RFID射頻卡預付費電能表是怎樣設計的

時間：2022-05-27

隨著科學技術的進步和用電管理的精細化。RFID目前，國內(nèi)大中城市正在逐步推廣預付費智能電表的使用。

隨著科學技術的進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與卡相比，射頻卡具有以下優(yōu)點：①高可靠性?？ㄅc讀寫器之間沒**械接觸，避免了接觸讀寫造成的各種故障。例如，由于卡插入粗糙、非卡插入、灰塵、油污等原因?qū)е陆佑|不良。②卡表面無芯片，*擔心芯片脫落、靜電擊穿、彎曲損壞等問題。③操作方便快捷。讀寫器在非接觸通信中1mm～1m卡片可以在范圍內(nèi)操作，所以不需要像IC非接觸卡使用時沒有方向性，卡可以在任何方向穿過讀寫器表面，可以大大提高每次使用的速度。④防止沖突。射頻卡具有快速的防沖突機制，可以防止卡之間的數(shù)據(jù)干擾，因此讀寫器可以同時處理多個非接觸式射頻卡。⑤應用范圍廣。射頻卡的存儲結(jié)構(gòu)使其多用途，可應用于不同的系統(tǒng)，用戶可根據(jù)不同的應用設置不同的密碼和訪問條件。⑥良好的加密性能。射頻卡的序列號是一的。制造商在產(chǎn)品出廠前固化了該序列號，不能更改。射頻卡與讀寫器之間采用雙向驗證機制。

RFID預付費電能表管理系統(tǒng)概述

1.系統(tǒng)的構(gòu)成

基于RFID基于上位機(預付費電能表管理系統(tǒng))和下位機(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預付費售電系統(tǒng)主要由三部分組成：基于RFID單相電能表、智能讀卡器和預付費電能表管理系統(tǒng)。如系統(tǒng)組成所示。

2.系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)介紹的電子預付費電能表通過電能測量集成電路處理電壓和電流的取樣信號，輸出與有功功率成正比的頻率信號微處理器計算脈沖計數(shù)消耗的電量。首先，在銷售管理系統(tǒng)中建立**用戶的基本文件信息，發(fā)行管理卡并充值。用戶將充值的管理卡放在RFID在預付費電能表感應區(qū)，讀取卡中的數(shù)據(jù)，解密并判斷數(shù)據(jù)的有效性。MCU存儲通過射頻芯片讀取卡的金額EPROM同時，此卡將被清除。電能表將通過LCD顯示提醒用戶充電成功。如果數(shù)據(jù)有效，打開電能表繼電器，允許用戶使用電源。同時，電能表將自動將表記錄的當前工作狀態(tài)、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)寫入用戶卡。當用戶再次充電時，管理部門可以記錄用戶表的操作信息，以監(jiān)控用戶的使用。當用戶的剩余電源耗盡時，RFID預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。

射頻卡預付費電能表管理系統(tǒng)通過信息載體射頻卡實現(xiàn)信息的雙向傳輸，通過射頻卡與預付費管理系統(tǒng)建立聯(lián)系，實現(xiàn)電能使用的預付費管理。預付費電能表通過繼電器的開關動作管理用戶的預付費用。

RFID射頻卡預付費電能表系統(tǒng)設計設計

1.系統(tǒng)組成

RFID射頻卡預付費電能表應用系統(tǒng)RFID射頻卡、發(fā)卡器、智能讀卡器和PC由管理機組成，如所示。RFID存儲射頻卡的身份號（PIN）發(fā)卡機將密碼和數(shù)據(jù)一次性寫入相關數(shù)據(jù)。發(fā)卡機實際上是一種直接與PC機的RS232連接或通過出行口RS485網(wǎng)絡間接與PC機器連接，由系統(tǒng)管理員管理PC機器設置或選擇要寫入的數(shù)據(jù)，發(fā)出寫卡命令完成RFID射頻R寫入數(shù)據(jù)和密碼。與讀卡器不同，發(fā)卡器通常是被動的，不主動讀寫進入射頻能量范圍的射頻卡，必須接收PC機器的命令只能操作，即必須在線工作，智能讀卡器通?？梢悦撾xPC管理機工作。只要智能讀卡器主動操作，只要RFID射頻卡進入讀卡器大線射頻能量范圍，智能讀卡器可以讀取相關*風扇區(qū)域的數(shù)據(jù)。

框圖由典型的射頻卡應用系統(tǒng)組成，發(fā)卡器在硬件設計上與智能讀卡器相似，由單片機控制（MFRC500），加上一些必要的外圍設備。

2.硬件設計

(1)射頻芯片

MFRC500是PHILIPS公司為RFID卡設計的**讀卡芯片與射頻卡的通信標準兼容ISO14443A，如功能框圖所示。

它包括微控制器接口單元、模擬信號處理單元和ISO14443A協(xié)議處理單位和規(guī)定的協(xié)議處理單位RFID卡特殊的cryptol安全密鑰存儲單元。它可以與所有相容性Intel或Motorola總線的微控制器實現(xiàn)了8個并行的厄縫接口(直接連接)，內(nèi)部也有 B的**先出（FIFO）隊列可以在微控制器之間高速傳輸數(shù)據(jù)ISO14443A協(xié)議處理單元包括狀態(tài)控制單元和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理單元中的模擬單元，可以調(diào)制和發(fā)送數(shù)字信號處理單元的數(shù)據(jù)信息，也可以將天線接收到的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸?shù)絽f(xié)議處理單元，具有一定的天線驅(qū)動能力。

（2）實時鐘：記錄刷卡時間，使用外部硬件實時鐘芯片為系統(tǒng)提供準確的時鐘3V備用電池確保在系統(tǒng)斷電時正常行走。實時鐘芯片，體積小，接口簡單DSl302。它是美國DALLLAS公司推出的低功耗串行通信接口**芯片采用三線串行與單片機進行數(shù)據(jù)通信。DSl302片內(nèi)還有3lB的靜態(tài)RAM，閏年補償可以自動進行。數(shù)據(jù)可以通過單字節(jié)或多字節(jié)突發(fā)傳輸。DSl302為8腳DIP封裝，與P89C58串行線用于串行接口，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。x1、X2接32768Hz的石英晶振Uccl接3V備用鋰電池，主電源連接Ucc2。

(3)串行存儲器:使用AT24C256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，連接CPU的P2.1SCL是時鐘線，連接CPU的P2.0這兩條線必須連接拉電阻。WP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較多可找4個地址AT24C256設備和四個芯片都有固定，分別對應AO、A1為00~11，這兩個地址可以在線擴展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/密碼驗證/擦除操作程序RC500通信中斷處理程序，鍵盤中斷處理程序PC機器通信中斷處理程序、顯示程序、存儲器讀寫程序等。讀卡器的主程序流程如下。

(2)閱讀/寫卡程序設計

讀寫卡過程是一個復雜的程序執(zhí)行過程，需要執(zhí)行一系列操作指令，調(diào)用多個C51函數(shù)。包括裝載密碼、查詢卡、防沖突、選卡、驗證密碼、讀寫卡、停卡。這一系列操作必須按固定順序進行。RFID當卡進入射頻天線的有效范圍時，當前時鐘顯示在低5位。RFID卡進入射頻天線的有效范圍。讀卡程序驗證卡和密碼成功后，以及讀卡時間及相關數(shù)據(jù)為記錄E2pROM并在存儲器中LED顯示器高5位顯示。

程序設計采用單片機匯編語言KeilC51混合編程?？撮T狗定時器中斷服務程序用匯編語言編寫，其他程序用匯編語言編寫。c語言編寫。程序的每個部分都按模塊化設計成文件。單獨調(diào)試后，在KeilC5l在環(huán)境中加入工程文件匯編生成HEX用模擬器模擬文件后，寫入P89C58BP離開模擬器在芯片中運行。

（3）MERC500

以寄存器寫數(shù)據(jù)和寫命令的形式控制卡數(shù)據(jù)的讀寫。

預付費智能電能表技術方案

預付費電能表的主要方案如下。

（1）插入式預付費電能表：預付費電能表的初始產(chǎn)品為插入式，測量部分為電子電能表。技術相對成熟。電能表上有插入端口，電能表箱上有開口，廣泛應用于居民區(qū)。由于卡露后*受到攻擊，氣體點火器等高壓靜電干擾了端口，制造商改進了卡座，增加了抗靜電措施，但無法控制人工卡口攻擊。

(2)射頻卡預付電能表:非接觸式RFID卡(又稱射頻卡)是近年來國外發(fā)展起來的一項新技術。它成功地將射頻識別技術和IC卡技術的結(jié)合解決了無源和無接觸的問題，防止了插卡電能表的靜電干擾和端口插入的破壞性物品。射頻卡不需要特殊的電源。與讀寫器無機械接觸，避免接觸故障。它的表面沒有芯片，防水，不易產(chǎn)生靜電攻擊和彎曲損。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）紅外遙控預付費電能表：紅外智能卡電能表是與電視遙控器相同的信號傳輸方式。其信號傳輸具有良好的保密性和抗干擾性口。紅外信號可以穿透表箱上的玻璃（3m內(nèi)部）與電能表進行數(shù)據(jù)交換，可有效防止電能表數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的人為損壞。由于紅外遙控器，操作不受安裝高度的限制。缺點是紅外卡配備電池，手表配備紅外接受器，成本相對較高。

(4)集中電子預付費電能表:預付費多用戶電能表循環(huán)顯示每戶用電量，在居民家中安裝智能卡讀寫器，插卡顯示每戶剩余電量IC卡中的數(shù)據(jù)傳輸給電能表，管理較加人性化，及時在用戶家中提示購電。多用戶預付費電能表單位數(shù)量小，成本低。每個表箱較多可安排24個電源，安裝位置靈活方便。集中測量、集中管理、抄表方便，避免了上下抄表的麻煩。缺點是如果計算機CPU損壞會影響許多用戶的正常用電。

（5）GPS預付費電能表：將現(xiàn)代通信技術與計算機技術和電能測量技術相結(jié)合，能夠及時、準確、全面地反映電力的使用（即銷售）。GPS預付費電能表是一種可以通過手機短信或無線網(wǎng)絡操作的產(chǎn)品。信號通過衛(wèi)星傳輸，通過短信發(fā)送給總控中心，實現(xiàn)遠程自動無線抄表功能。目前，只采用這種電廠信息管理模式。

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