表系统采用预付费的计量方式，其防误计数、防攻击、防偷用等数据安全性一直是 个突山的问题j 。特别是这些计量器具安装于用户管理区域，此问题解决不好将极有可能对管理 者造成巨大的经济损失。因此在供水企业使崩预付费产品系统，其采集数据准确性、存储数据安仝 性、使j j 数据可靠性，关系到计量器具能否长期存在的问题i “。一般来讲，智能卡水表系统的准确 性、可靠性和安全性主要体现在智能k 的密码安全性、数据加密以及读写智能忙的控制系统动作可 靠性等方而。州此，本课题将着重从上述儿方面着手，为智能卡式水表系统具有较高的数据安全性 提供种好方法。 3 、收费管理信息系统 收费管理信息系统是智能 式水表系统的配套软件，是供水管理部门进行售水管理的重要j 二具。 随着叮视化编程软件v i s u a l c h 、v i s u a l b a s i c 等的出现和数据库技术的日益成熟，编制界面友好、 操作简单、兼容性好的售水管理数据库软件变得简单可行。收费管理信息系统主要解决两个方面的 问题： ( 1 ) 、数据信息存取的安全可靠性； ( z ) 、软件界面友好、操作简单以及功能齐全。 1 4 本课题的主要内容 本课题以一种智能卡式水表系统为研究对象，它结合了控制技术、计算机技术、数据库技术、 流体计量学等多方面技术，是一种跨专业的电子信息化系统。主要解决计量控制精度、功耗、数据 保密性、动作可靠性和稳定性、收费管理信息系统的易用性和安全性等方面问题。 为此，本课题将着重完成以下工作： 1 、智能卡的比较分析选择； 2 、智能卡式水表控制系统便件部分的设计； 3 、智能卡式水表控制系统软件部分的设计； 4 、智能卡式水表系统的低功耗、可靠性设计； 5 、收费管理信息系统的设计实现。 东南大学硕士学位论文 第二章智能水表系统方案设计 2 1 智能卡比较选择“，8 智能 作为褶能卡式水嵌系统中的信息传输媒介，决定了智能水表系统的数据传输形式，在智 能k 水表技术中占有举足轻蘑的地位。目前，比较常用的智能卡有磁卡、i c 卡、r f 卡及t m 卡等。 1 、磁k 磁 是通过磁条记录信息量的智能r ，由于它依靠容量有限的外露磁条存储信息，在保密性、 抗损性、可靠性、使用方式及灵活性等方面存在不足。因此，磁卡技术一直没有应用于智能水表系 统中。 2 、接触式i c 接触式i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 从其功能上分为二种：存储卡、逻辑加密卡和c p u 卡。 ( 1 ) 、存储p ： 内芯片为电擦除可编程只读存储器e 2 p r o m ( e l e c t r i c a l l y e r a s a b l e p r o g r a m m a b l e r e a d o n l ym e m o d ，) ，可按照读写时序进行简单的读取和存储。 ( 2 ) 、逻辑加懈忙：也叫智能存储卡。除具备存储膏的e 2 p r o m 外，还带有加密逻辑，每次读 写 之前，必须验证输入密码。若连续三或四次输入密码错误，膏白锁，成为死卡。 ( 3 ) 、c p u 膏：内有c p u ( 中央处理单元) 的一种存储器 。存储器卡采用存储器芯片作为卡芯， 只有“f i 受f t ：”组成，包括数据存储器和安全逻辑控制等，但c p u 卡采用微处理器芯片作为卡芯，由 硬件和软什共同组成，包括硬件单片机( 微处理器) 、r a m ( 随机存取存储器) 、r o m ( 只读存储 器) ，软什i c # 监控程序或操作系统c o s ( i cc a r do p e r a t i n gs y s t e m ) 等。c p u 管理信息的加减密 和i 传输，严格防范非法访问卡内信息，发现数次非法访问，将锁住相应的信息区( 可用高一级命令 解锁) 。c p u 具有很强的可用性和保密性。 3 、r f 卡 r e ( r a d i of r e q u e n c y ) p 实际也是i c 号的一种，简称射频卡，采用无线电波进行数据交换， 冈此水表电子控制系统可以进行完全密封，防水性能最好。但是射频卡本身没有电池，需要设备首 先产牛电磁辐射，通过感应电为r f 提供能源，待r f 工作后，通过高频电波与设备交换信息。冈 此，数据交换不可靠，抗外界干扰能力差，产品成本也较高。 4 、t m t mk - s l n t l 碰触卡f 碰触式存储器一1 dl j c h m e m o r y ) ，用一个多功能器来实现将数据线、地 址线、控制线和电源线减为一根线，实现单线通讯，通过瞬态碰触杯状探头完成数据的读写，其外 形类, f n 2 i f f i l ，采_ | j 不锈钢全密封封装，适宜潮湿、震动或电磁干扰严重的场合使用。它具有以r 的 性能特点： ( 1 ) 、安全性好，可靠性高：卡内置密码k 达6 4 位，并且由于采用不锈钢外壳封装，无暴露的 易损部件或易腐部件，耐水、酸、高温和电磁波等。 ( 2 ) 、使用方便：只有两个触点，轻轻接触即完成读写，对磁触角等无特殊要求，更无需要插 。 ( 3 ) 、安装容易：可方便地通过i l l 身的粘着衬垫贴附或通过环卡卡在卡片、钥匙扣等物体上，制 成便携式信息载体或识别标志。 f 4 ) 、对读写设备要求简单：所有读写操作均经一信号线( 总线) 和一地线完成，所以读写器结 构简单，成本低，便于维护。 r 5 1 、一卡多用：一个tm 可同时用于不同用途，如付费、娱乐、考勤等。 智能r 式水表作为一种高科技民用产品，成本和安全性是影响产品的两个重要因素。过高的成 4 第二章智能水表系统方案设计 本会阻碍产品的普及推广，而安全性问题将影响用户和供水部门的关系，产生负面作用。综合这两 方面来讲，t m 和i ck 最适合应用在智能卡式水表系统中。从表2 c 卡利t m 的比较来看， 我们最终选择了t m 系列中的d s l 9 9 1 作为智能水表系统的信息载体。 表2 1i c 和t m 卡的比较 酱通i c t m9 - 塑料书片封装，弯曲容易折断，纽扣形、不锈制封装，使用划限 耐崩性破坏内部芯片，开放的引脚裸露，1 0 年以上 容易磨损导致接触不良，使用年 限1 8 月左也 讨l 别成功率需一定刷 技巧1 0 0 方便性插k 成功率不是太高，卡片容易瞬间接触，无需对准，方便携带， 丢失、折断，读写设备复杂容易制成便携式信息载体或识别 标志，单线通信，读写设备简单 安全性单纯依靠软件密码保护数据内具有全球唯一、不可复制的光刻序 容，h 密码位数少，容易被破解列号，同时提供6 4 位的密码保护 2 2t m 卡简介喃9 1 t m ( t o u c hm e m o r y ) 卡是美国d a l l a s 公司的专利产品，它采用单线协议通讯，通过瞬间碰 触完成数据读写，既具有非接触式i c 卡的易操作性，又具有接触式i c 卡的廉价性，是当前性价比 最优秀的智能卡之一。 2 2 1t m 卡结构原理 f m 乍内部结构如图2 1 所示。从图中可以看出，t m 卡是通过一个多路器来将数据线、地址线、 控制线和电源线集成到一根线上的，从而实现单线通讯。其外壳为信号地，用一根数据线按照特定 的时序要求由数据线逐位与外界交换数据。当主机加电时，t m 卡通过5 0 0 ，0 0 0 q 和5 0 q 阻抗之间 的切换来响应主机，用信号被拉低的时长( 长或短) 来表示数字逻辑( 长为1 ，短为o ) ，由于阻抗 切换的幅度为1 0 ，0 0 0 比1 ，因此，触点的接触电阻不会影响数字信号的辨识。图2 2 所示为与微处 理器的典型接口电路，当外部上拉日f 线接触到其信号线时，t m 可自动发出一存在脉冲通知微处 理器它已在线等待，完成“握手”，即可进行存取操作，极为方便。 图2 1t m 卡结构框图 5 东南大学领士学位论文 座 图2 2t m 卡典型接口电路 2 2 2t m 卡读写原理 t mp 是按照一线传输协议。以半双上、位同步、低位在的串行方式与外界通信。任何时候t m 总是作为通信的从设备，主设备始终为微处理器等。主从同步是靠微处理器向总线发送的负信号实 现，即在此负脉冲r 降沿后的若干时刻，主或从设备始由总线获取位信息。因而，其对时序要求较 高，存在启动、位写、位读笛典型时序。 ( 1 ) 、启动时序 当t mk 接触总线几微秒后，t m 片向总线发一负脉冲( 存在脉冲) ，通知微处理器它已在线等 待。也可如图2 3 ( a ) 示，微处理器先发一负脉冲( 复位脉冲) ，然后释放总线，总线被上拉电阻置 为高电甲。t mp 在检测到此上升沿并延时t p d h 时间后( 此延长时间长短由t m 内部定时电路控制， 斤同) ，向总线发持续时间为t p d l 的存在负脉冲。微处理器接受此负脉冲，即判定t m 的存在，启动 完成，完成“握手”操作。各段时间应满足： t r s t l 4 8 0 a s ；t r s t h 4 8 0 9 s ；1 5 9 s t p d h 6 0 9 s ；6 0 p s t p o l 2 4 0 p s ( 2 ) 、位写时序 “握手”完毕，微处理器将根据不同运崩目的向总线即t m 发命令。该命令及此后可“f i r s t j 现的 写数据都是以写操作形式实现，而每一次写操作均是由一系列位写时序组合而成，图2 , 3 ( b ) 为一 次位写时序，具体过程为： 微处理器输持续时间为t m w 的低电平，并在h j 0 。之后的t s l o t 剩余时间内，根据是写“l ”还 是写0 ，输出高或低电平。该期间t m 将采样总线数据。该时间长短必须符合要求：过短无法满 足t m 采样需求；过氏则可能导致不应有的复位。t s l o t 之后。微处理器释放总线，总线上升为高电 平，j i ：维持至少1 9 s 的t a e c 时间，表明此次位写结束，可进入下一次位写，各段时间间隔为： 6 0 p s t s l o t 1 2 0 j i t s ：1 t l o w 15 1 a s ；t r e c 1 g s ( 3 ) 、位读时序 微处理器从t m 读取数据是通过对t m 的读操作实现，而每一读操作均是有一系列位读时序组 合而成。位凄时序与位写时序类同，但向总线发送数据的是t m ，读取数据方为微处理器。如图2 3 ( c ) 所示。 首先，微处理器输出持续时间为t l o w r 的低电平。在此之后的t r d v 剩余时间内，t m 将被读数 据送总线：若数据为0 ，则t m 置总线为低电平；若数据为1 ，t m 将释放总线，使之被上拉电阻嚣 为高电平。微处理器在此期间由总线采样。r e “一s e 时间后，总线可靠恢复为高电平。t s l o t 时间结束 斤，总线维持1 的t r e c 时间高电平，表示本次位读结束，可进入下一次位读。各段时间间隔为： 6 0 t s l o t 1 2 0 9 s ；1 t l o w r 0 1 建立会话成功 d m m y = t m s e t u p ( t m h a n d l e ) ；，设备初试化 i f ( d m m y = = 1 1 初试化成功 ( s e a r c h = t m f i 嚼( t m h a n d l e ，( v o i df a r4 ) & s t a t e _ b u f f e r 0 ) ；查找t m 卡 i f ( s e a r c h = = 1 )查找成功 7 东南人学硕士学位论文 r o m o 】_ o ； 表示读数据 f l a g = t m r o m ( t m h a n d l e ，( v o i df a r + ) & s t a t e _ b u f f e r o ，( s h o r tf a r4 ) & r o m 【o 】) ； 读到的i d 数据放入r o m 0 - - r o m 7 r o m s t r i n g = ”； f o r ( - _ 7 ；i = o ；i 一)生成i d 字符串r o m s t r i n g t e m p f o r m a t ( ”0 2 x ”，r o m i i ) ； r o m s t r i n g + = t e m p ； e l s e m e s s a g e b o x ( ”没有智能卡，请检查! ”，”错误 , m b _ i c o n q u e s t i o n ) ； e l s e m e s s a g e b o x ( 嗵信端f i 山错或线路连接错误，请检查! ”，”错误”，m b i c o n q u e s t i o n ) ； t m e n d s e s s i o n ( t m h a n d l e ) ；，结束会话 4 4 2 用户信息管理 川户信息管理主要实现用户 、管理卡的制作、用户基本信息的输入、对用户信息的简单查询、 修改、删除，用户换卡以及按照各种常用条件对用户信息进行复杂商询等操作。 在奉系统的设计中，根据t m 卡的使用对象和功能的不同，将其定义为管理卡和用户卡，它们 通过t m 第一密钥数据存储区的功能设置位值的不同米区分。 用广 主要实现用户预购水及查询使用的功能。如图4 9 是用户信息设置界面，可以实现用户 制作，川户信息输入，用户信息简单查询修改的功能。当操作员在读写卡器中插入t m 卡，并输 入州广基本信息，直接点击“增加”按钮即可完成用户 制作及开户功能：操作员还可以按照用户 k 号或川户的姓名对用户信息进行查询，并按照要求对用户信息进行修改。 图4 9 用广信息界面 ( 1 ) 、对新出厂的1 m 水表进行初试化操作，以清空内存数据1 ：置初试化标志，并检测t m 水表控制阀动作可靠性； ( 2 ) 、当用户水表由于电磁等干扰而使得控制阀关闭时，管理人员持管理卡对州户水表进行开阀 操作，并重新设置水表状态； t 。，、耄警罢j ：篙嚣。k 盖昊昌害柔萎竿莲? 差素蓑嚣翥纂曩蔫襄銮雾萎哉翥箬祟霎嵩毒粟篓霍 由管理人员持卜插入用户水表卡座，经水表控制系统确认肺，狱瞿州厂水衣h 川小“8 息并封闭水表阀门，在收费管理系统上实现用户用水余量结算及销户。 图4 1 0 管理卡制作 怍w 兽a 笔砻怒嬲雾淼蔷f 暑絮；粪辜饕篙瀑茹蕃襞罱篇喾蕞簇薷案簇 作界面。根据此操作得到的信息，售水管理单位可随时掌握各尸分饰艘用球。情仉”雌”“9 ”1 进行必要的调整。 图4 1 1 复杂查淘界面 雕，嘉篡篙篙妻嚣统蠹嚣最1 2 鬈j 芝薪嚣瑟鲁_ 言篙篡分羞嚣矍器甓蔫挈善著亲警豢 信息到数据库的功能。如图4 是售水操作的主界面，由凹部分组厩：谍t f 贝1 。思、7 ”8 、4 、 表信息和本次购水情况。 。伸辈耋嚣售量詈雾意磊嚣霎嘉? 甬譬鲁j 蠢誓亲鸯菩篙鐾梁誊慧嚣辇霉? 篙喜娄- 薏雹害嚣，户需 薏墨燃暑掌是蓊紧嘉譬嚣晶： _ l 震曩票嚣罢篇蓄慧量罢嚣z 簇括盖登票苫t 蒿 用水情况以及上次购水数量和时间，方便供水单位发现用尸t l j 水是笛伺开吊。小磷“1 、。“” 东南大学硕上学位论文 储存的用户水表的当前状况，查看水表是否有损坏，有效遏i r 人为的偷水、漏水现象。售水操作 实珧1 f 常简单，h 要填上用户购水的数量或者金额，直接按同车键即町，还将提示用户是甭打印购 水发票。 图4 1 2 售水操作 4 4 4 基本设置管理 本系统中，基本设置主要包括操作员信息设置、用户用水类型信息设置以及读写 器通讯端1 ：3 的设置。 系统可以根据权限的不同，将操作员分成不同的级别如系统管理员、前台收费员等等。系统还 预先设置了一个超级账号，能实现所有的操作，并且不能被删除。操作界面如图4 1 3 所示，操作员 的艮体权限分配如下： 图4 1 3 操作员信息设置 系统管理：制作管理卡、数据维护； 用户管理：用户 制作、用户信息输入、州户换卡、用户信息的复杂查询； 信息查| 旬：用户信息复杂查询、单位售水报表查洵、用户购水报表查询、员工售水情况奄询 水价设定：用户类型设置； 旃四章收费管理信息系统的设计与实现 前台收费：用户购水、员l 结账、打印单据、用户退购水： 工号管理：操作员增加、修改、删除以及权限设定。 根据_ l = 户类型不同比如有单位h j 户、个人用户之分，用水的价格也将不同，因此有必要按照价 格来对h j 户用水类型进行划分。如图4 1 4 是用户类型设置界面。用水价格主要有三部分组成：单价、 附加费和排污费。警告水量用j ) l 乏提醒用户购水的下限水量。 4 4 5 报表管理 图4 1 4用户类型设置 撖表是信息管理的综合，它是调用数据库中许多数据表经过统计计算而成的，也是系统开发的 一个道要方面。本系统中主要实现三类报表统计功能：用户购水情况报表、单位的售水统计报表和 各个操作员售水情况的统计。 j j 户购水情况报表统计某个用户每次购水的详细信息，包括每次购水发票的流水号、操作员的 j ：号、购水的时间以及每次购水数量和金额数。单位的售水统计报表可按两种方式统计：按月统计 和按日统汁，统计内容包括每月或每日的售水单数以及水量吨数和金额。操作员售水报表统计某个 操作员某段时间内售水的基本情况，内容主要有每单售水的用户姓名、地址、售山的时间、售水数 量和金额。如图4 1 5 是其中单位售水统计界面。 每份报表同时还具有打印预览和打印功能，主要是通过v c + + m f c 自带的打印预览、打印功能 来实现。 图4 1 5 单位售水统计 4 1 东南大学硕上学位论文 4 5 收费管理系统安全性设计 4 5 1 数据库安全 s q ls e r v e r 2 0 0 0 充分继承了s q ls e r v e r 70 的性能，它的安全机制是建立在认证( a u t h e n t i c a t i o n ) 年【| 存取许可( p e r m i s s i o n ) 机制下的【j “。认证是使_ 1 1 js q ls e r v e r 的第一道关膏，用户使用账户和密 码登陆s q ls e r v e r 。只有登陆成功后用户才拥有使用s q ls e r v e r 的资格，但并不表示用户对数据库 内的数据有存取的权限。要对数据库的所有对象拥有存取权限，还需通过存取许可( p e r m i s s i o n ) 来 设定。 1 、w i n d o w sn t 臀陆认证：s q ls e r v e r 不需要自己管理登陆者数据。它是使用在n t 操作系统 上建矗好的账号登陆s q ls e r v e r ，登陆者只要通过n ts e r v e r 的认证就可连接和登陆s q ls e r v e r 。 2 、s q ls e r v e r 登陆认证：在这种安全认证模式下，s q ls e r v e r 自己维护登陆者数据，登陆者账 号；f l l n 【 登陆账号无关。n t 登陆账号用来登陆w i n d o w s n t 网络，以使用网上资源；s q ls e r v e r 登 陆账号则是用来登陆s q ls e r v e r 数据库系统。如果s q ls e r v e r 是在w i n d o w s 9 5 9 8 下执行，必须使 用s o ls e r v e r 的队证模式。 4 5 2 应用程序安全性 应用程序的安全性问题直是信息管理系统软件设计过程中的一个关键性方面。在本系统的设 计中，丰要从曲个方面来保证应用程序的安全性。 1 、往整个程序的入1 5 1 处进行安全控制，即在进入系统前，设计登陆对话框，需登陆者提供工号 利口令，当有任一项内容不符时，将出现登陆错误提示，如果三次内输入还是错误，将自动关闭系 统，禁l r 登陆，如图4 1 6 所示。这一措施可以有效地防止不法分子进入系统，使整个系统有了安全 保障。 图41 6 系统登陆 2 、将本系统划分若干功能模块，每个功能模块有若干菜单，登陆者根据自己的权限分配来防问 其中的一个或几个模块，使各类员_ l = 职权分明，可以使水价设定和前台售水等工作分开，保证重要 数据的安全性。 图4 1 7 是收费管理系统的安全性能验证流程图。 第四章收费管理信息系统的设计与实现 4 5 3t m 卡数据安全性 图4 1 7 安全性能验证流程 本系统中，由于用户的购水信息和智能水表的计量信息及状态都是通过用户手中的t m 卡进行 传输的，而用户的分布又是一个十分复杂、分散的群体，因此，如何保证用户卡中信息传递的安全 性已经变成一个十分重要的问题。这个问题解决的好坏，将直接影响t m 卡水表以及预付费管理 系统的推j 使用。 对t m 和t m 膏水表中的信息安全性保护主要体现在对数据信息进行非法攻击的防护上，常 用的攻击行为一般是先通过非法设备和相关技术读取t m 中存储的数据信息或在t m 与智能卡 水表进行操作时截取数据交换信息，再对数据进行分析。确认t m 卡中所有数据的含义以及数据流 的变化规则；或者，不对数据进行分析破译，而是记录在特定操作中数据流的变化情况，在需要时， 将记录的数据流直接复制发送到t m 卡或智能 水表，从而达到非法改变数据信息的目的。从上面 l j 以看出，保证t m 卡信息的安全性主要是保护卡内数据的安全性以及t m 卡与水表通信时数据流 的安全性。 本系统采用的t m 是更具特点的智能卡。出厂时生产商就在卡的芯片上采用光刻技术刻录下 6 d 位的登记号，吲此，山厂i | 亓的p 片是世上独一无二的。每个分区有由用户没定的6 4 位i d 即身份 标志和6 4 位密码，只有i d 、密码正确才能对内部数据进行读写，否则输出的只是随机数。它本身 已拥有以f 的安全措施”： ( 1 ) 、tm 卡内部由于具有全球唯一的、由t 厂激光刻录的6 4 位登记号( 8 位家族码+ 4 8 位序列 号+ 8 何c r c 校验码) ，从而保证了t m 卡绝对的唯一性和可追踪性，绝不可能伪造、复制两个完全 相同的t m 卡。因此，不存在简单复制的可能性。 ( 2 ) 、以庸答信息辨别真伪的特性。t m 卡在上电后由主机发出一个复位脉冲，接着发出一个 存在脉冲，从而建立两者之间的数据传送，并且要求首先发山的应答信息包括唯一的6 4 位登记号， 主机读到该信息时可以初步判别此 是否足该系统应用的卡片，以筛除伪卡替换操作，防止干扰信 号的破坏侵犯。 ( 3 ) 、用标识与口令保护内置信息。对于d s l 9 9 1 卡，设置有由用户设定的6 4 位i d 标识码和 6 4 位密码。如果要访问数据加密区，口令字符与标识字符必须匹配一致。由于多达1 2 8 位的i d 、 4 3 东南人学硕士学位论文 峦码，使得穷举式跟踪测试以获取密码的可能性趋向丁零。 根据对t m 卡数据信息进行非法攻击的方式以及系统所采用t m 卡的安全特性的分析，在本系 统设计- i ，我们主要采用了以f 的t m 膏数据安全性措施： ( 1 ) 、对t m 卡所使用独立页的6 4 位密码应用恰当的密码机制。根据t m 卡余球唯一的l d ，用 一定算法来产生密码，使得每个t m 卡水表具有不同的t i m 密码，并保持不变，水表和t m 卡之 间建立对一对应关系。收费管理系统内不保存每一t m 卡的密码，每一次购水时可根据用户号i d 运行不公开的算法生成。而且由于每一t m 卡水表都有备白不同的存