應(yīng)用CPU卡實(shí)現(xiàn)充電樁計(jì)費(fèi)的研究

山西電力公司超高壓公司 王建偉

華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 尹婷婷 林永君

山東大為電氣有限公司 朱振軍

應(yīng)用CPU卡實(shí)現(xiàn)充電樁計(jì)費(fèi)的研究

山西電力公司超高壓公司 王建偉

華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 尹婷婷 林永君

山東大為電氣有限公司 朱振軍

針對(duì)用戶對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電樁中刷卡計(jì)費(fèi)的應(yīng)用需求，本文首先對(duì)現(xiàn)有IC卡選型，提出了采用CPU卡構(gòu)建刷卡計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的解決方案；然后針對(duì)CPU卡的發(fā)卡中的安全需要，對(duì)此解決方案匯中的密鑰管理及發(fā)卡流程進(jìn)行了描述；最后通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)充電樁上的用戶刷卡充電的消費(fèi)過(guò)程。

充電樁；CPU卡；密鑰管理

1.引言

在將電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用推向市場(chǎng)的進(jìn)程中，其充電配套的跟進(jìn)成為了亟待解決的重要一環(huán)。如何為消費(fèi)者提供安全、便利、可靠、人性化的充電服務(wù)，也是電動(dòng)汽車(chē)充電樁設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的指導(dǎo)思路。由于現(xiàn)今智能化的金融卡應(yīng)用在日常生活中已遍布在各行各業(yè)，采用刷卡消費(fèi)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)用戶自助操作使用充電樁，將減少充電樁的人工消耗、節(jié)約運(yùn)行成本。

2.充電樁計(jì)費(fèi)的IC卡選型

在應(yīng)用的IC卡選型中，首先考慮到消費(fèi)過(guò)程的金融安全性，排除無(wú)加密功能的非加密存儲(chǔ)卡以及加密性能一般容易遭破解的邏輯加密卡。而CPU卡獨(dú)有的COS系統(tǒng)可保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩约皯?yīng)用端、持卡人的身份認(rèn)證；更高端的超級(jí)智能卡此處不考慮。現(xiàn)有的CPU卡分為接觸式、非接觸式和雙界面三種，其成本依次增加。

其次，考慮到電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁的充電過(guò)程，IC卡的選型需滿足其以下特點(diǎn)：

一次充電過(guò)程的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且一次只為一輛汽車(chē)提供服務(wù)；

自助智能式消費(fèi)模式，正常運(yùn)行中無(wú)人值守；

消費(fèi)電量實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成消費(fèi)金額從卡中扣除；

對(duì)充電中的突發(fā)情況處理采取緊急斷電模式，以保障充電樁、電動(dòng)汽車(chē)安全以及誤動(dòng)用戶的人身安全；

因此在充電設(shè)計(jì)中，計(jì)費(fèi)可分為充電開(kāi)始與充電結(jié)束兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程。如采用非接觸式CPU卡，一張卡可同時(shí)在兩臺(tái)充電樁上消費(fèi)，為保證消費(fèi)安全需充電樁實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，單樁運(yùn)行容易出現(xiàn)扣費(fèi)超額如采用接觸式CPU卡，配合內(nèi)吞式讀卡器可實(shí)現(xiàn)一卡對(duì)應(yīng)一車(chē)，防止在一卡對(duì)多車(chē)充電中可能出現(xiàn)的扣費(fèi)失?。ńY(jié)賬出現(xiàn)負(fù)值）其中間過(guò)程采取實(shí)時(shí)刷新卡上余額的方式以保證充電過(guò)程的計(jì)費(fèi)無(wú)誤完整；同時(shí)避免了無(wú)卡充電中消費(fèi)欠費(fèi)的情況以及為存儲(chǔ)消費(fèi)信息對(duì)大容量樁體存儲(chǔ)空間的要求。從而要求接觸式CPU卡。從成本上考慮，CPU卡價(jià)格較為低廉，更容易在電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的初期推廣。

3.CPU卡應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

3.1 卡上文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)選擇需要的文件結(jié)構(gòu)、數(shù)目——如應(yīng)用文件DF的個(gè)數(shù)，基本數(shù)據(jù)文件EF的設(shè)置等，構(gòu)建符合本應(yīng)用的卡上文件系統(tǒng)。本文所用的CPU卡文件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖如圖1。

3.2 CPU卡狀態(tài)機(jī)級(jí)別及文件權(quán)限的應(yīng)用設(shè)計(jì)

COS系統(tǒng)對(duì)卡設(shè)置了不同的安全狀態(tài)，又稱狀態(tài)機(jī)，代表了卡當(dāng)前所處的安全級(jí)別（0——F共16種）。狀態(tài)機(jī)僅在相應(yīng)的密鑰認(rèn)證之后才可進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。

不同的文件在進(jìn)行不同操作時(shí)均對(duì)應(yīng)了要求達(dá)到的狀態(tài)機(jī)，又稱訪問(wèn)權(quán)限，COS系統(tǒng)規(guī)定只有當(dāng)卡片處于要求的狀態(tài)機(jī)或更高級(jí)別的狀態(tài)機(jī)時(shí)，才可進(jìn)行相關(guān)操作。

在安全設(shè)計(jì)中，為文件設(shè)置不同的權(quán)限以區(qū)分不同應(yīng)用的安全級(jí)別，如密鑰文件的修改可設(shè)置為高權(quán)限；對(duì)文件的查詢和修改均在滿足相應(yīng)安全級(jí)別的情況下才能執(zhí)行，而安全級(jí)別僅在相應(yīng)的密鑰認(rèn)證之后才進(jìn)行跳轉(zhuǎn)；從而可防止一般性誤操作或惡意篡改，保證各級(jí)文件、操作應(yīng)用的安全，實(shí)現(xiàn)對(duì)卡片的安全管理功能。

對(duì)于文件結(jié)構(gòu)中的文件和其操作，設(shè)計(jì)了如表1表2安全機(jī)制：

4.密鑰的安全機(jī)制及CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 密鑰的安全機(jī)制

由于每種密鑰只能為其特定功能服務(wù)，涉及到對(duì)應(yīng)功能的安全，密鑰的生成和存儲(chǔ)也需具備一定的安全性。PBOC《中國(guó)金融集成電路（IC）卡規(guī)范》規(guī)定了保存在IC卡中的密鑰和用來(lái)產(chǎn)生、派生、傳輸這些密鑰的密鑰的使用規(guī)范。

首先密鑰在IC卡中禁止對(duì)其進(jìn)行讀操作，只能由COS調(diào)用訪問(wèn)，其更新須在主控密鑰和上級(jí)密鑰的控制下進(jìn)行。

其次密鑰需保證在保密、安全的環(huán)境下按照一定的算法生成，按照規(guī)范要求秘密傳輸與保存。

最后，因?yàn)槊荑€決定了對(duì)應(yīng)的權(quán)限驗(yàn)證，每一種密鑰都必須是唯一且保密的，以保證對(duì)應(yīng)功能的安全性，因此在生成密鑰時(shí)要測(cè)驗(yàn)其保密強(qiáng)度。

4.2 CPU卡發(fā)卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主要內(nèi)容包括對(duì)CPU卡的密鑰管理、發(fā)卡機(jī)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。

4.2.1 密鑰管理

包括密鑰生成、裝入、傳遞、存儲(chǔ)、恢復(fù)、銷(xiāo)毀等流程。其中涉及的密鑰包括管理過(guò)程中使用的密鑰和專屬于交易過(guò)程的密鑰。

密鑰管理的主要任務(wù)是保證密鑰產(chǎn)生過(guò)程的安全性和機(jī)密性。密鑰的生成由密鑰生成模塊完成。首先需要兩個(gè)完全保密的數(shù)字序列A和B，與系統(tǒng)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)一起生成兩張不同的母卡A和母卡B，必須同時(shí)持有兩張母卡才可導(dǎo)出本系統(tǒng)的主密鑰。主密鑰包括外部認(rèn)證密鑰、交易密鑰、應(yīng)用維護(hù)密鑰等；主密鑰封存在發(fā)卡母卡和控制卡中，為接下來(lái)的密鑰傳遞及用戶卡發(fā)卡服務(wù)。

表1 文件結(jié)構(gòu)的操作權(quán)限設(shè)置

表2 密鑰文件的權(quán)限驗(yàn)證設(shè)置

密鑰的傳遞由發(fā)卡母卡和控制卡完成，通過(guò)發(fā)卡母卡向用戶卡中注入消費(fèi)需要的子密鑰，向發(fā)卡終端模塊LSAM和POS機(jī)消費(fèi)模塊PSAM注入消費(fèi)與更改個(gè)人密碼所需要的主密鑰，以配合用戶卡子密鑰的應(yīng)用，發(fā)卡系統(tǒng)的密鑰卡發(fā)卡示意圖見(jiàn)圖2。

4.2.2 發(fā)卡機(jī)的硬件環(huán)境搭建

對(duì)CPU卡進(jìn)行用戶卡發(fā)卡時(shí)，需要硬件環(huán)境搭建如下：一臺(tái)PC機(jī)(可與讀卡器進(jìn)行串口通訊)，內(nèi)置PSAM模塊，CPU卡讀卡器以及數(shù)張要發(fā)用戶卡的CPU卡。

在PC機(jī)上需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的CPU卡讀寫(xiě)卡程序以及用戶卡發(fā)卡程序，實(shí)現(xiàn)以下功能：

PC機(jī)通過(guò)讀卡器向CPU卡發(fā)送指令；

CPU卡接收指令并在內(nèi)部進(jìn)行處理，并返回處理結(jié)果；

通過(guò)PSAM模塊向CPU卡中灌入外部認(rèn)證密鑰、應(yīng)用維護(hù)密鑰和消費(fèi)子密鑰；

在PC機(jī)上錄入用戶個(gè)人信息以及初始密碼；

在PC機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中將卡號(hào)和個(gè)人信息唯一對(duì)應(yīng)；

完成卡片初始化并對(duì)其進(jìn)行功能測(cè)試。

4.2.3 發(fā)卡機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

發(fā)卡機(jī)的軟件主體功能設(shè)計(jì)如下：

在讀卡器提供的接口函數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行CPU卡讀寫(xiě)程序的開(kāi)發(fā)，根據(jù)已經(jīng)確定的卡上文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)初始化CPU卡；

已經(jīng)初始化的用戶CPU卡在母卡的控制下輸入各級(jí)密鑰；

測(cè)試用戶卡的操作安全性是否滿足數(shù)據(jù)傳輸和信息更改的安全要求；

采用面向?qū)ο蟮腃#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)用戶信息管理系統(tǒng)，完成用戶信息錄入、存檔并寫(xiě)入CPU卡相關(guān)卡號(hào)、金額與個(gè)人密碼；

除此之外，發(fā)卡機(jī)應(yīng)具備附加的用戶卡維護(hù)功能，如用戶的個(gè)人信息、個(gè)人密碼的更改，用戶卡充值、注銷(xiāo)、掛失、補(bǔ)卡等。

圖1 卡片文件系統(tǒng)圖

圖2 發(fā)卡系統(tǒng)的密鑰卡發(fā)卡示意圖

圖3 消費(fèi)程序流程圖

5.充電樁上刷卡消費(fèi)的硬件平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)

充電樁構(gòu)建為嵌入式LINUX系統(tǒng)，硬件平臺(tái)選擇了英貝德的EAC-0923工控板作為核心控制器。在硬件連接時(shí)，核心控制板以一個(gè)RS232串口連接讀卡模塊。

主控板在開(kāi)發(fā)讀卡模塊之前要進(jìn)行操作系統(tǒng)的移植：在其N(xiāo)orflash上，首先需要裝載Bootloader、移植內(nèi)核，然后移植自己制作的根文件系統(tǒng)，用以支持上層應(yīng)用程序；應(yīng)用程序使用API(用戶編程接口)函數(shù)負(fù)責(zé)整個(gè)函數(shù)中和串口等各個(gè)部分的通信。

讀卡模塊的開(kāi)發(fā)需依據(jù)用戶刷卡消費(fèi)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出程序流程圖()，讀寫(xiě)卡的程序編寫(xiě)即要完成該流程的功能。

要通過(guò)主控板的串口對(duì)讀卡模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，必須先對(duì)其進(jìn)行配置：包括對(duì)波特率的設(shè)定、串口設(shè)備在“/dev”下的初始化定義。功能程序的開(kāi)發(fā)在虛擬機(jī)安裝的Linux系統(tǒng)下進(jìn)行，在調(diào)試成功后使用交叉編譯器生成可在ARM平臺(tái)上執(zhí)行的代碼。需要注意的是：動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)在虛擬機(jī)的Linux系統(tǒng)下調(diào)試使用的是基于Win32的版本，因此需要將讀卡模塊函數(shù)庫(kù)通過(guò)交叉編譯制作成適用于工控板運(yùn)行的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，然后方可進(jìn)行程序的交叉編譯。

6.總結(jié)

本文針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁的充電消費(fèi)特點(diǎn)，結(jié)合CPU卡的功能概況了將CPU卡引入充電樁應(yīng)用的設(shè)計(jì)思路，并規(guī)劃了發(fā)卡系統(tǒng)和充電樁刷卡應(yīng)用系統(tǒng)，使之滿足電動(dòng)汽車(chē)充電消費(fèi)的安全需求，并具備友好人機(jī)交互界面、易操作的優(yōu)點(diǎn)。

[1]陳勇.金融IC卡的密鑰管理[J].中國(guó)信用卡,2000(10):64-66.

[2]顧赟.CPU智能卡記次消費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州大學(xué),2008.

[3]王愛(ài)英,等.智能卡技術(shù):IC卡與RFID標(biāo)簽[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[4]宋震.密碼學(xué)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2002.

王建偉（1985—），男，河南洛陽(yáng)人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事輸電線路運(yùn)行檢修。

尹婷婷（1986—），女，華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院研究生，研究方向：嵌入式在工業(yè)控制中的應(yīng)用。

林永君（1965—），男，博士，華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：嵌入式技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用。

朱振軍（1972—），男，碩士，山東大為電氣有限公司高級(jí)工程師。