0 引言 

    隨著售電管理模式以及用電管理方式需求的變化，我國逐漸發(fā)展了集成電路卡式預(yù)付費系統(tǒng)、鍵盤式電能表預(yù)付費系統(tǒng)和自動抄表系統(tǒng)三大類電力預(yù)付費系統(tǒng)。一般來說，信息系統(tǒng)的安全度主要體現(xiàn)為反泄密、反竄改和反破壞的能力。除信息存儲和處理過程外，信息在傳輸過程中受到的安全威脅最大。就IC卡預(yù)付費售電系統(tǒng)而言，IC卡是信息傳送媒介，它在整個數(shù)據(jù)安全方案中至關(guān)重要。

    IC卡是鑲嵌集成電路芯片的塑料卡片，它將存儲器、加密邏輯器，甚至微處理器等芯片鑲嵌在塑料基片中，其外形和尺寸都遵循ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，具有暫時或永久性的數(shù)據(jù)存儲能力，內(nèi)部可供外部讀取或供內(nèi)部處理、判斷，同時還兼有邏輯和數(shù)學(xué)運算處理能力，用于識別和響應(yīng)外部提供的信息和芯片本身的處理需求。

    目前可供選擇的IC卡種類有存儲器卡、邏輯加密卡、智能CPu卡、射頻卡。其中存儲器卡的安全性最差，數(shù)據(jù)安全完全依賴于讀寫器的軟件口令及算法加密，復(fù)制極為容易;CPU卡具有控制信息交換功能的芯片操作系統(tǒng)，安全性高，但成本高昂，安全認(rèn)證實際操作過程過于復(fù)雜，主要用于金融領(lǐng)域;邏輯加密卡內(nèi)部設(shè)有CPU，具有一些安全邏輯、EEPROM數(shù)據(jù)存儲器、通信接口等單元，它針對采用特定安全算法的應(yīng)用，可以做比較細(xì)致的設(shè)計優(yōu)化，但是不夠靈活，邏輯都是固定的，所有的功能都需由硬件實現(xiàn);射頻卡采用射頻識別技術(shù)，即利用射頻信號通過空間藕合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的，具有非接觸雙向通信、操作迅速、讀寫可靠、安全性高等特點。

1 Mifare1射頻卡 

    Mifare1射頻卡采用PhiliPs公司的Mifare技術(shù)，符合ISO/IEC14443 TYPE A國際標(biāo)準(zhǔn)，是目前非接觸式IC智能射頻卡中的主流。Mifare1射頻卡能有效防止卡口攻擊;卡片具有唯一的序列號;具有先進(jìn)的數(shù)據(jù)通信加密系統(tǒng)，在通信過程中所有數(shù)據(jù)都被加密;具有雙向驗證密碼配置，在操作前要與讀寫器進(jìn)行三次相互認(rèn)證;而且，卡中各個扇區(qū)都有一組獨立的密碼及訪問控制，從而使其安全性能得到進(jìn)一步提高。

    Mifare1射頻卡的核心是philips公司的Mifare ICS 50系列微晶片，它確定了卡片的特性以及卡片讀寫器的性能。Mifare1S50非接觸式IC智能射頻卡的功能組成如圖1所示。

圖1 Mifare S50射頻卡的功能組成圖

    信息存儲在Mifare1射頻卡的EEPROM中，讀寫器與射頻卡通過各自的天線建立起二者之間非接觸信息傳輸通道。當(dāng)射頻卡進(jìn)人系統(tǒng)的工作區(qū)域時，射頻卡讀寫器向射頻卡發(fā)送一組固定頻率(13.56MHZ)的無線電調(diào)制頻率，卡片內(nèi)射頻接口電路接收到信號之后，一方面送波形轉(zhuǎn)換模塊，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，再對其整流濾波，然后由電壓調(diào)節(jié)模塊對電壓進(jìn)行進(jìn)一步的穩(wěn)壓等處理，獲得電源能量，一般可達(dá)2V以上，最終輸出供給卡片上的各電路;另一方面送調(diào)制/解調(diào)模塊，將接收到的頻率信號解調(diào)為數(shù)據(jù)信息。

    當(dāng)一張Mifare1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出請求命令后，卡片的請求應(yīng)答模塊啟動，將卡片的型號傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果有多張Mifare1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)，防重疊功能模塊將被啟動工作?？ㄆx寫器取得每一張卡片的系列號，讀寫器的防重疊功能模塊配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員控制讀寫器，根據(jù)卡片的序列號來選定一張卡片。讀寫器對選定的卡片進(jìn)行選擇操作，被選定的卡片將卡片上存儲的卡片容量字節(jié)傳送給讀寫器，當(dāng)讀寫器收到這一字節(jié)后，卡片真正地被選中。最后程序員對卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證，如果匹配，控制及算術(shù)運算單元將根據(jù)讀寫器命令把卡內(nèi)數(shù)據(jù)調(diào)制后發(fā)射出去或者接收讀寫器的數(shù)據(jù)再進(jìn)行解調(diào)。

射頻卡振蕩頻率的計算方法為:


天線線圈電感的估算經(jīng)驗公式為:


    式中:L為天線線圈一圈的長度;D為天線線圈直徑或?qū)w的寬度;k為天線線圈形狀因素(環(huán)形天線k=1.07，矩形天線k=1.47);N為天線線圈匝數(shù)(一般為4匝);尸為由天線線圈的技術(shù)而定的N的指數(shù)因子，尸值與天線線圈結(jié)構(gòu)關(guān)系如表1所示。

表 1 P值與天線線圈結(jié)構(gòu)關(guān)系表

    上述天線線圈的電感的公式只能作為首次估測之用，實際的天線線圈的電感必須通過儀器測量而定，但偏差不會很大。

2 Mifare1射頻卡在電能表中的應(yīng)用 

    電能表是整個預(yù)付費系統(tǒng)中的終端設(shè)備，它通過Mifare1S50射頻卡與售電管理點進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對射頻卡而言，它就是讀寫器。本系統(tǒng)總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

    按照 “ 一 戶一表，一表一卡”的原則，用戶安裝一個新的電能表的同時，會獲得一張全新的射頻卡。首先用戶需要到售電點開戶，從而在管理系統(tǒng)中建立用戶檔案，以后所有與該表計相關(guān)的信息均保存至此。開戶完成后，電能表與射頻卡建立了鏈接，購電、測試、設(shè)置等管理操作均被允許。為保證信息安全，通信中的購電信息和管理信息均由售電管理上位機(jī)軟件加密，以密文數(shù)串的形式進(jìn)行傳遞，表計在接收到這些數(shù)據(jù)時，將進(jìn)行相應(yīng)的解密工作。同時，電能表將用戶的用電量、余額、部分消費記錄及表計狀態(tài)等非加密表計信息通過射頻卡返回給售電管理部門。電能表中儲存有前12個月的購電、消費歷史記錄和表計當(dāng)前時間、日期、事件記錄等，用戶可通過按鍵查詢?nèi)揩@得，這些信息對管理部門也是同等重要，管理員可通過遠(yuǎn)紅外式的掌上電腦與電能表通信獲得，并且，管理員還可以通過這種方式對電能表進(jìn)行時間、日期等設(shè)置。

2.1 基站芯片F(xiàn)M1702SL 

    FM1702SL 是復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計的基于1501443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式通信中的高集成讀卡專用IC，該芯片采用0.6μm CMOS EEPROM工藝，支持13.56MHz頻率下TYPEA非接觸通信協(xié)議，支持多種加密算法，內(nèi)部的發(fā)射器不需要增加有源電路就可以驅(qū)動近距離的天線(可達(dá)10cm)。

2.2 Mifare1射頻卡存儲區(qū)分配 

    Mifare 1S50射頻卡的存儲容量為8192 x 1位字長，采用EEPROM作為存儲介質(zhì)，整個結(jié)構(gòu)劃分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)有多種密碼管理方式。每個扇區(qū)有4個塊(Block)，每個Block有16個字節(jié)。本系統(tǒng)使用扇區(qū)0一扇區(qū)2。扇區(qū)0的Block 0中存儲的是廠商代碼，不可改寫，其中0一4個字節(jié)為卡片序列號，每個電能表只與唯一的一張射頻卡匹配，二者間的對話依據(jù)是射頻卡的卡片序列號與表計的表地址，若兩者不同，電能表將拒絕接收處理卡中數(shù)據(jù)。

    扇區(qū)1中存放用戶從售電點購買的電量信息，電力管理部門發(fā)布的電能表管理信息，以及射頻卡刷寫的階段信息。扇區(qū)1中的存儲信息具體描述如表2所示。

表 2 扇區(qū)1中的存儲信息描述

    表2中，11個字節(jié)的數(shù)串為上位機(jī)管理系統(tǒng)與電能表終端按照約定的規(guī)約進(jìn)行加密后的信息。對用戶新安裝的電能表進(jìn)行初次操作時，只有在將從售電點或電力管理部門獲得的開戶信息數(shù)串寫人表計后，才能進(jìn)行充值或其它管理操作，所以在用戶首次購電時，射頻卡中一般存人開戶信息和購電信息兩個數(shù)串。電力管理部門可以通過向射頻卡寫人相應(yīng)的加密數(shù)串對電能表進(jìn)行測試或設(shè)置操作，例如，繼電器測試、顯示器測試、最大功率設(shè)置、費率設(shè)置、加密密鑰設(shè)置等。扇區(qū)1中分配的這兩個數(shù)串空間可以隨意存放按規(guī)約獲得的加密信息，電能表從射頻卡中獲取這些信息后進(jìn)行解密，再根據(jù)信息類型進(jìn)行相應(yīng)操作。射頻卡刷寫的階段標(biāo)志是電能表處理信息的依據(jù)，電能表讀取卡片信息后首先做的就是檢測此標(biāo)志。若卡片最新信息來自上位機(jī)，尚未被電能表處理(0X00)，電能表將去解密扇區(qū)1中加密數(shù)串，再回寫返回信息;若卡片最新信息來自電能表，為一般返回信息(OXDD)，電能表將去更新扇區(qū)2的表計信息;若卡片最新信息來自電能表，但為用戶注銷后得到的反饋信息(OXFF)，電能表不會再對射頻卡進(jìn)行任何寫操作。

    為保證通信雙方的互動性，電能表在讀卡確認(rèn)信息無誤后，將一些表計的當(dāng)前信息寫人射頻卡扇區(qū)2中，以便售電點或電力管理部門再次操作該卡時獲取這些信息，扇區(qū)2中的存儲信息具體描述以及當(dāng)前刷卡事件和當(dāng)前表計事件狀態(tài)字如表3、表4所示。

表 3 扇區(qū)2中的存儲信息描述

表 4 當(dāng)前刷卡事件和當(dāng)前表計事件狀態(tài)

    一旦射頻卡通過電能表的認(rèn)證，最新刷卡時間將被更新，作為當(dāng)前表計事件狀態(tài)或當(dāng)前刷卡事件狀態(tài)的時間標(biāo)識。將用戶的總用電量和余額寫回射頻卡，是給下次進(jìn)行購電操作時提供信息比較的基礎(chǔ)。為保證通信實時快捷，通過射頻卡返回的只有上月和當(dāng)月的記錄。當(dāng)前表計事件狀態(tài)對表計的管理者非常重要，上位機(jī)管理軟件通過分析各種事件來辨別表計軟硬件出現(xiàn)的錯誤、用戶欠費、表計被人為蓄意破壞及電網(wǎng)質(zhì)量不過關(guān)等異常狀況。當(dāng)前刷卡事件狀態(tài)表明刷卡被拒絕的各種原因，管理者根據(jù)它重新寫人符合規(guī)則的數(shù)串。

2.3 電能表對射頻卡的讀寫軟件設(shè)計 

    射頻卡讀寫程序流程如圖3所示。

圖 3 射頻卡讀寫流程圖

    射頻式電能表對卡片的讀寫軟件包括:射頻卡存在性檢測、表計與卡片的身份匹配驗證、卡片內(nèi)部信息類型判別、密文數(shù)據(jù)解密、寫卡可靠性檢測等。一般來講，電能表每隔500 ms檢測一次感應(yīng)區(qū)，判斷是否出現(xiàn)射頻卡，采樣間隔由單片機(jī)內(nèi)部定時器0實現(xiàn)，但在對射頻卡完成一次成功的讀寫操作后，3S內(nèi)電能表不會執(zhí)行檢測程序，以避免因人為誤操作或蓄意破壞而連續(xù)反復(fù)讀取同一張射頻卡，防止造成讀寫卡片不準(zhǔn)確，保證數(shù)據(jù)傳遞的可靠度。

3 結(jié)束語 

    射頻技術(shù)以其高度的信息集成度及安全性已經(jīng)融人當(dāng)今信息技術(shù)主流，本文介紹的采用Mifarel射頻卡的電能表不僅具有計量收費功能，還可通過射頻卡或者掌上電腦，與相關(guān)售電管理部門的上位機(jī)軟件通信，簡化了預(yù)付費系統(tǒng)的設(shè)計難度，解決了居民用電傳統(tǒng)管理方式中收費難、催費難的問題，順應(yīng)了國際上電能表的需求方向。運行證明，該電能表讀寫穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳遞可靠、管理實時便捷。

作者簡介：易霞，女，1982年生，現(xiàn)為湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院在讀碩士研究生;主要研究方向為智能測撞。
湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院   膝召勝
杭州市海興電器有限公司    張向程 周良嶂

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