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基于NFC技術(shù)與RFID技術(shù)芯片實(shí)現(xiàn)雙向預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖6. 預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)無線PLC實(shí)現(xiàn)HDU和電力公司后臺(tái)的通信。

圖6所示為通過公共無線數(shù)據(jù)或蜂窩網(wǎng)絡(luò)將電表讀數(shù)發(fā)送回收集點(diǎn)或云端的方式。在智能電表和HDU之間傳遞全部的報(bào)警、用電數(shù)據(jù)、斷電/恢復(fù)供電、電表欺詐行為檢查命令等。像HDU一樣，預(yù)付費(fèi)手機(jī)app允許用戶實(shí)時(shí)訪問其預(yù)付費(fèi)余額、用電歷史，以及其他賬戶信息。從供電公司后臺(tái)發(fā)送至HDU的信息包括通知用戶余額較低的報(bào)警、斷電以及其它賬戶信息。

該方法為供電公司提供了利用廣泛可用的無線網(wǎng)絡(luò)部署預(yù)付費(fèi)服務(wù)計(jì)劃的方法，具有平穩(wěn)、可擴(kuò)展等特點(diǎn)。最后，該配置可遷移至完整的AMI部署架構(gòu)。

確保電能預(yù)付費(fèi)交易的安全性

為確保這些財(cái)務(wù)交易的安全，選用MAX66242，這是HDU內(nèi)部的關(guān)鍵電子器件。該標(biāo)簽認(rèn)證器IC集成無線NFC/RFID接口和I2C接口。32字節(jié)SRAM緩沖器有利于通過I2C接口進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。IC具有加密引擎和帶有保護(hù)模式的用戶存儲(chǔ)器，是保護(hù)HDU中隱私信息的最佳和最安全方案。MAX66242也內(nèi)置硬件保護(hù)功能，包括專有的管芯級(jí)物理技術(shù)、電路以及加密方法，隔離和保護(hù)HDU，防止被黑客或惡意攻擊者篡改或損壞。

MAX66242本質(zhì)上是HDU內(nèi)部的安全元件。集成的SHA-256加密引擎提供對(duì)稱質(zhì)詢-應(yīng)答安全認(rèn)證（圖7），基于供電公司后臺(tái)服務(wù)器（作為主機(jī)，M密鑰）和HDU（作為從機(jī)，S密鑰）之間的共公密鑰。位于供電公司的后臺(tái)密鑰服務(wù)器實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的M密鑰，S密鑰安全地保存在用戶家中HDU的MAX66242中。此外，每個(gè)用戶的HDU采用唯一的S密鑰行工作。當(dāng)需要將購(gòu)買的用電額度傳輸至HDU時(shí)，安全服務(wù)器必須在本地建立與目標(biāo)HDU中儲(chǔ)存的相同的S密鑰。根據(jù)儲(chǔ)存在安全服務(wù)器上的M密鑰用戶的HDU配置數(shù)據(jù)，利用直接和加密的過程，可實(shí)現(xiàn)這一目的。這一過程不會(huì)被外部的不法人員所復(fù)制，在完成之后，安全服務(wù)器即臨時(shí)持有MAX66242中的儲(chǔ)存的S密鑰副本。用于電能額度交換的后臺(tái)SHA-256加密算法基于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）頒布的安全散列標(biāo)準(zhǔn)FIPS PUB 180。除確保數(shù)據(jù)交換安全外，SHA-256也是一款強(qiáng)大的防偽工具。

HDU平臺(tái)如圖7所示。HDU的（MAX66242）用戶存儲(chǔ)器中有四個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，儲(chǔ)存電能表的最大千瓦時(shí)（kWh）值，我們稱之為最大電表值（MMV）。與加載額度然后在用電時(shí)扣減的方法不同，這種情況下采用的方法是累加。當(dāng)用戶買電時(shí)（預(yù)付費(fèi)），在總額度上加上新額度。所以，MMV是預(yù)付費(fèi)額度允許的最大千瓦時(shí)讀數(shù)，達(dá)到該讀數(shù)時(shí)將斷電。這里使用的方法利用MAX66242中的存儲(chǔ)頁執(zhí)行SHA-256運(yùn)算，此時(shí)器件已經(jīng)被設(shè)置為認(rèn)證保護(hù)模式（IC支持的眾多存儲(chǔ)器保護(hù)模式之一）。該方法也允許每個(gè)HDU具有自身唯一的S密鑰，在數(shù)學(xué)上與服務(wù)器上的M密鑰關(guān)。同樣，在該方法中，智能手機(jī)僅提供一個(gè)途徑，一種信息渠道。

基于NFC技術(shù)與RFID技術(shù)芯片實(shí)現(xiàn)雙向預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖7. HDU框圖。服務(wù)器利用主機(jī)密鑰（M密鑰）和包括HUD ROM ID在內(nèi)的用戶相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算從機(jī)密鑰（S密鑰）。

由于客戶配置文件是客戶首次在供電公司注冊(cè)帳戶時(shí)創(chuàng)建的，所以系統(tǒng)知道客戶信息。現(xiàn)在，后臺(tái)服務(wù)器擁有客戶的個(gè)人信息（例如姓名、住址等）、MMV（對(duì)于新用戶，初始值為0）、HDU的唯一序列號(hào)（即ROM ID），以及從其配置中選擇的存儲(chǔ)頁數(shù)據(jù)信息。用戶按照?qǐng)D7所示的交易流程進(jìn)行買電。

1.用戶利用支持NFC的智能手機(jī)或平板電腦，通過定制的app進(jìn)行預(yù)付費(fèi)（比如1000kWh）。這種情況下，app通過用戶的蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或家庭Wi-Fi直接從供電公司買電。供電公司的app指導(dǎo)用戶完成交易。在服務(wù)器執(zhí)行交易并驗(yàn)證成功完成預(yù)付費(fèi)后，服務(wù)器將用戶預(yù)付費(fèi)總額增加到MMV。

2.然后服務(wù)器生成一個(gè)數(shù)據(jù)包，其中包括新存儲(chǔ)頁數(shù)據(jù)（即新MMV）和計(jì)算的對(duì)應(yīng)信息驗(yàn)證代碼（MAC），用于對(duì)HDU的MAX66242執(zhí)行認(rèn)證寫操作。服務(wù)器通過建立的蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi連接將數(shù)據(jù)包發(fā)送至智能手機(jī)。

3.現(xiàn)在，用戶即可通過NFC接口將購(gòu)買的電從智能手機(jī)傳輸至HDU。正如文章開頭虛構(gòu)故事中描寫的那樣，用戶只需將智能手機(jī)靠近HDU的天線即可。當(dāng)智能手機(jī)的NFC天線與HDU的八邊形天線對(duì)準(zhǔn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳、最可靠的連接。然后智能手機(jī)使用服務(wù)器提供的認(rèn)證寫操作以及信息驗(yàn)證代碼（MAC），將新MMV（比如1000kWh）寫到HDU（具體講，是MAX66242存儲(chǔ)頁）。（注意，NFC智能手機(jī)僅僅是執(zhí)行認(rèn)證的渠道，既沒有M密鑰，也對(duì)其一無所知。）完成存儲(chǔ)器安全認(rèn)證后，智能手機(jī)發(fā)送一條短消息，向HDU報(bào)告?zhèn)鬏斖瓿伞Ｔ撓⑹筂AX66242向HDU的微控制器（MAXQ610）發(fā)送一個(gè)信號(hào)，觸發(fā)中斷，表示有新額度可用。然后微控制器讀取MAX66242存儲(chǔ)頁并更新自身的MMV副本。只有具有M密鑰的服務(wù)器才能進(jìn)行更新，并且此時(shí)將顯示在HDU的屏幕上，供用戶參考。將重新計(jì)算并顯示剩余的電量。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持

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