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NFC實現能源計費管理

上網時間: 2013年05月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電能計量  NFC  電錶  智慧卡  MK30X256 

作者:Ludek Slosarcik,飛思卡爾半導體公司系統應用工程師

電能計量領域,特別是在某些特定地區,最近出現了一些明顯的趨勢:電力公司需要更加精密的支付基礎架構,以實現完整的能源付費流程。這一流程還反映出提高系統安全方面的最新趨勢,如防盜。目前一個明顯的趨勢是固定費率開始過渡到分時計費方式。這可以透過使用預付費的安全電錶來實現。此類電錶讓客戶更能有效管理自家的電費。使用預付費電錶的地區包括英國、東歐、拉丁美洲、南非和亞洲。這類電錶適合黏安裝在屋主的公寓、商店、零售店與健身中心等。

能源電錶預付費機制的基本和通用原則是預先購買電量,然後以某種方式將預付費輸入電錶。也就是說,用戶自行決定需要多少能源以及希望消費多少能源。這一解決方案能讓用戶更有效控制其能源使用量。當預付費電量使用完後,主電源將會自動斷電,除非用戶再次先行輸入電費。這就是預付費電錶與傳統電錶(基於固定費率結算的交易)的主要區別,在預付費電錶情況下,客戶可持續使用預購的電量。


圖1:預付費電錶作業流程。

因此,業界必須先為預付費計量市場建立起支付基礎架構──通常必須先有能夠重新加載用電額度的銀行帳戶、自動提款機、自動販賣機或商店。典型的預付費電錶主要元件包括:測量累積能源的計量元件、一個用於中斷電錶(用戶)與主電源的觸點,以及一個用於將剩餘電量加載到電錶中的預付費感測單元。根據預付費感測單元,我們可以將預付費電錶解決方案劃分為幾種類型:

* 基於機電系統──只需投擲硬幣即可完成預付費

* 使用電錶的整合鍵盤──用戶可從廠商處購買能源額度,透過鍵盤產生可輸入電錶的唯一PIN碼。

* 使用代幣──塑料密鑰或磁卡(可從自動販賣機購得)

* 使用儲值卡──用戶可在自動販賣機充值,然後插入預付費電錶中。

* 使用智慧卡──其功能類似儲值卡,但安全性較高(雙重認證等)。智慧卡包括接觸式或非接觸式。

* 無線式(使用手機)──大多基於GPRS、ZigBee或NFC通訊的手機,不僅可用來加載剩餘能源,同時讓授權機構即時以無線方式讀取智慧電錶的數據或重要資訊。

以下將詳談基於近場通訊技術(NFC)的預付費解決方案。NFC是一種特殊的近距離(幾公分)無線通訊技術,支援智慧型手機等設備安全地連結其他支援NFC的設備,如預付費電錶等。這種技術已經被銀行業所認可,並與安全的微控制器相結合。

飛思卡爾半導體公司與Inside Secure公司合作推出了基於此技術的典型預付費電錶參考設計。兩家公司合作開發的參考設計可使基於NFC的預付費電錶能夠安全地重新加載剩餘電量。該參考設計使用三個關鍵元件:飛思卡爾最新推出的Kinetis系列MK30X微控制器(MCU)、ATVaultIC460安全模組與NFC(Microread 3.4)晶片組,均來自飛思卡爾的合作夥伴公司Inside Secure。

此電錶由計量引擎的核心元件──飛思卡爾MK30X256 32位元MCU驅動,採用ARM Cortex-M4核心。該MCU和整合的類比前端(AFE)組合,定期從外部電壓和電流感測器中讀取數據並連續地計算其他數值(主要是電源和累積電量)。由於主要的運算技術基於快速傅立葉轉換(FFT),因此,電錶能夠在所有的四象限精確測量電量(導入/導出電量測量、主動/響應式電量測量)。

因此,電錶能夠對主電源進行全面的頻率分析。MCU的另一個功能是能夠與光隔離RS232介面、能源LED脈衝輸出介面、紅外IEC1107介面、匯流排/SPI介面等板載AMR通訊介面進行通訊,從而實現與RF/ZigBee子卡的通訊。MCU還與LCD等板載人機介面(HMI)配合,LCD用於顯示要求值,內建選單選項按鈕。

該參考設計新的主要元件是一個獨立的RF子卡,兼具兩個主要功能的優勢:安全性與NFC通訊。該安全單元為預付費電錶、電力公司及出售能源額度的經銷商之間端到端的安全性提供了基礎。射頻子卡主要包括Inside Secure的ATVaultIC460和一個NFC(Microread 3.4)晶片組。ATVaultIC460安全模組具備雙向認證、證書驗證和產生、加密/解密和密鑰的安全儲存管理等完整安全功能。

此外,控制器經過EAL4認證,還能支援FIPS 140-2第3級認證及其他認證與標準。ATVaultIC460整合了所有這些加密服務和8/16位元RISC處理器的優勢,可提供更安全的控制解決方案,而不僅適於計量應用。整合到該設計中的NFC連接性讓用戶採用非接觸式智慧卡技術或透過NFC手機上傳能源額度。採用Microread 3.4控制器及開放的NFC協議堆疊,就可在子卡上實現NFC連接。具備安全功能的RF/NFC子卡與MK30 MCU透過匯流排介面連接,通訊基於標準主機通訊介面(HCI)協議。

該參考設計的韌體基於飛思卡爾MQX即時作業系統(RTOS),有助於改善程式碼結構,可作為先進市場的理想選擇。RTOS的設計讓用戶得以配置和調整程式碼長度,以滿足性能需求。飛思卡爾MQX RTOS可減少工程師開發或維護有效調度系統與中斷處理的壓力,提高開發人員的開發速度。RTOS還提供簡單的API架構,以便於建立和管理飛思卡爾廣泛的嵌入式處理器組合特性。

MK30單相安全型預付費電錶的主要優勢如下:

* 電錶與電力公司及其能源額度經銷商間的端到端安全性

* 實體安全──採用NFC技術的電錶密封外殼(NFC剩餘電量加載)

* 基於ARM Cortex-M4核心的計量引擎

* 完整的4相測量──可以測量能源導入/導出,主動/響應式能源使用

* 能夠計算總諧波失真(THD)和進行電源頻率分析

* 透過智慧型手機在電錶和電力公司之間進行安全的數據交換──能夠重新加載剩餘電量和進行防偽檢查

* 支援MQX RTOS

為了更加瞭解安全預付費電錶如何在實際應用中運作,請參考圖1的作業流程。首先,用戶必須重新為預付費電錶的剩餘電量進行加值,更新廠商對其手機設置的能源額度(廠商從用戶的銀行帳戶扣除相應的金額)。或者考慮到成本效益市場,智慧型手機可能被更廉價的智慧卡所取代。採用支援NFC的智慧型手機或非接觸式智慧卡不會對電錶的硬體或韌體產生任何影響。在此情況下,用戶可從廠家(商店等)購買智慧卡。

其次,用戶必須將智慧型手機或智慧卡連接到電錶上。此時,電錶的NFC介面會識別新的額度需求,並在經過雙向認證後,開始將新的能源額度從智慧卡或智慧手機傳輸到電錶中。隨後,必須對所接收的整個訊息數據和數位簽名進行驗證。成功驗證後,電錶啟動其觸點(功率鎖存繼電器),將電錶(負載)與市電相連。電錶繼續測量累積能源,並依據能源使用扣減接收到的額度。當額度為0時,電錶會從電源處切斷負載。如果用戶希望繼續使用能源,必須再次支付電費。

這種端到端的安全預付費電錶參考設計為預付費電錶開發人員提供了一個穩定可靠、安全且強大的解決方案。

(參考原文:Near-Field Communications power utility transactions)





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