智能IC卡水表的防攻擊和防干擾設(shè)計(jì)

智能IC卡水表的防攻擊和防干擾設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介：本文介紹了IC卡水表在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)遭受的幾種攻擊和干擾，并給出了在IC卡水表設(shè)計(jì)中具體的防攻擊和防干擾方法。

關(guān)鍵字：IC卡水表防攻擊防干擾

Anti-attackandanti-disturbanceofICcardwatermeterZhouYuejianCEOofNingPoLongKangIntelligentInstrumentCorp.E-mail:Abstrac:TheintroductionwasconductedtoseveralkindofattacksanddisturbancesinICcardwatermeteractualapplication.TheauthorintroducedtheconcretemathodtopreventattacksanddisturbanceswhendesigningICcardwatermeter.KeyWords:ICcardwatermeteranti-attackanti-disturbanceIC卡水表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、IC卡技術(shù)對(duì)用水量進(jìn)行計(jì)量并進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。隨著我國(guó)能源戰(zhàn)略方案的實(shí)施和小區(qū)智能化的要求，傳統(tǒng)的上門(mén)入戶抄表已不能適應(yīng)社會(huì)的需要，所以這種新型IC卡水表以不可阻擋的勢(shì)頭出現(xiàn)的各個(gè)新建小區(qū)中。IC卡水表除了可對(duì)用水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對(duì)用水量自動(dòng)進(jìn)行控制，并且自動(dòng)完成水費(fèi)計(jì)算，同時(shí)可以進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過(guò)IC卡進(jìn)行，因而可以實(shí)現(xiàn)由工作人員上門(mén)抄表收費(fèi)到用戶自己去營(yíng)業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)的用水計(jì)量?jī)x表相比，采用IC卡水表技術(shù)可以帶來(lái)許多新變化，給用戶帶來(lái)很大的益處。隨著水資源日益短缺，水價(jià)不斷上漲，水費(fèi)負(fù)擔(dān)越來(lái)越重，人們開(kāi)始看重過(guò)去不被重視的自來(lái)水了，節(jié)水意識(shí)不斷提高。然而，很多用戶不在“節(jié)約用水”上下功夫，卻在“節(jié)約費(fèi)用”上做文章，利用現(xiàn)有一些廠家IC水表的漏洞和弱點(diǎn)進(jìn)行攻擊。再就是一些廠家的IC卡水表在設(shè)計(jì)上也存在著一些缺陷，給用戶可乘之機(jī)。如電路的運(yùn)行過(guò)程中死機(jī)，受潮電路功耗加大而導(dǎo)致電路能量耗盡而不工作等都與產(chǎn)品的防攻擊能力有關(guān)。同時(shí)有些地方用水過(guò)去吃大鍋飯，現(xiàn)在管的嚴(yán)了，用戶有一定的抵觸，所以會(huì)試探性的對(duì)其攻擊或是干攏。如果設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候，不做充分的考慮，會(huì)使用戶的攻擊得懲，給管理部門(mén)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(jīng)濟(jì)的原因，后果是嚴(yán)重的。如果解決不善，就可能影響產(chǎn)品的推廣使用，嚴(yán)重著可以使企業(yè)丟掉市場(chǎng)，也有可能遭用戶索賠。所以一款I(lǐng)C卡水表的防攻擊和防干攏的設(shè)計(jì)如何是成功的關(guān)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(duì)IC卡水表攻擊種類對(duì)IC卡水表的攻擊主要分為以下幾種情況:振動(dòng)：用手敲擊水表，達(dá)到水表出現(xiàn)故障，不走或是少計(jì)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(lái)機(jī)械攻擊的。靜電：用電子打火器伸入IC卡口，用打火器產(chǎn)生的靜電攻擊水表的電子部分，使電子部分損失達(dá)到竊水的目地。磁攻擊：用磁石干擾水表的采樣部分及傳動(dòng)部分，使水表不計(jì)量或是少計(jì)量，從而達(dá)到竊水的目的?，F(xiàn)在市面上也時(shí)常出現(xiàn)一些不法的小商販沿街叫賣(mài)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(huán)境溫度不會(huì)低于零下40度，但是水表的運(yùn)輸過(guò)程中有可能在零下，所以設(shè)計(jì)過(guò)程中也要考慮這方面的原因。同時(shí)，用戶的水表還要有防拆卸功能，一旦發(fā)生拆卸，那即關(guān)閥不能用水。以上幾種情況，我們稱之為物理攻擊。在實(shí)際的使用過(guò)程中有可能出現(xiàn)，但是對(duì)于這樣的攻擊，很難找到明顯的破壞痕跡，所以處理起來(lái)非常棘手。同時(shí)現(xiàn)在大家公認(rèn)的原則是：如果用戶的攻擊沒(méi)留下任何痕跡而導(dǎo)致水表?yè)p壞，由于無(wú)法取證，這樣的問(wèn)題都?xì)w于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的缺陷，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候充分考慮，針對(duì)各種情況、采取相應(yīng)的措施，來(lái)不斷完善產(chǎn)品的可靠性。二、對(duì)水表的物理性攻擊的防范辦法1、對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的攻擊處理措施在水表的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理地安排計(jì)量部分和閥體部分的關(guān)系結(jié)構(gòu)是一個(gè)關(guān)鍵，例如研究干簧管、磁鋼和閥體控制部分的電機(jī)的關(guān)系，使之結(jié)構(gòu)緊湊，這是一款水表的振震性的關(guān)鍵。在實(shí)際應(yīng)用中有絕大的多數(shù)的用戶在使用中發(fā)現(xiàn)的不計(jì)量的故障多是由于振動(dòng)導(dǎo)致磁鋼同干簧的位置和距離發(fā)生了變化而引起，近了或是遠(yuǎn)了。如果近了，那么干簧管該斷開(kāi)的時(shí)候彈不開(kāi)；遠(yuǎn)了會(huì)不吸合，所以表現(xiàn)在水表上最直接的現(xiàn)象是不能計(jì)量，在水表的設(shè)計(jì)中如果定義成攻擊，那么這種情況水表會(huì)關(guān)閥，導(dǎo)致用戶不能用水。這樣的故障現(xiàn)象在IC卡水表生產(chǎn)過(guò)程中一般不會(huì)體現(xiàn)出來(lái)，而是經(jīng)過(guò)運(yùn)輸，安裝的過(guò)程中出現(xiàn)。如有的水表在用戶初裝后不開(kāi)閥、顯示攻擊、液晶不顯示等等。很大的一部是由于運(yùn)輸過(guò)程式中造成的，進(jìn)一步說(shuō)是生產(chǎn)設(shè)計(jì)不合理造成的。所以一般的生產(chǎn)廠家都將采樣磁鋼直接壓鑄在齒輪上，盡可能的減速少機(jī)械的連接，這不失為一個(gè)好辦法、好方案。機(jī)械的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一項(xiàng)就是結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單、盡可能減少傳動(dòng)齒輪的數(shù)量，鑼釘結(jié)構(gòu)的數(shù)量。如果一個(gè)水表的閥體部分及控制部的主體結(jié)構(gòu)能夠能一次成型，那么它是最成功的。那是一個(gè)理想狀態(tài)，實(shí)際上是不可能的，但思考的出發(fā)點(diǎn)是盡可能將一些部件的功能組合起來(lái)，重新設(shè)計(jì)一款這樣的水表，其故障率會(huì)大大減少的，也會(huì)增加其使用壽命。在水表的運(yùn)行過(guò)程中，有一些管道振動(dòng)形成或是人為的振動(dòng)會(huì)引起水表的指針不轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象從原理上消除它是不可行的，但是改變它的結(jié)構(gòu)，使客觀存在的組件減少，那么這種現(xiàn)象的會(huì)大大減少的。2、對(duì)IC卡水表的靜電或是大電流攻擊及解決措施對(duì)于用戶對(duì)IC水水表的靜電攻擊，不是一個(gè)重要指標(biāo)。居家環(huán)境很少遇到高于2000伏靜電場(chǎng)這樣的狀況。一般正常使用的電磁波強(qiáng)度也不可能達(dá)到會(huì)傷害人和其它電子產(chǎn)品的強(qiáng)度，所以這個(gè)指標(biāo)定在2000伏足夠了。對(duì)于接觸式IC卡水表來(lái)說(shuō)要想完全達(dá)到那種抗大電流和靜電的攻擊是不可能的，只要能達(dá)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(rèn)為將金屬類具有破壞性的卡片插入卡座時(shí)，應(yīng)不會(huì)對(duì)水表的正常使用產(chǎn)生影響，包括電量消耗。這時(shí)可以通過(guò)軟件和硬件相結(jié)合的辦法進(jìn)行保護(hù)處理，使對(duì)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(guān)閥警的方案，攻擊取消后再開(kāi)閥。但從實(shí)際使用情況來(lái)看，這個(gè)問(wèn)題不會(huì)太嚴(yán)重。因?yàn)镮C卡水表一般是安裝在用戶家里，使用對(duì)象明確，并且水表是用戶的財(cái)產(chǎn)，沒(méi)有特殊的理由，用戶并不會(huì)進(jìn)行機(jī)械性的方法攻擊儀表。不能考慮無(wú)限制的加強(qiáng)儀表的抗攻擊性，而是要對(duì)故意施加的破壞行為能夠進(jìn)行認(rèn)定并進(jìn)行相應(yīng)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(shù)，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(shù)處理比如加防塵罩等就可以解決。然而對(duì)接觸式IC卡水表，八個(gè)觸點(diǎn)是暴露在外的，這是沒(méi)法密封的，這樣的問(wèn)題就需要用軟硬件結(jié)合的方法來(lái)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(huán)境下工作，同時(shí)又不增加功耗，只要合理安排巡檢的時(shí)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(diǎn)，所以被廣泛采用。但磁性材料比較容易受干擾，因此應(yīng)當(dāng)加以考慮。IC卡水表在遇到磁性物質(zhì)干擾后，應(yīng)會(huì)將閥門(mén)作關(guān)閉處理，關(guān)閉的時(shí)間和開(kāi)啟的時(shí)間可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)然也可以通過(guò)采用非磁性信號(hào)方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題?，F(xiàn)在一般水表廠家采用無(wú)磁傳感采樣的水表，那么這樣的問(wèn)題就少些了。5、IC卡水表的防拆卸措施應(yīng)在表體和接頭管件上設(shè)置鉛封口并可進(jìn)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(gè)觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，如果用戶進(jìn)行機(jī)械拆裝的話可以進(jìn)行關(guān)閥報(bào)警。當(dāng)然，對(duì)于濕式IC卡水表，防冷凍問(wèn)題也是一個(gè)問(wèn)題，主要是一個(gè)保管和使用方法問(wèn)題，比如說(shuō)，在結(jié)冰的溫度區(qū)，要做排水處理，防止冰漲，這顯然是個(gè)管理問(wèn)題。溫度低于零度不必考慮水表的使用，因?yàn)樗呀?jīng)結(jié)冰，無(wú)法計(jì)量。但是在運(yùn)輸和保管過(guò)程中，可能會(huì)遇到遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于零度的溫度，這就需要考慮。這個(gè)合理指標(biāo)的數(shù)值應(yīng)當(dāng)是-25度至+50度范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)水表應(yīng)當(dāng)不會(huì)被凍壞，當(dāng)溫度恢復(fù)到正常溫度后，水表應(yīng)能正常工作。三、IC卡水表中干擾的種類。在IC卡水表系統(tǒng)中還存在一定的干擾，對(duì)水表的系統(tǒng)安全造成一定的威脅，在電子學(xué)中對(duì)干擾的分類大多分為燥聲干擾，電源串?dāng)_、靜電干擾。在電子學(xué)中，干擾是這樣來(lái)定義的，干擾：在接收一所需信號(hào)時(shí)，非所需能量造成的擾亂效應(yīng)，包括其它信號(hào)的影響、雜散發(fā)射、人為燥聲等。在國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)的文件中，干擾的結(jié)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(gè)系統(tǒng)統(tǒng)或設(shè)備中的一個(gè)關(guān)鍵部分。在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了少走彎路和節(jié)省時(shí)間，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。形成干擾的基本要素有三個(gè)，下面來(lái)介紹一下干擾的防范措施：1)干擾源，指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，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(jī)、高頻時(shí)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(guò)導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。3)敏感器件，指容易被干擾的對(duì)象。如：A/D、D/A變換器，單片機(jī)，數(shù)字IC，弱信號(hào)放大器等?？垢蓴_設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會(huì)起到事半功倍的效果。減小干擾源的燥聲主要是通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。抑制干擾源的常用措施如下：1)電機(jī)增加續(xù)流二極管，消除線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加續(xù)流二極管會(huì)使電流時(shí)間滯后，再增加穩(wěn)壓二極管后為更好。給電機(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短2)電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF～0.1μF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果3)布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。所謂傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過(guò)在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時(shí)也可加隔離光耦來(lái)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(guò)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(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感,要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Ω電阻代替磁珠。2)如果單片機(jī)的I/O口用來(lái)控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離（增加π形濾波電路）?？刂齐姍C(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離（增加π形濾波電路）。3)注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問(wèn)題。4)電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源（如電機(jī)，繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離。5)用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)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(shí)已考慮此要求。6)單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)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(jī)I/O口，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、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(duì)干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)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(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。2)布線時(shí)，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(duì)于單片機(jī)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(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。4)對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門(mén)狗電路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整個(gè)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(jī)的晶振和選用低速數(shù)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(xí)慣于將不用的代碼空間全清成“0”，因?yàn)檫@等效于NOP，可在程序跑飛時(shí)歸位；2)在跳轉(zhuǎn)指令前加幾個(gè)NOP，目的同1；3)在無(wú)硬件WatchDog時(shí)可采用軟件模擬WatchDog，以監(jiān)測(cè)程序的運(yùn)行；4)涉及處理外部器件參數(shù)調(diào)整或設(shè)置時(shí)，為防止外部器件因受干擾而出錯(cuò)可定時(shí)將參數(shù)重新發(fā)送一遍，這樣可使外部器件盡快恢復(fù)正確；5)