RFID智能电表技术方案与质量评估

【中心议题】

• 介绍了RFID预付费智能电表系统
• 设计了一套RFID预付费智能电表系统

【解决方案】

• 硬件上分为几个模块
• 软件上对单片机变成进行控制 

随着科学技术进步和用电管理的精细化，RFID预付费智能电表得到了广泛的应用，与接触式IC卡相比较，射频卡具有以下优点：①可靠性高。卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。例如：由于粗暴插卡，非卡外物插入，灰尘、油污导致接触不良等原因造成的故障。②卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落，静电击穿，弯曲损坏等问题。③操作方便、快捷。由于非接触通信，读写器在1 mm～1 m范围内就可以对卡片操作，所以不必像IC卡那样进行插拔工作；非接触卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表面，可大大提高每次使用的速度。④防冲突。射频卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此读写器可以“同时”处理多张非接触式射频卡。⑤应用范围广。射频卡的存储器结构特点使它一卡多用，可应用于不同的系统，用户根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。⑥加密性能好。射频卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改。射频卡与读写器之间采用双向验证机制。

RFID预付费电能表管理系统概述

1.系统的构成

基于RFID的预付费电能表管理系统属于由上位机(预付费电能表管理系统)和下位机(基于RFID的单相电能表)构成的主从式结构。管理系统采用微机对上传的数据进行显示、分析和管理，电能表采用单片机系统对现场数据进行采集、计量和对用户负载进行监控，用射频卡作为二者之间进行信息交换的载体。基于RFID的预付费售电系统主要由3个部分构成：基于RFID的单相电能表、智能读卡器和预付费电能表管理系统。系统构成如图1所示。

2.系统的工作原理

本系统介绍的电子式预付费电能表是通过电能测量集成电路对电压和电流的取样信号进行处理，并输出与有功功率成正比的频率信号；微处理器通过对脉冲计数来计算所消耗的电量。首先在销售管理系统中建立用户基本档案信息，发行管理卡并充值，用户将已充值的管理卡放在RFID预付费电能表感应区内，电能表读取卡中数据，解密并判断数据的有效性。MCU通过射频芯片读取卡的金额，将其存储EPROM中，同时此卡清零。电能表将通过LCD显示来提醒用户充值成功。若数据有效则开启电能表继电器，允许用户用电。同时，电能表将会自动把表记的当前工作状态、运行状态等数据写入到用户卡中。当用户持卡再次充值时，管理部门能够记录用户表的运行信息，以便监测用户的使用情况。当用户剩余电量用尽时，RFID预付费电能表将自动跳开继电器，切断电源，直到用户持卡充值并重新刷卡后才能继续恢复使用。

射频卡式预付费电能表管理系统通过信息载体——射频卡，实现信息的双向传递，电能表用户与预付费管理系统之间通过射频卡建立联系，实现电能使用的预付费管理。预付费电能表通过继电器的开关动作，达到管理用户预付费用电的目的。

RFID射频卡预付费电能表系统设计

1.系统组成

RFID射频卡预付费电能表应用系统由RFID射频卡、发卡器、智能读卡器和PC管理机组成，如图2所示。其中RFID射频卡存放身份号(PIN)等相关数据，由发卡器将密码和数据一次性写入完成。发卡器实际上是一种通用写卡器，直接与PC机的RS－232串行口相连或经过RS－485网络间接与PC机相连，由系统管理员管理，通过PC机设置或选择好要写入的数据，发出写卡命令完成对RFID射频卡的数据及密码的写入。与读卡器不同，发卡器往往处于被动地位，不主动读写进入射频能量范围内的射频卡，必须接收PC机的命令才操作，即必须联机才能工作；而智能读卡器往往可以脱离PC管理机工作。智能读卡器是主动操作的，只要RFID射频卡进入读卡器天线射频能量范围，智能读卡器便可读写卡中相关指定扇区的数据。

图2为典型射频卡应用系统组成框图，发卡器与智能读卡器在硬件设计上大同小异，都是由单片机控制专用读写芯片(MF RC500)，再加上一些必要的外围器件组成。

2.硬件设计

(1)射频芯片

MF RC500是PHILIPS公司为RFID卡设计的专用读卡芯片，它与射频卡之间通信标准兼容ISO14443A，其功能框图如图3所示。

它内部包括微控制器接口单元、模拟信号处理单元和ISO14443A规定的协议处理单元，以及RFID卡特殊的Crypto1安全密钥存储单元。它可以与所有兼容Intel或Motorola总线的微控制器实现8位并行“无缝”接口(直接连接)，其内部还具有64 B的先进先出(FIFO)队列，可以和微控制器之间高速传输数据；其片内的ISO14443A协议处理单元包括状态和控制单元、数据转换处理单元；片内的模拟单元能够将数字信号处理单元的数据信息调制并发送到天线中，也可以将天线接收到的信息解调成数字信号传送给协议处理单元，带有一定的天线驱动能力。

(2)实时时钟

刷卡时要记录刷卡的时间，用外接硬件实时时钟芯片的办法，为系统提供一个准确可靠的时钟，用3 V备用电池保证在系统掉电时也能正常走时。选用体积小，接口简单的实时时钟芯片DS1302。它是美国DALLAS公司推出的低功耗串行通信接口专用芯片，采用3线串行方式与单片机进行数据通信。DS1302片内还有31 B的静态RAM，可自动进行闰年补偿。数据可按单字节方式或多字节突发方式传送。DS1302为8脚DIP封装，与P89C58串行接口用3根线，SCLK接CPU的P2.2，同步时钟输入；RST接CPU的P2.3，通信允许信号；I/O接CPU的P2.4，串行数据输入输出。此外，X1、X2接32 768 Hz的石英晶振；Ucc1接3 V备用锂电池，主电源接Ucc2。

(3)串行存储器

用AT24C256作数据存储器。AT24C256是串行E2PROM存储器，支持I2C总线数据传输协议，32 KB存储器容量，用两根线与CPU构成串行接口。SDA是双向数据线，接CPU的P2.1；SCL是时钟线，接CPU的P2.0；这两根线必须接上拉电阻。WP是写保护线，一般接地，表示允许读写操作。A0、A1是地址线，通过这两根地址线CPU最多可寻址4个AT24C256器件，4个芯片都有固定的地址，分别对应A0、A1为00～11，在此两根地址线上可扩充1～3片AT24C256串行E2PROM存储器。

3.程序设计

(1)单片机主程序流程图

单片机的程序包括：RFID卡读/写/密码验证/擦除操作程序，与RC500通信中断处理程序，键盘中断处理程序，与PC机通信中断处理程序，显示程序及存储器读写程序等。读卡器的主程序流程如图4所示。

(2)读/写卡程序设计

读写卡过程是一个复杂的程序执行过程，要执行一系列的操作指令，调用多个C51函数。包括装载密码、询卡、防冲突、选卡、验证密码、读写卡及停卡。这一系列的操作必须按固定的顺序进行。在没有RFID卡进入射频天线有效范围时，在低5位显示当前时钟，当有RFID卡进入到射频天线的有效范围，读卡程序验证卡及密码成功后，将卡号和读卡时间及相关数据作为一条记录存入E2PROM存储器中，并在LED显示器高5位上显示卡号。

程序设计采用单片机汇编语言和KeilC51混合编程。看门狗定时器中断服务程序采用汇编语言编写，其他程序采用C语言编写。程序的每一部分按模块化设计成一个文件，单独调试通过后，再在KeilC51环境下加入到工程文件中汇编生成HEX文件，用仿真器进行仿真通过后，写入P89C58BP芯片中脱离仿真器运行。

(3)MFRC500

采用寄存器写数据和写命令的形式来控制卡片数据的读和写。预付费智能电能表技术方案

预付费电能表主要方案如下几种。

(1)插卡式预付费电能表

预付费电能表初期产品为插卡式，计量部分为电子式电能表，技术上比较成熟，电能表上有插入端口，电能表箱上也有开口，在居民小区得到了广泛应用。由于卡口外露后易受到攻击，煤气点火器等高压静电对端口进行干扰，于是生产厂家对卡座进行了改进，增加抗静电措施，但对人为卡口攻击无法进行控制。

(2)射频卡预付费电能表

非接触式RFID卡(又称射频卡)是国外近几年发展起来的新技术，它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源和免接触的难题，防止了插卡电能表静电干扰和端口插入破坏性物品。射频卡无需专门的供电电源；它与读写器间无机械接触，避免了接触故障；它的表面无裸露芯片，可防水，且不易产生静电攻击及弯曲损坏等问题。非接触式IC卡具有可靠性高，使用方便，操作速度快等特点。

(3)红外遥控预付费电能表

红外智能卡电能表是和电视机遥控器同样的信号传输方式，其信号传输保密性、抗干扰性好，电能表箱不留任何端口，红外信号可以穿透表箱上的玻璃远距离(3 m以内)和电能表进行数据交换，可以有效防止人为破坏电能表数据传输系统的行为。由于采用红外线遥控，操作时不受安装高度的限制。其缺点是红外卡要装电池，表内装有红外接受器，成本相对高一些。

(4)集中电子式预付费电能表

预付费多用户电能表一表循环显示每户用电量，在居民家中安装一台智能卡读写器，智能卡读写器插卡显示每户的剩余电量，把IC卡中的数据传递给电能表，更具人性化管理，及时在用户家中提示购电。多用户预付费电能表具有单位户数体积小，造价低，每个表箱可最多安排24户用电，安装地点灵活方便，它集中计量，集中管理且抄表方便，避免了上下楼抄表的麻烦。其缺点是如果计算机CPU损坏将影响很多用户的正常用电。

(5)GPS预付费电能表

将现代通信技术和计算机技术以及电能量测量技术结合在一起，能及时、准确又全面地反映电量的使用(即销售)情况。GPS预付费电能表是用手机短信或在无线网络上就可操作的产品，信号通过卫星传输，以短消息的方式将此信息送给总控中心，以实现远程自动无线抄表功能。成本较高，目前只是国家电网公司对发电厂采用这种信息管理模式。