一种具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表的制作方法

1.本实用新型涉及天然气计量技术领域，尤其涉及一种具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表。


背景技术：

2.天然气计量设施是燃气运行系统的重要组成部分，工商业燃气表由于承担较大的气量，对供需双方的经济利益影响非常大。随着智慧燃气智能计量的发展，现有的工商业燃气表在功能性能上已不能全部满足用户多样化的需求和现代数字化管理工作的要求，集中体现在两个方面：第一，用户充值方式不方便，用户体验性差，且充值和数据安全性安全性较低，现有的工商业计量仪表数据传输仍采用明文传输形式，存在泄漏、篡改的安全隐患；第二，在通信传输方面，数据传输量小，传输时效低，某些场合无线信号容易受到影响，使得远传数据上传不及时，远传调价的成功率只有80％左右，造成调价不及时，进而带来调价损失，引起付费纠纷。针对上述问题，急需开发能够保障数据安全同时可以满足用户及管理人员多途径数据采集要求的智能燃气表。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表。
4.为达到上述目的，本实用新型的技术方案具体是这样实现的：
5.本实用新型提供了一种具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表，包括：计量基表、电源模块、主控模块、通信模块、安全模块和人机交互模块；其中，所述计量基表，通过阀门驱动器与所述主控模块电连接，用于将检测信息发送至所述主控模块，并在所述主控模块的控制下，通过所述阀门驱动器驱动阀门开启或者关闭；所述电源模块与所述主控模块电连接，用于为各个模块进行供电；所述通信模块，与所述主控模块电连接，用于将燃气表内的数据进行外发和接收燃气表外部装置发送的数据；所述人机交互单元，与所述主控模块电连接，用于进行人机交互；所述主控模块设置有mcu，用于控制不同模块之间的信息交互。
6.其中，所述计量基表类型包括但不限于涡轮流量计、腰轮流量计、超声波燃气表和热式燃气表。
7.其中，所述电源模块采用电池和外接电源双供电模式，在所述主控模块的控制下进行切换供电模式切换。
8.其中，当所述电源模块启动电池供电时，所述电池通过升压电路为各个模块进行供电。
9.其中，所述升压电路包括：第一开关p1、第一二极管d1、tva管z1、第一极性电容e1、第二开关p2、第二极性电容e2、第一电容c1、第一电感l1、芯片u1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三极性电容e3；其中：所述第一开关p1的第一管脚连接所述第一二极管d1的正极、所述
tva管的一端和vpp，所述第一开关p1的第二管脚连接所述tva管z1的另一端和公共地；所述第一二极管d1的负极连接vcc、所述第二开关p2的第一管脚、所述第二极性电容e2的正极、所述第一电容c1的一端、所述第一电感l1的一端、所述芯片u1的in管脚和en管脚；所述第二开关p2的第二管脚连接所述第一极性电容e1的正极，所述第一极性电容e1的负极连接所述公共地；所述第二极性电容e2的负极连接所述公共地；所述第一电容c1的另一端连接所述公共地；所述第一电感l1的另一端连接芯片u1的lx管脚；所述芯片u1的out管脚连接所述第一电阻r1的一端，所述芯片u1的fb管脚连接所述第一电阻r1的另一端和所述第二电阻r2的一端，所述芯片u1的gnd管脚连接所述公共地；所述第二电阻r2的另一端连接公共地；所述第一电阻r1的一端连接所述第二电容c2的一端、所述第三极性电容e3的正极；所述第二电容c2的另一端连接所述第一电阻r1的另一端；所述第三极性电容e3的负极连接所述公共地。
10.其中，所述外接电源采用有源输入的5-24v宽电压。
11.其中，所述通信模块支持的通信方式包括但不限于：4g cat.1信道、蓝牙信道和红外信道。
12.其中，所述安全模块使用安全芯片进行数据加解密和安全认证。
13.其中，所述人机交互模块包括：显示面板、指示单元和/或按键单元。
14.其中，本实用新型提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表还包括：读卡模块；所述读卡模块与所述主控模块电连接，包括接触式读卡单元和非接触式读卡单元。
15.由此可见，通过本实用新型提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表，以工商业用户多样化需求为导向，对现有智能燃气表的通信、数据安全功能进行升级优化，解决用户充值不便、不能及时了解用气情况、数据传输过程存在安全风险的难题，解决管理人员与智能表的通信数据采集难题。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
17.图1为本实用新型实施例提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表的结构示意图；
18.图2为本实用新型实施例提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表中升压电路示意图。
具体实施方式
19.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
20.图1示出了本实用新型实施例提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表的结构示意图，参见图1，本实用新型实施例提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表，包括：计量基表、电源模块、主控模块、通信模块、安全模块和人机交互模块；
21.其中，计量基表，通过阀门驱动器与主控模块电连接，用于将检测信息发送至主控模块，并在主控模块的控制下，通过阀门驱动器驱动阀门开启或者关闭；
22.电源模块与主控模块电连接，用于为各个模块进行供电；
23.通信模块，与主控模块电连接，用于将燃气表内的数据进行外发和接收燃气表外部装置发送的数据；
24.人机交互单元，与主控模块电连接，用于进行人机交互；
25.主控模块设置有mcu，用于控制不同模块之间的信息交互。
26.具体地，主控模块设置有mcu(微控单元)，控制不同模块之间的信息交互。
27.主控模块可以进行费控，本实用新型实施例提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表，具备表端费控与系统费控可切换功能，可以避免单一费控模式存在的弊端(表端费控存在调价滞后，无法实现实时结算的问题后台费控的用户在通信条件不好时，可能出现无法抄录气量数据、控制指令执行不成功、传输失败等情况，影响气费的结算、缴费开阀等)，仪表出厂时默认为系统费控，安装完成后，通过通信信号强弱来确定表具的费控模式，通信信号不满足质量要求的表具自动切换为表端费控，同时也可以通过维护手段进行表具的费控方式更改。
28.作为本实用新型实施例的一个可选实施方式，计量基表类型包括但不限于涡轮流量计、腰轮流量计、超声波燃气表和热式燃气表。
29.具体地，计量基表类型包括但不限于涡轮流量计、腰轮流量计、超声波燃气表、热式燃气表，计量基表与阀门驱动器联动，当主控模块检测到仪表异常时，阀门驱动器执行关闭阀门动作，当仪表恢复正常时，驱动器执行开阀动作。
30.作为本实用新型实施例的一个可选实施方式，电源模块采用电池和外接电源双供电模式，在主控模块的控制下进行切换供电模式切换。
31.具体地，电源模块采用电池和外接电源双供电模式，两种供电模式可自动切换，当需要实时通信上传数据时(实时传输，通信频率高)，外接电源模式开启，提供电源，保证仪表与管理平台的通信频率，提升仪表管理的实时性；当不需要实时通信传输数据(定时传输，通信频率低)，电源自动切换至电池供电模式，每天与管理平台通信一次，保证仪表正常运行。电池电源，采用低功耗设计，可以采用能量型的大容量锂电池，也可以采用用户方便更换的碱性电池，整机静态功耗在50微安以内。具体实现时，可以通过电源管理模块对内外电源进行监控和管理，外部电源在的时候不耗内电池电源，当外电源掉电后能自动切换到内电源工作，当内电池电源不足时及时提醒用户更换电池，外部电源采用防爆外壳，保证用户使用安全。
32.作为本实用新型实施例的一个可选实施方式，当电源模块启动电池供电时，电池通过升压电路为各个模块进行供电。其中，参见图2，升压电路包括：第一开关p1、第一二极管d1、tva管z1、第一极性电容e1、第二开关p2、第二极性电容e2、第一电容c1、第一电感l1、芯片u1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三极性电容e3；其中：第一开关p1的第一管脚连接第一
二极管d1的正极、tva管的一端和vpp，第一开关p1的第二管脚连接tva管z1的另一端和公共地；第一二极管d1的负极连接vcc、第二开关p2的第一管脚、第二极性电容e2的正极、第一电容c1的一端、第一电感l1的一端、芯片u1的in管脚和en管脚；第二开关p2的第二管脚连接第一极性电容e1的正极，第一极性电容e1的负极连接公共地；第二极性电容e2的负极连接公共地；第一电容c1的另一端连接公共地；第一电感l1的另一端连接芯片u1的lx管脚；
33.芯片u1的out管脚连接第一电阻r1的一端，芯片u1的fb管脚连接第一电阻r1的另一端和第二电阻r2的一端，芯片u1的gnd管脚连接公共地；第二电阻r2的另一端连接公共地；第一电阻r1的一端连接第二电容c2的一端、第三极性电容e3的正极；第二电容c2的另一端连接第一电阻r1的另一端；第三极性电容e3的负极连接公共地。
34.具体地，当启动电池电源供电时，为避免电源电压在2.0v～3.6v之间跳变，采用升压电路，可保证系统工作电平稳定。第一二极管d1是高开关频率且低压差的肖特基二极管，控制电流流向，防止电流倒灌损坏电路；tva管z1是高速浪涌电流释放管；第一极性电容e1是大容量电容，作用是电池因钝化而无法及时放出脉冲电流时给系统续流，第二开关p2是物理开关，表具正常使用工作时导通，表具处于仓储或运输过程中时，第二开关p2断开，芯片u1是超低功耗的升降压(buck and boost)、同步整流直流转直流(dc-dc)，工作方式包括脉冲幅度变调(pwm)方式、脉冲频率变调(pfm)方式以及脉冲幅度变调(pwm)和脉冲频率变调(pfm)相结合且自动切换控制的方式。采用脉冲幅度变调(pwm)工作方式时，电源输出端适配大容量电容；当电池电压高于控制系统电压时，电源方案工作在降压(buck)模式，电池电压低于控制系统电压时，电源方案工作在升压(boost)模式；当控制系统工作在重载状态时，电源方案工作在脉冲幅度变调(pwm)模式，当控制系统工作在轻载状态时，电源方案工作在脉冲频率变调(pfm)方式。vpp标号是输入电池电压，vcc标号是第一极性电容e1储能电压，vdd标号是控制系统电源电压；vpp值始终高于vcc值，且vcc值无限接近vpp值；vpp值和vcc值随着电池电压变化而同步变化，vpp值变化剧烈、波动大，vcc值变化轻微、波动小；在电池的有效使用周期内，vpp值和vcc值部分时间高于vdd值，部分时间低于vdd值，且vpp值和vcc值非线性降低曲线，而是随机杂乱变化；无论vpp值和vcc值按照不确定的规律变化，vdd值始终恒定、稳定。vdd恒定值由第一电阻r1值和第二电阻r2值确定，稳定性由第一电容c1、第二电容c2、第二极性电容e2、第三极性电容e3确定；vdd输出电流能力由第一电感l1决定。vdd输出电流变小时，电源电路进入超低功耗模式，节省能量；vdd输出电流突然变大时，电源电路进入大电流大功率供电模式，保证系统稳定工作。
35.作为本实用新型实施例的一个可选实施方式，外接电源采用有源输入的5-24v宽电压。
36.作为本实用新型实施例的一个可选实施方式，通信模块支持的通信方式包括但不限于：4g cat.1信道、蓝牙信道和红外信道。
37.具体地，本实用新型实施例提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表采用支持多种通信方式，包括4g cat.1信道、蓝牙信道和红外信道。其中4g cat.1作为主通道与管理平台进行通信，保证远程充值和基础数据传输，cat.1模块可以依托现有的4g网络，驱动程序可切换使用tcp协议和mqtt协议，并具有全链路通信故障指示功能，实现良好的网络覆盖(有4g信号的地方就可以覆盖cat.1)，能够有效规避2/3g退网带来的风险，考虑通信技术的不断升级，可将通信模组mcu封装成独立可插拔式模块，满足未来通信技术更
新换代后的快捷更替。蓝牙通道是智能燃气表的第二通讯通道，用于售后维修或者主通信受影响后的数据采集，蓝牙采用4.2版本以上的低功耗模组，燃气表的条码号通过at指令写到蓝牙模组中作为蓝牙名称，具备蓝牙功能的手机或手持终端(安装专用app)扫描智能燃气表的条码号并使用该条码号与燃气表蓝牙配对，配对过程中，需要输入配对密码，避免非法app对蓝牙的频繁攻击。配对成功后，app需要读取或者设置燃气表数据时，需要把数据先发到主站进行加密后返回再通过app发到燃气表，燃气表解析后把要返回的数据加密返回给app，app再转给主站解密，app收到解密数据后才能看到正确数值。红外通信可通过按键触发进行打开，可作为备用信道用于售后维修或者公司生产时参数设置使用。
38.作为本实用新型实施例的一个可选实施方式，安全模块使用安全芯片进行数据加解密和安全认证。
39.具体地，本实用新型实施例提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表采用安全逻辑功能单元存储传输密钥、关键业务数据、计量数据，安全逻辑功能单元使用安全芯片进行数据加解密和安全认证，支持sm3、sm4、sm2/sm9标准国密算法，采用了包括密文+mac、密文+签名的多种传输方式，确保数据安全、可靠。采用cpu卡充值或者设置、采集参数时，cpu卡先到主站上通过加密机对卡片充值或者写数据，cpu卡到燃气表上消费时需要先通过表内的安全逻辑单元做密钥认证，通过后才能消费、设置和采集参数。主站与表端做数据交互时，需要到对方逻辑功能单元进行密钥认证和验签后才能恢复原始报文。蓝牙通信协议使用过程密钥，确保一表一密，其中参数设置和充值信息需要通过安全芯片进行加解密，确保传输数据的安全、可靠；双界面卡实现表端费控，卡片交互使用iso 7816协议，数据安全满足《中国金融集成电路ic卡规范》的要求。
40.作为本实用新型实施例的一个可选实施方式，人机交互模块包括：显示面板、指示单元和/或按键单元。
41.具体地，本实用新型实施例提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表采用指示灯、蜂鸣器、液晶屏多种方式来与用户交互。开关阀门过程中，通过黄色指示灯提示用户，刷卡或者按键后，通过蜂鸣器提示用户操作成功；采用液晶大屏作为交互界面，屏显内容包括累计购气量、累计用气量、用气金额、燃气单价、温度、压力、作状态提示等信息，为了避免环境灯光不足，液晶屏增加了背光效果，按键后会电量液晶屏，方便查看数据。
42.作为本实用新型实施例的一个可选实施方式，本实用新型实施例提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表还包括：读卡模块；读卡模块与主控模块电连接，包括接触式读卡单元和非接触式读卡单元。
43.具体地，本实用新型实施例提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表，在读取充值卡过程中为避免接触式卡片由于电器触点长期暴露在外被腐蚀、破损等情况从而产生读写卡错误导致客户充值失败的问题，采用双通道读卡设计，可使用接触式和nfc通信两种方式进行卡片读取操作。在保留普通接触式卡座的基础上增加了nfc读卡模块，nfc中文名为近场通信，通信距离在10厘米以内，工作频率13.56mhz，传输速度有106kbit/s、212kbit/s或者424kbit/s三种。nfc由于安全性高、建立时间快、低耗电的特点，已在电子支付、身份认证、防伪等领域规模应用。内置与主板独立的nfc读卡模块，通过按键激活来读写卡片快速完成充值。罩壳的前端设计有nfc识别区域和卡片支架方便用户放置
卡片。双通道读卡的设计可以提高产品可靠性，给客户使用带来了方便。
44.由此可见，通过本实用新型提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表，以工商业用户多样化需求为导向，对现有智能燃气表的通信、数据安全功能进行升级优化，解决用户充值不便、不能及时了解用气情况、数据传输过程存在安全风险的难题，解决管理人员与智能表的通信数据采集难题。
45.可见，本实用新型提供的具有数据安全加密功能的多信道工商业智能燃气表，具有如下优点：
46.1、具有外接电源和内置锂电双供电自切换功能，满足用户多样化的数据传输量和频率需求；
47.2、具备本地(表端)和远程(后台)费控模式自适应及高频率远程调价功能，可提高用户充值便捷性，避免调价延迟造成的损失；
48.3、具备远传主信道和辅助信道互补的通信方式，主信道可选4，辅助信道可选蓝牙方式和红外方式，可满足数据传输及存储需求；
49.4、表具使用安全芯片进行数据加解密和安全认证，蓝牙通信协议使用过程密钥，确保一表一密，保证数据传输的安全、可靠。
50.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。