RFID射頻卡預(yù)付費電能表系統(tǒng)設(shè)計

　　隨著科學(xué)技術(shù)進步和用電管理的精細化。RFID預(yù)付費智能電表得到了廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)大中城市正在逐步推廣使用預(yù)付費智能電表。

　　隨著科學(xué)技術(shù)進步和用電管理的精細化，RFID預(yù)付費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：①可靠性高?？ㄅc讀寫器之間無機械接觸，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卡表面無裸露的芯片，無須擔(dān)心芯片脫落，靜電擊穿，彎曲損壞等問題。③操作方便、快捷。由于非接觸通信，讀寫器在1mm～1m范圍內(nèi)就可以對卡片操作，所以不必像IC卡那樣進行插拔工作非接觸卡使用時沒有方向性，卡片可以任意方向掠過讀寫器表面，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處理多張非接觸式射頻卡。⑤應(yīng)用范圍廣。射頻卡的存儲器結(jié)構(gòu)特點使它一卡多用，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條件。⑥加密性能好。射頻卡的序列號是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此序列號固化，不可再更改。射頻卡與讀寫器之間采用雙向驗證機制。

　　RFID預(yù)付費電能表管理系統(tǒng)概述

　　1.系統(tǒng)的構(gòu)成

　　基于RFID的預(yù)付費電能表管理系統(tǒng)屬于由上位機(預(yù)付費電能表管理系統(tǒng))和下位機(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)采用微機對上傳的數(shù)據(jù)進行顯示、分析和管理，電能表采用單片機系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集、計量和對用戶負載進行監(jiān)控，用射頻卡作為二者之間進行信息交換的載體?；赗FID的預(yù)付費售電系統(tǒng)主要由3個部分構(gòu)成：基于RFID的單相電能表、智能讀卡器和預(yù)付費電能表管理系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成所示。

　　2.系統(tǒng)的工作原理

　　本系統(tǒng)介紹的電子式預(yù)付費電能表是通過電能測量集成電路對電壓和電流的取樣信號進行處理，并輸出與有功功率成正比的頻率信號微處理器通過對脈沖計數(shù)來計算所消耗的電量。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通過射頻芯片讀取卡的金額，將其存儲EPROM中，同時此卡清零。電能表將通過LCD顯示來提醒用戶充值成功。若數(shù)據(jù)有效則開啟電能表繼電器，允許用戶用電。同時，電能表將會自動把表記的當前工作狀態(tài)、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)寫入到用戶卡中。當用戶持卡再次充值時，管理部門能夠記錄用戶表的運行信息，以便監(jiān)測用戶的使用情況。當用戶剩余電量用盡時，RFID預(yù)付費電能表將自動跳開繼電器，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)付費電能表管理系統(tǒng)通過信息載體射頻卡，實現(xiàn)信息的雙向傳遞，電能表用戶與預(yù)付費管理系統(tǒng)之間通過射頻卡建立聯(lián)系，實現(xiàn)電能使用的預(yù)付費管理。預(yù)付費電能表通過繼電器的開關(guān)動作，達到管理用戶預(yù)付費用電的目的。

　　RFID射頻卡預(yù)付費電能表系統(tǒng)設(shè)計

　　1.系統(tǒng)組成

　　RFID射頻卡預(yù)付費電能表應(yīng)用系統(tǒng)由RFID射頻卡、發(fā)卡器、智能讀卡器和PC管理機組成，所示。其中RFID射頻卡存放身份號(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)卡器實際上是一種通用寫卡器，直接與PC機的RS232出行口相連或經(jīng)過RS485網(wǎng)絡(luò)間接與PC機相連，由系統(tǒng)管理員管理，通過PC機設(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)卡器往往處于被動地化，不主動讀寫進入射頻能量范圍內(nèi)的射頻卡，必須接收PC機的命令才操作，即必須聯(lián)機才能工作而智能讀卡器往往可以脫離PC管理機工作。智能讀卡器是主動操作的，只要RFID射頻卡進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)。

　　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)計上大同小異，都是由單片機控制專用讀寫芯片(MFRC500)，再加上一些必要的外圍器件組成。

　　2.硬件設(shè)計

　　(1)射頻芯片

　　MFRC500是PHILIPS公司為RFID卡設(shè)計的專用讀卡芯片，它與射頻卡之間通信標準兼容ISO14443A，其功能框圖所示。

　　它內(nèi)部包括微控制器接口單元、模擬信號處理單元和ISO14443A規(guī)定的協(xié)議處理單元，以及RFID卡特殊的cryptol安全密鑰存儲單元。它可以與所有兼容Intel或Motorola總線的微控制器實現(xiàn)8位并行厄縫接口(直接連接)，其內(nèi)部還具有64B的先進先出(FIFO)隊列，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)字信號傳送給協(xié)議處理單元，帶有一定的天線驅(qū)動能力。

　　(2)實時時鐘：刷卡時要記錄刷卡的時間，用外接硬件實時時鐘芯片的辦法，為系統(tǒng)提供一個準確町靠的時鐘，用3V備用電池保證在系統(tǒng)掉電時也能正常走時。選用體積小，接口簡單的實時時鐘芯片DSl302。它是美國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進行數(shù)據(jù)通信。DSl302片內(nèi)還有3lB的靜態(tài)RAM，可自動進行閏年補償。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，同步時鐘輸入RST接CPU的P2.3，通信允許信號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)串行存儲器：用AT24C256作數(shù)據(jù)存儲器。AT24C256是串行E2PROM存儲器，支持12C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，32KB存儲器容量，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P2.1SCL是時鐘線，接CPU的P2.0這兩根線必須接上拉電阻。WP是寫保護線，一般接地，表示允許讀寫操作。AO、A1是地址線，通過這兩根地址線CPU最多可尋址4個AT24C256器件，4個芯片都有固定的地址，分別對應(yīng)AO、A1為00～11，存此兩根地址線上可擴充l～3片AT24C256串行E2PROM存儲器。

　　3.程序設(shè)計

　　(1)單片機主程序流程圖

　　單片機的程序包括：RFID卡讀/寫/密碼驗證/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機通信中斷處理程序，顯示程序及存儲器讀寫程序等。讀卡器的主程序流程所示。

　　(2)讀/寫卡程序設(shè)計

　　讀寫卡過程是一個復(fù)雜的程序執(zhí)行過程，要執(zhí)行一系列的操作指令，調(diào)用多個C51函數(shù)。包括裝載密碼、詢卡、防沖突、選卡、驗證密碼、讀寫卡及?？?。這一系列的操作必須按固定的順序進行。在沒有RFID卡進入射頻天線有效范圍時，在低5位顯示當前時鐘，當有RFID卡進入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序驗證卡及密碼成功后，將卡號和讀卡時間及相關(guān)數(shù)據(jù)作為一條記錄存入E2pROM存儲器中，并在LED顯示器高5位上顯示卡號。

　　程序設(shè)計采用單片機匯編語言和KeilC51混合編程?？撮T狗定時器中斷服務(wù)程序采用匯編語言編寫，其他程序采用c語言編寫。程序的每一部分按模塊化設(shè)計成一個文件，單獨調(diào)試通過后，再在KeilC5l環(huán)境下加入到工程文件中匯編生成HEX文件，用仿真器進行仿真通過后，寫入P89C58BP芯片中脫離仿真器運行。

　　(3)MERC500

　　采用寄存器寫數(shù)據(jù)和寫命令的形式來控制卡片數(shù)據(jù)的讀和寫。

　　預(yù)付費智能電能表技術(shù)方案

　　預(yù)付費電能表主要方案如下幾種。

　　(1)插卡式預(yù)付費電能表：預(yù)付費電能表初期產(chǎn)品為插卡式，計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，煤氣點火器等高壓靜電對端口進行干擾，于是生產(chǎn)廠家對卡座進行了改進，增加抗靜電措施，但對人為卡口攻擊無法進行控制。

　　(2)射頻卡預(yù)付費電能表：非接觸式RFID卡(又稱射頻卡)是國外近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，它成功地將射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源和免接觸的難題，防止了插卡電能表靜電干擾和端口插入破壞性物品。射頻卡無需專門的供電電源它與讀寫器間無機械接觸，避免了接觸故障它的表面無裸露芯片，可防水，且不易產(chǎn)生靜電攻擊及彎曲損壞等問題。非接觸式IC卡具有可靠性高，使用方便，操作速度快等特點。

　　(3)紅外遙控預(yù)付費電能表：紅外智能卡電能表是和電視機遙控器同樣的信號傳輸方式，其信號傳輸保密性、抗干擾性好，電能表箱不留任何端口，紅外信號可以穿透表箱上的玻璃遠距離(3m以內(nèi))和電能表進行數(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，操作時不受安裝高度的限制。其缺點是紅外卡要裝電池，表內(nèi)裝有紅外接受器，成本相對高一些。

　　(4)集中電子式預(yù)付費電能表：預(yù)付費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，及時在用戶家中提示購電。多用戶預(yù)付費電能表具有單位戶數(shù)體積小，造價低，每個表箱可最多安排24戶用電，安裝地點靈活方便，它集中計量，集中管理且抄表方便，避免了上下樓抄表的麻煩。其缺點是如果計算機CPU損壞將影響很多用戶的正常用電。

　　(5)GPS預(yù)付費電能表：將現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機技術(shù)以及電能量測量技術(shù)結(jié)合在一起，能及時、準確又全面地反映電量的使用(即銷售)情況。GPS預(yù)付費電能表是用手機短信或在無線網(wǎng)絡(luò)上就可操作的產(chǎn)品，信號通過衛(wèi)星傳輸，以短消息的方式將此信息送給總控中心，以實現(xiàn)遠程自動無線抄表功能。成本較高，目前只是國家電網(wǎng)公司對發(fā)電廠采用這種信息管理模式。