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第三講:非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

發(fā)布時(shí)間:2011-10-24 來源:CNT Networks

中心議題:
  • 介紹接觸卡、非接觸卡及雙界面卡
  • 分析采用非接觸式預(yù)付費(fèi)智能電表電表的好處
  • 非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)的工作方式
  • 非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)的IC卡安全性問題
  • 非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵問題

【class1】:全面剖析智能電表結(jié)構(gòu)和原理
http://m.me3buy.cn/art/artinfo/id/80013457?source=lecture
【class2】:詳解智能電表的主流計(jì)量芯片方案
http://m.me3buy.cn/art/artinfo/id/80013544?source=lecture
【class4】:智能電表電源管理及其省電設(shè)計(jì)方案
http://m.me3buy.cn/art/artinfo/id/80013574?source=lecture
【class5】:PLC技術(shù)在智能電表上的應(yīng)用方案
http://m.me3buy.cn/art/artinfo/id/80013799?source=lecture

本文旨在通過對非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表解決方案的介紹,使大家對非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。通過本文,我們將會(huì)為大家介紹非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)工作過程,它帶給用戶的好處,以及智能卡安全性問題和使用非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵問題等。

接觸卡、非接觸卡及雙界面卡簡介

自從1978年世界上第一張智能卡問世以來,歷經(jīng)20多年的發(fā)展,智能卡已經(jīng)深入到社會(huì)生活的各個(gè)角落,接觸式IC卡(以下簡稱接觸卡)率先在人們的日常生活中得到了普遍的應(yīng)用。但在接觸卡的普及過程中,許多弊端逐步顯現(xiàn):卡在讀寫器上經(jīng)常拔插造成的磨損導(dǎo)致接觸不良,從而 引起數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤,并且卡與讀寫器之間的磨損也大大縮短了卡和讀寫器的使用壽命;另外,接觸卡的通訊速率較低,再加上插拔卡的動(dòng)作延誤,造成每一筆交易需要較長時(shí)間的等待。

為了解決這些問題,非接觸式IC卡(以下簡稱非接觸卡)應(yīng)運(yùn)而生。相對于接觸卡,非接觸卡的優(yōu)點(diǎn)是:它通過無線電波與讀寫設(shè)備進(jìn)行通 訊,無裸露觸點(diǎn),與讀寫器間也無機(jī)械接觸,可靠性和使用壽命高;它的通訊速率高于接觸卡,在一定距離范圍內(nèi)可以從任意方向與讀寫設(shè)備通訊,從而使操作更為 方便、快捷。因此,非接觸卡在很多場合已經(jīng)取代了接觸卡,在卡市場所占的份額越來越大。

但到目前為止,智卡領(lǐng)域里包括居民用預(yù)付費(fèi)電能表設(shè)計(jì)和安裝的大多是接觸卡應(yīng)用系統(tǒng),原有大量的接觸卡系統(tǒng)不能馬上轉(zhuǎn)型到非接觸卡系統(tǒng),于是就產(chǎn)生了雙界面IC卡(下簡稱雙界面),一種集接觸卡與非接觸卡接口功能于一體的智能卡,它包括一個(gè)微處理芯片和一個(gè)與微處理器相連接的天線線圈,2種讀寫方式受同一個(gè)CPU控制,卡片所有資源共享,從外部物理特征上雙界面卡與接觸卡沒有明顯差異。

采用非接觸式預(yù)付費(fèi)智能電表電表的好處

借助于非接觸卡的技術(shù)特點(diǎn),與采用接觸卡電表相比較,采用非接觸卡的電能表具有以下優(yōu)點(diǎn):

操作方便 、快捷。由于采用非接觸無線通訊、電表對在感應(yīng)范圍內(nèi)的卡就可以進(jìn)行操作、免去了插拔卡,使得IC卡不易損壞,而且非接觸卡在使用時(shí)既沒有正反面之分,也沒有方向性和角度限制、非常方便用戶使用。非接觸卡支持的通訊速率高達(dá)106Kbps遠(yuǎn)高于接觸卡,讀寫時(shí)間不大于0.1s,由此提高了單次完成電表充值交易的速度,縮短了用戶的等待時(shí)間。

可靠性高。非接觸卡與電能表之間沒有機(jī)械接觸,這就從根本上消除了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障,如:由于粗暴插卡,非卡外物插入,灰塵或油污導(dǎo)致接觸不良造成的故障;而且卡中的IC芯片和感應(yīng)天線完全密封在標(biāo)準(zhǔn)的PVC中,這也進(jìn)一步提高了應(yīng)用可靠性和卡的使用壽命。

 抗攻擊。接觸卡電能表的插卡卡座很容易對其外電場(如打火機(jī)、燃?xì)恻c(diǎn)火器等)進(jìn)行攻擊,造成電表死機(jī),不能正常工作。非接觸卡電能表為全密封結(jié)構(gòu),完成避免了這種攻擊。

數(shù)據(jù)傳輸安全性高。接觸卡通過卡座觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與表單片機(jī)的通訊操作,攻擊者可以方便地通過檢測卡座觸點(diǎn)的方式截獲通訊數(shù)據(jù);而非接觸卡通過磁場耦合能量的方式實(shí)現(xiàn)與表單片機(jī)的通訊操作,提高了攻擊者的分析成本。

非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)的工作方式

首先,消費(fèi)者為支付公用事業(yè)費(fèi)用可通過銀行、非接觸式終端機(jī)或者互聯(lián)網(wǎng)向非接觸式智能卡上充值;然后,在消費(fèi)者家中,智能卡中的充值金額可轉(zhuǎn)到非接觸式智 能表中,消費(fèi)者就可安心享用公用事業(yè)服務(wù)了;如智能卡中余額不足,消費(fèi)者可在商店購買充值卡向智能卡中充值即可。消費(fèi)者家中也可留一張備用卡,以防智能卡 中余額不足或者消費(fèi)者不想或不能立即向智能卡中充值等情況。否則,一旦智能卡中余額不足,消費(fèi)者就不能享用公用事業(yè)服務(wù)了。可以預(yù)見在不久的將來,手機(jī)有 可能代替智能卡實(shí)現(xiàn)這些功能。
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智能電表需要智能產(chǎn)品與之配套。預(yù)付費(fèi)電表是如何工作的?非接觸電表系統(tǒng)包含硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件包括一個(gè)非接觸讀卡器,一個(gè)主控制器,外圍設(shè)備,一個(gè)天線和配套部分;軟件包括微控制器固件,主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序軟件和演示軟件。
從上面的框架圖來看,智能卡明顯是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng),包含很多不同的元件。其中包括微控制器、顯示驅(qū)動(dòng)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、邏輯產(chǎn)品(一般產(chǎn)品,串行EEPROM,橋接芯片,UART, 具有I2C的溫度傳感器),電源管理產(chǎn)品(starplug家庭),普遍適用的分立(BISS晶體管,肖特基二極管,可再生能源技術(shù))和無線通信模塊等。

非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)的IC卡安全性問題

安全性極高的IC卡,可降低被操控的風(fēng)險(xiǎn)。 IC卡除提供最優(yōu)化功能和最高安全性外,它還擁有簡便易操作的先進(jìn)操作系統(tǒng)和開放平臺(tái)解決方案。首先在設(shè)計(jì)、制作IC卡的過程中,一切參數(shù)都應(yīng)嚴(yán)加保密。另外在設(shè)計(jì)IC卡芯片時(shí)必須根據(jù)對智能卡芯片的攻擊方法來制定相應(yīng)的安全設(shè)計(jì)策略,主要可以采取如下安全設(shè)計(jì)策略。

(1)外加保護(hù)層:外加專防分析存儲(chǔ)器內(nèi)容的若干保護(hù)層,讓黑客難以全部剝離這些保護(hù)層而不損及存儲(chǔ)器。

(2)電荷保護(hù):在E PROM電路里留有少量表示信息的電荷,一旦分析者用探針接近該電路,電荷便會(huì)消失,從而無法探測到存儲(chǔ)器的內(nèi)容。      

(3)不可截聽:對黑客來說,不斷詢問存儲(chǔ)器單元并錄下信號波形是必不可少的。芯片監(jiān)控程序可防止對處理器/存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線和地址總線的截聽。     

 (4)使用變化的加密密鑰和加密算法:為了防止黑客通過使用微探針監(jiān)聽總線上的信號破密,可在卡中使用不同的加密密鑰和加密算法,然后在它們之間每隔幾周 就切換一次,且芯片的算法和密鑰的存放區(qū)域在沒有被廣播呼叫激活以前不能被處理器控制。從而使早期的被動(dòng)監(jiān)測總線難以發(fā)現(xiàn)這些秘密。     

(5)采用頂層探測器網(wǎng)格:充分利用深亞微米CMOS技術(shù)提供的多層金屬,在重要的信號線頂層構(gòu)成探測器網(wǎng)格能夠連續(xù)監(jiān)測短路和斷路。當(dāng)有電時(shí),它能防止激光切割或選擇性的蝕刻去獲取總線的內(nèi)容。根據(jù)探測器輸出,芯片可立即觸發(fā)電路將非易失性存儲(chǔ)器中的內(nèi)容全部清零。
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(6)永久關(guān)閉測試態(tài):在晶圓測試完成后,將測試態(tài)永久關(guān)閉,這樣將能阻止黑客使用測試態(tài)攻擊射頻卡。
安全性極高的IC卡,可降低被操控的風(fēng)險(xiǎn)。IC卡的讀卡器中含有安全訪問模塊(SAMs),如電子護(hù)照一樣安全性極高,并滿足通用標(biāo)準(zhǔn)EAL5+。這種智能卡充分利用高安全性、低功耗、性能最優(yōu)化的技術(shù),將用于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施的異常強(qiáng)勁的協(xié)同處理器和對稱密鑰加密結(jié)合起來支持RSA、ECC、DES和AES。 除提供最優(yōu)化功能和最高安全性外,它還擁有簡便易操作的先進(jìn)操作系統(tǒng)和開放平臺(tái)解決方案。

非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵問題

1、技術(shù)是昂貴的,但是不使用將更加昂貴


盡管非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)的初始投資較高,但其收益豐厚,兼具經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。首先,智能表系統(tǒng)比以往價(jià)格更低,這促使全球越來越多的地區(qū) 選用智能表系統(tǒng)。在歐洲,三年來單個(gè)智能表的價(jià)格已從300美元降到了50美元。因此,安裝智能表的初始成本已不像前幾年那么高了。意大利國家電力公司埃奈爾花費(fèi)30億美元安裝了3千萬個(gè)智能表(每個(gè)約合100美元,因而每年節(jié)省7億美元,五年內(nèi)就將投資成本全部收回。
目前,發(fā)行非接觸式卡是具有成本效益的,該卡可以使用很多年。對于一個(gè)擁有100萬客戶的公司來講,發(fā)行非接觸式卡可消除結(jié)算過程中的成本,因而每年可節(jié)省幾百萬美元。結(jié)算成本是電網(wǎng)公司的主要成本之一,而預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)則可降低或者完全消除結(jié)算成本。
非接觸式卡或其他的非接觸式設(shè)備(如手機(jī))還可提供別的服務(wù),如大型超市發(fā)放會(huì)員卡可提高顧客忠誠度,政府可發(fā)放10元面值的卡用于相關(guān)社會(huì)福利等。
另外,還有之前提到過的,非接觸式預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)可消除惡意欠費(fèi)的風(fēng)險(xiǎn),由此而節(jié)省的費(fèi)用可占到電網(wǎng)公司收益的10%。
非接觸式預(yù)付費(fèi)智能系統(tǒng)帶來的社會(huì)效應(yīng)也是不可忽視的。首先,此系統(tǒng)可使更多的人享用公用事業(yè)服務(wù),因此提高了社會(huì)福利,并減少了偷電偷水等犯罪行為;其次,此系統(tǒng)降低了人均水電用量,減少了二氧化碳排放量,因此改善了人們的生活質(zhì)量。
因此,即使新技術(shù)的初始投資成本高昂,收益也是立竿見影的。“技術(shù)是昂貴的,但是不使用將更加昂貴。”非接觸式預(yù)付費(fèi)智能電表系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的迅速應(yīng)用已經(jīng)使其價(jià)格更低,過渡更快。

2、智能電表的技術(shù)改革和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)問題


智能電表是公用事業(yè)改革的一部分內(nèi)容,但是,要想實(shí)現(xiàn)最大收益,業(yè)務(wù)明確、技術(shù)的正確選擇和恰當(dāng)實(shí)施是前提。智能系統(tǒng)正是在提高效率和降低操作、零售甚至生產(chǎn)成本的大背景下而研發(fā)的,非接觸式預(yù)付費(fèi)智能系統(tǒng)能更快地獲得這些收益。

似乎減少需求不是賣方所追求的目標(biāo)。但是通過應(yīng)用智能電表系統(tǒng),公用事業(yè)公司不只是減少需求,而是更好地控制該系統(tǒng)并避免因偷電而引起的損失,同時(shí)減少了 管理費(fèi)用,獲得了更高的收益。減少水電用量可使公用事業(yè)公司推遲甚至避免建設(shè)新的發(fā)電站。眾所周知,建設(shè)發(fā)電站成本極高而且投資回收期很長。另外,應(yīng)用智能表還可以促進(jìn)新能源的使用,從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境和降低二氧化碳排放量的目的。

智能表行業(yè)還沒有完全統(tǒng)一開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),盡管現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)存在一些標(biāo)準(zhǔn),但是又出現(xiàn)了一些新的標(biāo)準(zhǔn)。一些專家認(rèn)為,就如互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的革新應(yīng)用一樣,智能電網(wǎng)的應(yīng)用也能為能源創(chuàng)新和應(yīng)用提供平臺(tái),從而這個(gè)平臺(tái)可帶動(dòng)世界上規(guī)模最大最重要的產(chǎn)業(yè)之一發(fā)生轉(zhuǎn)變。

總結(jié)

非接觸式電表符合技術(shù)發(fā)展趨勢的新產(chǎn)品,它具有龐大的社會(huì)發(fā)展?jié)摿图夹g(shù)優(yōu)勢。它的推廣應(yīng)用將有力推動(dòng)城市信息化進(jìn)程,方便廣大電力用戶在購電方面的使用。
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