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應用近場通訊和安然認證實現居夷易近電表預支費系統

宣布時間:2015年11月03日 10:11    宣布者:designapp
要害詞: 近場通訊 , 電表 , 預支費
現代童話——比小說真實

有位客戶接納預支電費妄图,回家后卻發現照明燈沒有亮。因此,她拿脫手機并掀開一個應用法式模范模范(app),向其電費賬戶中又特殊增添了50美元額度。然后她將手機靠近電能監測顯示單元(HDU),不到5分鐘,家里的照明燈又亮了。

我們的女配角并未熟悉到,但她確切應用了近場通訊(NFC)和HDU中的安然認證標簽預支了電費。這類預支費系統就是本文談論辯說的內容,是基于NFC/RFID安然認證器IC的電能預支系統。我們將談論辯說若何部署基于NFC智能手機的雙向預支費系統,其中以供電公司和用戶之間的高等表計基础架構(AMI)和安然NFC/RIFD標簽認證器作為基礎的安然電路。DeepCover MAX66242就是其中一款安然標簽認證器。

電表預支費系統的配景

在美國,傳統上是由供應水、電及自然氣服務的事業單元以預支郵資的形式將賬單寄給用戶。他們只需以月或季度為周期跟蹤用戶在上月/季度的用量,然后憑證用量開具賬單。請求用戶在預準時間內阻拦支付,否則能夠存在斷電的風險。

我們都是電力用戶,其中有些人尋常浅易著實不眷注公共動力用量(及氣、熱、水等),直到下次收到賬單。雖然,我們的不雅不雅念也在改變,加倍眷注和在乎自然資源的消耗量,變得加倍節儉。許多用戶也欲望能夠更好地控制其公共動力的財政狀態。下面,我們就談論辯說上述故事中虛擬用戶應用的新型高效預支費系統。

預支費服務曾經普及了幾十年,特殊是在英國、澳年夜利亞、新西蘭、比利時、南非等國家。而美國用戶浅易只習氣應用手機、德律風卡和過橋和過盤費的預支費服務。關于偏僻有数地域的用戶(投資者對其投資支出著實不總是有投資酬金(ROI)),和類似高校师长教员等活感生齒,預支費服務也是一種很好形式。

上文中我們的女配角完全不用直接與供電公司打交道,而是經由歷程家中的HDU控制AMI系統供電。為了阻拦支付并恢來電力服務,系統應用NFC標簽安然認證器來確保生意營業安然。

預支費系統的優勢

用戶首先具有一定的賬戶余額,供電公司實時跟蹤用電量并從預支費額度中扣減對應的電費。假設未實時支付或未向賬戶中增添額度,服務將中止。

全球規模的供電公司正愈來愈多地接納預支費營業形式。有數新興經濟體依附這類形式作為吸引浩蕩投資渠道的一種要領。特殊是預支電費曾經成為全球性生長趨勢。法維翰咨詢公司(Navigant Consulting,原Pike Research)的一項研究申報注解,全球規模內預支費表計用戶的裝置數目將從2014年的3170萬戶增添到2024年的8520萬戶,年均復合增添率(CAGR)為10.4%。該申報意料北美的預支費表計裝置數目在類似周期內將從650,000戶增添至310萬戶,CAGR為17.0%。[1] 如圖1所示,意料預支用度戶增添最快的地域是亞太地域。


圖1. 法維翰咨詢公司(Navigant Research)研究申報中的圖表,“2014至2024全球預支費電表裝置數目的地分辨布”[1]。圖表由Navigant Consulting Inc供應。

預支費形式在雙方都具有優勝的基础,供電公司和客戶都容易吸收。該形式曾經被普遍應用并從多方面組成多贏時勢。

預支費允許供電公司降低收款用度;無需收取年夜量保證金或斷電用度,降低沖銷開支;防止與欠用度戶之間的糾葛,增添不良債務。電力公司可以輕松到達100%的收繳率。預支費在破費之前取得支出,允許供電公司阻拦投資并完成可意料的ROI。該形式也無需付托消磨員工在物理上斷開或恢復用戶的電力服務。接納預支費后,無需每個月準備電費賬單。以是,供電公司就增添了資源較高的文案使命和郵資、紙張、打印和處置賞罰等相關用度。

用戶為甚么宁愿預支費呢?冗雜回復就是預支費供應了便利監測用電量的最好蹊徑。不再須要保證金、信用查詢造訪、阻拦日期或滯納金!不再見發生斷電或恢復用度,不再遭到賬單“嚇唬”,應用智能手機可經由歷程互聯網24/7隨時支付。預支費為那些欲望明智用電的用戶供應了蹊徑;為用戶供應了治理其賬單和用電量的時機,對其應用情形具有更清晰的熟悉。有助于用戶更好地明確動力/燃料節約的利益。

我們曾經眼見人類的行動要領在隨著新手艺趨勢的生長而發生變換。有理由信托,假設用戶能夠在家庭動力監測裝配上看到其尋常的動力消耗,就有起勁性改變破費形式和習氣。

電能預支費系統的基础行動措施

高等表計基础架構(AMI)

任何預支費妄图的底層手艺都是智能表計手艺,也稱為高等表計基础架構(AMI),該手艺支持用戶和公同事業單元之間的實時毗連;其焦點是數字表(通常稱為智能電表),具有遠程斷開和重新毗連功效。

仰仗供電公司后臺與已部署智能電表之間的這類雙向通訊群集,能夠實時傳輸用電數據和遠程斷電/恢復供電敕令。應用AMI,供電公司現在能夠以預界說距離從智能電表群集電表讀數,最短只需幾分鐘以致更短。電力公司也借此阻拦收費或部署電表軟件的升級。

AMI此外一項要害配套組件是劃分式可插拔電能監測顯示單元(HDU),該裝配位于用戶家中。  

家庭顯示單元(HDU)

用戶的HDU(圖2)現實上是一種電力狀態監測裝配,是用戶和供電公司之間的雙向通訊出口。HDU支持NFC。用戶可應用其智能手機或平板電腦平臺經由歷程Wi-Fi?或蜂窩群集買電,然后應用智能手機的NFC接口將這些購置金額從智能手機傳輸到HDU。  


圖2. 基于NFC的預支費家庭顯示單元(HDU)演示板。HDU與供電公司的后臺通訊,更新殘剩的電量額度。經由歷程家庭中現有電力線應用電力線通訊(PLC)完成生意營業。

該HDU演示平臺的目的是為了演示系統使命原理。HDU的焦點是MAX66242安然NFC標簽認證器。圖3所示為演示單元的所有組件。LCD顯示消耗的電力和殘剩的電費總量。有一個開關可使能或榨取動力消耗。須要支持NFC功效的智能手機才氣操作該HDU。毗連至條記本電腦的當地Wi-Fi群集可模擬供電公司的服務器。應用的是ZyXEL的MWR102旅行路由器。服務器運轉TCP/IP client-server應用,擔任處置賞罰購電生意營業。  


圖3. 此地方示的預支費供電公司演示平臺接納MAX66242安然認證器標簽和MAXQ610微控制器(圖中未顯示)。

HDU顯示用戶的能耗和支出信息。應用供電公司供應的軟件應用法式模范模范,用戶可造訪其日、月或即時用電情形,從而為其供應剖析和能夠改變其用電習氣,增添預算的時機。智能電表和HDU之間的通訊也可以是硬件毗連,從電源插座處經由歷程電力線傳輸數據(即電力載波通訊,PLC)。  

當用戶賬戶余額到達預設下限時,供電公司可應用HDU向用戶發送聲響報警。用戶也可選擇經由歷程電子郵件、短新聞、德律風或所有三種要領吸收這類提醒。用戶在任甚么時間間都可應用支持NFC的智能手機/平板電腦買電。然后將購置的電裝載至HDU。假設用戶的預支費額度曾經所有用完,HDU的顯示屏可設計為釀成白色,并在以后很快斷電。在發生再次預支費后,遠程恢復供電。         

HDU架構及其使命原理

圖4所示為現實的演示HDU,劃分是正面和后頭,基于MAX66242評價板(EV)。該架構接納切合ISO/IEC 15693尺度的DeepCover安然標簽認證器IC (MAX66242)完成電能預支費系統。在評價板上增添了顯示屏,便于雙向通訊。

安然是該電能預支費系統的主要特點。該HDU應用MAX66242安然標簽集成的SHA-256加密手艺及其存儲器掩護特點,確保電能預支費的扣減和充值不會將所有通訊裸露給造假者和/或許試圖偷取隱私信息的任何人。  


圖4. HDU正面PCB(上),包羅集成NFC天線和顯示屏;HDU后頭PCB(下),可看出NFC天線線圈毗連至MAX66242安然標簽認證器。

現實系統操作異常簡樸。首先,用戶應用供電公司供應的智能手機軟件為用電賬戶充值(圖5中的第1步和第2步)。第二,用戶將智能手機的NFC天線瞄準HDU的八邊形天線。手機和HDU之間阻拦握手,將用戶購置的用電額度從智能手機安然地傳輸至HDU(第3步)。第三,更新用戶賬戶的預支費電費額度總量,并瞬時在HDU的顯示屏上更新總額度。關于斷電后增添了用電額度的用戶,在第4步中觸發遠程斷電和恢復開關。在應用第5步鏈路從智能表向HDU更新的同時,在第6步中將數據同步至供電公司的服務器。重视,現在的演示平臺中,必須將已購置的用電額度從手機轉達至HDU裝配,才氣用統一個智能手機再次購置新的用電額度。  


圖5. 高等預支費表計基础架構,包羅買電流程。第1步中,用戶應用定制的app買電,并將財政數據傳輸至電力公司的后臺服務器。在第2步中將預支費額度(數據包,包羅最年夜電表值或MMV)傳輸至智能手機。然后用戶在第3步中將這些用電額度傳輸至其HDU。

經由歷程尺度無線群集操作

應用我們周圍無所不在的無線群集,無需完所有署AMI,便可快速建設該預支費系統(圖6)。

用戶首先須要填寫簡要信息,在電力公司的預支費系統上注冊賬號。然后應用輸入到簡要信息中的憑證裝備賬戶并激活預支費系統。供電公司在HDU中貯存一個密鑰(即S密鑰),然后將HDU發送給用戶。假設用戶請求,供電公司可付托消磨手艺職員到用戶現場完成硬件裝置。  


圖6. 預支費系統應用尺度無線PLC完成HDU和電力公司后臺的通訊。

圖6所示為經由歷程公共無線數據或蜂窩群集將電表讀數發送收受接群集點或云真個要領。在智能電表和HDU之間轉達所有的報警、用電數據、斷電/恢復供電、電表訛詐行動檢查敕令等。像HDU一樣,預支費手機app允許用戶實時造訪其預支費余額、用電歷史,和其他賬戶信息。從供電公司后臺發送至HDU的信息包羅告訴用戶余額較低的報警、斷電和其它賬戶信息。

該措施為供電公司供應了應用普遍可用的無線群集部署預支費服務妄图的措施,具有结实、可擴年夜等特點。最后,該裝備可遷徙至完全的AMI部署架構。

確保電能預支費生意營業的安然性

為確保這些財政生意營業的安然,選用MAX66242,這是HDU外部的要害電子器件。該標簽認證器IC集成無線NFC/RFID接口和I2C接口。32字節SRAM緩沖器有益于經由歷程I2C接口阻拦高速數據傳輸。IC具有加密引擎和帶有掩護形式的用戶存儲器,是掩護HDU中隱私信息的最好和最安然妄图。MAX66242也內置硬件掩護功效,包羅專有的管芯級物理手艺、電路和加密措施,隔離和掩護HDU,防止被黑客或惡意進擊者修改或破損。

MAX66242本質上是HDU外部的安然元件。集成的SHA-256加密引擎供應對稱質詢-應對安然認證(圖7),基于供電公司后臺服務器(作為主機,M密鑰)和HDU(作為從機,S密鑰)之間的共公密鑰。位于供電公司的后臺密鑰服務器完成該系統的M密鑰,S密鑰安然地生涯在用戶家中HDU的MAX66242中。此外,每個用戶的HDU接納唯一的S密鑰行使命。當須要將購置的用電額度傳輸至HDU時,安然服務器必須在當地建設與目的HDU中貯存的類似的S密鑰。憑證貯存在安然服務器上的M密鑰用戶的HDU裝備數據,應用直接和加密的歷程,可完成這一目的。這一歷程不會被外部的造孽職員所復制,在完成以后,安然服務器即暫時持有MAX66242中的貯存的S密鑰正本。用于電能額度交流的后臺SHA-256加密算法基于美國國家尺度與手艺研究院(NIST)頒布的安然散列尺度FIPS PUB 180。除確保數據交流安然外,SHA-256也是一款強年夜的防偽工具。  

HDU平臺如圖7所示。HDU的(MAX66242)用戶存儲器中有四個數據字節,貯存電能表的最年夜千瓦時(kWh)值,我們稱之為最年夜電表值(MMV)。與加載額度然后在用電時扣減的措施不合,這類情形下接納的措施是累加。當用戶買電時(預支費),在總額度上加上新額度。以是,MMV是預支費額度允許的最年夜千瓦時讀數,到達該讀數時將斷電。這里應用的措施應用MAX66242中的存儲頁推行SHA-256運算,此時器件曾經被設置為認證掩護形式(IC支持的浩蕩存儲器掩護形式之一)。該措施或允許每個HDU具有自己唯一的S密鑰,在數學上與服務器上的M密鑰關。異樣,在該措施中,智能手機僅供應一個蹊徑,一種信息渠道。  


圖7. HDU框圖。服務器應用主神秘鑰(M密鑰)和包羅HUD ROM ID在內的用戶相關數據盤算從神秘鑰(S密鑰)。

由于客戶裝備文件是客戶首次在供電公司注冊帳戶時建設的,以是系統知道客戶信息。現在,后臺服務用具有客戶的小我信息(例如姓名、住址等)、MMV(關于新用戶,初始值為0)、HDU的唯一序列號(即ROM ID),和從其裝備當選擇的存儲頁數據信息。用戶憑證圖7所示的生意營業流程阻拦買電。  

1.用戶應用支持NFC的智能手機或平板電腦,經由歷程定制的app阻拦預支費(好比1000kWh)。這類情形下,app經由歷程用戶的蜂窩數據群集或家庭Wi-Fi直接從供電公司買電。供電公司的app指導用戶完成生意營業。在服務器推行生意營業并驗證樂成完成預支費后,服務器將用戶預支費總額增添到MMV。  

2.然后服務器天生一個數據包,其中包羅新存儲頁數據(即新MMV)和盤算的對應信息驗證代碼(MAC),用于對HDU的MAX66242推行認證寫操作。服務器經由歷程建設的蜂窩數據群集或Wi-Fi毗連將數據包發送至智能手機。

3.現在,用戶便可經由歷程NFC接口將購置的電從智能手機傳輸至HDU。正如文章開首虛擬故事中形貌的那樣,用戶只需將智能手機靠近HDU的天線便可。當智能手機的NFC天線與HDU的八邊形天線瞄準時,可完成最好、最可靠的毗連。然后智能手機應用服務器供應的認證寫操作和信息驗證代碼(MAC),將新MMV(好比1000kWh)寫到HDU(詳細講,是MAX66242存儲頁)。(重视,NFC智能手機僅僅是推行認證的渠道,既沒有M密鑰,也對其一無所知。)完成存儲器安然認證后,智能手機發送一條短新聞,向HDU申報傳輸完成。該新聞使MAX66242向HDU的微控制器(MAXQ610)發送一個旌旗燈號,觸發中止,體現有新額度可用。然后微控制器讀取MAX66242存儲頁并更新自己的MMV正本。只需具有M密鑰的服務器才氣阻拦更新,而且此時將顯示在HDU的屏幕上,供用戶參考。將重新盤算并顯示殘剩的電量。

現場抄表:防止訛詐和竊電

有時間,為了確保智能電表和/或HDU不遭受進擊,供電公司須要阻拦現場抄表。(參見圖5中的第7步)。現場抄表將發現供電公司服務器貯存的MMV值與HDU中貯存的MMV值之間的不不合。HDU的MMV讀數不應逾越服務器上貯存的MMV值,以是兩個數字之間的任何不不合情形都詮釋發生了修改以致竊電。

現場抄表群集HDU中現在貯存的總千瓦市價,并將其傳輸至供電公司的服務器。群集現場數據的措施有兩種:應用PLC通訊,經由歷程家庭電力線將智能電表毗連至HDU;或許服務職員到現場,應用智能手機抄表。圖8所示為在HDU演示平臺上完成的現場抄表法式模范。

1.現場手艺職員經由歷程智能手機app從供電公司服務器請求隨機質詢,對電表阻拦安然認證。
2.智能手機敕令HDU中的MAX66242盤算隨機質詢、包羅MMV的存儲頁,和其他種種數據值的SHA-256 MAC值。  
3.智能手機將盤算取得的MAC值發送到供電公司的服務器,驗證電表的真實性。該措施無需智能手機知道M密鑰。
4.供電公司的服務器盤算自己的MAC值,并將其與從HDU吸收的MAC值阻拦較量。  
5.假設兩個MAC值不合,服務器向智能手機照應“優勝HDU”新聞。這意味著HDU處于優勝使命狀態,未被修改。可是,假設未樂成完成安然認證歷程,就意味著HDU曾經被修改。


圖8. 服務職員檢查能否存在訛詐。被斷定存在訛詐的任何HDU都將從現場撤消。
      
總結

本文簡介的電能預支費系統允許用戶選擇甚么時間支付、若何支付和購置若干電。預支費應用戶能夠更好地控制其賬單及用電,用戶一定對其各個時間段的用電量具有更清晰的熟悉。  

有一點可以一定——具有雙向通訊才氣的高等表計基础架構(AMI)、遠程斷電開關、帶有DeepCover安然MAX66242 NFC標簽認證器HDU能夠供應有用的預支費系統。在英國、澳年夜利亞和新西蘭等現在曾經存在電能預支費系統的地域,用戶明確特定電氣所需的資源,能夠將其與天天的詳細用電量聯系起來。這就促進了節能措施的普及,包羅關閉電器、調低熱水器溫度、購置綠色之星電氣、裝置節能燈等。

這類框架將有助于供電公司簡化營業運營使命、增添資源、降低壞賬風險、前進現金流、供應實時的客戶服務,并勉勵節能。簡而言之,這是一種能夠為供電公司、用戶和全球資源建設多贏的預支費系統。
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