Mifarel射频卡在预付费电能表中的应用

0 引言 

    随着售电管理模式以及用电管理方式需求的变化，我国逐渐发展了集成电路卡式预付费系统、键盘式电能表预付费系统和自动抄表系统三大类电力预付费系统。一般来说，信息系统的安全度主要体现为反泄密、反窜改和反破坏的能力。除信息存储和处理过程外，信息在传输过程中受到的安全威胁最大。就IC卡预付费售电系统而言，IC卡是信息传送媒介，它在整个数据安全方案中至关重要。

    IC卡是镶嵌集成电路芯片的塑料卡片，它将存储器、加密逻辑器，甚至微处理器等芯片镶嵌在塑料基片中，其外形和尺寸都遵循ISO国际标准，具有暂时或永久性的数据存储能力，内部可供外部读取或供内部处理、判断，同时还兼有逻辑和数学运算处理能力，用于识别和响应外部提供的信息和芯片本身的处理需求。

    目前可供选择的IC卡种类有存储器卡、逻辑加密卡、智能CPu卡、射频卡。其中存储器卡的安全性最差，数据安全完全依赖于读写器的软件口令及算法加密，复制极为容易;CPU卡具有控制信息交换功能的芯片操作系统，安全性高，但成本高昂，安全认证实际操作过程过于复杂，主要用于金融领域;逻辑加密卡内部设有CPU，具有一些安全逻辑、EEPROM数据存储器、通信接口等单元，它针对采用特定安全算法的应用，可以做比较细致的设计优化，但是不够灵活，逻辑都是固定的，所有的功能都需由硬件实现;射频卡采用射频识别技术，即利用射频信号通过空间藕合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的，具有非接触双向通信、操作迅速、读写可靠、安全性高等特点。

1 Mifare1射频卡 

    Mifare1射频卡采用PhiliPs公司的Mifare技术，符合ISO/IEC14443 TYPE A国际标准，是目前非接触式IC智能射频卡中的主流。Mifare1射频卡能有效防止卡口攻击;卡片具有唯一的序列号;具有先进的数据通信加密系统，在通信过程中所有数据都被加密;具有双向验证密码配置，在操作前要与读写器进行三次相互认证;而且，卡中各个扇区都有一组独立的密码及访问控制，从而使其安全性能得到进一步提高。

    Mifare1射频卡的核心是philips公司的Mifare ICS 50系列微晶片，它确定了卡片的特性以及卡片读写器的性能。Mifare1S50非接触式IC智能射频卡的功能组成如图1所示。

图1 Mifare S50射频卡的功能组成图

    信息存储在Mifare1射频卡的EEPROM中，读写器与射频卡通过各自的天线建立起二者之间非接触信息传输通道。当射频卡进人系统的工作区域时，射频卡读写器向射频卡发送一组固定频率(13.56MHZ)的无线电调制频率，卡片内射频接口电路接收到信号之后，一方面送波形转换模块，将正弦波转换为方波，再对其整流滤波，然后由电压调节模块对电压进行进一步的稳压等处理，获得电源能量，一般可达2V以上，最终输出供给卡片上的各电路;另一方面送调制/解调模块，将接收到的频率信号解调为数据信息。

    当一张Mifare1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出请求命令后，卡片的请求应答模块启动，将卡片的型号传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果有多张Mifare1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内，防重叠功能模块将被启动工作。卡片读写器取得每一张卡片的系列号，读写器的防重叠功能模块配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员控制读写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。读写器对选定的卡片进行选择操作，被选定的卡片将卡片上存储的卡片容量字节传送给读写器，当读写器收到这一字节后，卡片真正地被选中。最后程序员对卡片上已经设置的密码进行认证，如果匹配，控制及算术运算单元将根据读写器命令把卡内数据调制后发射出去或者接收读写器的数据再进行解调。

射频卡振荡频率的计算方法为:


天线线圈电感的估算经验公式为:


    式中:L为天线线圈一圈的长度;D为天线线圈直径或导体的宽度;k为天线线圈形状因素(环形天线k=1.07，矩形天线k=1.47);N为天线线圈匝数(一般为4匝);尸为由天线线圈的技术而定的N的指数因子，尸值与天线线圈结构关系如表1所示。

表 1 P值与天线线圈结构关系表

    上述天线线圈的电感的公式只能作为首次估测之用，实际的天线线圈的电感必须通过仪器测量而定，但偏差不会很大。

2 Mifare1射频卡在电能表中的应用 

    电能表是整个预付费系统中的终端设备，它通过Mifare1S50射频卡与售电管理点进行数据交互，对射频卡而言，它就是读写器。本系统总体设计如图2所示。

图2 系统总体框图

    按照 “ 一 户一表，一表一卡”的原则，用户安装一个新的电能表的同时，会获得一张全新的射频卡。首先用户需要到售电点开户，从而在管理系统中建立用户档案，以后所有与该表计相关的信息均保存至此。开户完成后，电能表与射频卡建立了链接，购电、测试、设置等管理操作均被允许。为保证信息安全，通信中的购电信息和管理信息均由售电管理上位机软件加密，以密文数串的形式进行传递，表计在接收到这些数据时，将进行相应的解密工作。同时，电能表将用户的用电量、余额、部分消费记录及表计状态等非加密表计信息通过射频卡返回给售电管理部门。电能表中储存有前12个月的购电、消费历史记录和表计当前时间、日期、事件记录等，用户可通过按键查询全部获得，这些信息对管理部门也是同等重要，管理员可通过远红外式的掌上电脑与电能表通信获得，并且，管理员还可以通过这种方式对电能表进行时间、日期等设置。

2.1 基站芯片FM1702SL 

    FM1702SL 是复旦微电子股份有限公司设计的基于1501443标准的非接触式通信中的高集成读卡专用IC，该芯片采用0.6μm CMOS EEPROM工艺，支持13.56MHz频率下TYPEA非接触通信协议，支持多种加密算法，内部的发射器不需要增加有源电路就可以驱动近距离的天线(可达10cm)。

2.2 Mifare1射频卡存储区分配 

    Mifare 1S50射频卡的存储容量为8192 x 1位字长，采用EEPROM作为存储介质，整个结构划分为16个扇区，每个扇区有多种密码管理方式。每个扇区有4个块(Block)，每个Block有16个字节。本系统使用扇区0一扇区2。扇区0的Block 0中存储的是厂商代码，不可改写，其中0一4个字节为卡片序列号，每个电能表只与唯一的一张射频卡匹配，二者间的对话依据是射频卡的卡片序列号与表计的表地址，若两者不同，电能表将拒绝接收处理卡中数据。

    扇区1中存放用户从售电点购买的电量信息，电力管理部门发布的电能表管理信息，以及射频卡刷写的阶段信息。扇区1中的存储信息具体描述如表2所示。

表 2 扇区1中的存储信息描述

    表2中，11个字节的数串为上位机管理系统与电能表终端按照约定的规约进行加密后的信息。对用户新安装的电能表进行初次操作时，只有在将从售电点或电力管理部门获得的开户信息数串写人表计后，才能进行充值或其它管理操作，所以在用户首次购电时，射频卡中一般存人开户信息和购电信息两个数串。电力管理部门可以通过向射频卡写人相应的加密数串对电能表进行测试或设置操作，例如，继电器测试、显示器测试、最大功率设置、费率设置、加密密钥设置等。扇区1中分配的这两个数串空间可以随意存放按规约获得的加密信息，电能表从射频卡中获取这些信息后进行解密，再根据信息类型进行相应操作。射频卡刷写的阶段标志是电能表处理信息的依据，电能表读取卡片信息后首先做的就是检测此标志。若卡片最新信息来自上位机，尚未被电能表处理(0X00)，电能表将去解密扇区1中加密数串，再回写返回信息;若卡片最新信息来自电能表，为一般返回信息(OXDD)，电能表将去更新扇区2的表计信息;若卡片最新信息来自电能表，但为用户注销后得到的反馈信息(OXFF)，电能表不会再对射频卡进行任何写操作。

    为保证通信双方的互动性，电能表在读卡确认信息无误后，将一些表计的当前信息写人射频卡扇区2中，以便售电点或电力管理部门再次操作该卡时获取这些信息，扇区2中的存储信息具体描述以及当前刷卡事件和当前表计事件状态字如表3、表4所示。

表 3 扇区2中的存储信息描述

表 4 当前刷卡事件和当前表计事件状态

    一旦射频卡通过电能表的认证，最新刷卡时间将被更新，作为当前表计事件状态或当前刷卡事件状态的时间标识。将用户的总用电量和余额写回射频卡，是给下次进行购电操作时提供信息比较的基础。为保证通信实时快捷，通过射频卡返回的只有上月和当月的记录。当前表计事件状态对表计的管理者非常重要，上位机管理软件通过分析各种事件来辨别表计软硬件出现的错误、用户欠费、表计被人为蓄意破坏及电网质量不过关等异常状况。当前刷卡事件状态表明刷卡被拒绝的各种原因，管理者根据它重新写人符合规则的数串。

2.3 电能表对射频卡的读写软件设计 

    射频卡读写程序流程如图3所示。

图 3 射频卡读写流程图

    射频式电能表对卡片的读写软件包括:射频卡存在性检测、表计与卡片的身份匹配验证、卡片内部信息类型判别、密文数据解密、写卡可靠性检测等。一般来讲，电能表每隔500 ms检测一次感应区，判断是否出现射频卡，采样间隔由单片机内部定时器0实现，但在对射频卡完成一次成功的读写操作后，3S内电能表不会执行检测程序，以避免因人为误操作或蓄意破坏而连续反复读取同一张射频卡，防止造成读写卡片不准确，保证数据传递的可靠度。

3 结束语 

    射频技术以其高度的信息集成度及安全性已经融人当今信息技术主流，本文介绍的采用Mifarel射频卡的电能表不仅具有计量收费功能，还可通过射频卡或者掌上电脑，与相关售电管理部门的上位机软件通信，简化了预付费系统的设计难度，解决了居民用电传统管理方式中收费难、催费难的问题，顺应了国际上电能表的需求方向。运行证明，该电能表读写稳定、抗干扰能力强、数据传递可靠、管理实时便捷。

作者简介：易霞，女，1982年生，现为湖南大学电气与信息工程学院在读硕士研究生;主要研究方向为智能测撞。
湖南大学电气与信息工程学院   膝召胜
杭州市海兴电器有限公司    张向程 周良嶂

参考文献：
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