基于CPU卡的CNG加氣機(jī)卡機(jī)聯(lián)動研究

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    摘要：介紹了卡機(jī)聯(lián)動技術(shù)及其作用，對IC卡技術(shù)進(jìn)行分析對比，選擇CPU卡作為CNG加氣機(jī)卡機(jī)聯(lián)動的媒介，并進(jìn)行應(yīng)用規(guī)劃與開發(fā)，選擇適合于加氣機(jī)控制系統(tǒng)的嵌入式CPU卡接口設(shè)備，開發(fā)實現(xiàn)卡機(jī)聯(lián)動加氣機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件流程、操作過程以及聯(lián)動裝置所實現(xiàn)的功能，應(yīng)用表明該系統(tǒng)完全達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求。
    關(guān)鍵詞：壓縮天然氣，加氣機(jī)，CPU卡，卡機(jī)聯(lián)動

    1. 前言

    壓縮天然氣（CNG）加氣站的迅速發(fā)展對管理水平提出了更高的要求，開發(fā)基于CPU卡的卡機(jī)聯(lián)動加氣機(jī)是提高管理水平的重要措施。結(jié)合已開發(fā)基于SLE4442加密存儲卡的卡機(jī)聯(lián)動加氣機(jī)，開發(fā)出基于CPU卡的卡機(jī)聯(lián)動加氣機(jī)，基于CPU卡的COS系統(tǒng)這一智能系統(tǒng)平臺，可以實現(xiàn)多方認(rèn)證和復(fù)雜的加解密算法，因此可以顯著提高加氣交易資金的安全性，保護(hù)發(fā)行商和用戶的利益；同時通過取消現(xiàn)場收款環(huán)節(jié)可以減輕加氣過程工作強(qiáng)度，提高加氣速度，提高生產(chǎn)效率；結(jié)合IC卡管理系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)化管理，實現(xiàn)IC卡銷售管理，IC卡自動結(jié)算等功能，使加氣站的日常管理變得輕松；可以實現(xiàn)多個加氣站的統(tǒng)一管理，加強(qiáng)對用戶信息的管理。

    2. 卡機(jī)聯(lián)動技術(shù)[1]

    卡機(jī)聯(lián)動技術(shù)是指能夠自動識別、驗證IC卡，并根據(jù)卡上信息對加油機(jī)、加氣機(jī)等機(jī)電一體化銷售終端設(shè)備實現(xiàn)操作授權(quán)或批量控制等功能的一種技術(shù)。

    設(shè)備自動識別IC卡、并進(jìn)行離線、在線驗證，確認(rèn)IC卡合法有效后，可以自動授權(quán)（直接控制）設(shè)備進(jìn)行規(guī)定的動作，動作結(jié)束之后本次授權(quán)失效（操作完成）。如果IC卡無效，則不進(jìn)行自動授權(quán)或控制。

    如果操作進(jìn)程中IC卡上金額不足或者中途拔卡時，卡機(jī)聯(lián)動設(shè)備能夠自動立即停止相關(guān)操作（如加氣過程）。如果是中途拔卡，能在卡上保留“灰”標(biāo)志，“灰”標(biāo)志可以作為未扣款標(biāo)志。

    對應(yīng)的IC卡管理系統(tǒng)支持黑卡、灰卡管理，同時通過與加氣機(jī)聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)卡的合法性識別驗證。

    卡機(jī)聯(lián)動可以保證加氣結(jié)算資金的安全性，減少現(xiàn)場收銀崗位，杜絕做假行為；可以減少加氣車輛在站內(nèi)逗留時間，提高加氣效率，減少運(yùn)行風(fēng)險；可直接實施工作量考核，可以極大的提高加氣站和管理部門的管理水平；實施掌握加氣運(yùn)行動態(tài)，及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題；全面掌握客戶動態(tài)，實施獎勵措施，實現(xiàn)客戶管理。

    3. 卡的選擇[2]與應(yīng)用

    從接口方式上分：接觸式、非接觸式及復(fù)合卡；從器件技術(shù)上分有：非加密卡、加密存儲卡及CPU卡。非加密卡可以任意改寫卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，沒有安全性。加密存儲卡增加了邏輯加密電路，采用密碼控制邏輯來控制對EEPROM的訪問和改寫，在使用之前需要校驗密碼才可以進(jìn)行寫操作，對于芯片本身來說是安全的，但在應(yīng)用上是不安全的。它有如下不安全性因素：密碼在線路上是明文傳輸?shù)?，易被截??；對于系統(tǒng)商來說，密碼及加密算法都是透明的；邏輯加密卡是無法認(rèn)證應(yīng)用是否合法的。

    CPU卡采用微處理器芯片作為卡芯，由帶微處理器的硬件和卡上操作系統(tǒng)（COS）軟件共同組成，在COS的控制下，智能IC卡具有完整的卡片管理和應(yīng)用指令集，所有外界對卡片的操作都必須經(jīng)由COS來完成，提供基于密鑰的安全策略，可以很容易實現(xiàn)復(fù)雜的加/解密、安全認(rèn)證的運(yùn)算功能，因此可以做到對卡內(nèi)數(shù)據(jù)加密存儲，并提供對外部的相互認(rèn)證手段；還可以設(shè)置為保護(hù)敏感數(shù)據(jù)傳輸可靠性和完整性的報文鑒別碼（MAC）；利用COS這個智能平臺，可以實現(xiàn)同一張卡的多種不同的專門應(yīng)用，不同應(yīng)用之間相互獨(dú)立。

    利用COS這個平臺，CPU卡可以做到對人、卡、系統(tǒng)三方的合法性認(rèn)證。

    CPU卡具有三種認(rèn)證方法：持卡者合法性認(rèn)證——PIN校驗、卡合法性認(rèn)證——內(nèi)部認(rèn)證、系統(tǒng)合法性認(rèn)證——外部認(rèn)證。

    持卡者合法性認(rèn)證：通過持卡人輸入個人口令來進(jìn)行驗證的過程。

    卡的合法性認(rèn)證（內(nèi)部認(rèn)證）過程：系統(tǒng)卡——送隨機(jī)數(shù)X——[用指定算法、密鑰]對隨機(jī)數(shù)加密Y——[用指定算法、密鑰]解密Y，得結(jié)果Z——比較X，Z，如果相同則表示卡是合法的。

    系統(tǒng)合法性認(rèn)證（外部認(rèn)證）過程：與內(nèi)部認(rèn)證過程相同，如果結(jié)果相同則表示系統(tǒng)是合法的。

    在以上認(rèn)證過程中，密鑰是不在線路上以明文出現(xiàn)的，它每次的送出都是經(jīng)過隨機(jī)數(shù)加密的，而且因為有隨機(jī)數(shù)的參加，確保每次傳輸?shù)膬?nèi)容不同。如果截獲了沒有任何意義。這不單單是密碼對密碼的認(rèn)證，是方法認(rèn)證方法。

    通過這種認(rèn)證方式，線路上就沒有了攻擊點(diǎn)，同時卡也可以驗證應(yīng)用的合法性；但是因為系統(tǒng)方用于認(rèn)證的密鑰及算法是在應(yīng)用程序中，還是不能去除系統(tǒng)商的攻擊性。

    CPU卡已被公認(rèn)為是一種安全級別最高的IC卡類型，在金融業(yè)（銀行、社保等）、電信、電子商務(wù)、零售等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在加油站CPU 卡也得到大力推廣。本卡機(jī)聯(lián)動技術(shù)選擇以CPU卡為基礎(chǔ)來實現(xiàn)。CPU卡采用8K容量，符合ISO/IEC7816 標(biāo)準(zhǔn)和《社會保障（個人）卡規(guī)范》：支持多級目錄結(jié)構(gòu)及多應(yīng)用，各應(yīng)用之間相互獨(dú)立；支持多種文件類型，包括二進(jìn)制文件、定長記錄文件、變長記錄文件、循環(huán)定長記錄文件；支持PIN校驗、外部認(rèn)證、內(nèi)部認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)解密MAC驗證等安全機(jī)制； 支持DES加密算法；支持線路加密、線路保護(hù)功能，防止通信數(shù)據(jù)被非法竊取或篡改；支持T=0（字符傳輸）協(xié)議。

    CPU卡應(yīng)用的建立：
    卡片定制：從廠家定制卡內(nèi)已經(jīng)掩模了COS系統(tǒng)的CPU卡，并封裝成形。
    卡片初始化：設(shè)置卡片的基本參數(shù)，將發(fā)行商的密鑰初始化到卡上。
    卡片個人化：建立應(yīng)用文件并寫入持卡人基本資料?？▋?nèi)信息規(guī)劃：包括卡型編碼8位字符、發(fā)行上標(biāo)示16位字符、發(fā)行商代碼8位字符、卡號8位字符、車號16位字符、用戶名8位字符、卡上金額8位字符、用戶密碼8位字符、綜合標(biāo)識8位字符、鋼瓶檢驗日期8位字符、有效期8位字符。

    卡片應(yīng)用：持卡人用卡完成相關(guān)功能。采用統(tǒng)一的卡內(nèi)信息格式，規(guī)劃了7種卡類型：司機(jī)卡、操作工卡、參數(shù)卡、單位記帳卡、內(nèi)用卡、手動加氣卡、密鑰卡；實現(xiàn)兩種卡上資金結(jié)算方式：記賬與預(yù)付費(fèi)；支持多達(dá)五種價格設(shè)置標(biāo)志以實現(xiàn)靈活的用戶管理；設(shè)有七種記賬金額上限標(biāo)志以實現(xiàn)不同記帳用戶授信額度。

    4. 接口設(shè)備

    采用第三方讀卡器作為接口設(shè)備嵌入到加氣機(jī)控制系統(tǒng)，讀卡器主要要求：可讀寫支持T=0、T=1通訊協(xié)議的CPU卡；支持對SAM卡操作的功能；通訊采用TTL電平UART接口，波特率為1200 ∼ 115200BPS（系統(tǒng)設(shè)定為38400BPS）；最大功耗：100 mW ；工業(yè)級溫度范圍等。

圖1 卡機(jī)聯(lián)動功能框圖

    5. 卡機(jī)聯(lián)動的實現(xiàn)

    5.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    采用高性能單片機(jī)和工業(yè)級外圍芯片開發(fā)CNG加氣機(jī)控制器。硬件設(shè)計內(nèi)容主要包括質(zhì)量流量計脈沖信號采集電路，高中低壓電磁閥組合邏輯控制，信號指示燈驅(qū)動，預(yù)備、氣動、停機(jī)按鈕開關(guān)量輸入，藍(lán)底白字LCD驅(qū)動，128*64漢字液晶顯示驅(qū)動，鍵盤接口，IC卡驅(qū)動接口，通訊接口，壓力信號采集等，整機(jī)功能框圖如圖1。