基于RFID技术的预付费电表

来源:互联网

1  概述 

  中国电力市场化进程非常迅速,电商是商品,先购买的概念逐渐深入人心。各种类型的预充电电表已经出现,将繁琐的人工抄表和人工定价收费转化为用户购卡,实现了集电管理的自动化。非接触式IC 卡(也称为RF卡) 是近年来开发的一项新技术。它成功地将RFID(无线电 频率 标识 ,射频识别) 技术与IC 卡技术相结合。解决了被动和非接触的问题。 RF卡不需要特殊的电源;它与读/写模块没有机械接触,避免了接触故障,可以防止恶意攻击;其表面没有裸露的芯片,可以防水,不易造成静电击穿和弯曲损坏; RF卡在使用时没有正面和背面。 

2  射频识别部分工作原理 

  2.  1  Mifare非接触式IC卡简介 

该系统使用Philas  Mifare 卡系列S50 卡,符合ISO /  IEC  14443A 协议,工作在13.  56MHz 。 S50 内存容量为1  K 字节,卡存储分为16个 扇区(扇区) ,每个扇区分为4个 段(块) ,并且每个段有16个 字段的存储区。对于0 扇区,实际可用的数据段只有3个 ,而0 段是供应商信息,例如卡序列号,它是只读的。每个扇区的段3 ,即扇区尾部存储扇区的两个密钥(每个60×1774字节) 和访问控制字 。 

2.  2  Mifare 非接触式IC卡读卡器模块简介 

非接触式IC 卡系统包括一个读/写模块和一个非接触式IC 卡。应用系统通过读/写模块操作卡;读卡器通过射频信号同步短距离通信,为卡上的芯片提供能量;非接触式IC 卡响应读写模块的指令并报告处理结果。非接触式IC卡通过在特定的交变磁场中耦合IC 芯片的线圈来获得高压能量,并且非接触式IC 卡的读/写模块通过天线传输交替的强磁场以供应能量到IC 卡;磁场的不连续代码将数据写入或读取到IC 卡。 

为了节省仪表主MCU 的接口资源,系统采用自行设计的RF模块,使用异步串口与主MCU 进行通信。该模块由MFRC500 读/写基站芯片,AT89C52 和Philips 的相关外围电路组成。它可以完成读/写模块和IC 卡之间的各种交互功能,包括调制/ 解调,加密/ 解密,认证,读写,加/ 减去,并具有与微处理器的接口。非接触式IC 卡与读/写模块之间的通信包括复位响应,防冲突,卡选择,相互认证,操作和数据块中止。 

3  预付费电度表的系统结构

  预充电表可分为电子和机电两种类型。不同之处在于功率转换元件是不同的。前者通过A/D执行电压/电流转换,然后乘以并累加采样值以获得用户消耗的功耗。 后者借用原始感应式电能表的运动,并通过光电传感器读取转盘的数据数量。用户消耗的电量。该系统使用当今流行的电子解决方案。非接触式IC卡预充电表的硬件电路原理图如图1所示 。 

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图1硬件电路原理 

该系统使用TI的16位超低功耗微控制器MSP430F413 作为系统的主MCU。内部8K 闪存 , 具有16个 位RISC 结构,16个 寄存器和CPU 中的函数发生器使能MSP430 单片机实现最高代码效率;灵活的时钟源;数字控制的DCO 可以使器件从低功耗中快速唤醒;它可以直接将能量转换为脉冲信号,并结合电能计量专用芯片AD7755 ,大大简化了仪表的硬件部分,便于智能控制。 

主机完成用户功耗的记录,累积,显示,通信和控制功能。它配备了非接触式IC 卡模块,可完成货币转换和电源管理部门向用户的电量转换。该系统配备红外和RS-485总线接口,便于数据复制。此外,该系统还包含串行EEPROM ,可与电源管理芯片配合使用,实现电源数据的可靠备份。 

4  系统的工作原理 

  (1) 当用户将IC 卡支付给电源部门进行支付时,电源部门将用户的IC 卡放在连接到PC 机器的读/写模块上,并写入卡IC 卡上的程序。写出与用户付款次数相符的一定数量的电费。 

(2) 用户将IC 卡带回,并将卡扫过预充电仪表。卡的电源由主机读取,并添加到预充电表中的剩余电量。由于电池在机器中使用,因此断电后数据不会丢失。此外,系统还具有用于数据备份的串行EEPROM 。 

(3)用户使用电源时,主MCU 从存储器中的电量中扣除相应的值,并及时备份到EEPROM。 

(4)  MCU监视存储器中的剩余电量是否小于15 度。如果是,则指示功耗将耗尽的LED指示灯亮起,提示用户重新购买供电部门的电源。 

(5) 当MCU发现用户仪表的剩余电量完全耗尽时,控制继电器切断用户的电源。 

(6) 根据一张表和一张卡配置卡。存储器具有相应的卡号和用户号,以及IC 卡的传输密钥。当用户IC卡放置在电源部门的读/写模块上时,PC 机器在为用户写入购买的电源编号时记录卡的卡号,日期和相应的编号,并将数据写入数据库来制作电源。部门可以随时在PC 机器上检查用户的购电状态,实现供电管理部门的管理现代化。 

5  系统软件设计 

非接触式IC 卡预充电表的程序采用模块化设计。整个系统由两部分组成:用户终端仪表充电程序和供电部门管理程序。程序的每个部分都由MCU系统程序和VB 用户界面程序组成。 VB 的通信程序MSComm 用于通过RS-485 与VB 程序通信。通信协议基于ASCII 代码。查询命令,中断发送和接收字符。微机通过协议实现对单片机的控制,单片机通过判断微机发出的不同字符,执行不同的单片子程序。 

5.  1 客户电能表计费程序 

(1) 读取有效的非接触式IC 卡功能。在卡上执行防冲突,密码验证,卡号验证等操作,读出存储在卡中的数据,然后清除卡并停止卡。 

(2) 完成仪表的预充功能。从IC 卡读取的功率被添加到MCU存储器的剩余电量并存储回存储器中。 

(3) 显示功能。系统定期扫描并动态显示机器中的剩余电量。此外,当读/写IC 卡发生错误时,会显示错误信号。 

(4) 串行通信中断功能。当微计算机向MCU发送获取命令时,MCU执行串行通信中断服务子程序。在用户号码被认证之后,用户的功耗和剩余功率被发送回微型计算机,然后返回中断。 

(5) 功率计数功能。 

(6) 报警电源关闭功能。当机器中的剩余电量小于15 度时,指示功耗的LED指示灯将亮起,提示用户重新购买供电部门的电源。当用户仪表中的剩余电量完全耗尽时,控制继电器会切断用户的电源。只有在再次通电后,用户才能继续供电。 

MCU系统程序由主监控程序,IC 卡处理子程序,功率计数子程序,串行中断服务子程序等组成。 

6  结束语 

  该系统将非接触式IC 卡技术与计算机技术相结合。由RFID 技术开发的非接触式IC 卡已成功应用于智能预付费电表。研究结果表明,:非接触式IC 卡具有可靠性高,安全性好,使用方便,操作快捷等特点。该系统实现了电费的电子使用,促进了电能计量和充电的安全科学管理,具有良好的应用前景。

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