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IC卡水表是一種利用現代微電子技術、現代傳感技術、IC卡技術對用水量進行計量并進行用水數據傳遞及結算交易的新型水表。隨著我國能源戰略方案的實施和小區智能化的要求，傳統的上門入戶抄表已不能適應社會的需要，所以這種新型IC卡水表以不可阻擋的勢頭出現的各個新建小區中。IC卡水表除了可對用水量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量自動進行控制，并且自動完成水費計算，同時可以進行用水數據存儲的功能。由于其數據傳遞和交易結算通過IC卡進行，因而可以實現由工作人員上門抄表收費到用戶自己去營業所交費的轉變。 與傳統的用水計量儀表相比，采用IC卡水表技術可以帶來許多新變化，給用戶帶來很大的益處。隨著水資源日益短缺，水價不斷上漲，水費負擔越來越重，人們開始看重過去不被重視的自來水了，節水意識不斷提高。然而，很多用戶不在“節約用水”上下功夫，卻在“節約費用”上做文章，利用現有一些廠家IC水表的漏洞和弱點進行攻擊。再就是一些廠家的IC卡水表在設計上也存在著一些缺陷，給用戶可乘之機。 如電路的運行過程中死機，受潮電路功耗加大而導致電路能量耗盡而不工作等都與產品的防攻擊能力有關。同時有些地方用水過去吃大鍋飯，現在管的嚴了，用戶有一定的抵觸，所以會試探性的對其攻擊或是干攏。如果設計產品的時候，不做充分的考慮，會使用戶的攻擊得懲，給管理部門造成一定的損失。如果用戶的攻擊未留下任何痕跡，則攻擊是有效的。這樣的攻擊涉及經濟的原因，后果是嚴重的。如果解決不善，就可能影響產品的推廣使用，嚴重著可以使企業丟掉市場，也有可能遭用戶索賠。 所以一款IC卡水表的防攻擊和防干攏的設計如何是成功的關鍵，探討一下IC卡水表的防攻擊和防干擾有非常重要的意義。 一、對IC卡水表攻擊種類 對IC卡水表的攻擊主要分為以下幾種情況: 振動：用手敲擊水表，達到水表出現故障，不走或是少計量，一般用戶用手或是墊一厚墊，那么水表從外觀上是看不出來機械攻擊的。 靜電：用電子打火器伸入IC卡口，用打火器產生的靜電攻擊水表的電子部分，使電子部分損失達到竊水的目地。 磁攻擊：用磁石干擾水表的采樣部分及傳動部分，使水表不計量或是少計量，從而達到竊水的目的。現在市面上也時常出現一些不法的小商販沿街叫賣竊水器。 水攻擊：往卡座加入少許水，讓卡座受潮，從而使用戶水表的功耗加大或是損壞。 冷凍：水表的使用環境溫度不會低于零下40度，但是水表的運輸過程中有可能在零下，所以設計過程中也要考慮這方面的原因。同時，用戶的水表還要有防拆卸功能，一旦發生拆卸，那即關閥不能用水。 以上幾種情況，我們稱之為物理攻擊。在實際的使用過程中有可能出現，但是對于這樣的攻擊，很難找到明顯的破壞痕跡，所以處理起來非常棘手。 同時現在大家公認的原則是：如果用戶的攻擊沒留下任何痕跡而導致水表損壞，由于無法取證，這樣的問題都歸于產品設計的缺陷，所以在設計的時候充分考慮，針對各種情況、采取相應的措施，來不斷完善產品的可靠性。 二、對水表的物理性攻擊的防范辦法 1、對機械結構的攻擊處理措施 在水表的機械結構設計中合理地安排計量部分和閥體部分的關系結構是一個關鍵，例如研究干簧管、磁鋼和閥體控制部分的電機的關系，使之結構緊湊，這是一款水表的振震性的關鍵。 在實際應用中有絕大的多數的用戶在使用中發現的不計量的故障多是由于振動導致磁鋼同干簧的位置和距離發生了變化而引起，近了或是遠了。如果近了，那么干簧管該斷開的時候彈不開；遠了會不吸合，所以表現在水表上最直接的現象是不能計量，在水表的設計中如果定義成攻擊，那么這種情況水表會關閥，導致用戶不能用水。 這樣的故障現象在IC卡水表生產過程中一般不會體現出來，而是經過運輸，安裝的過程中出現。如有的水表在用戶初裝后不開閥、顯示攻擊、液晶不顯示等等。很大的一部是由于運輸過程式中造成的，進一步說是生產設計不合理造成的。 所以一般的生產廠家都將采樣磁鋼直接壓鑄在齒輪上，盡可能的減速少機械的連接，這不失為一個好辦法、好方案。機械的長壽命設計中關鍵的一項就是結構要簡單、盡可能減少傳動齒輪的數量，鑼釘結構的數量。如果一個水表的閥體部分及控制部的主體結構能夠能一次成型，那么它是最成功的。 那是一個理想狀態，實際上是不可能的，但思考的出發點是盡可能將一些部件的功能組合起來，重新設計一款這樣的水表，其故障率會大大減少的，也會增加其使用壽命。 在水表的運行過程中，有一些管道振動形成或是人為的振動會引起水表的指針不轉，這種現象從原理上消除它是不可行的，但是改變它的結構，使客觀存在的組件減少，那么這種現象的會大大減少的。 2、對IC卡水表的靜電或是大電流攻擊及解決措施 對于用戶對IC水水表的靜電攻擊，不是一個重要指標。居家環境很少遇到高于2000伏靜電場這樣的狀況。一般正常使用的電磁波強度也不可能達到會傷害人和其它電子產品的強度，所以這個指標定在2000伏足夠了。對于接觸式IC卡水表來說要想完全達到那種抗大電流和靜電的攻擊是不可能的，只要能達到卡口分壞了，整表除卡通訊部分不能正常工作外，其它部分能都正常工作就行。 有人認為將金屬類具有破壞性的卡片插入卡座時，應不會對水表的正常使用產生影響，包括電量消耗。這時可以通過軟件和硬件相結合的辦法進行保護處理，使對卡座的攻擊意義不大，即便卡座壞了，并不影響IC卡水表其它部分的正常工作。也可以采用關閥警的方案，攻擊取消后再開閥。 但從實際使用情況來看，這個問題不會太嚴重。因為IC卡水表一般是安裝在用戶家里，使用對象明確，并且水表是用戶的財產，沒有特殊的理由，用戶并不會進行機械性的方法攻擊儀表。 不能考慮無限制的加強儀表的抗攻擊性，而是要對故意施加的破壞行為能夠進行認定并進行相應處罰才行。 3、IC卡水表的防水、防油污及防潮的處理施。 防止水氣攻擊只要采用合理的密封技術，一般都能滿足要求。而防止油煙污染，只要在IC卡卡座上做一些技術處理比如加防塵罩等就可以解決。 然而對接觸式IC卡水表，八個觸點是暴露在外的，這是沒法密封的，這樣的問題就需要用軟硬件結合的方法來解決。硬件上改變上拉電阻、軟件上采用巡檢的方法，這樣即能讓卡座在潮溫的環境下工作，同時又不增加功耗，只要合理安排巡檢的時間就可以了。 4、IC卡水表的防磁措施 磁性材料由于有成本低廉的特點，所以被廣泛采用。但磁性材料比較容易受干擾，因此應當加以考慮。IC卡水表在遇到磁性物質干擾后，應會將閥門作關閉處理，關閉的時間和開啟的時間可以根據需要進行設定。當然也可以通過采用非磁性信號方式來解決這個問題。 現在一般水表廠家采用無磁傳感采樣的水表，那么這樣的問題就少些了。 5、IC卡水表的防拆卸措施 應在表體和接頭管件上設置鉛封口并可進行防偽鉛封處理，以防止隨意拆卸水表的行為。在電子部分上可以采取一個觸動開關，如果用戶進行機械拆裝的話可以進行關閥報警。 當然，對于濕式IC卡水表，防冷凍問題也是一個問題，主要是一個保管和使用方法問題，比如說，在結冰的溫度區，要做排水處理，防止冰漲，這顯然是個管理問題。溫度低于零度不必考慮水表的使用，因為水已經結冰，無法計量。但是在運輸和保管過程中，可能會遇到遠遠低于零度的溫度，這就需要考慮。這個合理指標的數值應當是-25度至+50度范圍內，在這個范圍內水表應當不會被凍壞，當溫度恢復到正常溫度后，水表應能正常工作。 三、IC卡水表中干擾的種類。 在IC卡水表系統中還存在一定的干擾，對水表的系統安全造成一定的威脅，在電子學中對干擾的分類大多分為燥聲干擾，電源串擾、靜電干擾。 在電子學中，干擾是這樣來定義的，干擾：在接收一所需信號時，非所需能量造成的擾亂效應，包括其它信號的影響、雜散發射、人為燥聲等。 在國際無線電咨詢委員會的文件中，干擾的結果被分為三類；允許的干擾、可接受的干擾和有害的干擾。下面在水表中提到的干擾是指電子電路中的干擾，是整個系統統或設備中的一個關鍵部分。 在電子系統設計中，為了少走彎路和節省時間，應充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設計完成后再去進行抗干擾的補救措施。形成干擾的基本要素有三個，下面來介紹一下干擾的防范措施： 1)干擾源，指產生干擾的元件、設備或信號，描述如下：燥聲大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。 2)傳播路徑，指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導線的傳導和空間的輻射。 3)敏感器件，指容易被干擾的對象。如：A/D、D/A變換器，單片機，數字IC，弱信號放大器等。 抗干擾設計的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。 1、抑制干擾源 抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的燥聲。這是抗干擾設計中最優先考慮和最重要的原則，常常會起到事半功倍的效果。減小干擾源的燥聲主要是通過在干擾源兩端并聯電容來實現。減小干擾源的則是在干擾源回路串聯電感或電阻以及增加續流二極管來實現。 抑制干擾源的常用措施如下： 1)電機增加續流二極管，消除線圈產生的反電動勢干擾。僅加續流二極管會使電流時間滯后，再增加穩壓二極管后為更好。給電機加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短 2)電路板上每個IC要并接一個0.01μF～0.1μF高頻電容，以減小IC對電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯電阻，會影響濾波效果 3)布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發射 按干擾的傳播路徑可分為傳導干擾和輻射干擾兩類。所謂傳導干擾是指通過導線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶不同，可以通過在導線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩。 2、切斷干擾傳播路徑的常用措施如下： 1)充分考慮電源對單片機的影響。電源做得好，整個電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機對電源噪聲很敏感,要給單片機電源加濾波電路或穩壓器，以減小電源噪聲對單片機的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當然條件要求不高時也可用100Ω電阻代替磁珠。 2)如果單片機的I/O口用來控制電機等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應加隔離（增加π形濾波電路）。控制電機等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應加隔離（增加π形濾波電路）。 3)注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區隔離起來，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問題。 4)電路板合理分區，如強、弱信號，數字、模擬信號。盡可能把干擾源（如電機，繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。 5)用地線把數字區與模擬區隔離，數字地與模擬地要分離，最后在一點接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則，廠家分配A/D、D/A芯片引腳排列時已考慮此要求。 6)單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。 7)在單片機I/O口，電源線，電路板連接線等關鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環、電源濾波器，屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。 3、提高敏感器件的抗干擾性能 提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態盡快恢復的方法。 提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下： 1)布線時盡量減少回路環的面積，以降低感應噪聲。 2)布線時，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。 3)對于單片機閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統邏輯的情況下接地或接電源。 4)對單片機使用電源監控及看門狗電路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整個電路的抗干擾性能。 5)在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數字電路。 6)IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。 軟件方面： 1)我習慣于將不用的代碼空間全清成“0”，因為這等效于NOP，可在程序跑飛時歸位； 2)在跳轉指令前加幾個NOP，目的同1； 3)在無硬件WatchDog時可采用軟件模擬WatchDog，以監測程序的運行； 4)涉及處理外部器件參數調整或設置時，為防止外部器件因受干擾而出錯可定時將參數重新發送一遍，這樣可使外部器件盡快恢復正確； 5)通訊中的抗干擾，可加數據校驗位，可采取3取2或5取3策略； 6)在有通訊線時，如I^2C、三線制等，實際中我們發現將Data線、CLK線、INH線常態置為高，其抗干擾效果要好過置為低。 硬件方面： 1)地線、電源線的部線肯定重要了！ 2)線路的去偶； 3)數、模地的分開； 4)每個數字元件在地與電源之間都要104電容； 5)在有繼電器的應用場合，尤其是大電流時，防繼電器觸點火花 6)為防I/O口的串擾，可將I/O口隔離，方法有二極管隔離、門電路隔離、光偶隔離、電磁隔離等。 7)選擇一個抗干擾能力強的器件比之任何方法都有效，我想這點應該最重要。因為器件天生的不足是很難用外部方法去彌補的，但往往抗干擾能力強的就貴些，抗干擾能力差的就便宜，正如臺灣的東東便宜但性能卻大打折扣一樣具體要根據各個場合來具體對待。 安全性要從兩個方面進行考慮，一個是制造商從技術上要切實解決安全問題，一個是使用管理部門要建立起必要的安全管理制度。所以，不能只從技術角度講安全。安全問題主要是個管理問題，就是說，管理超過技術，管理上的要求應高于技術上的要求。管理的好，一般的技術方案也能達到理想的安全要求，管理不好，再好的技術方案也沒有用處。因此，作為采用IC卡進行結算交易的部門，應當在加強安全管理方面采取足夠的措施，比如制定安全管理規程和嚴格的保密措施。當然，隨著智能計量儀表的大規模采用，相關的法律建設問題也要跟上。要在管理、技術、法律等多方面來保證使用該產品的安全性。 |
