文/上海大屯能源股份有限公司行政服務(wù)中心 黃彬
隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和用電管理的精細(xì)化。RFID預(yù)付費(fèi)智能電表得到了廣泛的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)大中城市正在逐步推廣使用預(yù)付費(fèi)智能電表。
隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和用電管理的精細(xì)化，RFID預(yù)付費(fèi)智能電表得到了廣泛的應(yīng)用，與接觸式IC卡相比較，射頻卡具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可靠性高。卡與讀寫器之間無(wú)機(jī)械接觸，避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障。例如：由于粗暴插卡，非卡外物插入，灰塵、油污導(dǎo)致接觸不良等原因造成的故障。②卡表面無(wú)裸露的芯片，無(wú)須擔(dān)心芯片脫落，靜電擊穿，彎曲損壞等問(wèn)題。③操作方便、快捷。由于非接觸通信，讀寫器在1mm～1m范圍內(nèi)就可以對(duì)卡片操作，所以不必像IC卡那樣進(jìn)行插拔工作；非接觸卡使用時(shí)沒(méi)有方向性，卡片可以任意方向掠過(guò)讀寫器表面，可大大提高每次使用的速度。④防沖突。射頻卡中有快速防沖突機(jī)制，能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此讀寫器可以“同時(shí)”處理多張非接觸式射頻卡。⑤應(yīng)用范圍廣。射頻卡的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使它一卡多用，可應(yīng)用于不同的系統(tǒng)，用戶根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)定不同的密碼和訪問(wèn)條件。⑥加密性能好。射頻卡的序列號(hào)是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此序列號(hào)固化，不可再更改。射頻卡與讀寫器之間采用雙向驗(yàn)證機(jī)制。
RFID預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)概述
1.系統(tǒng)的構(gòu)成
基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)屬于由上位機(jī)(預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng))和下位機(jī)(基于RFID的單相電能表)構(gòu)成的豐從式結(jié)構(gòu)。管理系統(tǒng)采用微機(jī)對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和管理，電能表采用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)量和對(duì)用戶負(fù)載進(jìn)行監(jiān)控，用射頻卡作為二者之間進(jìn)行信息交換的載體?；赗FID的預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)主要由3個(gè)部分構(gòu)成：基于RFID的單相電能表、智能讀卡器和預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
2.系統(tǒng)的工作原理
本系統(tǒng)介紹的電子式預(yù)付費(fèi)電能表是通過(guò)電能測(cè)量集成電路對(duì)電壓和電流的取樣信號(hào)進(jìn)行處理，并輸出與有功功率成正比的頻率信號(hào)；微處理器通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算所消耗的電量。首先在銷售管理系統(tǒng)中建專用戶基本檔案信息，發(fā)行管理卡并充值，用戶將已充值的管理卡放在RFID預(yù)付費(fèi)電能表感應(yīng)區(qū)內(nèi)，電能表讀取卡中數(shù)據(jù)，解密并判斷數(shù)據(jù)的有效性。MCU通過(guò)射頻芯片讀取卡的金額，將其存儲(chǔ)EPROM中，同時(shí)此卡清零。電能表將通過(guò)LCD顯示來(lái)提醒用戶充值成功。若數(shù)據(jù)有效則開(kāi)啟電能表繼電器，允許用戶用電。同時(shí)，電能表將會(huì)自動(dòng)把表記的當(dāng)前工作狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)寫入到用戶卡中。當(dāng)用戶持卡再次充值時(shí)，管理部門能夠記錄用戶表的運(yùn)行信息，以便監(jiān)測(cè)用戶的使用情況。當(dāng)用戶剩余電量用盡時(shí)，RFID預(yù)付費(fèi)電能表將自動(dòng)跳開(kāi)繼電器，切斷電源，直到用戶持卡充值并重新刷卡后才能繼續(xù)恢復(fù)使用。
射頻卡式預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)通過(guò)信息載體——射頻卡，實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞，電能表用戶與預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)之間通過(guò)射頻卡建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)電能使用的預(yù)付費(fèi)管理。預(yù)付費(fèi)電能表通過(guò)繼電器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，達(dá)到管理用戶預(yù)付費(fèi)用電的目的。
RFID射頻卡預(yù)付費(fèi)電能表系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.系統(tǒng)組成
RFID射頻卡預(yù)付費(fèi)電能表應(yīng)用系統(tǒng)由RFID射頻卡、發(fā)卡器、智能讀卡器和PC管理機(jī)組成，如圖2所示。其中RFID射頻卡存放身份號(hào)(PIN)等相關(guān)數(shù)據(jù)，由發(fā)卡器將密碼和數(shù)據(jù)一次性寫入完成。發(fā)卡器實(shí)際上是一種通用寫卡器，直接與PC機(jī)的RS232出行口相連或經(jīng)過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)間接與PC機(jī)相連，由系統(tǒng)管理員管理，通過(guò)PC機(jī)設(shè)置或選擇好要寫入的數(shù)據(jù)，發(fā)出寫卡命令完成對(duì)RFID射頻R的數(shù)據(jù)及密碼的寫入。與讀卡器不同，發(fā)卡器往往處于被動(dòng)地化，不主動(dòng)讀寫進(jìn)入射頻能量范圍內(nèi)的射頻卡，必須接收PC機(jī)的命令才操作，即必須聯(lián)機(jī)才能工作；而智能讀卡器往往可以脫離PC管理機(jī)工作。智能讀卡器是主動(dòng)操作的，只要RFID射頻卡進(jìn)入讀卡器大線射頻能量范圍，智能讀卡器便可讀寫卡中相關(guān)指定扇區(qū)的數(shù)據(jù)。
圖2為典型射頻卡應(yīng)用系統(tǒng)組成框圖，發(fā)卡器與智能讀卡器在硬件設(shè)計(jì)上大同小異，都是由單片機(jī)控制專用讀寫芯片(MFRC500)，再加上一些必要的外圍器件組成。
2.硬件設(shè)計(jì)
(1)射頻芯片
MFRC500是PHILIPS公司為RFID卡設(shè)計(jì)的專用讀卡芯片，它與射頻卡之間通信標(biāo)準(zhǔn)兼容ISO14443A，其功能框圖如圖3所示。
它內(nèi)部包括微控制器接口單元、模擬信號(hào)處理單元和ISO14443A規(guī)定的協(xié)議處理單元，以及RFID卡特殊的cryptol安全密鑰存儲(chǔ)單元。它可以與所有兼容Intel或Motorola總線的微控制器實(shí)現(xiàn)8位并行“厄縫”接口(直接連接)，其內(nèi)部還具有64B的先進(jìn)先出(FIFO)隊(duì)列，可以和微控制器之間高速傳輸數(shù)據(jù)；其片內(nèi)的ISO14443A協(xié)議處理單元包括狀態(tài)和控制單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理單元；片內(nèi)的模擬單元能夠?qū)?shù)字信號(hào)處理單元的數(shù)據(jù)信息調(diào)制并發(fā)送列天線中，也可以將天線接收到的信息解調(diào)成數(shù)字信號(hào)傳送給協(xié)議處理單元，帶有一定的天線驅(qū)動(dòng)能力。
(2)實(shí)時(shí)時(shí)鐘
刷卡時(shí)要記錄刷卡的時(shí)間，用外接硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的辦法，為系統(tǒng)提供一個(gè)準(zhǔn)確町靠的時(shí)鐘，用3V備用電池保證在系統(tǒng)掉電時(shí)也能正常走時(shí)。選用體積小，接口簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DSl302。它是美國(guó)DALLLAS公司推出的低功耗串行通信接口專用芯片，采用3線串行方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。DSl302片內(nèi)還有3lB的靜態(tài)RAM，可自動(dòng)進(jìn)行閏年補(bǔ)償。數(shù)據(jù)可按單字節(jié)方式或多字節(jié)突發(fā)方式傳送。DSl302為8腳DIP封裝，與P89C58串行接口用3根線，SCLK接CPU的P2.2，同步時(shí)鐘輸入；RST接CPU的P2.3，通信允許信號(hào)；I／0接CPU的P2.4，串行數(shù)據(jù)輸入輸出。此外，x1、X2接32768Hz的石英晶振；Uccl接3V備用鋰電池，主電源接Ucc2。
(3)串行存儲(chǔ)器
用AT24C256作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。AT24C256是串行E2PROM存儲(chǔ)器，支持12C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，32KB存儲(chǔ)器容量，用兩根線與CPU構(gòu)成串行接口。SDA是雙向數(shù)據(jù)線，接CPU的P2.1；SCL是時(shí)鐘線，接CPU的P2.0；這兩根線必須接上拉電阻。WP是寫保護(hù)線，一般接地，表示允許讀寫操作。AO、A1是地址線，通過(guò)這兩根地址線CPU最多可尋址4個(gè)AT24C256器件，4個(gè)芯片都有固定的地址，分別對(duì)應(yīng)AO、A1為00～11，存此兩根地址線上可擴(kuò)充l～3片AT24C256串行E2PROM存儲(chǔ)器。
3.程序設(shè)計(jì)
(1)單片機(jī)主程序流程圖
單片機(jī)的程序包括：RFID卡讀／寫／密碼驗(yàn)證／擦除操作程序，與RC500通信中斷處理程序，鍵盤中斷處理程序，與PC機(jī)通信中斷處理程序，顯示程序及存儲(chǔ)器讀寫程序等。讀卡器的主程序流程如圖4所示。
(2)讀／寫卡程序設(shè)計(jì)
讀寫卡過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的程序執(zhí)行過(guò)程，要執(zhí)行一系列的操作指令，調(diào)用多個(gè)C51函數(shù)。包括裝載密碼、詢卡、防沖突、選卡、驗(yàn)證密碼、讀寫卡及?？?。這一系列的操作必須按固定的順序進(jìn)行。在沒(méi)有RFID卡進(jìn)入射頻天線有效范圍時(shí)，在低5位顯示當(dāng)前時(shí)鐘，當(dāng)有RFID卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序驗(yàn)證卡及密碼成功后，將卡號(hào)和讀卡時(shí)間及相關(guān)數(shù)據(jù)作為一條記錄存入E2pROM存儲(chǔ)器中，并在LED顯示器高5位上顯示卡號(hào)。
程序設(shè)計(jì)采用單片機(jī)匯編語(yǔ)言和KeilC51混合編程?？撮T狗定時(shí)器中斷服務(wù)程序采用匯編語(yǔ)言編寫，其他程序采用c語(yǔ)言編寫。程序的每一部分按模塊化設(shè)計(jì)成一個(gè)文件，單獨(dú)調(diào)試通過(guò)后，再在KeilC5l環(huán)境下加入到工程文件中匯編生成HEX文件，用仿真器進(jìn)行仿真通過(guò)后，寫入P89C58BP芯片中脫離仿真器運(yùn)行。
(3)MERC500
采用寄存器寫數(shù)據(jù)和寫命令的形式來(lái)控制卡片數(shù)據(jù)的讀和寫。
預(yù)付費(fèi)智能電能表技術(shù)方案
預(yù)付費(fèi)電能表主要方案如下幾種。
(1)插卡式預(yù)付費(fèi)電能表
預(yù)付費(fèi)電能表初期產(chǎn)品為插卡式，計(jì)量部分為電子式電能表，技術(shù)上比較成熟，電能表上有插入端口，電能表箱上也有開(kāi)口，在居民小區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。由于卡口外露后易受到攻擊，煤氣點(diǎn)火器等高壓靜電對(duì)端口進(jìn)行干擾，于是生產(chǎn)廠家對(duì)卡座進(jìn)行了改進(jìn)，增加抗靜電措施，但對(duì)人為卡口攻擊無(wú)法進(jìn)行控制。
(2)射頻卡預(yù)付費(fèi)電能表
非接觸式RFID卡(又稱射頻卡)是國(guó)外近幾年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源和免接觸的難題，防止了插卡電能表靜電干擾和端口插入破壞性物品。射頻卡無(wú)需專門的供電電源；它與讀寫器間無(wú)機(jī)械接觸，避免了接觸故障；它的表面無(wú)裸露芯片，可防水，且不易產(chǎn)生靜電攻擊及彎曲損壞等問(wèn)題。非接觸式IC卡具有可靠性高，使用方便，操作速度快等特點(diǎn)。
(3)紅外遙控預(yù)付費(fèi)電能表
紅外智能卡電能表是和電視機(jī)遙控器同樣的信號(hào)傳輸方式，其信號(hào)傳輸保密性、抗干擾性好，電能表箱不留任何端口，紅外信號(hào)可以穿透表箱上的玻璃遠(yuǎn)距離(3m以內(nèi))和電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以有效防止人為破壞電能表數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的行為。由于采用紅外線遙控，操作時(shí)不受安裝高度的限制。其缺點(diǎn)是紅外卡要裝電池，表內(nèi)裝有紅外接受器，成本相對(duì)高一些。
(4)集中電子式預(yù)付費(fèi)電能表
預(yù)付費(fèi)多用戶電能表一表循環(huán)顯示每戶用電量，在居民家中安裝一臺(tái)智能卡讀寫器，智能卡讀寫器插卡顯示每戶的剩余電量，把IC卡中的數(shù)據(jù)傳遞給電能表，更具人性化管理，及時(shí)在用戶家中提示購(gòu)電。多用戶預(yù)付費(fèi)電能表具有單位戶數(shù)體積小，造價(jià)低，每個(gè)表箱可最多安排24戶用電，安裝地點(diǎn)靈活方便，它集中計(jì)量，集中管理且抄表方便，避免了上下樓抄表的麻煩。其缺點(diǎn)是如果計(jì)算機(jī)CPU損壞將影響很多用戶的正常用電。
(5)GPS預(yù)付費(fèi)電能表
將現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電能量測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起，能及時(shí)、準(zhǔn)確又全面地反映電量的使用(即銷售)情況。GPS預(yù)付費(fèi)電能表是用手機(jī)短信或在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上就可操作的產(chǎn)品，信號(hào)通過(guò)衛(wèi)星傳輸，以短消息的方式將此信息送給總控中心，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)無(wú)線抄表功能。成本較高，目前只是國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)發(fā)電廠采用這種信息管理模式。
（轉(zhuǎn)載）
