基于RFID技术的预付费电度表

1 　概述 

　　我国电力市场化的进程十分迅速,电能是商品、先买后用的观念逐步深入人心。现已出现了各类预收费电度表,它使收费从过去繁琐的人工抄表、手工计价转变为用户持卡购电,实现了电费收缴管理自动化。非接触式IC 卡(又称射频卡) 是国外近几年发展起来的新技术,它成功地将RFID(Radio Frequency Identification ,射频识别) 技术和IC 卡技术结合起来,解决了无源和免接触难题。射频卡无需专门的供电电源;它与读写模块间无机械接触,避免了接触故障,能够防止恶意攻击;它的表面无裸露芯片,可防水,且不易产生静电击穿及弯曲损坏等问题;射频卡在使用时无正反面。 

2 　射频识别部分工作原理 

　　2. 1 　Mifare非接触式IC卡简介 

　　本系统采用的是Philps 公司Mifare 卡系列S50 卡,该卡遵守ISO/ IEC 14443A 协议,工作在13. 56MHz 下。S50 存储器容量为1 K 字节,卡片的存储区分为16 个扇区(Sector) ,每个扇区分为4 个段(Block) ,而每个段有16 个字节的存储区。对于第0 扇区,只有3 个实际可用的数据段,第0 段为卡的序列号等厂商信息,为只读。每个扇区的段3 ,即扇区尾存放该扇区的两个密钥(各6 字节) 和存取控制字 。 

　　2. 2 　Mifare 非接触式IC卡读写模块简介 

　　非接触式IC 卡系统由读写模块和非接触式IC 卡两部分组成。应用系统通过读写模块对卡进行操作;读卡器通过射频信号同步进行近距离通讯,并为卡上芯片提供能量;非接触式IC 卡响应读写模块的指令,并报告处理的结果。非接触式IC卡通过连接IC 芯片的线圈在特定交变磁场中耦合获得高压能量,非接触式IC 卡的读写模块通过天线发射交变强磁场,为IC 卡提供能量;并且通过磁场的断、续编码向IC 卡写入或读取数据。 

　　为了节省电表主MCU 的接口资源,本系统采用了自行设计开发的射频模块,该模块利用异步串口跟主MCU 通讯。该模块由Philips 公司的MFRC500 读写基站芯片、AT89C52 和相关的外围电路构成。可完成读写模块与IC 卡之间的各种交互功能,包括调制/ 解调、加密/ 解密、认证、读写、加/ 减等,并具有同微处理器的接口。非接触式IC 卡与读写模块的通信内容包括复位应答、防冲突、选择卡片、相互认证、对数据块的操作和中止等操作。 

3 　预付费电度表的系统结构

　　预收费电度表可分为电子式和机电式两种,它们的区别在于电能变换元件不同。前者将电压、电流进行A/D转换,再将采样值相乘并累计,得到用户消耗的电度数; 后者借用原感应式电度表的机芯,通过光电传感器读取转盘数据数得到用户消耗的电度数。本系统采用当今流行的电子式方案。非接触式IC卡预收费电度表的硬件电路原理示意图如图1 所示。 

图1　硬件电路原理 

　　系统采用TI公司16位超低功耗单片机MSP430F413 ,作为系统主MCU。内部有8K flash , 具有16 位RISC 结构,CPU 中的16 个寄存器和函数发生器使MSP430 微控制器能达到最高的代码效率;灵活的时钟源;数字控制的DCO 可使器件从低功耗迅速唤醒;可以将能量直接转换成脉冲信号,同时结合电量计量专用芯片AD7755 ,使电表硬件部分大为简化,而且很方便实现智能控制。 

　　主机完成对用户用电量的记录、累加、显示、通信和控制功能。配上一块非接触式IC 卡模块,完成从供电管理部门到用户间的币度转换和电度数量的信息传递。系统配有红外和RS-485总线接口可以方便地进行数据抄收。另外,系统还含有串行EEPROM ,可以配合电源管理芯片来实现对电量数据的可靠备份。 

4 　系统的工作原理 

　　(1) 用户持IC 卡到供电部门交款购电时,供电部门把用户的IC 卡放在与PC 机相连的读写模块上,由写卡程序在IC 卡上写入与用户交款数相符的一定电度数。 

　　(2) 用户把IC 卡带回,将卡掠过预收费电度表,卡中电度数被主机读出,与预收费电度表中来剩余的电度数相加。由于机内采用备用电池,掉电后不会失去数据。另外系统还有串行EEPROM ,用来实现数据备份。 

　　(3)随着用户对电的使用,主MCU 将内存中的电量扣除相应的数值,并及时备份到EEPROM中。 

　　(4) 单片机随时监测内存中剩余电度数是否小于15 度。如是,则点亮预告用电量将尽的发光二极管指示器,提示用户持卡到供电部门重新购电。 

　　(5) 当单片机发现用户电表中剩余电量完全用完时,控制继电器切断用户供电电源。 

　　(6) 电卡按一表一卡配置,内存有相应的的卡号和用户编号,以及IC 卡的传输密钥。当用户IC卡放在供电部门的读写模块上时,PC 机在为用户写入所购电度数的同时,记录该卡的卡号、日期和相应的款数,并写入数据库,使得供电部门可随时在PC 机上查询用户购电情况,实现了供电管理部门的管理现代化。 

5 　系统软件设计 

　　　本非接触式IC 卡预收费电度表的程序采用了模块化的设计,整个系统由用户端电度表计费程序和供电部门管理程序两部分组成。每部分程序又由单片机系统程序和VB 用户接口程序两部分组成,单片机程序和VB 程序之间采用VB 的通讯控件MSComm 通过RS-485 进行通讯,通讯协议使用基于ASCII 码的查询命令、中断收发字符。微机通过协议对单片机实现控制,单片机通过判断微机发来的不同字符,执行不同的单片机子程序。 

　　5. 1 　用户端电度表计费程序 

　　(1) 读取有效的非接触式IC 卡功能。对卡进行防冲突、密码认证、卡号认证等操作,并读出卡中存储的数据,然后将卡清零、停卡。 

　　(2) 完成电度表的预收费功能。将从IC 卡中读出的电度数与单片机内存剩余的电度数相加,并存回内存。 

　　(3) 显示功能。系统周期性地扫描,动态显示机内剩余的电度数。此外,当读写IC 卡发生错误时,显示出错信号。 

　　(4) 串行通讯中断功能。当微机向单片机发出一个采集命令时,单片机执行串行通讯中断服务子程序,通过用户编号认证后,向微机发回用户的用电量及剩余电度数,然后中断返回。 

　　(5) 电度计数功能。 

　　(6) 报警断电功能。当机内剩余电度数小于15 度时,点亮预告用电量将尽的发光二极管指示器,提示用户持卡到供电部门重新购电。而当用户电表中剩余电量完全用完时,控制继电器切断用户供电电源。用户只有再次存入电度数后,才能继续供电。 

　　单片机系统程序由主监控程序、IC 卡处理子程序、电度计数子程序、串行中断服务子程序等组成。 

6 　结束语 

　　本系统将非接触式IC 卡技术与计算机技术相结合,采用RFID 技术研制的非接触IC 卡已成功应用于智能预付费电度表。研究结果表明:非接触式IC 卡具有可靠性高、安全性好、使用方便、操作速度快等特点。系统实现了用电收费的电子化,促进了用电计量、收费的安全科学化管理,具有良好的应用前景。