尹靜文，苑　璐，徐　坤，周子昂，耿文波

(1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 453000；2.周口市科學(xué)技術(shù)局，河南 周口 466001 3.周口師范學(xué)院，河南 周口 466001)

為緩解日益嚴(yán)重石油資源匱乏危機(jī)和環(huán)境污染，純電動汽車以清潔、環(huán)保等優(yōu)勢，被普遍認(rèn)為是未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向[1-2]. 充電設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行是推動電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要前提，針對市面上的交流充電樁和直流充電機(jī)[3-4]充電費(fèi)用結(jié)算問題，國內(nèi)外學(xué)者在接觸式IC卡和非接觸式IC卡使用方面展開研究，其中，基于射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技術(shù)的非接觸式IC卡、數(shù)據(jù)加密及安全問題是近年來研究熱點，取得了較好的成果. 文獻(xiàn)[5]分析了RFID系統(tǒng)存在的安全隱患，設(shè)計了高效、低成本有源RFID雙向認(rèn)證加密方案；文獻(xiàn)[6]設(shè)計了基于ARM的雙面IC卡讀寫器，通過移植Crypto1加密算法兼容Mifare系列卡，實現(xiàn)金融交易圈存、消費(fèi)及余額查詢等功能，并使用三重數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(Triple Data Encryption Standard, 3DES)算法以保證用戶數(shù)據(jù)安全；文獻(xiàn)[7]以FPGA為硬件平臺，驗證了EPCBC密碼算法在RFID通信數(shù)據(jù)加密的高效、可行；文獻(xiàn)[8]通過實現(xiàn)MD5和DES加密算法，有效提高了RFID數(shù)據(jù)的安全性. 本文將RFID技術(shù)與電動汽車充電設(shè)備相結(jié)合，設(shè)計了以嵌入式微處理器STM32F103C8T6為控制核心，以MFRC531為讀卡芯片，RFID卡讀寫系統(tǒng)，實現(xiàn)了用戶身份識別、充電費(fèi)用結(jié)算等功能，并采用3DES數(shù)據(jù)加密算法，增強(qiáng)了RFID卡防御攻擊的能力，有效保護(hù)了用戶數(shù)據(jù)安全. 設(shè)計目標(biāo)模塊化、成本低、小型化、采用標(biāo)準(zhǔn)串口通信、便于與電動汽車充電樁集成.

1　硬件系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)主要由：微處理器電路、射頻讀卡電路及串口通信電路三部分構(gòu)成. 系統(tǒng)總體框圖如圖l所示. 由MFRC531構(gòu)成的讀卡電路實現(xiàn)用戶卡的識別和相關(guān)信息讀取，通過8位的并行口傳送給系統(tǒng)控制核心STM32F103C8T6，由主控制器完成用戶信息驗證，確定用戶的合法性；并通過RS232接口電路將相應(yīng)信息傳送給充電樁中的上位機(jī)，以使充電樁為用戶做好充電準(zhǔn)備，再由RS232接口電路將上位機(jī)準(zhǔn)備情況送至STM32F103C8T6，該控制器通過RS485總線接口電路讀取智能電量計量模塊的初始電量并記錄，用戶充電刷卡結(jié)束時，再次讀取電量值，由該值減去初始電量既是用戶充電電量，計算充電費(fèi)用并扣除后，再將余額寫入用戶卡內(nèi)，完成費(fèi)用結(jié)算及充電服務(wù).

圖1　RFID充電結(jié)算系統(tǒng)框圖

圖1中，主控制器STM32F103C8T6是意法半導(dǎo)體推出的基于ARM 32位的CortexTM-M3系列微處理器中的一款產(chǎn)品[9]. 最高72 MHz工作頻率，48引腳LQFP封裝，37個GPIOs，64 KB Flash型程序存儲器，20 KB SRAM，片內(nèi)集成有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)，脈寬調(diào)制器(Pulse Width Modulation, PWM)及通用同步/異步收發(fā)器(Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter, USART)接口等外設(shè)資源. 借助這些資源極大地簡化了電路設(shè)計的復(fù)雜度. 與8位和16位單片機(jī)相比，可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的算法和具有良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性，因而在工業(yè)控制眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用.

用戶卡讀寫芯片MFRC531支持ISO/IEC14443 Type A和Type B的所有層和MIFARE經(jīng)典協(xié)議. 該芯片利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議. 支持快速Crypto1加密算法，可根據(jù)不同需要選擇8位并行和SPI模式與主機(jī)通信，具有應(yīng)用靈活、安全性高、交易快速、兼容性好等特點[10].

2　硬件電路設(shè)計

2.1　射頻卡讀寫電路

讀寫卡電路原理如圖2所示，主要由MFRC531讀寫芯片、13.56 MHz晶振及天線匹配電路組成. 該芯片的模擬電路包含了一個低阻抗橋驅(qū)動器輸出的發(fā)送部分，讀寫距離可達(dá)100 mm；接收器可以檢測到并解碼非常弱的應(yīng)答信號；天線則主要由C5～C10、L1、L2構(gòu)成的LC低通濾波器、LC諧振電路、天線線圈AN及電阻R1和R2構(gòu)成的匹配電路組成；8位并行數(shù)據(jù)接口D0～D7引腳分別連接到STM32F103C8T6的GPIOs PB8～PB15引腳，實現(xiàn)高速非接觸式通信的要求.

圖2　射頻卡讀寫電路圖

為了實現(xiàn)芯片的最佳讀寫性能，MFRC531的模擬部分、驅(qū)動部分、數(shù)字部分分別使用單獨(dú)電源和接地，減少相互間的干擾，提高讀寫的成功率. 圖2中電源管腳及使用標(biāo)號如表1所示.

表1　 MFRC531電源管腳及電源標(biāo)號分類

2.2　電量讀取電路

處理器STM32F103C8T6通過RS485通信接口與電能計量模塊間的信息交互，電能計量模塊的通信接口電路如圖3所示. 采用MAX485芯片完成處理器串口通信到RS485通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電能消費(fèi)數(shù)據(jù)的讀取功能. 為了解決RS485總線傳輸電纜的阻抗不連續(xù)、產(chǎn)生突變值，影響正常通訊的問題，在MAX485芯片A、B端口兩端并接電阻R10=120 Ω，實現(xiàn)電路阻抗匹配. 該電能計量模塊遵循DL/T645-2007通訊規(guī)范，字節(jié)格式如圖4所示，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位偶校驗位及1位停止位共11位，先傳最低有效位D0位，后傳最高有效位D7序列順序傳輸. 數(shù)據(jù)幀傳輸格式如表2所示.

圖3　RS485總線接口電路

圖4　字節(jié)傳輸格式

說明幀起始符地址域控制碼數(shù)據(jù)域長度數(shù)據(jù)域校驗碼結(jié)束符代碼68HA0A1A2A3A4A5CLDATACS16H

數(shù)據(jù)域DATA：數(shù)據(jù)域包括數(shù)據(jù)標(biāo)識和數(shù)據(jù)、密碼等,其結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能而改變. 數(shù)據(jù)傳輸時逐字節(jié)加33 H處理，接收時減33 H處理. 校驗碼CS：從幀起始符開始到校驗碼之前的所有各字節(jié)的模256的和，即各字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和，不計超過256的溢出值. 所有數(shù)據(jù)項均按圖4規(guī)定的字節(jié)格式傳輸. 處理器STM32F103C8T6對電能計量模塊進(jìn)行電量讀取時，通過串口向計算機(jī)發(fā)送讀取過程數(shù)據(jù)，波特率設(shè)置為1 200，借助計算機(jī)串口調(diào)試工具對該電路模塊的測試結(jié)果如圖5所示.

圖5　處理器與電能計量模塊信息交互測試結(jié)果

其中，第一行數(shù)據(jù)為處理器發(fā)送電能計量模塊接收，作用為讀電能計量模塊地址；第二行數(shù)據(jù)為電能計量模塊發(fā)送處理器接收，得到電能計量模塊包含地址的數(shù)據(jù)，下劃線部分所示，數(shù)據(jù)逐字節(jié)減33 H處理，再按高字節(jié)在右，低字節(jié)在左的記錄習(xí)慣，可得到地址數(shù)據(jù)為：40 14 12 01 25 29；第三行數(shù)據(jù)為處理器發(fā)送電能計量模塊接收，讀取電能數(shù)據(jù)；第四行數(shù)據(jù)為電能計量模塊發(fā)送處理器接收，下劃線部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后，得到電能數(shù)據(jù)為：65 00 00 00，即實際電量0.65 KWh；其中FE為設(shè)備激活字符，數(shù)據(jù)發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，先發(fā)一個或幾個字節(jié)的FE，用以喚醒數(shù)據(jù)接收方準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù).

2.3　RS232通信接口電路

本系統(tǒng)可以成為獨(dú)立應(yīng)用的模塊，通過RS232接口電路實現(xiàn)與充電樁中主控制器或上位機(jī)通信，該接口電路MAX232轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成，原理圖如6所示. 這里用到STM32F103C8T6的串行通信口RXD2、TXD2，通過端口J2與上位機(jī)通信.

圖6　RS232接口電路

3　數(shù)據(jù)加密算法

RFID卡信息的寫入和讀取是基于應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Application Protocol Data Unit, APDU)命令. 為了保護(hù)用戶數(shù)據(jù)安全，在處理器STM32F103C8T6中實現(xiàn)3DES加密算法，實現(xiàn)RFID卡中的數(shù)據(jù)邏輯加密，防止RFID卡被復(fù)制、破解及非法消費(fèi). 3DES算法是一種基于分組對稱密碼消息認(rèn)證碼的構(gòu)造方式. 它是對每個明文數(shù)據(jù)塊使用三次DES加密算法，每次加密可以使用三個不同的密鑰：K1、K2、K3，與DES算法相比，3DES是通過增加密鑰的長度來提高外來攻擊的防御能力的. 本文設(shè)計了K1=K3的加密方法，密鑰的長度為128 bits，該算法加密、解密原理如圖7所示. 其中，DESK1(?)為加密算法，DESK1-1(?)為解密算法，K1為使用的64 bits密鑰，P為輸入的明文，C為加密后的密文.

圖7　3DES算法加密和解密原理

通過對明文字符串str1=“11223344”、str2=“11223345”以及str3=“11223345”編、解碼驗證3DES算法的有效性，并將測試結(jié)果通過串口輸出到上位機(jī)的串口調(diào)試工具中顯示，如圖8所示. 圖8(a)為字符串str1經(jīng)過3DES算法加密后，輸出到串口調(diào)試工具的64 bits密文二進(jìn)制串，由于串口調(diào)試工具沒有實現(xiàn)3DES解密算法，因此，64 bits密文二進(jìn)制顯示為亂碼；圖8(b)是圖8(a)的密文數(shù)據(jù)經(jīng)過3DES算法解密后的結(jié)果，顯示字符串為“11223344”. 圖8(c)和圖8(d)是對字符串str2所做的相應(yīng)測試結(jié)果. 字符串str1和str2之間相差一個字符，它們分別對應(yīng)的64 bits密文二進(jìn)制序列之間的相關(guān)系數(shù)為0.093，當(dāng)str3=“11223345”與str1相差兩個字符時，其對應(yīng)的64 bits密文二進(jìn)制序列之間的相關(guān)系數(shù)又有所減小，僅為0.0635，均為微相關(guān)(0.00 - ±0.30)程度；加密后數(shù)據(jù)的相關(guān)性如表3所示. 測試結(jié)果表明，輸入數(shù)據(jù)只要有一位不同，采用3DES算法加密后，數(shù)據(jù)間的相關(guān)性較小，從而提高了外來惡意攻擊的難度，有效保護(hù)了用戶數(shù)據(jù)的安全.

(a)　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　(d)

變量名稱變量取值相關(guān)系數(shù)str111223344str2112233450.0938str111223344str3112233550.0635

4　系統(tǒng)測試

基于RFID的電動汽車充電樁結(jié)算系統(tǒng)作為充電樁的一個獨(dú)立模塊，該模塊在電動汽車交流充電樁中進(jìn)行測試，此交流充電樁采用飛思卡爾MC9S12XEQ512為主控制器，也是結(jié)算模塊的上位機(jī)，充電對象為奇瑞汽車股份有限公司生產(chǎn)的純電動乘用車，型號為SQR7000BEVJ00. 圖9為測試系統(tǒng)程序流程，主要包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、用戶信息識別、讀取用戶數(shù)據(jù)和3DES算法解密、充電過程實時監(jiān)測及結(jié)算后寫入3DES算法加密數(shù)據(jù)等部分組成. 圖10為充電過程實時監(jiān)測時的相關(guān)參數(shù)顯示界面，以對突發(fā)狀況及時處理，保護(hù)充電設(shè)備和受電設(shè)備安全.

從測試結(jié)果來看，本文設(shè)計的基于RFID的電動汽車充電樁結(jié)算系統(tǒng)硬件電路穩(wěn)定、系統(tǒng)程序運(yùn)行可靠，3DES解密加密和解密算法的應(yīng)用有效提高了RFID智能卡防止惡意攻擊的能力，保護(hù)了用戶數(shù)據(jù)安全.

5　結(jié)束語

以嵌入式技術(shù)和RFID技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了電動汽車充電樁充電費(fèi)用結(jié)算系統(tǒng). 該系統(tǒng)以嵌入式微處理器STM32F103C8T6為控制核心，以射頻通信收發(fā)芯片MFRC531實現(xiàn)非接觸式智能卡讀寫功能. 處理器通過RS485通信接口與電能計量模塊間的信息交互，實現(xiàn)電能消費(fèi)數(shù)據(jù)的讀取及費(fèi)用核算. 并采用3DES算法對數(shù)據(jù)加密，對智能卡用戶數(shù)據(jù)實施保護(hù)，有效地提高了RFID智能卡數(shù)據(jù)被復(fù)制、被篡改的防護(hù)能力，增強(qiáng)了安全性. 測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高可靠性、穩(wěn)定性、靈活性及實用性. 該設(shè)計成果為電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行及服務(wù)結(jié)算方式提供了一定的借鑒和參考意義.

圖9　系統(tǒng)程序流程

圖10　系統(tǒng)充電監(jiān)控界面

參考文獻(xiàn)：

[1] 張建偉,楊芳,秦儉,等.電動汽車交流充電控制導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表, 2014,51(5):78-82.

[2] 戴鵬,顧丹珍,張志偉.適用于電動汽車優(yōu)化充電的管理方法[J].電源技術(shù),2015,39(2):277-279.

[3] 桑林,徐洪海,管翔.電動汽車交流充電接口控制導(dǎo)引電路試驗設(shè)計[J].電測與儀表, 2013(2):112 -115.

[4] 張允,陸佳政,李波.利用有源濾波功能的新型電動汽車交流充電樁[J].高電壓技術(shù),2011,37(1):150-156.

[5] 葉翔,徐展,胡翔,等.低成本有源RFID雙向認(rèn)證加密方案[J].計算機(jī)應(yīng)用,2014,34(2):456-460.

[6] 潘新娜,鮑可進(jìn),唐宏斌.基于ARM的雙界面IC卡讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與科學(xué),2014,36(5):991-996.

[7] 李浪,鄒祎,賀位位,等.EPCBC密碼算法的FPGA優(yōu)化實現(xiàn)研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2015,44(1):97-100.

[8] 胡冶,李翔.基于MD5和DES算法的RFID標(biāo)簽簽發(fā)和驗證機(jī)制[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2015(3):70-71，76.

[9] 任世超,汪獻(xiàn)忠,陳富強(qiáng).基于ARM 的SF6在線儀表校驗裝置[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(12):39-41.

[10] 李珍香,李國,李德興.基于ARM的RFID智能安全管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計,2010，31(12):2744-2748.