（控制理论与控制工程专业论文）基于lon总线的小区智能卡系统的应用研究.pdf

捅晏 l o n 总线技术是当今炙手可热的自动化技术，已经被广泛应用在楼宇自动化、 智能小区、交通运输、工业控制等领域。智能卡技术在智能小区中的应用也是如 火如荼。如何把l o n 总线技术和智能卡技术集成为一个成本低廉、自动化程度高 和安全可靠的系统，是许多企业竞相研发的一种重要技术，也有着广泛的应用前 景。 论文首先概括性地介绍了智能小区的概念以及l o n 总线技术，并对l o n 总线 技术在智能小区中的应用做了分析和展望。在概括性地介绍智能卡的物理结构之 后，重点介绍了a t 8 9 s c l 6 8 芯片的使用，智能卡的文件数据结构和卡内操作系统 结构。然后论文在详细研究d e s 、r s a 、e c c 等加密算法的前提下，分析了它们在 实际应用中性能上的优缺点，进而，设计了一种基于d e s 和e c c 的混合加密体制， 给出了算法的实现流程，解决了单独使用d e s 、r s a 算法所带来的密钥保存不方 便和运算速度较慢等问题，有效地提高了系统的安全性能。接着文章给出了一种 基于l o n 总线的小区智能卡系统集成方案。该方案解决了小区产品协议多元化和 面向各种应用的体系结构不匹配等问题，并使用混合密码体制提高了系统安全 性。最后文章设计了一个基于l o n 总线的小区智能卡停车收费管理系统和门禁系 统，并给出了每个系统详细的软硬件、网络设计和安全性解决措施。设计的系统 具有信息综合、资源共享、物业管理集中化等特点和自动化程度高、性能稳定、 高度安全等优点，使得智能小区真正达到住户安全、舒适、便捷等要求。 关键词：智能小区l o n 总线智能卡d e sr s ae c c 加密算法 a b s t r a c t f i e l d b u si st h eh o t t e s ta u t o m a t i o nt e c h n o l o g yt o d a yw h i c hh a sb e e nu s e di na l l k i n d sf i e l d s ，s u c ha s b u i l d i n ga u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n tr e g i o n ，t r a f f i ct r a n s p o r t ， i n d u s t r i a lc o n t r o l l i n g t h et e c h n o l o g yo fs m a r tc a r dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h e i n t e l l i g e n tr e g i o n s o i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt om a k es o m er e s e a r c h e so nh o wt o i n t e g r a t et h el o nf i e l d b u sa n ds m a r tc a r di n t o ac h e a p n e s s ，h i g h e rd e g r e eo f a u t o m a t i o n ，h i g h e rs e c u r i t ya n dc r e d i b i l i t ys y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ec o n c e p to fi n t e l l i g e n tr e g i o na n dt h et e c h n o l o g yo fl o n f i e l d b u si sg e n e r a l l yi n t r o d u c e d ，a n da l s oa n a l y s e da n dp r o s p e c t e dt h ea p p l i c a t i o no f l o nf i e l d b u si n i n t e l l i g e n tr e g i o n a f t e rs y n o p t i c a l l y i n t r o d u c e dt h e p h y s i c a l s t r u c t u r eo fs m a r tc a r d ，t h eu s i n go ft h ec h i pa t 8 9 s c l 6 8a n ds t r u c t u r eo nf i l ea n d d a t ao fs m a r tc a r di s e s p e c i a l l yi n t r o d u c e d a f t e rp a r t i c u l a r l y r e s e a r c h e dt h e c r y p t o g r a ma l g o r i t h mo fd e s ，r s a ，e c c ，w i t hw h i c ht h ev i r t u ea n ds h o r t c o m i n go f p e r f o r m a n c ei np r a c t i c eu s i n gi sa n a l y s e d t h r o u 曲w h i c hah y b r i de c r y p t o g r a m s y s t e mb a s e do nt h ed e sa n de c c i sd e s i g n e d ，a n da l s ot h ef l o wo ft h i sc r y p t o g r a m i sp r o v i d e d w i t ht h i sc r y p t o g r a m ，t h ep r o b l e m so fc o n s e r v a t i o no fk e ya n dv e l o c i t y o fo p e r a t i o nw h i c ha r o s e sf r o mu s i n gd e s ，r s aa l g o r i t h ms i n g l yi si tr e s o l v e d ，a n d t h es e c u r i t i e so ft h es y s t e mi si m p r o v e d t h e nad r a f ti sg i v e n w i t ht h i sd r a f t ，t h e p r o b l e m so fv a r i o u sp r o d u c t so fr e g i o na n dt h es y s t e ms t r u c t u r eu n m a t c h i n gi s r e s o l v e d ，a n dt h es e c u r i t yo fs y s t e mi si m p r o v e db yu s i n gt h em i xc r y p t o g r a m a tl a s t b a s e do nt h el o nf i e l d b u sa n ds m a r tc a r dt h e c h n o l o g y , as y s t e mo fa u t o m a t i cc h a r g e p a r ka n dd o o rm a n a g es y s t e mi sd e s i g n e d ，t h es t r u c t u r eo fn e t * o r k ，h a r d w a r e ， s o f t w a r ei sp a r t i c u l a r l yd e s i g n e da n ds e c u r i t ym e a s u r eo fs y s t e mi sg i v e n t h i ss y s t e m h a st h ec h a r a c t e r i s t i co fi n f o r m a t i o ns y n t h e s i sa n dm a n ye x c e l l e n c e s ，s u c ha sh i g h e r a u t o m a t i cd e g r e e ，s t e a d yp e r f o r m a n c ea n da l t i t u d i n a ls e c u r i t y w i t ht h i ss y s t e m ，t h e d e m a n do fs e c u r i t y , c o m f o r ta n dc o n v e n i e n c ei sa c h i e v e di ni n t e l l i g e n tr e g i o n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tr e g i o nl o nf i e l d b u s s m a r tc a r dd e sr s a e c c c r y p t o g r a ma r i t h m e t i c 湖南大学硕i 论文一堆fl o n 总线的小区智能卡系统的应用研究 第一章智能小区概述 1 1智能小区基本知识 1 1 1国内外智能小区的发展状况 智能小区的概念起源于智能大厦( i b ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 。1 9 8 4 年世界 上第一座智能大厦在美国诞生。在短短的十几年中美国、日本、欧洲的几万座智 能大厦纷纷建起。美国1 9 8 6 年成立了“智能建筑协会”，其会员横跨1 7 个国家， 并宣布自1 9 9 5 年以后要大幅度增加智能型大楼的比例。日本也于1 9 8 5 年成立了 国家智能建筑专业委员会对智能建筑的发展给予政策上的支持，使日本成为智能 建筑发展非常快的国家，据统计日本新建的建筑物中6 0 以上是智能型的。进入 9 0 年代英国、法国、加拿大、瑞典等相继建成一批有自己特色的智能建筑。 智能小区发展起始阶段，人们把建筑自动化( b a ：b u i l d i n ga u t o m a t i c ) 、 办公自动化( o ao f f ic e ：a u t o m a t i c ) 、通信自动化( c a ：c o m m u n ic a t i o n a u t o m a t ic ) 作为其基本要求。现在，国外又将消防自动化( f a ：f ir ea u t o m a t ic ) 和安保自动化( s a ：s e e j r i t ya u t o m a t ic ) 包括在内，构成所谓的5 a 的智能小区， 其结构如图卜1 所示。 图卜l5 a 型智能小区结构图 随着信息化技术( i t ：i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 的发展，智能大厦迅速扩 展到智能小区并走进家庭( i h ：i n t e l l ig e n th o m e ) ，从而实现城市智能化，并随 着信息高速公路( i s ：i n f o r m a t i or l s p e e d w a y ) 的发展，智能大厦、智能小区己 成为息高速公路的信息节点。 1 9 8 3 年美国电子工业协会组织专门的机构开始制定智能小区电气设计标 准。于1 9 8 8 年编制了第一个适用于智能小区的电气设计标准：家庭自动化系统 与通讯标准。在制定的设计规范与标准中，提出智能小区的电气设计要求必须 满足以下三个条件： 1 湖南大学硕士论文一璀十l o n 总线的小区智能卡系统的应用研究 1 ) 具有控制总线系统。 2 ) 通过总线系统提供各种信息和自动化管理服务功能。 3 ) 能和住宅以外的外部世界相联系。 我国居民小区的实情与国外不相同，国民居住模式绝大多数是居民小区而非 别墅，因此我国的智能化小区的模式与国外不同。全国住宅小区智能化系统示 范工程建设要点与技术导则( 试行稿) 中明确提出了智能小区在电气设计标准 上的五项目标：安全性，舒适性，便利的通讯设施， 综合信息服务，家庭智能 化。 1 1 2智能小区定义 智能小区是智能大厦、智能住宅和国内住宅小区特点相结合而衍生出来的。 最近建设部住宅产业化办公室提出了关于住宅小区智能化的基本概念：智能小区 是以科学技术为基础，依靠先进的设备和科学的管理，利用计算机及相关最新技 术，将自然生态环境和建筑技术与计算机技术、自动控制技术、通信与信息处理 技术等相结合的高度综合复杂系统；它为小区住户提供更加安全、方便、快捷、 舒适开放的家居环境，实现小区基础物业管理，安防管理以及信息管理方面的高 度综合自动化，以实现降低成本、节约能源、保护环境和提高服务等目标。 1 1 3智能小区与智能大厦的区别 智能小区与智能大厦都是智能建筑，但二者在市场对象、功能需求和技术路 线上具有明显的不同点”1 。 1 ) 用户市场不同。智能大厦有确定的用户和专门的使用目的：智能小区提供的 则是商品化的住宅产品，面向家庭销售。 2 ) 功能需求不同。智能大厦的功能需求和所要求采用的技术设备都有明确的针 对性和一些特殊要求。智能小区是一种面向社会提供的产品住宅，其主要要 求是小区安全防范系统、家庭耗能自动计量系统、计算机物业管理和计算机 网络信息系统。 3 ) 技术路线不同。智能大厦采用一些相对先进的技术和设备，为了实现某些特 定功能，甚至会采用价格昂贵的设备。智能小区面向市场，“成本否决的经济 性原则”对智能小区而言是第一位的，所以智能小区更注意系统的实用性、 可靠性、可操作性和可持续发展性。 湖南人学颁i ：论文、一基于l o n 总线的小区智能卡系统的应用研究 1 1 4 智能小区的设计标准 全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则( 试行稿) 把住 宅小区智能化系统评定标准分为三级( 一星级、二星级、三星级) 。具体功能和 等级标准如下”1 ： 1 ) 一星级 主要包括：安全防范系统、信息管理系统、信息网络系统等子系统。 2 ) 二星级 二星级除应具有一星级的全部功能外，同时在安全防范子系统和信息管理子 系统的建设方面，其功能及技术水平应有较大提升。信息传输通道应采用宽带数 据网作为主干网。 3 ) 三星级 三星级应具备二星级全部功能。其中信息传输通道采用宽带光纤用户接入网 作为主干网，实现交互式数字视频业务。三星级住宅小区智能化系统建设在可能 条件下，应实施现代集成制造系统( h i - c i m s ) 技术。 1 1 5 住宅小区智能化系统的构成 根据建设部全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则的要 住宅小区智能化系统智睦阿 象居智能管理系统 家居安防系纠l 家居通信il 家居智能化控制 物业综合管理系缝 防系咧i 信息服务 积：珊保门绿公竺 盏蓁套芦蠢 登委 ；磊i 更统 视播窟 网络信息雕务系统 教育信息服纠i 互联网络li 膏线接八w w ” 图1 2 智能小区各子系统图 求，结合智能化社区的基本概念和当前成熟的4 c 技术，我们给出了住宅小区智 能化系统的基本构成，见图1 2 。 蛐t停车场管理 薹-四表计盛远 甩视监控系统址外微波睬删攫 湖南大学顾j j 论义一基于l o n 总线的小区智能卡系统的应用研究 1 2 现场总线技术 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧下降，计算机与计算机 网络系统得到迅速发展。而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对 一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或者采用自封闭的集散系统， 难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换。要实现整个企业和区域的信 息集成与综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的， 造价低廉的通信系统，实现现场自动化设备之间的多点数字通信和底层现场设备 之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是顺应这一形势而产生的。现 场总线被誉为自动化领域的局域网，已成为自动化领域发展的热点之一，它的出 现标志着工业控制技术领域的一个新时代。 美国仪表协会( i s a ：i n s t r u m e n ts o c i e t y a m e r i c a n ) 是这样定义现场总线的： 现场总线是一种串行化、数字化数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控 制设备( 即场地级设备) 之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备( 即 车间级设备) 之间的联系。 现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统。它 作为智能设备的连接纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接成为 网络系统，并进一步构成自动化系统，实现了基本控制、补偿计算、参数修改、 报警、显示、监控、优化及控管为一体的综合自动化功能。现场总线控制系统是 个以智能传感器技术、自动控制技术、计算机技术、通信技术、网络技术为主 要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交 通、电力等领域都有广泛的应用前景。 与传统的d c s 相比，f c s 具有以下技术特点和优点： 1 ) 系统的全开放性。 2 ) 现场设备的智能化与功能自治性。 3 ) 系统结构的高度分散性。 4 1 对现场环境的适应性。 自8 0 年代中期以来，有几种现场总线技术己经逐渐形成其影响，并在一些 特定的应用领域显示了自己的优势。 1 ) 基金会现场总线( f f ：f o u n d a t io rf ie l d b u s ) 现场总线的两大国际组织i s p ( in t e r o p e r a b l es y s t e mp r o t o c 0 1 ) 和北美 w o r l d f i p ( w o r l df a c t o r yi n s t r u m e n tp r o t o c 0 1 ) 组织合并，产生了现场总线 基金会( f i e l d b u sf u n d a t i o n ) 并制定出了基金会现场总线规范。 4 湖南大学硕士论文一一基十l o n 总线的小区智能卡系统的应用研究 f f 现场总线是种全数字、串行、双向通信协议，用于现场设备如变送器、 控制阀和控制器等的互连。现场总线是存在于过程仪表间的一个局域网( l a n ) 以实现网内过程控制的分散化。 2 ) p r o f i b u s ( p r o c e s sf ie l d b u s ) 总线 p r o f i b u s 主要适合在加工自动化领域中使用。它采用o s i 模型的物理层、数 据链路层。传输速率为9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离为1 0 0 m 4 0 0 m 。其传输 介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可以挂接12 7 个站点。 p r o f i b u s 总线访问协议是一种混合的协议，包括主站之间的令牌传递方式 ( t o k e np a s s i n g ) 和主站、从站之间的主从方式( m a s t e r s l a v e ) 。主站在个 限定的时间内有总线访问权，从站按照主站的询问作出应答，它没有总线访问权。 主、从站在任何时候都可以增设或拆除。现场总线数据链路层将自动对令牌环重 新组态。令牌传递方式保证每个主站有足够的时间来完成它的通信任务。 3 ) c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 总线 c a n 广泛应用在离散控制系统。c a n 协议也是建立在i s o o s i 模型基础上的， 不过，其结构只有三层，只取o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。 其信号传输介质为双绞线。通信速率可以达到l m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远 可以达到l o k m 5 k b p s ，最多可以挂接1 1 0 个外部设备。 4 ) h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 总线 h a r t 是用于控制系统与现场智能仪表的一种工业标准通信协议。符合h a r t 通信协议的现场仪表保持了4 2 0 m a 标准化信号，同时以数字形式传输过程数据 和现场仪表数据。在不问断的过程模拟传输中，通过同一模拟回路上的数字信息， 用户可以获得现场仪表的诊断和维护信息，以及更多的过程数据。 1 3l o n 总线技术的原理 l o n 总线是美国e c h e l o n 公司推出的局部操作网络，为支持l o n 总线，e c h e l o n 公司开发了l o n w o r k s 技术。l o n w o r k s 技术使用开放式通信协议l o n t a lk 。 l o n w o r k s 技术包括以下几个组成部分”1 ： 1 ) l o n w o r k s 通信控制处理器n e u r o nc h i p 2 ) l o n i v o r k s 的通信协议l o n t a l k 3 ) l o n w o r k s 面向对象编程语言n e u r o nc 4 ) l o n w o r k s 开发工具 5 ) l o n w o r k s 网络服务( l o n w o r k sn e t w o r ks e r v i c e s ) 湖南大学硕l 论文一一筚于l o n 总线的小区智能卡系统的应用研究 1 3 1神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 的结构 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片。神经元芯片主要包含m c l 4 3 15 0 和 m c l 4 3 12 0 两大系列，m c l4 3 l5 0 支持外部存储器，适合更为复杂的应用，而 m c l 4 3 l2 0 则不支持外部存储器，它本身带有r o l l 。m c l 4 3 1 5 0 的输入时钟频率最 高可至1 0 m h z ，温度范围为一4 0 一+ 8 5 度。图卜3 为m c l 4 3 1 5 0 神经元芯片的逻辑 结构图。 图1 3n e u r o n 芯片原理图 神经元芯片由3 个微处理器、存储器( e e p r o m 、r a m 、r o m ) 、时序控制、i o 模块和网络通讯接口等模块组成。n e u t o n 芯片在c p o c p 4 通信端口或i o o 1 0 1 0 端口上收发信息。 神经元芯片内部装有三个微处理器：媒体访问控制( m a c ) 处理器、网络 ( n e t w o r k ) 处理器和应用( a p p l ic a t i o n ) 处理器，它们相互间信息交流按图 1 4 所示进行”1 。 图卜4 神经元芯片处理器和存储器关系 媒体访问控制处理器完成介质访问控制( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) ，它处理 湖南人学顾i j 论立一妊于l o n 总线的小区智能卡系统的应用研究 l o n t a l k 协议的第二层，包括驱动通信系统硬件和执行冲突避免算法，正确地对 在网络上传播的报文进行编码和解码。 网络处理器实现l o n t a l k 协议的第三层到第六层。它进行网络变量的处理、 寻址、事务处理、证实、背景诊断、软件计时器、网络管理、路径选择功能等。 应用处理器执行由用户编写的代码及由用户的代码所调用的操作系统服务。 m c l 4 3 1 5 0 存储器包括：5 1 2 字节的e e p r o m 用来存放网络配置和地址表，独 一无二的4 8 位神经i d 码；2 0 4 8 字节的r a m 包含堆栈段、应用程序和系统程序 的数据区、l o n t a l k 协议的应用缓冲区和网络缓冲区。神经元芯片有一个时间计 数器具有完成w a t c h d o g 、多任务的调度、定时功能。 神经元芯片和其它的设备连接是通过它的1 1 个i o 一一i 0 0i 0 1 0 来完成 的。这些管脚可以根据不同外部设备i o 的要求，灵活配置输入输出方式。1 0 4 1 0 7 可以通过编程设置成上拉：i o o 1 0 3 带有高电流接收：1 0 0 1 0 1 0 带有t t l 标准的迟滞输入：i o o 1 0 7 带有低电平检测锁存。神经元芯片带有两个片内定 时计数器。神经元芯片的专用编程工具n e u r o nc 提供的i 0 定义可以将1 1 个i 0 配置成3 4 个不同的i 0 对象：通过函数i 0i n ( ) 和i o o u t0 进行输入 输出操作。 1 3 2l o n 的通信协议 l o n 总线的一个非常重要的特点是它对多种通信介质的支持。使用最广泛的 是双绞线，其次是电力线，其它包括无线、红外、光纤、同轴电缆等。n e u r o n 芯片为适合不同的通信介质，可以将五个通信管脚配置成三种不同的接口模式， 以适合不同的编码方案和不同岳勺波特率。这三种模式是：单端( s i n g l ee n d e d ) 、 差分( d i f f e r e n t i a l ) 和专用模式( s p e c i ap u r p o s em o d e ) 。 l o n w o r k s 技术所使用的通信协议称为l o n t a l k 协议。l o n t a l k 协议遵循由国 际标准化组织( i s o ) 定义的开放系统互连( o s i ) 模型，是l o n t a k 协议区别于 其它各种协议的重要特点。 l o n t a lk 协议是为l o n 总线设计的专用协议，和其它网络的通信协议不同， 它具有以下特点”1 ： 1 ) 发送的报文都是很短的数据( 通常都是几个到几十个字节) 2 ) 网络上的节点往往是单片机 3 、通信带宽不高 4 ) 多节点，多通信介质 5 ) 可靠性，实时性。 7 湖南大学硕士论文一基于l o n 总线的小区智能卡系统的应用研究 l o n t a l k 是i s o 组织制订的o s i 开放系统互连参考模型的七层协议的一个子 集。它包容了l o n 总线的所有网络通信的功能，包含一个强大的网络操作系统， 通过其提供的网络开发协议形成固件，可使通信数据在各种介质中非常可靠的传 输。 1 ) l o n t a l k 协议的m a c 子层 l o n t a l k 的m a c 是c s m a c d ( 载波信号多路侦听) 协议的一种改进。对于c s m a 协议，在轻负载的情况下具有较好的性能，但是在负载比较严重的情况下必然会 产生碰撞。l o n t a l k 协议使用改进的c s m a 介质访问控制协议称为带预测的p 一坚 持c s m a ( p r e d i c t i r ep - p r e s i s t e n tc s m a ) 协议。它在保留c s i a 的优点的同 时，采用了所有节点根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，这就有效的 避免了网络中的频繁碰撞。 2 ) l o n t a l k 协议的链路层 l o n t a l k 协议的链路层提供在子网内帧的无响应传输。它提供错误检测的能 力，但不提供恢复能力。 3 ) l o n t a l k 协议的网络层 在网络层上，l o n t a l k 协议提供给用户一个简单的通信接口，定义了如何接 收、发送、响应等。网络管理的网络地址分配、出错处理、网络认证、流量控制、 路由器的机制也是在这一层实现的。 4 ) l o n t a l k 协议的传输层和会话层 l o n t a lk 协议的核心部分是传输层和会话层。传输层管理报文执行的顺序和 报文的二次检测。会话层主要提供了请求和响应机制，它通过节点的连接，来进 行远程数据服务，因此使用该机制可以遥控远程节点。 5 ) l o n t a l k 协议的表示层和应用层 l o n t a l k 协议的表示层和应用层提供以下几类服务：网络变量的服务：显示报 文的服务；网络管理的服务。 l o n t a l k 协议的网络地址结构可以有三层结构：域、子网和节点。域的结构可 以保证在子域的通信是彼此独立的；第二层结构是子网，每一个域中最多有2 5 5 个子网，一个子网可以是一个或多个通道的逻辑分组；第三层结构是节点，每个 子网最多有1 2 7 个节点，所以一个域最多有3 2 3 8 5 个节点。 1 3 3n e u r o nc 语言 n e u r o nc 是专门为n e u r o n ：占片设计的编程语言。它是从a n s ic 中派生出来 的，并且对a n s ic 进行了增删。最主要的是阻下几点“： 8 湖南人学颇一二论史一基于l o n 总线的小区智能卡系统的墟用研究 1 ) 提供了网络变量的定义 2 ) 引入了事件驱动的任务调度，定义了w h e n 语句 3 ) 把i 0 对象直接映射到处理器的i 0 4 ) 显式消息的传递，可以直接对l o n t a l k 协议的底层进行访问 5 ) 引入了定时器 值得注意的是n e u r o nc 不支持a n s ic 的一些功能，如浮点运算，文件i 0 等( 具体可以察看e c h e l o n 公司出版的n e u r o nc 手册) 。它是从a n s ic 中派生 出来的并对a n s ic 进行了删减和增补。对a n s i c 的扩展主要有：一个内部多任 务调度程序。它允许程序员以自然的方式来表达逻辑并行事件驱动的任务，同时 控制这些任务的优先级的执行和将i 0 对象直接映射到处理器的语法。 网络变量是一个对象，它可以连接到多个节点上，每个节点可以定义多个网 络变量。网络变量可以分为输入和输出两种。一个输入的网络变量可以与其它节 点的输出变量相连接，反之亦然。节点的数据可以通过网络变量共享，一个节点 的输出网络变量更新，则所有与它相连接的节点的输入网络变量的值也随之改 变。网络变量的传送是通过l o n t a ik 协议未完成的，对用户来说是透明的。我们 不必关心网络变量传送的目的地址、打包、拆包等一些的工作，大大的简化了开 发的工作量。一个节点最多可以定义6 2 个网络变量，并且网络变量的长度不能 超过3 l 字节，对于超过字节长度的网络变量可以使用显示报文。 在n e u r o nc 语言中，网络变量包含四个事件：n v u p d a t e o c c u r s ( ) 输入 网络变量接受到一个输入值；n vu p d a t e f a i ls ( ) 输出网络变量发送失败； n v u p d a t es u c c e d e s ( ) 输出网络变量发送成功和n v u p d a t e c o m p l e t e s ( ) 输 出网络变量发送完成( 包括失败和成功) 。 1 3 4l o n 开发工具 为了使l o n 总线的开发方便快捷，l o n w o r k s 技术中还包括一系列的开发工 具：节点开发工具n o d e b u i l d e r ，节点和网络安装工具l o n b i u l d e r ，网络管理工 具l o n m a n a g e 等。 n o d e b u i l d e r 只能完成节点开发的功能，不具备网络功能，它只是一个在 线仿真器。n o d e b u i ld e r 开发工具包括硬件和软件两部分，安装在p c 机上， n o d e b u i l d e r 提供了个开发l o n w o r k s 节点的开发环境，以便以后用网络管理 工具( l o n m a n a g e r 等) 进一步的集成。该工具主要由四部分组成：p c n s sp c 接1 7 1 卡，l t m1 0l o n t a l k 节点，m o t o r o l ag iz m 0 3 和s m x 兼容收发器。 l o n b u i ld e r 是l o n w o r k s 技术中最主要的一个开发工具，它包括节点开发器 湖南大学硕上论文一一基十l o n 总线的小区智能卡系统的应用研究 和网络管理器。在节点开发器中，包含一个n e u r o nc 编译器，能够将用户用n e u r o n c 编写的程序编译连接生成可下载文件或可供e p r o m 烧制的二进制映像文件。 1 ) 网络管理器 用来进行网络安装和配置，将物理上互联的应用节点进行逻辑上的连接，也 就是对节点分配逻辑地址即域、子网、所属的组；定义子网和网络通道；安装路 由器：优先级配置；网络变量和现实报文的互连，信息发送方式等功能。 2 ) 协议分析器和报文统计器 协议分析器是l o n b u i l d e r 中一个非常重要的工具，它能够截获网络上所有节 点的通信报文，并转换成可方便观察的a s c i i 字符。报文统计器能够分析当前网 络报文流量、带宽利用率、碰撞率和出错率，可基于此调整节点间数据通信。 l o n m a n a g e r 主要包括l o n m a n a g e rd d es e r v e r 和硬件接口卡。d d es e r v e r 能让w i n d o w s 下开发的软件通过d d e 接口方便的发送和接收网络变量。硬件接口 卡主要完成主机和神经元芯片之间的数据转换。在l o n m a n a g e rd d e 中，通过 p c l t a ( p cl o n t a l k a d a p t o r ) 和l o n 网交换数据。 1 4 本论文的主要内容和组织结构 本文探讨l o n 总线和智能卡技术在智能小区中的应用。智能小区是系统集成 技术、计算机技术、现代通信技术和自动化技术等多技术多学科交叉的领域，作 为一个新兴产业，引起了相关行业人士的热切关注。在自动化技术的应用上，传 统的智能小区普遍采用了独立的未集成的系统，而现场总线技术出现，使得智能 小区控制系统面临着重大变革。因而，怎样在智能小区中用好这一先进技术是当 前智能小区技术领域上方兴未艾的议题。 在随后的章节中，第二章介绍了智能卡的物理和数据结构，详细介绍了智能 卡芯片a t 8 9 s c l 6 8 的结构、性能和数据的存储访问：第三章在详细分析d e s 、r s a 算法的优缺点的前提下，提出了一种基于d e s 和e c c 的混合密码加密体制，并给 出了算法加密的详细流程及其在智能卡中的应用：第四章探讨了构建于l o n 总线 的智能小区系统的集成和智能卡系统的网络及软件结构，并给予了系统安全性方 面的实现方案；第五章设计了一个基于l o n 总线的智能小区停车场收费管理系 统，给出了系统详细的软硬件、网络和接口设计，并讨论了它的安全性。 湖南人学硕l 论文一基卡l o n 总线的小区智能卡系统的应用研究 第二章智能卡物理和数据结构 2 1智能卡概述 i c ( i n t e r g r a t e dc i r c u i t ) 卡，又称集成电路卡是2 0 世纪7 0 年代法国布尔 ( b u l l ) 公司提出来的，并于1 9 7 6 年首先创造出i c 卡产品。当前i c 卡已广泛 应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业。目前，国际上有影响的i c 卡 芯片制造厂商有：美国的t i 、c a t a l y s t 、m o t o l o r a 、a t e m l ：日本的n e c 、o k i 、 t o s h i b a 、h i t a c h i ；欧洲的p h i l i p s 、s i e m e n s 、s g s 等。 我国i c 卡应用是由银行卡的应用带动起来的。但从全球i c 卡应用和我国近 年来应用情况来看非银行领域占有绝对优势，三大领域成为i c 卡市场的主体“： 1 ) 人身份识别 2 ) 组织机构识别与管理 3 ) 电信领域 i c 卡是将具有存储、加密及数据处理能力的集成电路芯片镶嵌于塑料基片中， 涉及到微电子技术、计算机技术和信息安全技术，作为一种成熟的高技术产品， 智能卡提高了人们生活和工作的现代化程度，已成为一个国家科技发展水平的标 志之一。 i c 卡在经过二十几年的发展之后，逐渐形成了各种类别。 1 )镶嵌的集成电路的不同分类“： ( 1 ) 存储器i c 卡。卡内芯片为电可擦除可编程只读存储器，可按照读写对序 进行简单的读写和存储，适用于内部信息无需保密的急救卡。 ( 2 ) 逻辑加密i c 卡。它是在非加密型存储卡的基础上，再增加一部分加密控 制电路而形成。 ( 3 ) a s i c 卡( a p p l i c a t i o ns p e c i a li n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 专用集成电路卡，是在逻辑加密卡的基础上增加上一些专用电路，如完成 加密解密运算的电路等。 ( 4 ) c p u 卡 也叫智能卡，内含c p u 、r a m 、r o m 、e e p r o m 和固化于r o m 中的c o s 操作系 统。c p u 卡可用性和保密性最佳，是i c 卡的主要发展方向。 2 ) 使用领域来分： i c 卡有金融卡和非金融卡两种。 湖南大学硕，l 论文一基于l o n 总线的小区智能卡系统的戊用研究 3 )从i c 卡的硬件构成角度来分，可以分为图2 1 所示种类 一一次性使用型i c 卡 一 加密型- - l 多次性使用型i c 卡 厂_ 存储型叫 ，串行传输一 l 霉徽翥鼗桌 r 四u 卡 b 删型厂啪祧一峨袈勰 l 带c p u 型 l 环墨篡；靠笨t 箨 r 接触式i c 卡一；超级智能卡( 有液 晶显示和按键) 有源读写型i c 卡 l 并行传输型_ r 妻簧脊毳。嚣电池( m a s m 卡 i c 卡。 。一一o t p r o m 卡，p r o m 卡， e p r o m 卡，e e p r o m 卡) 无线电波遥控型( 有源或无源) 一非接触式i c 卡一静电耦合型 l 电磁感应耦合型1 单线圈型 电磁耦合型一 一多线圈型 图2 1i c 卡的分类 2 2 智能卡的物理结构 智能卡硬件构成包括：c p u 、存储器( 含r a m 、r o m 、e e p r o m 等) 和卡与读写 终端通讯的i o 接口。其一般结构为图2 2 所示“5 “”“1 。 智能卡c p u 一般兼容8 位字长单片机( 如m c 6 8 h c 0 5 ，i n t e l 8 0 5 1 等) 的微处理 器，在c o s 控制下实现卡与外界信息的传输，加解密和判别处理等。r o m 用于 存放c o s3 1 6 k 字节。 r a m 用于存放中间处理结构及作为卡与读写器信息交换的中间缓存器，容量 为1 2 8 1 k 字节。e e p r o m 则是真正可供用户访问的存储区，用于保存卡的各种信 息、密码、密钥、应用文件等，l k 1 6 k 字节。 湖南大学碗l ：论文一基于l o n 总线的小区智能卡系统的应用研究 图2 2 智能卡结构图 c p u 卡通常采用d e s 、r a s 等加密解密算法提高系统安全性能，采用r a s 算 法时要进行对运算速度要求较高的大指数模运算，8 位c p u 将难于胜任。因此在 a t m e l 公司的a t 9 0 s c l6 1 6 c 、s e i m e n s 公司的s l e 4 4 c 2 0 0 等高安全性加密微控制 器卡芯片中，均设置有专用加解密协运算处理器c a u 。 图2 - 3 为c p u 卡的存储区分配示意( 不同卡分配会有所不同) 。 制造发行区 e e p r o m 代码区 r a m 保密字区 文件区， e p r o m 文件分配表 1 r o m 图2 3 卡片存储器分配示意图 制造发行区存放制造和发行商代码，卡的序列号等；r o m 区存放c o s ；保密 区存放于文件操作权限有关的各种密码、密钥及相应描述信息；文件区存放应用 数据( 文件) ；文件分配表则存放于文件区各文件对应之描述信息，如文件的起 始地址、长度、权限等。 目前，能够设计生产智能型i c 卡芯片的只有世界少数几个著名厂商。我们 在小区智能卡系统中选用了基于a t m e l 公司最新研制的a t 8 9 s c l 6 8 芯片的卡片。 1 ) a t 8 9 s c l 6 8 芯片特点”“ ( 1 ) 开放性的设计。芯片与i n t e l 公司的m c s - 5 l 系列产品兼容，可自出设 计芯片的监控程序和操作系统。 ( 2 ) 存储能力。芯片配置1 6 k 字节的闪存( f l a s hm e m o r y ) ，8 k 字节的e e p r o m 数据存储器，2 5 6 字节的随机存储器。 ( 3 ) 功能控制源。芯片配置一个随机字发生器，两个1 6 位定时计数器， 湖南大学顾i 论文一一一甚于l o n 总线的小匪智能卡系统的应用研究 三个中断源，两极中断优先权管理。 ( 4 ) 抗干扰能力。掉电保护，低频保护，高频滤波。 ( 5 ) 特殊的低功耗模式。休h 民模式和掉电模式。 ( 6 ) 遵循i s 0 7 8 16 标准的可编程串行口和电极触点排列。 2 ) a t 8 9 s c l 6 8 芯片简介 a t 8 9 s c l 6 8 芯片是一种低功耗的高性能8 位微处理器芯片。它具有1 6 k 字节 的闪存、8 k 字节的e e p r o m 和2 5 6 字节的内部随机存储器r a m 。作为芯片程序存 储器的闪存允许在线擦除9 入1 0 0 0 次。芯片采用高密度c m o s 非易失性存储器 技术制造，并与工业标准8 0 c 5 1 和8 0 c 5 2 指令集兼容。芯片逻辑框图如图2 - 4 。 v c c 0 0 陋t 口j ( e e p r o m li r a m i 随机存储器ll 闪存 霄ii