本发明涉及智能计费技术领域，更具体地说，涉及一种基于扫码信息的智能收发卡计费系统及方法。
背景技术
随着信息时代的来临，人工智能高速发展，同时各种电子支付方式逐渐取代了传统的现金支付，渗透到人们的生活中，衣食住行无不利用手机进行支付。
在现今的全国高校中，手机支付已经逐步取代传统的现金支付，校园卡的使用频率也大不如以前，比如食堂买饭、超市购物、水电费充值等都已经被手机支付取代。手机支付不仅能够解决校园卡易丢失的问题，而且使用非常便捷。但即使这样，某些特殊场合校园卡还是无可替代，比如洗浴支付时，因为是在有水环境中，容易损坏手机，只能使用智能卡片。
同样地，在大多数情况中，已经不需要校园卡进行支付认证，如果仅仅是在洗浴用水时才使用校园卡，利用频率低、时间短，仍然需要人手一张，且要安排相关工作人员进行维护管理校园卡以及丢失补办，这是一种资源浪费，费时费力伤财。
经检索，中国专利申请号201120148085.x，申请日为2011年5月11日，发明创造名称为：节约型浴用精确计费系统；该申请案包括设置在洗浴区的检测模块和控制模块，以及设置在洗浴区外部的管理模块；所述的控制模块包括主控芯片和与之电连接的id读卡器、光电检测模块、语音提示模块和位置显示模块；所述的光电检测模块设置在洗浴区入口；所述的检测模块包括辅控芯片和与之电连接的流量计和流量显示模块；流量计设置在淋浴头；辅控芯片与主控芯片通过串口连接；管理模块包括计算机和与之通过rs232串口连接的id读卡器；计算机与所述的主控芯片通过串口连接。该申请案能够简化淋浴计费管理，也能够做到按流量计费；但该申请案将设计重点放在了如何准确计量洗浴者的用水量，提醒洗浴者和浴池管理者及时关闭淋浴头，减少水资源的浪费；并没有解决手机支付不能完全取代校园卡，仍需安排相关工作人员对校园卡进行管理、维护，费时费力伤财的问题。
技术实现要素：
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种基于扫码信息的智能收发卡计费系统及方法；本发明较适用于洗浴室等场合，使学生不必再随身携带校园卡，洗浴室的卡片数量只要满足流动使用人员的数目即可，随取随用，方便快捷，大大降低甚至杜绝校园卡丢失补办现象，节约资源。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于扫码信息的智能收发卡计费系统，包括中央控制单元、身份识别模块、水控管理模块、超时计费模块、卡回收模块和智能发卡机；
所述的中央控制单元内部设有数据库，储存用户身份信息，接收身份识别模块、水控管理模块、超时计费模块、卡回收模块和智能发卡机发出的信息并控制各个模块的运行；
所述的身份识别模块用于手机个人信息绑定、注册个人信息、预约智能卡，并对智能卡进行加密；
所述的水控管理模块储存用水信息和账号信息，并记录开水和关水时间；
所述的卡回收模块用于回收智能卡，并在还卡成功后进行语音提示；
所述的超时计费模块设定用户超过系统设定时间未归还卡片的处理措施，包括将卡片锁死和超时自动扣费；
所述的智能发卡机，在使用者通过身份认证后，吐出卡片，并进行语音提示。
更进一步地，所述的中央控制单元操作智能收发卡机产生二维码，用户通过手机app扫描该二维码进行身份认证，领取智能卡；用水记录及账号信息均与手机软件绑定，能够随时在手机软件上查询。
更进一步地，所述的计费系统还包括计费装置，每个淋浴喷头均配备一个计费装置，智能卡与计费装置产生电磁感应，计费装置控制淋浴喷头喷水，智能卡取下后淋浴喷头停止喷水。
更进一步地，所述的卡回收模块和智能发卡机设计于一智能收发卡机上，卡片归还或发放后，均由该智能收发卡机上的语音提示模块进行语音提示；对应地，中央控制单元传输信息给手机app，手机app显示卡片已归还，并显示此次消费金额。
更进一步地，根据不同场合应用一台或多台的智能收发卡机或者在应用环境的不同地方安装相同的智能收发卡机器，由同一个后台控制中心进行监控。
更进一步地，智能卡的核心服务系统基于智能卡的专网，各类应用系统通过设置智能卡的专网和应用环境之间防火墙或通讯网关进行安全访问，对于需要发布的共享数据建立数据库服务器，通过定制数据发布服务实现数据共享。
更进一步地，所述的智能收发卡计费系统的应用框架包括数据层、业务中间层和应用界面层；其中：
数据层的智能收发卡管理中心数据库和用户信息中心数据库进行数据信息交换，智能收发卡数据管理中心一方面和用户信息进行交换及时通过用户的使用情况进行数据的调整，另一方面对应用界面层的各工作区域发出指令；
业务中间层包括数据访问层、应用接入层和业务逻辑层，智能收发卡管理中心的核心应用程序和第三方应用程序通过数据访问层与数据服务器进行信息交互，使系统能够应用于多种数据平台，在应用服务器和数据服务器间建立安全可靠的信任边界，使每个从业务逻辑层来的数据访问请求，都通过数据访问层与数据库进行交互，使其它用户不能直接访问数据库，保证系统的安全性；应用接入层使用webservice建立分布式应用程序架构，能在广域网上共享数据和程序，借用internet实现数据信息访问；业务逻辑层智能将收发卡中心数据库和各种具体业务应用映射为数据库对象和业务逻辑对象；
应用界面层包括智能收发卡管理中心、自助服务，以及金融交易、身份识别和银商联网应用，智能收发卡管理中心对应终端服务是结算中心、制卡中心和客户中心以及密钥管理；自助服务包括在联网状态下取卡、还卡和消费查询的自助使用。
更进一步地，所述的二维码使用qrcode编码。
本发明的一种基于扫码信息的智能收发卡计费方法，其步骤为：
步骤一、用户通过手机app进行个人信息注册及绑定，中央控制单元操作智能收发卡机产生二维码，用户通过手机app扫描该二维码进行身份认证，领取智能卡；当手机扫码不成功时，系统报错给服务器，后台及时进行处理；扫码成功后，用户领取到经过安全加密且储存着个人信息的智能卡；
步骤二、用户拿到智能卡开始使用时，智能卡与淋浴喷头配备的计费装置产生电磁感应，计费装置控制淋浴喷头喷水，开始计费，智能卡取下后淋浴喷头停止喷水，计费终止；用水记录及账号信息随时在手机软件上查询到；
步骤三、当洗浴完成，把智能卡归还收卡器，卡片归还后，机器语音提示已还卡，手机app显示卡片已归还，并显示此次消费金额；
步骤四、系统程序设置用卡时间为两个小时，如果两个小时之后，还未归还卡片，系统会自动检测到，然后对卡片进行锁死，手机app会提前做提醒，若逾期未还，则扣取相应的制作新智能卡的材料费及人工费。
更进一步地，对智能卡进行加密处理的过程为：将接口输入的明文分为长度为64比特的由0、1组成的字符串；将其转换成ascii码，截取某一段长度为64比特的字符串，其中56位有效，其它8位为奇偶校验，设明文u＝u1u2···u64，密钥k＝k1k2···k64，加密过程表示为des(u)＝ip-1·t16t15···t1·ip(u)，ip表示初始置换，ip-1表示逆置换，中间表示16步迭代过程，设计迭代方程，按照规则对输入明文加工，迭代初始置换是将明文按照一定的规则表示出来，经过迭代后再进行一次逆置换变成密文。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于扫码信息的智能收发卡计费系统，通过在使用场所放置智能收发卡机，后台相应的服务器和控制单元能够储存所有用户的个人信息，通过手机app绑定机器，使用时，扫描二维码，即可领取智能卡片进行使用，使用完毕，归还给智能收卡机，而且这一切都是在手机上完成操作，可以明确查询到智能卡片的使用情况；
(2)本发明的一种基于扫码信息的智能收发卡计费系统，对智能收发卡进行加密处理，安全可靠，在智能收发卡内部采用加密协处理器实现密码算法，增加了运算速度；
(3)本发明的一种基于扫码信息的智能收发卡计费系统，采用的身份识别技术是目前使用比较广泛而且技术成熟的通过手机二维码扫描的身份识别方法，使用qrcode码编码，编码容量大、强抗损，而且手机随身携带，不会遗忘；
(4)本发明的一种基于扫码信息的智能收发卡计费系统，在原有智能卡片使用的基础上，新增一个智能收发卡机器，卡片数量只要保证满足用户人数流动的最大值即可，一卡可以在不同时间供多人使用，随取随用，方便快捷，其计费系统在拿到智能卡后和以前的校园卡的使用无异，是在原有基础上的一次创新；
(5)本发明的一种基于扫码信息的智能收发卡计费系统，不仅能够减少甚至可以说杜绝校园卡的丢失现象，节约资源，而且相应的工作岗位就可以撤销掉，节约系统投入运行的成本；该计费系统较适用于用户数量属于中小型范围内的环境中，如洗浴室、温泉中心、游泳馆、高速公路收费站等，使用时间高峰段比较明显，可以估算出使用卡片的人数范围，利于投放智能卡片。
附图说明
图1为本发明的基于扫码信息的智能收发卡计费系统的总体框图；
图2为本发明的智能发卡管理系统原理框图；
图3为本发明的基于扫码信息的智能收发卡计费系统的架构框图；
图4为本发明的智能收发卡的硬件组成单元示意图；
图5为智能收发卡管理系统的应用框架图；
图6为本发明的智能收发卡的计费流程框图；
图7为本发明的智能卡加密运算的流程框图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种基于扫码信息的智能收发卡计费系统，从高校校园一卡通的使用情况出发，发现由于手机消费支付越来越流行，在许多高校当中，学生使用校园卡用于生活学习的消费频率越来越低，基于这个问题，发明人考虑到既然手机支付方便快捷，而且被学生认可，能否使用手机支付代替校园卡的使用，但是在实践过程中，发现在洗浴室这样的有水环境中手机支付不安全。本实施例的智能收发卡计费系统，将校园卡运行模式和手机扫码支付结合起来，在使用场所安装智能收发卡机器，可通过手机扫码领取卡片，使用时刷卡消费，是和手机支付软件绑定在一起，直接扣费，使用完再归还，避免出现随身携带卡片容易丢失的困扰。此外，也能减少校园卡的资源浪费，提高智能卡的利用率，卡片数量只要满足流动使用人员的数目即可，随取随用，方便快捷，大大降低或者说杜绝校园卡丢失补办现象，满足既能在有水环境中使用校园卡，又不需要随身携带，一举多得。
结合图1，本实施例的计费系统包括：中央控制单元、身份识别模块、水控管理模块、超时计费模块、卡回收模块和智能发卡机。其中，
所述的中央控制单元内部设有数据库，相当于系统的大脑，不仅储存着所有用户的身份信息而且接收其它模块发出的信息并对其它模块(身份识别模块、水控管理模块、超时计费模块、卡回收模块和智能发卡机)发出指令，执行每一步的操作，控制各个模块的运行。
所述的身份识别模块具有手机个人信息绑定、注册个人信息、预约智能卡、对智能卡的加密功能；通过对智能卡实现加密技术，提高安全性。当在智能取卡机前，通过手机app注册个人信息后，预约卡号出现二维码进行身份认证，方可用卡。智能卡使用过程中，卡的消费记录是和个人身份绑定的，如果超过系统程序设定值，会自动扣费并在手机上提醒用户及时归还卡片。
所述的水控管理模块储存着用水信息和账号信息，并记录开水和关水时间；
所述的卡回收模块包括收卡器以及还卡成功后的语音提示模块；
所述的超时计费模块设定用户超过系统设定时间未归还卡片的处理措施，包括将卡片锁死和超时自动扣费。
所述的智能发卡机，在使用者通过身份认证后，接收中央控制单元发出的指令，执行命令，吐出卡片，此卡片是经过安全加密后的且储存着个人信息的，机器吐出卡片后，取走卡片即可正常使用。
本实施例在洗浴室门前安装一个智能的收发卡机，中央控制单元的数据库里储存着学生的信息，使用前在手机app上进行身份认证，然后操作智能收发卡机，出现二维码，手机扫码即可领取一张智能收发卡。当拿到智能卡片开始使用时，每个淋浴喷头下面会装有相应的计费装置，卡片放置于上面，即有热水流下，开始计费，卡片取下，热水不流，当然也不会计费。用水记录及账号信息都是和手机软件绑定的，会随时在手机软件上查询到。当洗浴完成及时把智能卡归还到收卡器，收卡器可以和智能发卡机共用一台，当卡片归还后，机器语音提示已还卡，手机app显示卡片已归还，并显示此次消费金额。
对于超时计费情况，卡片使用时间是可以通过后台系统进行设置的，正常在校园内洗浴时间两个小时已经非常充裕，计算机系统程序设置用卡时间为两个小时，如果两个小时之后，还未归还卡片，系统会自动检测到，然后对卡片进行锁死，手机app会提前做相应的提醒，若逾期未还，则扣取相应的制作新智能卡的材料费及人工费。本实施例根据应用环境的每日用卡量的多少随季节变化可以做适当调节，减少资源的浪费，同时对于经常未按时还卡人员做出相应的罚款，因为如果惩罚力度不够大，经常不归还卡片，同样会导致工作量的增大，需要安排制卡人员对卡片信息重置。
实施例2
本实施例的一种基于扫码信息的智能收发卡计费系统，创新性地提出了智能卡循环利用的条件，完全解决需要随身携带卡片而容易丢失的问题，特别在有水环境中使用，手机不能携带进入进行消费支付。本实施例的各个模块和中央控制单元进行信息交换，中央控制单元接收到功能模块传递的命令要求，经过预先的程序软件做出相应的指令动作，及时向各模块行使命令指示，本实施例通过上位机(pc)进行程序管理，智能发卡管理系统框图如图2所示，智能收卡机和其工作机理一致。
智能卡提供的服务实际上是提供数据安全存取和用户身份证明，从接口设备角度来看，智能卡操作系统相当于一个命令解释器，操作系统始终处于等待终端命令的状态，当智能卡接收到命令后，智能卡操作系统经过命令分析后转到相应的模块，按照固定流程处理，把结果响应给终端，实现具体的功能。智能卡的操作系统框图如图3所示。系统主控模块完成各个模块间的联系与控制，通信接口模块用来确保正确接收读写设备发来的命令和把智能卡的响应正确发送给读写设备，智能安全管理模块用来提供智能卡安全设备的读写机制，以此完成智能卡的安全状态机制的安全转换和检查当前命令的安全状态来完成加密算法和数字签名的生成认证，防止数据非法入侵和篡改以及防止读写器对智能卡的非法操作，命令解释模块主要是对接收的命令进行分析，检查其合法性，通过命令参数调用相关处理程序，最后返回命令处理代码，文件管理模块完成对文件的建立、查找、读写、删除等操作。
图4为本实施例的智能卡的硬件组成，各单元通过总线连接在一起，与外界联系的是接触式的i/o接口。接触式的智能收发卡，其通信是半双工的串行通信，微处理器是智能收发卡的核心，和中央处理器cpu一起完成基本的指令执行、存储控制和逻辑控制等功能，加密协处理器cau支持应用的安全，提供一些常用算法的协处理器，如奇偶校检、des、mac计算等。电可擦除存储器eeprom是卡片智能卡操作系统(cos,cardoperatingsystem)和应用的数据区，使卡片掉电以后仍能够保持数据，只读存储器储存cos代码和一些基本的常数，在使用的时候不能够修改，随机读写存储区是卡片使用时候的临时数据空间，每次复位时数据自动清零，掉电以后数据也都丢失，只能储存一些中间的数据，网络处理单元是一个子系统，采用的是“数据驱动并进行计算”的新的架构。
智能卡工作时，微处理器接收来自接口设备的命令，根据需要控制对存储器的访问。存储器则根据微处理器提供的地址返回相应的数据。微处理器再对这些数据做进一步的处理。上述过程中的操作是由存储在rom中的智能卡操作系统cos(chipopeartingsystem)来完成的。
基于手机扫码方式的身份识别技术，二维码技术是互联网技术应用于信息识别的关键产物，和我们的生活息息相关，我国研发了具有中国自主知识产权的二维条码汉信码gb/t21049-2007《汉信码》。目前手机扫码支付的应用越来越普遍，而且技术比较成熟，应用手机扫码技术不仅节省时间，而且安全高效，特别是用卡高峰期，能够减少等待时间，增加工作效率。本实施例的扫码技术用的是qrcode编码，其具有编码容量大、mini打印尺寸、强抗损和360°解码的能力，优势明显，用途广泛。
如图5所示，从上至下依次是数据层、业务中间层和应用界面层。
数据层即智能收发卡管理中心的数据库和用户信息中心数据库进行数据信息交换，智能收发卡数据管理中心一方面和用户信息进行交换及时通过用户的使用情况进行数据的调整，另一方面对应用界面层的各工作区域发出指令。
业务中间层包括数据访问层、应用接入层和业务逻辑层。智能收发卡管理中心的核心应用程序和第三方应用程序通过数据访问层与数据服务器进行信息交互，使系统能够应用于多种数据平台，在应用服务器和数据服务器间建立安全可靠的信任边界，使每个从业务逻辑层来的数据访问请求，都通过数据访问层与数据库进行交互，使其它用户不能直接访问数据库，保证系统的安全性。应用接入层使用webservice建立分布式应用程序架构，为大型应用提供了更灵活、经济、高效的运行模式，能在广域网上共享数据和程序，借用internet实现以前只能通过专线才能实现的数据信息访问，大幅度地降低应用成本，程序能够通过防火墙进行运行，保证系统的安全性。业务逻辑层智能将收发卡中心数据库和各种具体业务应用映射为数据库对象和业务逻辑对象。本实施例使用面向对象的编程技术，针对访问数据库请求，都通过业务逻辑层进行信息交互，达到业务应用与数据的完全隔离，提高系统的安全性和灵活性。
应用界面层包括智能收发卡管理中心、自助服务，以及金融交易、身份识别和银商联网应用，他们分别行使各自不同的功能，智能收发卡管理中心对应终端服务是结算中心、制卡中心和客户中心以及密钥管理。值得一提的是，本实施例的系统关于制卡服务并不频繁，可能一次性制卡，终身不再需要，但是智能收发卡使用过程必然有丢失现象，只要预留足够多的智能卡片，定期补给即可。自助服务包括在联网状态下取卡、还卡和消费查询的自助使用情况。另外的三个应用，其中金融交易和银商联网应用都是针对后台消费金额的管理而言，与哪家银行合作，交易的方式是哪种，身份识别应用自不必说，就是前面所述的手机扫码技术。
对智能收发卡进行加密处理是非常重要的，本实施例将接口输入的明文分为长度为64比特的由0、1组成的串。具体来说，明文可以是由学生学号加身份证号加实时时间组成，将其转换成ascii码，截取某一段长度为64比特的字符串(任意区间截取)其中56位有效，其它8位为奇偶校验，设明文u＝u1u2···u64，密钥k＝k1k2···k64，加密过程表示为des(u)＝ip-1·t16t15···t1·ip(u)，ip表示初始置换，ip-1表示逆置换，中间表示16步迭代过程，用des(dataencryptiostandard)加密算法设计迭代方程，des采用传统的替换和移位的方法加密和解密一种分组密码，算法对称，运算速度快，密钥生产容易。迭代过程如图7所示，迭代方程为li＝ri-1,ri＝li-1⊕f(ri-1，ki),i＝1,2,···，16按照迭代规则对输入明文加工，即待加密的64位明文数据首先进行初始置换ip后将置换后的数据分为左右两半部分l0和r0各32位进行16轮迭代，在每轮迭代中，右半部分在48位子密钥k的作用下进行f变换，得到32位数据与左半部分按位异或，产生32位数据作为下一轮迭代的右半部分，原来的右半部分直接作为下一轮迭代的左半部分，最后一轮不再进行迭代。迭代初始置换是将明文按照一定的规则表示出来，经过迭代后再进行一次逆置换变成密文，解密就是加密的逆过程，如果想要破解密码，应用穷举法有256种可能，难度还是比较大的。所以针对智能收发卡的加密技术优势明显，安全性高。
图6为本实施例的关于智能收发卡的计费流程框图，如图6所示，当手机扫码不成功时，系统报错给服务器，后台及时进行处理，智能发卡和智能收卡可以合并在一台机器上，节省空间。对于智能卡计费，如果在设定时间内，机器检测到没有归还卡片，会提前几分钟提醒用户，超过额定时间，用户还未归还，手机app上是绑定着智能收发卡机器的，系统将智能卡锁死并自动扣除相应的罚款。
本实施例的计费系统，可以根据不同场合应用一台或多台的智能收发卡机或者在应用环境的不同地方安装相同的智能收发卡机器，同一个后台控制中心进行监控，提高工作效率，同时考虑到应用在人员流动性较强的场合，智能收发卡机使用次数多的情况，分控服务应用架构图如图5所示。为加强系统的安全性和保证系统的运行效率，智能卡的核心服务系统是基于智能卡的专网，各类应用系统通过设置智能卡的专网和应用环境之间防火墙或通讯网关进行安全访问，对于需要发布的共享数据建立数据库服务器，通过定制数据发布服务实现数据共享。
值得说明的是，限于本系统在用户量较大的场合使用时，限于安全性和快速性，实现起来比较困难，即使能够实现，所花费的时间和金钱远高于其所能带来的经济效益，故大多还是应用在用户数量属于中小型范围内的环境中，比如洗浴室、温泉中心、游泳馆、高速公路收费站等，使用时间高峰段比较明显，可以估算出使用卡片的人数范围，利于投放智能卡片。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。