电表计量的付费管理

近期，在电表领域，特别是在某些地区，以下趋势越来越显著：电力公司不仅亟需更高级的支付基础设施以简化电能的支付流程，还需要改进系统的安全性，如防盗功能。业内还出现一个可喜趋势，即按固定费率计费正向按使用时间计费转变。安全预付费电表可实现这一功能，帮助客户更好地控制其电费。使用预付费电表的目标地区包括英国、东欧、拉丁美洲、南非和亚洲地区，这类电表适合安装在业主公寓、商店、商场和体育设施内等。
使用预付费电表的基本及通用原则是提前购买电能并以某种方式通知预付费电表，也就是说，客户决定所需及想要消耗的电量，这个解决方案可帮助客户更好地控制其电能的使用。当预付费的电量被全部消耗后，如果用户不续费，会自动断电，这就是预付费电表与传统电表(基于固定费率计费的交易)的最大不同，传统电表用户可不断使用电能。
对于预付费电表市场而言，亟需打造付费基础设施。一般来说，银行账户、 ATM取款机、自动售货站或商店应该都可以购电。典型预付费电表的主要部件包括：用于测量累计用电的计量部件、使电表(用户)断电的接触器以及将电量余额加载到电表的预付费传感元件。根据预付费传感元件，我们可以区分不同类型的预付费电表解决方案：
·基于机电系统—预付款可通过硬币简单支付。
·采用电表集成式键盘—用户可在电力公司直接购电。卖方公司为每个电表生成一个单独的PIN，用户通过键盘输入即可。
·采用电子卡—塑料钥匙或磁条卡 (可从自动售货机购买)。
·采用存储卡。该卡在自动售货站刷新，并由用户将其插入预付费电表中。
·采用智能卡。该卡提供存储卡同样的功能，且拥有更强的安全性(相互认证等)—这些智能卡包括接触式和非接触式两种。
·无线(采用移动电话)—大多数移动电话都基于GPRS、ZigBee或NFC通信—这些技术不仅用于加载电量余额，还授权电力公司无线实时读取智能电表数据或重要信息。

下文介绍基于近场通信技术(NFC)的预付费解决方案的细节。NFC一种是特殊的近距离(几厘米)无线技术，可使包括智能电话在内的设备安全地连接到其他采用NFC技术的设备，如预付费电表。该技术已普遍用于银行业，并结合了安全微控制器。基于该技术的典型预付费电表参考设计由两家公司共同推出：飞思卡尔半导体(美国)和Inside Secure(法国)。由于两家公司的携手合作，该参考设计得以稳步发展，并提供可安全重载电量余额的基于NFC的预付费电表。该参考设计包括3个关键部件：他们分别是来自两家公司的飞思卡尔MK30X微控制器(最新推出的Kinetis系列)、ATVaultIC460(安全元件)和NFC(Microread 3.4)芯片组。
该电表采用作为计量引擎核心的飞思卡尔MK30X256 32位MCU，该MCU基于广受欢迎的ARM Cortex-M4内核。该MCU带有一个集成式模拟前端(AFE)， 主要功能是周期性地读取来自外部电压和电流传感器的数据，并连续计算其他数值，如功率和累计的电能。由于主要计算技术基于快速傅里叶变换(FFT)，电表可以在全部四象限中精确地测量电能(导入/导出电能、主动/被动电能)。因此，电表可以对电源进行完整的频率分析。MCU的另一个功能是与板载AMR通信接口进行通信，如光电隔离RS232接口、能源LED脉搏输出接口、红外线IEC1107接口以及用于与RF/ZigBee子卡进行通信的I2C/SPI接口。该MCU还可以与板载人机界面(HMI)配合使用，如用于显示所需数值的LCD，以及用于菜单选项的内置按钮。
该参考设计的另一个重要部件是独立式RF子卡，该子卡包含两个主要功能：安全功能和NFC通信功能。该安全元件是保证预付费电表与电力公司和卖电经销商之间端到端安全性的基础。该参考RF子卡采用内部安全ATVaultIC460和NFC (Microread 3.4)芯片组。ATVaultIC460安全模块可提供全面的安全功能，如相互认证、证书的验证与生成、加密和解密，以及密匙存储管理。此外，控制器为就绪EAL4+，可支持3级FIPS 140-2和其他认证和标准。ATVaultIC460结合了以上所有加密服务和一个8/16位RISC处理器，提供了一个超出计量应用范围的安全控制解决方案。该设计中的NFC连接功能使用户采用无接触式智能卡技术或通过NFC电话提交电费。子卡上的NFC连接功能采用Microread 3.4控制器和开放式NFC协议扎。带安全功能和MK30 MCU的RF/NFC子卡通过I2C进行连接，通过基于标准主机通信接口(HCI)协议进行通信。
用于该参考设计的固件基于飞思卡尔MQXTM实时操作系统（RTOS），该系统可改善代码结构，是面向高级市场的理想选择。该RTOS可使用户配置并平衡代码尺寸，满足性能要求。飞思卡尔MQX RTOS通过缓解工程师开发或维护高效调度系统和中断处理的负担，使开发人员加快开发周期。该RTOS还可以提供带有简单API的框架工作，通过飞思卡尔丰富的嵌入式处理器产品组合实现以上特性和功能。
MK30单相安全、预设定电表的关键优势如下：
·可保障电表与电力公司和卖电经销商之间的端到端安全。
·物理安全—采用NFC技术(NFC电能余额重载)的密封电表盒。
·基于广受欢迎的ARM Cortex M4内核的计量引擎。
·全四象限测量—可测量导入/导出电能，主动/被动电能。
·可计算总谐波失真(THD)及电源的频率分析。
·电表与电力公司间，通过智能手机进行安全数据交换—可重载电表的余额并执行防伪检测。
·可支持MQXTM RTOS。
        
该安全预付费解决方案在实际应用中的工作原理(图)如下：
首先，用户必须在预付费电表中为电费余额进行续费。续费之前，用户必须通过供应商在其移动电话上刷新电费余额，该供应商从用户的银行账户中划走足够的金额。采用NFC可使智能手机或无接触式智能卡不损坏电表的硬件或固件。在这种情况下，用户在供应商处(商店等)购买智能卡，然后，用户必须通过智能手机或智能卡对电表进行充值。充值时，电表的NFC接口会接受到一个新的余额请求，在相互认证之后，开始将来自智能手机或智能卡中的电费转移到电表中。之后，被接收的数据和整条信息的数字签名会被验证。成功验证后，电表会激活其接触器(电能锁存继电器)，该接触器将连接电表(加载)与电源。电表不断地测量累计电量，接收的电费将根据电量的使用进行扣除，当电费为0时，电表会与电源断开。如果用户想要继续用电，必须续费。