電表計(jì)量的付費(fèi)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(jí)的支付基礎(chǔ)設(shè)施以簡化電能的支付流程，還需要改進(jìn)系統(tǒng)的安全性，如防盜功能。業(yè)內(nèi)還出現(xiàn)一個(gè)可喜趨勢，即按固定費(fèi)率計(jì)費(fèi)正向按使用時(shí)間計(jì)費(fèi)轉(zhuǎn)變。安全預(yù)付費(fèi)電表可實(shí)現(xiàn)這一功能，幫助客戶更好地控制其電費(fèi)。使用預(yù)付費(fèi)電表的目標(biāo)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(yù)付費(fèi)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(yù)付費(fèi)電表，也就是說，客戶決定所需及想要消耗的電量，這個(gè)解決方案可幫助客戶更好地控制其電能的使用。當(dāng)預(yù)付費(fèi)的電量被全部消耗后，如果用戶不續(xù)費(fèi)，會(huì)自動(dòng)斷電，這就是預(yù)付費(fèi)電表與傳統(tǒng)電表(基于固定費(fèi)率計(jì)費(fèi)的交易)的最大不同，傳統(tǒng)電表用戶可不斷使用電能。

對(duì)于預(yù)付費(fèi)電表市場而言，亟需打造付費(fèi)基礎(chǔ)設(shè)施。一般來說，銀行賬戶、 ATM取款機(jī)、自動(dòng)售貨站或商店應(yīng)該都可以購電。典型預(yù)付費(fèi)電表的主要部件包括：用于測量累計(jì)用電的計(jì)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(yù)付費(fèi)傳感元件。根據(jù)預(yù)付費(fèi)傳感元件，我們可以區(qū)分不同類型的預(yù)付費(fèi)電表解決方案：

·基于機(jī)電系統(tǒng)—預(yù)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(gè)電表生成一個(gè)單獨(dú)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(dòng)售貨機(jī)購買)。

·采用存儲(chǔ)卡。該卡在自動(dòng)售貨站刷新，并由用戶將其插入預(yù)付費(fèi)電表中。

·采用智能卡。該卡提供存儲(chǔ)卡同樣的功能，且擁有更強(qiáng)的安全性(相互認(rèn)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(dòng)電話)—大多數(shù)移動(dòng)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(shí)時(shí)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(yù)付費(fèi)解決方案的細(xì)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(yù)付費(fèi)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(yù)付費(fèi)電表參考設(shè)計(jì)由兩家公司共同推出：飛思卡爾半導(dǎo)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(jì)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(yù)付費(fèi)電表。該參考設(shè)計(jì)包括3個(gè)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(jì)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(gè)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(jì)算其他數(shù)值，如功率和累計(jì)的電能。由于主要計(jì)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(dǎo)入/導(dǎo)出電能、主動(dòng)/被動(dòng)電能)。因此，電表可以對(duì)電源進(jìn)行完整的頻率分析。MCU的另一個(gè)功能是與板載AMR通信接口進(jìn)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(jìn)行通信的I2C/SPI接口。該MCU還可以與板載人機(jī)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(xiàng)的內(nèi)置按鈕。

該參考設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要部件是獨(dú)立式RF子卡，該子卡包含兩個(gè)主要功能：安全功能和NFC通信功能。該安全元件是保證預(yù)付費(fèi)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(rèn)證、證書的驗(yàn)證與生成、加密和解密，以及密匙存儲(chǔ)管理。此外，控制器為就緒EAL4+，可支持3級(jí)FIPS 140-2和其他認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)。ATVaultIC460結(jié)合了以上所有加密服務(wù)和一個(gè)8/16位RISC處理器，提供了一個(gè)超出計(jì)量應(yīng)用范圍的安全控制解決方案。該設(shè)計(jì)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(fèi)。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(jìn)行連接，通過基于標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)通信接口(HCI)協(xié)議進(jìn)行通信。

用于該參考設(shè)計(jì)的固件基于飛思卡爾MQXTM實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，該系統(tǒng)可改善代碼結(jié)構(gòu)，是面向高級(jí)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(hù)高效調(diào)度系統(tǒng)和中斷處理的負(fù)擔(dān)，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(shí)現(xiàn)以上特性和功能。

MK30單相安全、預(yù)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(jì)量引擎。

·全四象限測量—可測量導(dǎo)入/導(dǎo)出電能，主動(dòng)/被動(dòng)電能。

·可計(jì)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(jī)進(jìn)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(yù)付費(fèi)解決方案在實(shí)際應(yīng)用中的工作原理(圖)如下：

首先，用戶必須在預(yù)付費(fèi)電表中為電費(fèi)余額進(jìn)行續(xù)費(fèi)。續(xù)費(fèi)之前，用戶必須通過供應(yīng)商在其移動(dòng)電話上刷新電費(fèi)余額，該供應(yīng)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(jī)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(yīng)商處(商店等)購買智能卡，然后，用戶必須通過智能手機(jī)或智能卡對(duì)電表進(jìn)行充值。充值時(shí)，電表的NFC接口會(huì)接受到一個(gè)新的余額請(qǐng)求，在相互認(rèn)證之后，開始將來自智能手機(jī)或智能卡中的電費(fèi)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(huì)被驗(yàn)證。成功驗(yàn)證后，電表會(huì)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(jì)電量，接收的電費(fèi)將根據(jù)電量的使用進(jìn)行扣除，當(dāng)電費(fèi)為0時(shí)，電表會(huì)與電源斷開。如果用戶想要繼續(xù)用電，必須續(xù)費(fèi)。