（计算机应用技术专业论文）基于非接触式ic卡的油品装车管理系统设计和实现.pdf

摘要 本文设计并实现了基于非接触式l c 卡的油品装车管理系统。该系统主要利 用非接触式i c 卡的先进技术来监督和管理油品装车过程，对装车业务进行有效、 科学的管理。 本文首先分析射频识别系统( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 的工 作原理，并结合油品装车的业务需求和特点，规划了基于非接触式i c 卡的油品 装车管理系统的整体方案，然后分读卡器和计算机管理软件两部分设计和整合实 现。 本课题设计的用于油品装车管理的读卡器通过总线实现与管理计算机的通 信，并且根据该读卡器的功能需求，自定义了m o d b u s 子协议来实现对卡的基 本操作。本课题设计的基于c s 结构的油品装车管理软件使用s q ls e r v e r2 0 0 0 作为后台数据库，通过与读卡器的接口实现了数据交换，完成了系统的卡片管理1 和业务管理。其中，与读卡器通信的接口设计不仅使该管理软件的开发较为透明， 更有利于以后系统的扩展和二次开发。 对于一个用于油品装车交易的r f i d 系统，数据的安全性是最重要的性能指 标之一。本文主要采取了以下技术以确保该系统的安全：一是采用三次握手的认 证机制，保证通信双方的的真实性；二是采用快速防冲突机制，防止通信时卡片 之间出现数据干扰，以提高应用的并行性；三是采用循环冗余校验技术，以防止 通信中的干扰，确保数据的可靠性和完整性。另外，基于m i f a r e1 卡片存储区 域的访问控制机制和油品装车的业务特点，本文设计了一套专用的密钥管理策 略。该策略运用多层密钥加密机制和动态密钥生成机制，不仅实现了“一卡一密、 一时一密 ，增加了密钥产生和存储的安全，并且对l c 卡中数据的访问作了不同 级别的安全设定，大大提高了系统的安全性。 经过不断地调试和改进，本系统目前能基本满足油品装车业务管理的功能要 求。 关键字：油品装车管理系统；非接触式j c 卡；m o d b u s ；密钥管理 论文类型：应用研究 a b s t r a c t t h ea r t i c l ei sa b o u tt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fan o n t o u c hi cc a r d b a s e d s y s t e mm a n a g i n gt h ep r o c e s so ff i l l i n gp e t r o l e u mt ot a n kt r u c k s t h ed e s i g nc a n s u p e r v i s ea n dm a n a g et h ep r o c e s so ff i l l i n gp e t r o l e u mt ot a n kt r u c k si na ne f f e c t i v e a n ds c i e n t i f i cw a yb yl e v e r a g i n gt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo fn o n t o u c hi cc a r d s a tf i r s t t h ea r t i c l em a k e sa l li n t r o d u c t i o no ft h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fr a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) ，a n dt h e nd e s c r i b e st h ed e s i g no fac o m p r e h e n s i v e s o l u t i o nf o rt h ei cc a r d b a s e ds y s t e mm a n a g i n gt h ep r o c e s so ff i l l i n gp e t r o l e u mt o t a n kt r u c k sw i t hc o n s i d e r a t i o no ft h er e l a t e db u s i n e s sr e q u i r e m e n t sa n d c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h es y s t e mi sr e a l i z e dw i t ht h ed e s i g no ft w op a r t s ，c a r dr e a d e r a n dc o m p u t e rs o f t w a r e ，a n dt h e i ri n t e g r a t i o n i nt h eb u s i n e s so fp e t r o l e u mf i l l i n gt ot a n kt r u c k s t h ec a r dr e a d e rr e a l i z e sa n d m a n a g e st h ec o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n sw i t hb u sa n dr e a l i z e s i t sb a s i cc a r d o p e r a t i o n s w i t ht h eu s e r - d e f t n e dm o d b u ss u b p r o t o c o lu n d e rt h e f u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so nt h ec a r dr e a d e r t h ec o m p u t e rs o f t w a r ei sb a s e do nc l i e n t s e r v e r ( c s ) a r c h i t e c t u r ea n du t i l i z e ss q ls e r v e r2 0 0 0a si t sb a c k g r o u n dd a t a b a s e t h e c o m p u t e rs o f t w a r ec o m p l e t e sc a r dm a n a g e m e n ta n db u s i n e s sm a n a g e m e n ti nt h e s y s t e mb yv i s i t i n gt h ei n t e r f a c eo fc a r dr e a d e r sa n dt r a n s f e r r i n gt h ed a t aw i t hc a r d r e a d e r s i nt h es o f t w a r e ，t h ei n t e r f a c ef o rc a r dr e a d e rc o m m u n i c a t i o n si sd e s i g n e dt o n o to n l ym a k et h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r em o r et r a n s p a r e n t ，b u ta l s om a k et h e s y s t e me a s i l ys c a l e a b l ea n df u r t h e rd e v e l o p a b l e t h es e c u r i t yo ft h ed a t ac o m m u n i c a t i o n si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s p e c i f i c a t i o n sf o ra l lr f i ds y s t e mm a n a g i n gt h ep r o c e s so ff i l l i n gp e t r o l e u mt ot a n k t r u c k s t h ef o l l o w i n gt e c h n o l o g yi sa d o p t e dt oe n s u r et h es e c u r i t yo ft h es y s t e m ：a v a l i d a t i o nm e c h a n i s mw i t ht h r e et i m e so fh a n d s h a k e st oc o n f t r mt h ea u t h e n t i c i t yo f c o m m u n i c a t i n gp a r t i e s ar a p i dc o l l i s i o n p r o o fm e c h a n i s mt oa v o i dt h ed a t ai n f e r e n c e i nc o m m u n i c a t i o n sa m o n gaf e wc a r d sa n di r e p r o v et h ep a r a l l e lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t y o ft h es y s t e m ，a n dt h ec y c l i cr e d u n d a n c yc h e c kt e c h n o l o g yt o p r e v e n t i n gt h e i n t e r f e r e n c ei nc o m m u n i c a t i o n sa n di n s u r et h ed a t aa g a i n s tf a l l i b i l i t ya n d i n c o m p l e t e n e s s i na d d i t i o n as p e c i a l i z e dk e ym a n a g e m e n ts t r a t e g yi sd e s i g n e d b a s e do nt h ev i s i t i n gc o n t r o lm e c h a n i s mo ft h es t o r a g ea r e ao fm i f a r ec a r d sa n dt h e b u s i n e s sc h a r a c t e r i s t i c so fp e t r o l e u mf i l l i n gt ot a n kt r u c k s t h es t r a t e g ya d o p t s m u l t i l a y e re n c r y p t i o nm e c h a n i s ma n dm o b i l ek e yg e n e r a t i o nm e c h a n i s mt or e a l i z et h e s i t u a t i o no f “o n ek e yf o ro n ec a r da ta n yo n ep o i n ti nt i m e ”t oi m p r o v et h es e c u r i t yo f k e yg e n e r a t i o na n ds t o r a g e ，a n dt oa d i u s tt h es e c u r i t yl e v e l i nv i s i t i n gt h ed a t aj ni c c a r d st oi m p r o v et h es e c u r i t yo ft h es y s t e m n o wt h es y s t e mc a nf u n c t i o nt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fm a n a g i n gt h ep r o c e s s o ff i l l i n gp e t r o l e u mt ot a n kt r u c k sa f t e rt h es y s t e mh a sb e e nt r i a l e d ，t e s t e d ，a n d i m p r o v e df o raf e wt i m e s k e y w o r d s ：s y s t e mm a n a g i n gt h ep r o c e s so ff i l l i n gp e t r o l e u mt ot a n kt r u c k s ； n o n - t o u c hi cc a r d s ；m o d b u s ；k e y m a n a g e m e n ts t r a t e g y a r t i c l et y p e ：a p p l i e dr e s e a r c h n 学位论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 者签岿秕秒尹够 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 嚣 ，的渤易触苏 上海师范大学硕十学位论文第一章概述 1 1 引言 第一章概述 随着现代技术的飞速发展，各行各业已经深刻地认识到，应用信息技术对其 提高管理水平、提高生产效率有着极大作用。石油储运是石化工业的重要组成部 一 分。油品从石化企业生产后储存在油库的储罐中，然后配送到国民经济的各个部 门，配送到成千上万个加油站，配送到千家万户，油品配送的重要性是毋庸置疑 的。油品配送过程是通过油品装车这个环节来实现的，油库将储罐中的油品通过 装车站装载到槽车后，再运输发送至星罗棋布的各加油站。每个油库的装车站每 天要要面对几十个用户，装几十部到几百部槽车，每部槽车装十吨到二十几吨油， 不仅装车工作繁忙，而且涉及金额巨大的商务交易。 经过近十几年的努力，油品装车过程基本实现了定量控制和安全联锁控制。 但是，随着市场经济的发展，仅仅实现操作的自动控制是不够的，面对上述装车 站每天几十个用户几百部车的繁忙业务，还必须提高装车过程的管理水平，以进 一步提高装车的效率，遏制经济犯罪现象。本课题提出采用i c 卡技术建立的油 品装车管理系统，就是为了实现严密的油品装车业务管理，提高装车效率，提高 企业效益。 1 2 项目的背景和来源 i c 卡作为微电子技术和计算机技术有机结合的高技术产品，具有暂时或永 久性的数据存储能力，其内部数据可进行逻辑和数学运算处理，也可供外部读取 1 1 】。基于如此强大的功能，i c 卡几乎可以记录某些应用场合的所有信息，和磁条 卡、条码卡、i d 卡相比，具有更大的灵活性和可靠性，目前被广泛应用于电信、 银行、医疗、保安、军事等各方面，例如校园i c 卡、金融i c 卡、交通l c 卡等。 但是在油品装车配送中，国内目前还是主要依赖于人工管理，大量业务单据采用 手工操作，不仅开单、结算、统计等工作量大，而且常出现差错，更有经济犯罪 现象。人工管理装车业务过程的缺点归纳如下： 第一章概述上海师范人学硕士学位论文 ( 1 ) 浪费人力，效率低下； ( 2 ) 装车情况反馈速度慢，主管部门不能及时全面地监督各油库、各用户 的实际装车情况； ( 3 ) 很难避免运输过程中的差错和弄虚作假现象，造成企业资金流失； ( 4 ) 纸质票单不仅使用携带不方便，容易丢失，并且增加了企业成本； ( 5 ) 装车业务的对帐、核算工作复杂繁重，并且难以保证统计结果的正确 性、及时性。 为了改变上述状况，本课题提出了基于非接触式i c 卡的油品装车管理解决 方案。我校计算机应用技术研究所在油品储运自动化领域做了大量的研究和推广 工作，取得了很多成果，也积累了许多经验，本课题即来源于该所。 1 3 本文的研究内容和意义 本课题基于非接触式i c 卡的技术和油品装车的业务需要，拟设计并实现基 于非接触式l c 卡的油品装车管理系统。主要工作内容包括以下五部分： ( 1 ) 系统的总体设计：通过分析油品装车的流程，确定系统需要实现的功 能要求，提出应用系统的总体构架，以及软硬件设计方案； ( 2 ) 读卡器终端设备设计：完成与i c 卡操作系统( c h i po p e r a t i o ns y s t e m ， c o s ) 进行通信的功能，实现对i c 卡的数据读写，以及与管理计算机的通信，为 计算机提供数据； ( 3 ) 油品装车管理软件设计：根据油品装车的业务需求实现软件的设计， 包括发卡、l c 卡片维护及业务执行情况查询、设置及修改用户信息等； ( 4 ) 系统安全性的设计：研究和设计系统的物理安全和逻辑安全，包括r f i d 系统本身应有的安全和专用于油品装车业务系统的安全； ( 5 ) 测试调试：分模块进行各部分功能的测试，并做管理软件与终端读卡 器的联调，测试整个系统的稳定性和可靠性。 本课题设计的管理系统应能有效整合各种资源，加强装车业务的严密管理， 所以该课题将具有很好的实用意义。在设计中，本人针对油品装车的业务特点， 设计了专门的密钥管理策略。 2 上海师范人学硕士学位论文第一章概述 在本课题中，本人主要负责读卡器的软件设计和油品装车管理软件设计，硬 件设备部分则由其他同事协作完成。 1 4 本文的章节安排 基于本文的主要工作内容，本论文共分为六章。具体安排如下： 第一章介绍油品装车管理系统的项目背景、课题来源，概述了本文的主要 工作和项目意义； 第二章完成系统的总体架构设计以及主要模块设计。分析业务流程，提出 了整体设计目标以及模型，给出了总体设计方案； 第三章设计和实现读卡器终端设备，包括硬件和软件的设计实现。软件部 分按模块化思路，采用主程序模块、数据处理模块和通信模块分别设计和实现。 此部分是该管理系统的关键； 第四章设计和实现油品装车管理软件。分析业务需求，完成该系统的数据 模型设计和接口设计，实现软件的界面功能； 第五章从物理安全和逻辑安全两方面研究和实现系统的安全性，主要包括 用户认证、通信安全和存储区域的读写控制。其中设计了基于油品装车系统特点 的密钥管理策略； 第六章进行各部分的调试测试和应用系统整体的联调； 第七章总结本文的工作和下一步要完善的工作。 3 第二二章系统总体设计 上海师范人学硕十学伊论文 第二章系统总体设计 基于非接触式i c 卡的油品装车管理系统，旨在运用智能卡技术，在现有的油 品装车网络基础上，充分利用现代高科技管理方式和管理设备，来实现装车业务 管理现代化、信息资源共享化的目标，从而提高石油生产企业的管理质量和生产 效益。 2 1l c 卡相关技术 l c 卡是本系统的主要信息载体。作为核心组成部分之一，本节就有关非接触 式i c 卡和其应用系统r f i d 的特点和工作原理作简单介绍。 2 1 1 非接触式i c 卡技术综述 非接触式l c 卡又称无触点集成电路卡或射频卡，它是智能卡科学技术发展的 新产品，利用射频技术在卡片靠近读写终端设备时即可完成与卡中数据的交换， 达到信息的提取、修改等目的，目前在生产、生活各领域已经被广泛应用闭。 非接触式l c 卡特点与优势 自7 0 年代第一张l c 卡在法国诞生以来，l c 卡技术不断发展并其应用领域在 不断扩大。与条码卡、磁卡、光电卡等传统识别卡相比，i c 卡有如下优点： ( 1 ) 安全性高。i c 卡内的信息通过加密后阻止了非法复制和修改，从而保证 了数据的安全； ( 2 ) 存储容量大。目前最大容量可以达到1 6 m ，甚至更大，可以满足一些数 掘量比较多的应用系统； ( 3 ) 支持一卡多用。由于i c 卡内含微处理器、存储器，存储器分为若干区， 因此可以根据需要实现一卡多用： ( 4 ) 可靠性高。在任意场合均可以使用，它抗强电、抗静电、抗磁场，不怕 污染，而且可以重复读写，使用寿命长； ( 5 ) 读写设备简单，成本低。不像磁卡需要磁头，条形码需要光扫描和光电 识别模块。 i c 卡分接触式i c 卡和非接触式i c 卡，前者通过与读卡设备的触点接触进行 4 上海师范人学硕+ 学位论文第二章系统总体没计 数据读写，后者无需电路接触，通过无线技术实现此功能。因此，非接触式i c 卡 的内嵌芯片除了c p u 、逻辑单元、存储单元外，还增加了射频收发电路，它是射 频技术和i c 卡技术结合的产物。在功能上，除了具有以上所述l c 卡本身的优点 外，和接触式i c 卡相比，非接触式i c 卡还具有以下六大个优点【3 】： ( 1 ) 操作快捷 操作方便、快捷。由于采用非接触式无线通信，读写器对在感应范围内的卡 就可以进行操作，使用时无需插拔卡及固定方向。操作时，卡可以放在钱包、衣 服口袋或公文包中无需拿出，大大提高了使用速度。同时，由于卡与读卡器进行 通信时的载波频率较高，卡内芯片可以工作在较高的系统时钟下，使二者的通信 速率很高，完成一次操作仅需0 1 秒，这就大大提高了每次使用的速度。 ( 2 ) 高抗干扰性 非接触式i c 卡具有防冲突机制，在多张卡片同时进入读卡器工作范围时能够 防止卡片之间出现数据干扰，允许多张卡片同时操作，相对接触式i c 卡增加了“并 行”处理能力。 ( 3 ) 配合具体应用具有多种工作距离 非接触式i c 卡系统可根据环境与应用对象的不同而做到作用距离不同。非接 触式l c 卡中既有作用距离为几米、可用于高速公路收费系统中的远距离卡，又有 作用距离为几厘米、可用于电子钱包的近距离卡，使得系统配置灵活多样。 ( 4 ) 高可靠性 非接触式i c 卡与读卡器之间无机械接触，这就从根本上消除了由于接触读写 而产生的各种故障，同时无需担心由于触点损坏或脱落而导致卡片失效，提高了 应用的可靠性及设备的寿命。卡中的i c 芯片和感应天线完全密封在标准的p v c 中，提高了应用的可靠性和卡的使用寿命；而且由于无线电波不会受尘土、潮气 和震动的干扰，使得非接触式i c 卡可应用在恶劣的环境。同时，由于读卡器可以 置于障碍物的后面而不影响它与卡的通信，可以防止在接触式i c 卡的使用中对读 卡器进行恶意破坏现象的出现。 ( 5 ) 可适合于多种应用 非接触式i c 卡的存储结构的特点使其可以卡多用，能用于不同的系统，例 如，企业或机关内部员工“一卡通 ，可用作考勤、食堂就餐、电话管理、停车场、 第二章系统总体设计上海师范人学硕士学位论文 门禁等；校园“一卡通”，可用作学生证、借书证、消费卡、门禁“铜匙”等，此 时用户可以根据不同的应用设置不同的密码和访问条件。 ( 6 ) 高安全性 非接触式i c 卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前将此序列号固化于卡 内芯片中，不可再更改。非接触式卡与读写器之间采用双向互认验证机制，即读 写器要验证l c 卡的合法性，l c 卡也要验证读写器的合法性：使用时非接触式i c 卡 于读卡器要进行三次相互认证，而且通信过程中所有的数据都加密。此外，卡内 各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。 基于以上这些特点，非接触式l c 卡被广泛应用于很多场合，如校园一卡通、 小区管理、身份识别、楼宇智能化管理等，给我们的生活工作带来了很大方便。 目前，这种技术还在迅速发展，容量、安全性、功耗等各方面性能在不断改进发 展中。 非接触式i c 卡工作原理 在理解工作原理之前，本小节先研究非接触式l c 卡的结构组成。非接触式i c 卡由天线和内部电路两部分组成( 见图2 1 ) 。其中天线的匝数、长和宽由i c 卡的 工作频率决定，一般来说匝数为4 或5 。图中的带保护层i c 卡微晶片是整张卡的 核心，实现所有有关数据的处理，其保护层是为了防止受辐射、被折叠等外界损 坏以保证微晶片的稳定度和精确度。微晶片的内部模块结构框图如图2 2 所示【4 】， 主要由射频接口电路、数字电路和e e p r o m 系统三个部分组成。 6 图2 1 非接触式i c 卡组成框图 上海师范大学硕士学位论文第二章系统总体没计 图2 - 2 微晶片内部模块结构框图 e e p r o m 存储了i c 卡所有的数据，它通过e e p r o m 接口电路与数字部分进 行通信。数字电路部分由编码，解码、控制模块、算术运算模块、数据完整性校验 模块、密码生成和认证模块和e e p r o m 接口电路等部分组成。射频( r a d i o f r e q u e n c y , r f ) 接口电路主要实现电源能量的产生、调n 解调载波中的数据、时 钟信号的提取、上下电复位等功能。 基于以上内部电路的功能模块，非接触式l c 卡很好地实现了信息存储和数据 处理功能，具体工作原理描述如下1 5 】：通常由非接触式i c 卡与读写器之间通过调 制的射频信号来完成。读写器将要发送的信号编码后调制加载在载波信号上，并 经天线向外发送，当l c 卡进入读写器的工作区域，并且i c 卡的l c 振荡频率与读 写器发出的载波频率相同时，l c 振荡电路产生共振，从而使卡内电容有了电荷， 并通过电容另一端的单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储， 当所累积的电荷使电压达到某个预定值时，射频接口模块由此电容产生了电源电 压、复位信号及系统工作时钟，此时i c 卡被激活。与此同时i c 卡中的射频接口 部分以其本身的共振电路接收信号后解调从读写器传输到非接触式l c 卡的数据， 存取控制单元进行密码校验、编程模式检查、数据加密与解密等，并实现对 e e p r o m 的读写操作。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息， 经加密、编码、调制后由卡内天线以电磁波的形式发送出去，读写器对接收到的 信号进行解调、解码、解密后送至后台计算机处理。若系统要求修改卡内信息， 有关控制电路启动内部电荷泵将工作电压提升到规定值以便对e e p r o m 中的内 容进行改写。 7 第二章系统总体设计上海师范人学硕十学位论文 2 1 2r f i d 系统工作流程分析 所谓r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 系统i s ，就是非接触式 i c 卡( 即射频卡) 的应用系统，中文翻译为射频识别系统，在介绍该系统中我们 将用射频卡代替上述的非接触式l c 卡称谓，部分人也称其为r f i d 卡。r f i d 系统 以无线通信技术、大规模集成电路技术为核心，利用射频信号及其空间藕合、传 输特性，实现对静止或移动目标的自动识别，高效地获得目标信息数据，通过与 互联网等技术的结合可以实现全球范围内目标的跟踪与信息的共享。一个典型的 。 。 r f i d 系统由射频卡、终端读写设备、控制器构成，如图2 3 所示。 图2 - 3r f i d 系统图 射频卡作为事物信息的载体，为控制器提供系统所需的数据并接收控制器对 其内部数据进行的修改。终端读写设备即为我们平时所说的读卡器，按照控制器 的指令完成对射频卡的读写操作。控制器一般为p c 机或仪器仪表，分析处理从射 频卡中取得数据，并根据需要对其写入新的数据。射频卡与终端读写设备之间通 过射频信号传输数据，终端读写设备和控制器之间利用通信网络，有d t e d t e 方 式、电话网和现场总线等多种连接，具体方式决定于应用系统的特点和需求【7 】。 r f i d 系统的基本工作流程1 8 】：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号， 当附着标签的目标对象( 射频卡) 进入发射天线工作区域时会产生感应电流，射 频卡凭借感应电流所获得的能量将自身编码等信息通过内置发射天线发送出去； 系统接收天线接收来自射频卡发送来的信号，经天线调节器传送到读写器，读写 器对接收的信号进行解调和解码后，送控制器的数据管理系统进行相关处理；数 据管理系统根据逻辑运算判断射频卡的合法性，针对不同的设置做出相应的处理 和控制，发出指令信号，控制执行部分的动作。 8 上海师范人学硕+ 学位论文第二章系统总体设计 2 2 油品装车流程介绍 油品装车，指油品从石化企业生产后储存在油库的储罐中，然后配送到国民 经济的各个部门，配送到成千上万个加油站，配送到千家万户。油品配送过程主 要通过油品装车这个环节来实现，油库将储罐中的油品通过装车站装载到槽车后， 再运输发送至星罗棋布的各加油站。每个油库的装车站每天要要面对几十个用户， 装几十部到几百部槽车，每部槽车装十吨到二十几吨油，不仅装车工作繁忙，而 且涉及金额巨大的商务交易。为便于理解和分析，下面用典型的汽车油罐车装车 为例，介绍油品装车的流程： 用户的空车到达装车站门口后，先在操作室窗口进行业务确认。在业务站上 刷i c 卡，计算机上便读入了用户信息和罐车信息，业务管理员可以根据当前装车 站的装车状况，给该用户指定鹤位号、拟装油品等参数，司机得到指定鹤位号的 指令后，将空车开至汽车衡上刷卡过磅，这时业务站读入该槽车空车重量；之后 将槽车开至指定鹤位，放下鹤管，接好防静电接地夹，确定一切正常后，刷卡并 按装车批控仪上“启动”按钮，批控仪会按程序打开机泵和装车控制阀；等实际 装车量达到预装量时，装车批控仪会按程序关闭装车控制阀和机泵，完成定量装 车；装满油的槽车开至汽车衡上刷卡过磅，这时业务站读入该槽车满车重量；过 好磅的槽车开至门口，在业务站上刷卡，这时装车业务站先将该车在汽车衡上的 实装量与批控仪上读取的流量装车量相比，若吻合，则装车完成，立刻打出装车 单( 或发票) ，交司机离场出门；若不吻合，装车业务站将立刻报警，由操作员查 原因( 此举可防止偷油) 。这样一个完整的油品装车可用以下图2 4 的流程示意图 来表示： 9 第二章系统总体设计上海师范人学硕+ 学位论文 图2 4 油品装车流程 2 3 系统设计 系统的设计思想是在遵守本行业相关标准和规定的前提下，对油品装车实现 统一管理，实现“一车一卡、一人一卡 ，为营运行为管理、从业资质管理等应用 提供一套完善的解决方案。 2 3 1 系统设计原则 根据油品装车当前的应用需求和今后的发展方向，基于非接触式i c 卡的油品 装车管理系统的设计过程中着重遵循以下几点原则： ( 1 ) 易用性 在技术的选择上既要考虑技术的先进性，又要考虑实用、可靠和成熟性。在 系统所有功能的设计中，应充分考虑用户使用的方便性，提供友好的用户界面， 操作简单，直观灵活，易于为用户所接受。 ( 2 ) 可靠性 读卡器终端设备应有较强的抗干扰能力，能适应恶劣的工作环境，在油库现 场灰尘、油气等污染下确保设备及元气件的工作j 下常和稳定，在长期连续工作负 荷条件下( 2 4 小时3 6 5 同) 可以正常工作。 ( 3 ) 使用安全性 读卡终端设备和油库现场控制器应按照防爆要求设计，保证操作和使用的安 1 0 上海师范大学硕士学檀论文第二章系统总体设计 全。防爆标准应符合相关国家标准。 ( 4 ) 数据安全性 智能卡中存放的数据应该是安全的，用户不能随便访问和修改。数据传输的 过程也应该是安全的，从而保证系统数据的完整性。 ( 5 ) 易维护性 应采用模块化设计，便于以后的修改和功能扩展，便于安装和维护。 2 3 2 总体构架设计 基于非接触式i c 卡的油品装车管理系统采用分级管理的方式设计。所有的初 始密钥、用户信息由发卡中心统一管理：l c 卡中的业务原始数据来源于销售，调 度室以及装车站的现场仪表。分级管理体现在业务权限由上级机构授予给下级机 构，装车过程中的每个点根据实际情况具有不同的授权。系统的横型设计如图2 - 5 所示。 图2 * 5 基于1 | 接触式i c 的油品装干系统整体示意图 第_ 二章系统总体设计 上海师范人学硕十学位论文 发卡中心初始化非接触式l c 卡，包括初始密码的写入和持卡人信息的写入。 销售调度室负责把业务票单写入i c 中。油库的付油设备和加油站自动核对、改写 卡内票单的信息，并将业务执行信息上传送到数据库。发卡中一i l , 矛l 销售调度室可 以根据权限的定义查询和管理系统中的不同数据。 从示意图可以明显看出，油品装车涉及多个工作场地，有发卡中心、销售调 度室、油库和装车站，信息数据的来源比较零散。为了保证数据的一致性和易维 护性，本系统选择采用了集中式数据库方案。 系统的主要硬件组成有：业务管理机，现场装车控制设备，读卡器和非接触 式i c 卡。业务管理机和现场装车控制均按照系统要求提取、分析、修改i c 卡中 的数据，本文将其统一为管理计算机部分。根据功能模块化的设计思路，读卡器 部分应包括射频模块、m c u 控制模块和与计算机实现数据交换的通信模块，计算 机管理软件应包括系统管理模块、业务管理模块和装车过程管理模块。整个系统 的总体框架组成如图2 6 所示。 非接齄式i c 卡 jc 读卡器 通信模块+ _ m m c u 控制模块 ll 一射频模块。 管理计算机 系统管理模块业务管理模块装车过程管理模块 2 3 3i c 卡的选择与设计 图2 6 系统组成框图 随着非接触i c 卡技术的迅速发展和应用范围的不断扩大，市场上出现了多个 卡系列，其内部芯片、工作频率、存储容量、读写距离等都会有所区别。目前主 要产品有飞利浦的m f a r e1 、亿恒的i n f i n e o ns l e 4 4 r 1 6 、爱特梅尔的t e m i ce 5 5 5 1 、 斯沃琪集团的e m 4 1 0 2 等。选择何种类型的卡片决定于具体的应用场景。 在油品装车过程中，i c 卡作为身份识别和业务票单的载体，使用频率较高， 只要装车过程未结束，卡的使用就不会停。很多油库的工作环境比较恶劣，在油 1 2 上海师范人学硕+ 学位论文第二章系统总体设计 库现场有灰尘、油气等污染，由于在室外使用，湿度、温度也不稳定，所以要求 卡片防潮、防水、防油污能力都较好。另外，i c 卡内部存储了业务票单，一般金 额较大，卡中内容不能被随便篡改，因此要求有很好的保密性。当然，降低卡片 成本也是选择的重要依据之一。综合上述原因，本系统中我们选择使用p h i l i p s 公 司的m i f a r e1 射频卡。相比较于其他系列卡，m i f a r e1 射频卡的存储量较大、性 能较稳定，其安全性已达到金融级别，而且价格也比其他射频卡都要低。选择m i f a r e 1 射频卡具有较高的性价比，也足以满足本系统的应用要求。 m i f a r e 技术是p h i l i p s 公司推出的一种射频双界面卡技术，目前已被 i s o i e c l 4 4 4 3 a 制定为标准【9 】，作为目前世界上技术最成熟、性能最稳定的一种 感应式智能l c 卡。m i f a r e 卡的使用量也是最大的，据有关数字显示目前市场上使 用的非接触射频卡，8 0 都是该系列。m i f a r e 射频卡的核心是p h i l i p s 公司的m i f a r e 1i c $ 5 0 系列微晶片，它确定了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能。m i f a r e 射频卡采用先进的芯片制造工艺制作，内建有高速的c m o se e p r o m 、m c u 等 i t 。具体电气特性如下【10 1 ： 容量为8 k 位e e p r o m ； 分为1 6 个扇区，每个扇区为4 块，每块1 6 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3 2 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信逻辑电路； 工作温度：2 0 5 0 ； 工作频率：13 5 6 m h z ； 通信速率：10 6 k b p s ： 读写距离：可达1 0 m m ( 与读写器以及卡天线尺寸有关) ； 数据保存期为10 年，可改写1 0 万次，读不限次。 m i f a r e1 卡的8 k b i te e p r o m 1 q 分为1 6 个扇区( 扇区号，x = 0 、1 、1 5 ) ， 每个扇区有4 个数据块( 块y ，y = 0 、1 、2 、3 ) ，共6 4 块；按块号编址为0 6 3 ( 0 0 h 3 f h ) ，每块8 个字( 1 6 字节) 。第0 扇区的块0 用于存放芯片商、卡商 相关代码，已经固化不可更改。其他个扇区的块0 、块1 ，块2 为数据块，用于存 第二章系统总体没计上海师范人学硕十学位论文 储用户数据；块3 为扇区控制块，用于存放密码a 、存取控制条件、密码b ，用户 需要根据访问控制条件验证密码a 或b 才能实现对该区内数据的读写。 基于存储器以上结构特点，现对油品装车信息在卡片中的存储分配设计如下： ( 1 ) 公共信息区：包括厂商标志信息和持卡人基本信息。厂商标志信息在卡 片出厂时就已经固化，存储于第0 扇区的第0 块，包括卡片的序列号、序列号检 验码、卡片容量、卡片类型等厂商定义的代码。第0 扇区的块1 和块2 用来存放 持卡人的基本信息。此处说的持卡“人 实为“车 ，根据“一车一卡 、“一人一 卡 的原则，我们利用车的信息来区别持卡者的身份。此部分有车号、所属车队 名称、车检有效期、发卡单位标志等基本信息，另外还包括车皮重、各舱容量大 小等车况信息。 ( 2 ) 业务索引区：存储于1 和2 区。为了更有效的管理，我们将业务信息设 计索引部分，包括开票同期、开票室、各票单已执行标志( 按位定义) 、正在执行 的票单号等装车整体信息。 ( 3 ) 业务信息区：设计储存于3 区到1 5 区。该区主要记录业务票单的详细 信息值和各执行状态值，包括拟装油品数据、预装量值、进库时间、鹤位号、实 装量值、空车称重、满车称重、出库时间、装油时间等详细过程信息。 以上三部分的安全级别不同，读写控制方式有所区别，具体将在第五章中详 细说明。根据i c 卡的存取控制方式，每个读，写指令周期只能访问一个块，因此这 三部分在存储时相互独立、不跨扇区。在扇区内部，有关每张票单的信息设计长 度均小于1 6 个字节，而且在存储设计中总是按票单为单位来存放信息，从而避免 了出现跨块现象。m i f a r e1 中公共数据和业务数据的存储格式详细设计分别见附录 表1 和表2 。 2 3 4 读卡器设计 作为卡与系统间的传输枢纽，l c 卡读写终端设备可分为联机型和独立型两类。 联机型终端要求通过r s 2 3 2 4 8 5 等总线与计算机连接，工作指令和信息的处理都 由计算机完成，读卡器仅相当于一个读写卡外设。而独立型终端除了可以读写卡 信息外，本身还具备信息采集、加解密、计算、管理、保存的功能。虽然独立型 性能更高，但是其成本也高，包括物理成本和开发成本。基于本系统的实际应用 1 4 上海师范人学硕+ 学位论文第二章系统总体设计 环境，采用联机型就足以满足本业务需求，故设计中选用联机型读卡器的设计方 案。 在油库自动化中，r s 2 3 2 、r s 4 8 5 和c a n 总线被广泛应用，单台读卡器与 管理计算机连接时只需要r s 2 3 2 总线，多台读卡器与管理计算机连接时需要使用 r s 4 8 5 或c a n 总线。如图2 7 所示。 读卡器 r ! 计算机 2 3 2 图2 7 读仁器与计算机通信连接框图 读卡器的设计目标是实现与i c 卡以及管理计算机的数据交换，并在必要时做 一定的数据处理工作。基于分析，我们大致将其分为三大主模块，如图2 8 所示。 ；1 篓巴：蔓一一一一! 一一1 ：一一一一一一一1ii i - ii l i l r r fb a s e ： ：r i c _ l s t a t i o n j ； ； c a r d m c u i i ji p c 瑚一肄 1 i 1 l i l - i 计算机il | - 一! ! 竺兰一一 | _ 羔- 片! il 竺竺三羔竺块i | l 射频卡 图2 - 8 读仁器模块示意图 单片机是整个读卡器的总控制器，控制和管理各分模块 数据的分析处理。通信模块通过串口连接管理计算机，实现 的工作状态，并进行 读卡器与计算机的数 据交换，并将计算机的数据或命令传达给单片机，同时也将单片机中的数据和结 果反馈给计算机。射频基站模块是读写器的关键，它完成读写i c 卡的所有必需功 第二章系统总体设计上海师范人学硕十! 学位论文 能，包括r f 信号的产生、调制、解调、安全认证和防重叠等。作为单片机与射频 卡通信的中介，射频基站模块与i c 卡由射频场束建立无线链接并完成数据交换。 另外，为配合这些主要功能模块，还应需要电源模块、状态显示模块、接口模块 等辅助模块。本文分软硬件分别设计实现。 2 3 5 油品装车管理软件设计 为了实现装车管理现代化、信息资源共享化，油品装车管理系统需要实现如 下几个功能： 实现装车业务的流程管理： 实现装车车辆的安全管理； 实现对装车过程的实时监控； 实现与上层管理系统( 如e r p ) 的信息交换。 可以将装车业务的流程管理分为如下四部分： ( 1 ) 系统管理 装车过程涉及多个地点多个工作人员，所以需要对不同的操作人员限定不同 的权限，并且记录其工作日志。 ( 2 ) 卡片管理 系统给每辆车、每位司机配置专门的i c 卡进行统一管理调度。每辆车持有一 个带有车辆信息标识并且存储着业务信息的i c 卡，通过卡的管理本质是实现了车 辆的管理。 ( 3 ) 业务管理 业务管理处将每单业务写入i c 卡中，即开票，并且可以查询每单业务的实时 执行情况以及历史业务查询。 ( 4 ) 装车过程管理 每辆车在装车站执行业务中，批控仪对l c 卡进行业务的核对，如果正确就会 被允许装车，同时自动进行票单状态的改变。这些数据在这短时间内就被传输到 了相应的数据库