智能IC卡水表的防攻击和防干扰设计

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1、 1 智能智能 IC 卡水表的防攻击和防干扰设计卡水表的防攻击和防干扰设计 摘要：摘要： 本文介绍了 IC 卡水表在实际应用中可能会遭受的几种攻击和干扰，并给出了在 IC 卡水表设计中具 体的防攻击和防干扰方法。 Anti-attack and anti-disturbance of IC card watermeterZhou Yuejian CEO of NingP o Long Kang Intelligent Instrument Corp. E-mail: zhouyjlktech- Abstrac: The introduction was conducted to several

2、 kind of attacks and dist urbances in IC card watermeter actual application.The author introduced the con crete mathod to prevent attacks and disturbances when designing IC card waterme ter. Key Words: IC card watermeter anti-attack anti-disturbance IC 卡水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、IC 卡技术对用水量进行计量并 进行用水数据传递

3、及结算交易的新型水表。 随着我国能源战略方案的实施和小区智能化的要 求，传统的上门入户抄表已不能适应社会的需要，所以这种新型 IC 卡水表以不可阻挡的势 头出现的各个新建小区中。IC 卡水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照 约定对用水量自动进行控制，并且自动完成水费计算，同时可以进行用水数据存储的功能。 由于其数据传递和交易结算通过 IC 卡进行，因而可以实现由工作人员上门抄表收费到用户 自己去营业所交费的转变。 与传统的用水计量仪表相比，采用 IC 卡水表技术可以带来许多新变化，给用户带来很 大的益处。随着水资源日益短缺，水价不断上涨，水费负担越来越重，人们开始看重过去不 被重

4、视的自来水了，节水意识不断提高。然而，很多用户不在“节约用水”上下功夫，却在 “节约费用”上做文章，利用现有一些厂家 IC 水表的漏洞和弱点进行攻击。再就是一些厂 家的 IC 卡水表在设计上也存在着一些缺陷，给用户可乘之机。 如电路的运行过程中死机， 受潮电路功耗加大而导致电路能量耗尽而不工作等都与产品 的防攻击能力有关。同时有些地方用水过去吃大锅饭，现在管的严了，用户有一定的抵触， 所以会试探性的对其攻击或是干拢。如果设计产品的时候，不做充分的考虑，会使用户的攻 击得惩，给管理部门造成一定的损失。如果用户的攻击未留下任何痕迹，则攻击是有效的。 这样的攻击涉及经济的原因，后果是严重的。如果解决

5、不善，就可能影响产品的推广使用， 严重着可以使企业丢掉市场，也有可能遭用户索赔。 所以一款 IC 卡水表的防攻击和防干拢的设计如何是成功的关键， 探讨一下 IC 卡水表的 防攻击和防干扰有非常重要的意义。 一、对 IC 卡水表攻击种类一、对 IC 卡水表攻击种类 对 IC 卡水表的攻击主要分为以下几种情况: 2 振动：用手敲击水表，达到水表出现故障，不走或是少计量，一般用户用手或是垫一厚 垫，那么水表从外观上是看不出来机械攻击的。 静电：用电子打火器伸入 IC 卡口，用打火器产生的静电攻击水表的电子部分，使电子 部分损失达到窃水的目地。 磁攻击：用磁石干扰水表的采样部分及传动部分，使水表不计量

6、或是少计量，从而达到 窃水的目的。现在市面上也时常出现一些不法的小商贩沿街叫卖窃水器。 水攻击：往卡座加入少许水，让卡座受潮，从而使用户水表的功耗加大或是损坏。 冷冻： 水表的使用环境温度不会低于零下 40 度， 但是水表的运输过程中有可能在零下， 所以设计过程中也要考虑这方面的原因。同时，用户的水表还要有防拆卸功能，一旦发生拆 卸，那即关阀不能用水。 以上几种情况，我们称之为物理攻击。在实际的使用过程中有可能出现，但是对于这样 的攻击，很难找到明显的破坏痕迹，所以处理起来非常棘手。 同时现在大家公认的原则是： 如果用户的攻击没留下任何痕迹而导致水表损坏， 由于无 法取证，这样的问题都归于产品

7、设计的缺陷，所以在设计的时候充分考虑，针对各种情况、 采取相应的措施，来不断完善产品的可靠性。 二、对水表的物理性攻击的防范办法二、对水表的物理性攻击的防范办法 1、对机械结构的攻击处理措施1、对机械结构的攻击处理措施 在水表的机械结构设计中合理地安排计量部分和阀体部分的关系结构是一个关键， 例如 研究干簧管、磁钢和阀体控制部分的电机的关系，使之结构紧凑，这是一款水表的振震性的 关键。 在实际应用中有绝大的多数的用户在使用中发现的不计量的故障多是由于振动导致磁 钢同干簧的位置和距离发生了变化而引起，近了或是远了。如果近了，那么干簧管该断开的 时候弹不开；远了会不吸合，所以表现在水表上最直接的现

8、象是不能计量，在水表的设计中 如果定义成攻击，那么这种情况水表会关阀，导致用户不能用水。 这样的故障现象在 IC 卡水表生产过程中一般不会体现出来，而是经过运输，安装的过 程中出现。如有的水表在用户初装后不开阀、显示攻击、液晶不显示等等。很大的一部是由 于运输过程式中造成的，进一步说是生产设计不合理造成的。 所以一般的生产厂家都将采样磁钢直接压铸在齿轮上， 尽可能的减速少机械的连接， 这 不失为一个好办法、好方案。机械的长寿命设计中关键的一项就是结构要简单、尽可能减少 传动齿轮的数量， 锣钉结构的数量。 如果一个水表的阀体部分及控制部的主体结构能够能一 次成型，那么它是最成功的。 3 那是一个

9、理想状态， 实际上是不可能的， 但思考的出发点是尽可能将一些部件的功能组 合起来，重新设计一款这样的水表，其故障率会大大减少的，也会增加其使用寿命。 在水表的运行过程中， 有一些管道振动形成或是人为的振动会引起水表的指针不转， 这 种现象从原理上消除它是不可行的，但是改变它的结构，使客观存在的组件减少，那么这种 现象的会大大减少的。 2、对 IC 卡水表的静电或是大电流攻击及解决措施2、对 IC 卡水表的静电或是大电流攻击及解决措施 对于用户对 IC 水水表的静电攻击，不是一个重要指标。居家环境很少遇到高于 2000 伏静电场这样的状况。 一般正常使用的电磁波强度也不可能达到会伤害人和其它电子

10、产品的 强度， 所以这个指标定在 2000 伏足够了。 对于接触式 IC 卡水表来说要想完全达到那种抗大 电流和静电的攻击是不可能的， 只要能达到卡口分坏了， 整表除卡通讯部分不能正常工作外， 其它部分能都正常工作就行。 有人认为将金属类具有破坏性的卡片插入卡座时，应不会对水表的正常使用产生影响， 包括电量消耗。 这时可以通过软件和硬件相结合的办法进行保护处理， 使对卡座的攻击意义 不大，即便卡座坏了，并不影响 IC 卡水表其它部分的正常工作。也可以采用关阀警的方案， 攻击取消后再开阀。 但从实际使用情况来看， 这个问题不会太严重。 因为 IC 卡水表一般是安装在用户家里， 使用对象明确，并且

11、水表是用户的财产，没有特殊的理由，用户并不会进行机械性的方法攻 击仪表。 不能考虑无限制的加强仪表的抗攻击性， 而是要对故意施加的破坏行为能够进行认定并 进行相应处罚才行。 3、IC 卡水表的防水、防油污及防潮的处理施。3、IC 卡水表的防水、防油污及防潮的处理施。 防止水气攻击只要采用合理的密封技术，一般都能满足要求。而防止油烟污染，只要在 IC 卡卡座上做一些技术处理比如加防尘罩等就可以解决。 然而对接触式 IC 卡水表，八个触点是暴露在外的，这是没法密封的，这样的问题就需 要用软硬件结合的方法来解决。硬件上改变上拉电阻、软件上采用巡检的方法，这样即能让 卡座在潮温的环境下工作，同时又不增

12、加功耗，只要合理安排巡检的时间就可以了。 4、IC 卡水表的防磁措施4、IC 卡水表的防磁措施 磁性材料由于有成本低廉的特点，所以被广泛采用。但磁性材料比较容易受干扰，因此 应当加以考虑。IC 卡水表在遇到磁性物质干扰后，应会将阀门作关闭处理，关闭的时间和 开启的时间可以根据需要进行设定。当然也可以通过采用非磁性信号方式来解决这个问题。 现在一般水表厂家采用无磁传感采样的水表，那么这样的问题就少些了。 4 5、IC 卡水表的防拆卸措施5、IC 卡水表的防拆卸措施 应在表体和接头管件上设置铅封口并可进行防伪铅封处理，以防止随意拆卸水表的行 为。在电子部分上可以采取一个触动开关，如果用户进行机械拆

13、装的话可以进行关阀报警。 当然，对于湿式 IC 卡水表，防冷冻问题也是一个问题，主要是一个保管和使用方法问 题，比如说，在结冰的温度区，要做排水处理，防止冰涨，这显然是个管理问题。温度低于 零度不必考虑水表的使用，因为水已经结冰，无法计量。但是在运输和保管过程中，可能会 遇到远远低于零度的温度，这就需要考虑。这个合理指标的数值应当是-25 度至+50 度范围 内，在这个范围内水表应当不会被冻坏，当温度恢复到正常温度后，水表应能正常工作。 三、IC 卡水表中干扰的种类。三、IC 卡水表中干扰的种类。 在 IC 卡水表系统中还存在一定的干扰，对水表的系统安全造成一定的威胁，在电子学 中对干扰的分类

14、大多分为燥声干扰，电源串扰、静电干扰。 在电子学中，干扰是这样来定义的，干扰：在接收一所需信号时，非所需能量造成的扰 乱效应，包括其它信号的影响、杂散发射、人为燥声等。 在国际无线电咨询委员会的文件中，干扰的结果被分为三类；允许的干扰、可接受的干 扰和有害的干扰。 下面在水表中提到的干扰是指电子电路中的干扰， 是整个系统统或设备中 的一个关键部分。 在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避 免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。 形成干扰的基本要素有三个， 下面来介绍一下 干扰的防范措施： 1) 干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，描述如下：燥声大的地方

15、就是干扰源。 如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。 2)传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传 播路径是 通过导线的传导和空间的辐射。 3)敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A 变换器，单片机，数字 IC， 弱信号 放大器等。 抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的 抗干扰 性能。 1、抑制干扰源1、抑制干扰源 抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的燥声。 这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的 原则， 常常会起到事半功倍的效果。 减小干扰源的燥声主要是通过在干扰源两端并联电容来 实现。减小干扰源的则是在干扰

16、源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。 5 抑制干扰源的常用措施如下： 1) 电机增加续流二极管，消除线圈产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使电流时 间滞后，再增加稳压二极管后为更好。给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短 2)电路板上每个 IC 要并接一个 0.01F0.1F 高频电容，以减小 IC 对电源的影响。 注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电 阻，会影响滤波效果 3)布线时避免 90 度折线，减少高频噪声发射 按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。 所谓传导干扰是指通过导线传播到 敏感器件的干扰。高频干扰噪声和 有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的 方法切断高频干扰 噪声的传播，有时