電表計量的付費管理

近期，在電表領(lǐng)域，特別是在某些地區(qū)，以下趨勢越來越顯著：電力公司不僅亟需更高級的支付基礎(chǔ)設(shè)施以簡化電能的支付流程，還需要改進系統(tǒng)的安全性，如防盜功能。業(yè)內(nèi)還出現(xiàn)一個可喜趨勢，即按固定費率計費正向按使用時間計費轉(zhuǎn)變。安全預付費電表可實現(xiàn)這一功能，幫助客戶更好地控制其電費。使用預付費電表的目標地區(qū)包括英國、東歐、拉丁美洲、南非和亞洲地區(qū)，這類電表適合安裝在業(yè)主公寓、商店、商場和體育設(shè)施內(nèi)等。

使用預付費電表的基本及通用原則是提前購買電能并以某種方式通知預付費電表，也就是說，客戶決定所需及想要消耗的電量，這個解決方案可幫助客戶更好地控制其電能的使用。當預付費的電量被全部消耗后，如果用戶不續(xù)費，會自動斷電，這就是預付費電表與傳統(tǒng)電表(基于固定費率計費的交易)的最大不同，傳統(tǒng)電表用戶可不斷使用電能。

對于預付費電表市場而言，亟需打造付費基礎(chǔ)設(shè)施。一般來說，銀行賬戶、 ATM取款機、自動售貨站或商店應該都可以購電。典型預付費電表的主要部件包括：用于測量累計用電的計量部件、使電表(用戶)斷電的接觸器以及將電量余額加載到電表的預付費傳感元件。根據(jù)預付費傳感元件，我們可以區(qū)分不同類型的預付費電表解決方案：

·基于機電系統(tǒng)—預付款可通過硬幣簡單支付。

·采用電表集成式鍵盤—用戶可在電力公司直接購電。賣方公司為每個電表生成一個單獨的PIN，用戶通過鍵盤輸入即可。

·采用電子卡—塑料鑰匙或磁條卡 (可從自動售貨機購買)。

·采用存儲卡。該卡在自動售貨站刷新，并由用戶將其插入預付費電表中。

·采用智能卡。該卡提供存儲卡同樣的功能，且擁有更強的安全性(相互認證等)—這些智能卡包括接觸式和非接觸式兩種。

·無線(采用移動電話)—大多數(shù)移動電話都基于GPRS、ZigBee或NFC通信—這些技術(shù)不僅用于加載電量余額，還授權(quán)電力公司無線實時讀取智能電表數(shù)據(jù)或重要信息。

下文介紹基于近場通信技術(shù)(NFC)的預付費解決方案的細節(jié)。NFC一種是特殊的近距離(幾厘米)無線技術(shù)，可使包括智能電話在內(nèi)的設(shè)備安全地連接到其他采用NFC技術(shù)的設(shè)備，如預付費電表。該技術(shù)已普遍用于銀行業(yè)，并結(jié)合了安全微控制器?；谠摷夹g(shù)的典型預付費電表參考設(shè)計由兩家公司共同推出：飛思卡爾半導體(美國)和Inside Secure(法國)。由于兩家公司的攜手合作，該參考設(shè)計得以穩(wěn)步發(fā)展，并提供可安全重載電量余額的基于NFC的預付費電表。該參考設(shè)計包括3個關(guān)鍵部件：他們分別是來自兩家公司的飛思卡爾MK30X微控制器(最新推出的Kinetis系列)、ATVaultIC460(安全元件)和NFC(Microread 3.4)芯片組。

該電表采用作為計量引擎核心的飛思卡爾MK30X256 32位MCU，該MCU基于廣受歡迎的ARM Cortex-M4內(nèi)核。該MCU帶有一個集成式模擬前端(AFE)， 主要功能是周期性地讀取來自外部電壓和電流傳感器的數(shù)據(jù)，并連續(xù)計算其他數(shù)值，如功率和累計的電能。由于主要計算技術(shù)基于快速傅里葉變換(FFT)，電表可以在全部四象限中精確地測量電能(導入/導出電能、主動/被動電能)。因此，電表可以對電源進行完整的頻率分析。MCU的另一個功能是與板載AMR通信接口進行通信，如光電隔離RS232接口、能源LED脈搏輸出接口、紅外線IEC1107接口以及用于與RF/ZigBee子卡進行通信的I2C/SPI接口。該MCU還可以與板載人機界面(HMI)配合使用，如用于顯示所需數(shù)值的LCD，以及用于菜單選項的內(nèi)置按鈕。

該參考設(shè)計的另一個重要部件是獨立式RF子卡，該子卡包含兩個主要功能：安全功能和NFC通信功能。該安全元件是保證預付費電表與電力公司和賣電經(jīng)銷商之間端到端安全性的基礎(chǔ)。該參考RF子卡采用內(nèi)部安全ATVaultIC460和NFC (Microread 3.4)芯片組。ATVaultIC460安全模塊可提供全面的安全功能，如相互認證、證書的驗證與生成、加密和解密，以及密匙存儲管理。此外，控制器為就緒EAL4+，可支持3級FIPS 140-2和其他認證和標準。ATVaultIC460結(jié)合了以上所有加密服務(wù)和一個8/16位RISC處理器，提供了一個超出計量應用范圍的安全控制解決方案。該設(shè)計中的NFC連接功能使用戶采用無接觸式智能卡技術(shù)或通過NFC電話提交電費。子卡上的NFC連接功能采用Microread 3.4控制器和開放式NFC協(xié)議扎。帶安全功能和MK30 MCU的RF/NFC子卡通過I2C進行連接，通過基于標準主機通信接口(HCI)協(xié)議進行通信。

用于該參考設(shè)計的固件基于飛思卡爾MQXTM實時操作系統(tǒng)(RTOS)，該系統(tǒng)可改善代碼結(jié)構(gòu)，是面向高級市場的理想選擇。該RTOS可使用戶配置并平衡代碼尺寸，滿足性能要求。飛思卡爾MQX RTOS通過緩解工程師開發(fā)或維護高效調(diào)度系統(tǒng)和中斷處理的負擔，使開發(fā)人員加快開發(fā)周期。該RTOS還可以提供帶有簡單API的框架工作，通過飛思卡爾豐富的嵌入式處理器產(chǎn)品組合實現(xiàn)以上特性和功能。

MK30單相安全、預設(shè)定電表的關(guān)鍵優(yōu)勢如下：

·可保障電表與電力公司和賣電經(jīng)銷商之間的端到端安全。

·物理安全—采用NFC技術(shù)(NFC電能余額重載)的密封電表盒。

·基于廣受歡迎的ARM Cortex M4內(nèi)核的計量引擎。

·全四象限測量—可測量導入/導出電能，主動/被動電能。

·可計算總諧波失真(THD)及電源的頻率分析。

·電表與電力公司間，通過智能手機進行安全數(shù)據(jù)交換—可重載電表的余額并執(zhí)行防偽檢測。

·可支持MQXTM RTOS。

該安全預付費解決方案在實際應用中的工作原理(圖)如下：

首先，用戶必須在預付費電表中為電費余額進行續(xù)費。續(xù)費之前，用戶必須通過供應商在其移動電話上刷新電費余額，該供應商從用戶的銀行賬戶中劃走足夠的金額。采用NFC可使智能手機或無接觸式智能卡不損壞電表的硬件或固件。在這種情況下，用戶在供應商處(商店等)購買智能卡，然后，用戶必須通過智能手機或智能卡對電表進行充值。充值時，電表的NFC接口會接受到一個新的余額請求，在相互認證之后，開始將來自智能手機或智能卡中的電費轉(zhuǎn)移到電表中。之后，被接收的數(shù)據(jù)和整條信息的數(shù)字簽名會被驗證。成功驗證后，電表會激活其接觸器(電能鎖存繼電器)，該接觸器將連接電表(加載)與電源。電表不斷地測量累計電量，接收的電費將根據(jù)電量的使用進行扣除，當電費為0時，電表會與電源斷開。如果用戶想要繼續(xù)用電，必須續(xù)費。