RFID智能電表技術(shù)方案與質(zhì)量評估

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和用電管理的精細化。RFID預付費智能電表得到了廣泛的應用，目前國內大中城市正在逐步推廣使用預付費智能電表。

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和用電管理的精細化，RFID預付費智能電表得到了廣泛的應用，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?？ㄅc讀寫(xiě)器之間無(wú)機械接觸，避免了由于接觸讀寫(xiě)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(xiě)器在1mm～1m范圍內就可以對卡片操作，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(xiě)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數據干擾，因此讀寫(xiě)器可以同時(shí)處理多張非接觸式射頻卡。⑤應用范圍廣。射頻卡的存儲器結構特點(diǎn)使它一卡多用，可應用于不同的系統，用戶(hù)根據不同的應用設定不同的密碼和訪(fǎng)問(wèn)條件。⑥加密性能好。射頻卡的序列號是唯一的，制造廠(chǎng)家在產(chǎn)品出廠(chǎng)前已將此序列號固化，不可再更改。射頻卡與讀寫(xiě)器之間采用雙向驗證機制。

　　RFID預付費電能表管理系統概述

　　1.系統的構成

　　基于RFID的預付費電能表管理系統屬于由上位機(預付費電能表管理系統)和下位機(基于RFID的單相電能表)構成的豐從式結構。管理系統采用微機對上傳的數據進(jìn)行顯示、分析和管理，電能表采用單片機系統對現場(chǎng)數據進(jìn)行采集、計量和對用戶(hù)負載進(jìn)行監控，用射頻卡作為二者之間進(jìn)行信息交換的載體?；赗FID的預付費售電系統主要由3個(gè)部分構成：基于RFID的單相電能表、智能讀卡器和預付費電能表管理系統。系統構成所示。

　　2.系統的工作原理

　　本系統介紹的電子式預付費電能表是通過(guò)電能測量集成電路對電壓和電流的取樣信號進(jìn)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(guò)對脈沖計數來(lái)計算所消耗的電量。首先在銷(xiāo)售管理系統中建專(zhuān)用戶(hù)基本檔案信息，發(fā)行管理卡并充值，用戶(hù)將已充值的管理卡放在RFID預付費電能表感應區內，電能表讀取卡中數據，解密并判斷數據的有效性。MCU通過(guò)射頻芯片讀取卡的金額，將其存儲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(hù)充值成功。若數據有效則開(kāi)啟電能表繼電器，允許用戶(hù)用電。同時(shí)，電能表將會(huì )自動(dòng)把表記的當前工作狀態(tài)、運行狀態(tài)等數據寫(xiě)入到用戶(hù)卡中。當用戶(hù)持卡再次充值時(shí)，管理部門(mén)能夠記錄用戶(hù)表的運行信息，以便監測用戶(hù)的使用情況。當用戶(hù)剩余電量用盡時(shí)，RFID預付費電能表將自動(dòng)跳開(kāi)繼電器，切斷電源，直到用戶(hù)持卡充值并重新刷卡后才能繼續恢復使用。
射頻卡式預付費電能表管理系統通過(guò)信息載體射頻卡，實(shí)現信息的雙向傳遞，電能表用戶(hù)與預付費管理系統之間通過(guò)射頻卡建立聯(lián)系，實(shí)現電能使用的預付費管理。預付費電能表通過(guò)繼電器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，達到管理用戶(hù)預付費用電的目的。

　　RFID射頻卡預付費電能表系統設計

　　1.系統組成

　　RFID射頻卡預付費電能表應用系統由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)數據，由發(fā)卡器將密碼和數據一次性寫(xiě)入完成。發(fā)卡器實(shí)際上是一種通用寫(xiě)卡器，直接與PC機的RS232出行口相連或經(jīng)過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò )間接與PC機相連，由系統管理員管理，通過(guò)PC機設置或選擇好要寫(xiě)入的數據，發(fā)出寫(xiě)卡命令完成對RFID射頻R的數據及密碼的寫(xiě)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(xiě)進(jìn)入射頻能量范圍內的射頻卡，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(dòng)操作的，只要RFID射頻卡進(jìn)入讀卡器大線(xiàn)射頻能量范圍，智能讀卡器便可讀寫(xiě)卡中相關(guān)指定扇區的數據。

　　為典型射頻卡應用系統組成框圖，發(fā)卡器與智能讀卡器在硬件設計上大同小異，都是由單片機控制專(zhuān)用讀寫(xiě)芯片(MFRC500)，再加上一些必要的外圍器件組成。

　　2.硬件設計

　　(1)射頻芯片

　　MFRC500是PHILIPS公司為RFID卡設計的專(zhuān)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。

　　它內部包括微控制器接口單元、模擬信號處理單元和ISO14443A規定的協(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(xiàn)的微控制器實(shí)現8位并行厄縫接口(直接連接)，其內部還具有64B的先進(jìn)先出(FIFO)隊列，可以和微控制器之間高速傳輸數據其片內的ISO14443A協(xié)議處理單元包括狀態(tài)和控制單元、數據轉換處理單元片內的模擬單元能夠將數字信號處理單元的數據信息調制并發(fā)送列天線(xiàn)中，也可以將天線(xiàn)接收到的信息解調成數字信號傳送給協(xié)議處理單元，帶有一定的天線(xiàn)驅動(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，為系統提供一個(gè)準確町靠的時(shí)鐘，用3V備用電池保證在系統掉電時(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DALLLAS公司推出的低功耗串行通信接口專(zhuān)用芯片，采用3線(xiàn)串行方式與單片機進(jìn)行數據通信。DSl302片內還有3lB的靜態(tài)RAM，可自動(dòng)進(jìn)行閏年補償。數據可按單字節方式或多字節突發(fā)方式傳送。DSl302為8腳DIP封裝，與P89C58串行接口用3根線(xiàn)，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I/0接CPU的P2.4，串行數據輸入輸出。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作數據存儲器。AT24C256是串行E2PROM存儲器，支持12C總線(xiàn)數據傳輸協(xié)議，32KB存儲器容量，用兩根線(xiàn)與CPU構成串行接口。SDA是雙向數據線(xiàn)，接CPU的P2.1SCL是時(shí)鐘線(xiàn)，接CPU的P2.0這兩根線(xiàn)必須接上拉電阻。WP是寫(xiě)保護線(xiàn)，一般接地，表示允許讀寫(xiě)操作。AO、A1是地址線(xiàn)，通過(guò)這兩根地址線(xiàn)CPU最多可尋址4個(gè)AT24C256器件，4個(gè)芯片都有固定的地址，分別對應AO、A1為00～11，存此兩根地址線(xiàn)上可擴充l～3片AT24C256串行E2PROM存儲器。

　　3.程序設計

　　(1)單片機主程序流程圖
　　單片機的程序包括：RFID卡讀/寫(xiě)/密碼驗證/擦除操作程序，與RC500通信中斷處理程序，鍵盤(pán)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(xiě)程序等。讀卡器的主程序流程所示。

　　(2)讀/寫(xiě)卡程序設計
　　讀寫(xiě)卡過(guò)程是一個(gè)復雜的程序執行過(guò)程，要執行一系列的操作指令，調用多個(gè)C51函數。包括裝載密碼、詢(xún)卡、防沖突、選卡、驗證密碼、讀寫(xiě)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(xiàn)有效范圍時(shí)，在低5位顯示當前時(shí)鐘，當有RFID卡進(jìn)入到射頻天線(xiàn)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(shí)間及相關(guān)數據作為一條記錄存入E2pROM存儲器中，并在LED顯示器高5位上顯示卡號。
　　程序設計采用單片機匯編語(yǔ)言和KeilC51混合編程?？撮T(mén)狗定時(shí)器中斷服務(wù)程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，其他程序采用c語(yǔ)言編寫(xiě)。程序的每一部分按模塊化設計成一個(gè)文件，單獨調試通過(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(xiě)入P89C58BP芯片中脫離仿真器運行。

　　(3)MERC500
　　采用寄存器寫(xiě)數據和寫(xiě)命令的形式來(lái)控制卡片數據的讀和寫(xiě)。
　　預付費智能電能表技術(shù)方案

　　預付費電能表主要方案如下幾種。

　　(1)插卡式預付費電能表
　　預付費電能表初期產(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(kāi)口，在居民小區得到了廣泛應用。由于卡口外露后易受到攻擊，煤氣點(diǎn)火器等高壓靜電對端口進(jìn)行干擾，于是生產(chǎn)廠(chǎng)家對卡座進(jìn)行了改進(jìn)，增加抗靜電措施，但對人為卡口攻擊無(wú)法進(jìn)行控制。

　　(2)射頻卡預付費電能表
　　非接觸式RFID卡(又稱(chēng)射頻卡)是國外近幾年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，它成功地將射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)結合起來(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(zhuān)門(mén)的供電電源它與讀寫(xiě)器間無(wú)機械接觸，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?xún)?和電能表進(jìn)行數據交換，可以有效防止人為破壞電能表數據傳輸系統的行為。由于采用紅外線(xiàn)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，表內裝有紅外接受器，成本相對高一些。
　　(4)集中電子式預付費電能表
　　預付費多用戶(hù)電能表一表循環(huán)顯示每戶(hù)用電量，在居民家中安裝一臺智能卡讀寫(xiě)器，智能卡讀寫(xiě)器插卡顯示每戶(hù)的剩余電量，把IC卡中的數據傳遞給電能表，更具人性化管理，及時(shí)在用戶(hù)家中提示購電。多用戶(hù)預付費電能表具有單位戶(hù)數體積小，造價(jià)低，每個(gè)表箱可最多安排24戶(hù)用電，安裝地點(diǎn)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(diǎn)是如果計算機CPU損壞將影響很多用戶(hù)的正常用電。

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