非接触IC卡在燃气表上的应用

    一、非接触IC卡和接触式IC卡技术特点比较

    1. 使用环境：

    由于卡座的存在，接触式IC卡一般在使用环境比较好的地方可以保证可靠工作，而非接触卡，无机械接触，从而避免了由使用环境造成的各种故障。

    2. 器件成本：

    接触式IC卡只需要用微处理器对卡进行直接读写，而非接触式需要专用读写芯片对卡进行读写，其成本要略高于接触式IC卡。

    3. 操作难易程度：

    接触式IC卡需要强调卡片的方向性及保持卡片的清洁，且操作过程需要明显的时间限制，而非接触卡只要保持与读写器在10CM范围内就可以对卡片操作, 没有方向性，并且操作速度很快（106k），减少了操作中的数据出错概率，方便用户使用.。　　

    4. 加密性能：

    非接触卡采用双向验证机制。在读写卡操作过程中读写器要验证IC 卡的合法性，同时IC卡也要验证读写器的合法性，每张卡均有唯一的序列号，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化在卡内，不可再更改，因此可以说世界上没有两张相同的非接触IC 卡。

    5.抗攻击性： 

    由于非接触卡无触点，一般情况下不容易被攻击。 

    6．可适合应用场合：

   非接触卡根据不同的扇区设置不同的访问权限，能运用于不同系统，非常适合城市一卡通的应用。

    一、 非接触IC卡在预付费燃气表上使用的优点

    随着IC卡燃气表应用的快速发展，燃气表的使用环境也越发多样化，其中不乏阴暗潮湿的地下室、热气腾腾的厨房、空气中含盐度高且潮湿度大于80％的东南沿海城市、及裸露在户外等使用环境，在这些恶劣的使用环境中许多接触式IC卡表都无法保证可靠运行，暴露出很多问题，比如卡口密封性不好，容易受潮、进水及腐蚀，导致数据读写出错。卡口和卡片摩擦过多也易使卡片和卡座损坏。接触式卡片本身易受到污染及表面产生氧化层，导致无法与卡座良好接触。非接触卡成功地解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，随着非接触卡在表类产品中的应用，上述问题便迎刃而解。

    二、 非接触IC卡技术特点：

    1．工作原理：

    射频读写器向IC 卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC 串联协振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，LC 协振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电荷的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V 时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据。

    2．主要技术指标：

    容量为8K位EEPROM;分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位;每个扇区有独立的一组密码及访问控制;每张卡有唯一序列号，为32位;具有防冲突机制，支持多卡操作;无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路;数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次；工作温度：-20℃~50℃(温度为90%)；工作频率：13.56MHZ；通信速率：106KBPS；读写距离：10cm以内（与读写器有关）。

    3．存储结构：

    我们以M1卡为例简要介绍一下存储结构：M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，（我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0~63。存贮结构如下图所示： 

    三、 非接触IC卡燃气表的实现

    从上世纪90年代中期我公司研发和生产出国内第一只IC卡预付费燃气表开始，我们应用了多种类型的IC卡：接触式非加密IC卡（AT24C02、AT1608、AT93C46），接触式逻辑加密卡（4442），接触式CPU卡（握奇公司），非接触式逻辑加密卡（复旦微电子），非接触式CPU卡（握奇数据公司等）。 

    随着IC卡技术的飞速发展，10多年中已经经历了5代产品，IC卡技术已经完全被国内公司掌握，尤其是接触式CPU卡和非接触式CPU卡的产生，使我国IC卡技术已经达到了世界先进水平，目前国内IC卡智能燃气表厂家已经开始应用非接触逻辑加密卡。

    1．系统结构图： 

图1：系统结构

    2．卡片的操作流程 

图2：卡片操作流程

    3．全密封设计：

    随着IC卡燃气表应用的快速发展，燃气表的使用环境也越发多样化，其中不乏阴暗潮湿的地下室、热气腾腾的厨房、空气中含盐度高且潮湿度大于80％的东南沿海城市、及裸露在户外等使用环境，在这些恶劣的使用环境中许多接触式IC卡表都无法保证可靠运行，因而我们采用了高密封性（IP65）设计。

    4．数据安全管理：

    数据管理是IC卡预付费燃气表的关键技术之一，我们采用了多种技术段，对密钥和数据进行管理，确保密钥和数据不泄露。

    密钥的产生及传递

    燃气表内密钥由卡片进行传递，密钥的生成过程由计算机管理系统完成，管理系统发卡时由不同的领导输入不同的序号，发卡软件根据这些序号产生一组密钥，并将这组密钥用与表约定好的算法进行加密，并将加密后的密钥写在卡上，当卡插入表内后将密钥输入表内，同时由表将卡上密钥清空。 

    数据管理
 
    卡上的不同扇区控制权限不同，将安全级别要求高的扇区设为只读扇区，每个扇区内数据都以密文形式存在，当数据与表进行交换时，由燃气表先对数据进行解密，再将表内数据信息同样方法进行加密后分类返写到卡上。

    6．寻卡和功耗控制

    IC卡预付费燃气表是采用锂电或碱电供电，为保证使用寿命要对仪表的功耗进行控制，尤其对寻卡的次数进行控制，我们采用低功耗自动侦测和判断技术，使得表内CPU能够及时检测到IC卡的存在，并能实现低功耗的设计要求。

    7．非接触IC卡预付费燃气表卡片的分类

    整个系统使用的卡包括以下几种：居民用户卡，参数设置卡、应急卡、气表检测卡、数据转移卡、操作员身份登记卡 。

    四、 非接触IC卡燃气表目前存在的问题

    非接触IC卡燃气表已经克服了接触式燃气表的众多问题，但目前还有一些问题，如成本较接触式卡要高出几十元钱。器件集成度不高，读写部分要有几十个器件，占用较大空间。普通非接触卡的加密性和安全性不是十分高。读写卡的功耗较大。

    五、 非接触IC卡燃气表的发展方向

    1．卡类型要采用非接触CPU卡，这样在使用中其加密性和安全性可以达到非常高的级别。

    2．读写器件集成度的提高：读写器件要尽量多的集成到读写芯片内部，使外围器件减少，提高产品的可靠性。

    3．读写IC卡的功耗要降低：降低功耗有利于电池能量的降低和仪表寿命的加长。

    4．实现公用事业付费一卡通功能：随着非接触CPU卡的使用，家庭中水，电，气和公交等付费业务都可以采用一张卡来结算，节省了资源又可方便用户。

    结论：

    随着IC卡技术的不断发展，特别是中国自有技术的提高和一卡通在各个场合的广泛使用，非接触IC卡在预付费燃气表上会越来越多地被采用。

    （文/丹东思凯电子发展有限责任公司朱运起 郑岩 孙振宇）