NFC技術(shù)與RFID技術(shù)芯片實(shí)現雙向預付費系統的設計
圖6. 預付費系統利用標準無(wú)線(xiàn)PLC實(shí)現HDU和電力公司后臺的通信。
圖6所示為通過(guò)公共無(wú)線(xiàn)數據或蜂窩網(wǎng)絡(luò )將電表讀數發(fā)送回收集點(diǎn)或云端的方式。在智能電表和HDU之間傳遞全部的報警、用電數據、斷電/恢復供電、電表欺詐行為檢查命令等。像HDU一樣，預付費手機app允許用戶(hù)實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)其預付費余額、用電歷史，以及其他賬戶(hù)信息。從供電公司后臺發(fā)送至HDU的信息包括通知用戶(hù)余額較低的報警、斷電以及其它賬戶(hù)信息。
該方法為供電公司提供了利用廣泛可用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部署預付費服務(wù)計劃的方法，具有平穩、可擴展等特點(diǎn)。最后，該配置可遷移至完整的AMI部署架構。
確保電能預付費交易的安全性
為確保這些財務(wù)交易的安全，選用MAX66242，這是HDU內部的關(guān)鍵電子器件。該標簽認證器IC集成無(wú)線(xiàn)NFC/RFID接口和I2C接口。32字節SRAM緩沖器有利于通過(guò)I2C接口進(jìn)行高速數據傳輸。IC具有加密引擎和帶有保護模式的用戶(hù)存儲器，是保護HDU中隱私信息的最佳和最安全方案。MAX66242也內置硬件保護功能，包括專(zhuān)有的管芯級物理技術(shù)、電路以及加密方法，隔離和保護HDU，防止被黑客或惡意攻擊者篡改或損壞。
MAX66242本質(zhì)上是HDU內部的安全元件。集成的SHA-256加密引擎提供對稱(chēng)質(zhì)詢(xún)-應答安全認證（圖7），基于供電公司后臺服務(wù)器（作為主機，M密鑰）和HDU（作為從機，S密鑰）之間的共公密鑰。位于供電公司的后臺密鑰服務(wù)器實(shí)現該系統的M密鑰，S密鑰安全地保存在用戶(hù)家中HDU的MAX66242中。此外，每個(gè)用戶(hù)的HDU采用唯一的S密鑰行工作。當需要將購買(mǎi)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HDU中儲存的相同的S密鑰。根據儲存在安全服務(wù)器上的M密鑰用戶(hù)的HDU配置數據，利用直接和加密的過(guò)程，可實(shí)現這一目的。這一過(guò)程不會(huì )被外部的不法人員所復制，在完成之后，安全服務(wù)器即臨時(shí)持有MAX66242中的儲存的S密鑰副本。用于電能額度交換的后臺SHA-256加密算法基于美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）頒布的安全散列標準FIPS PUB 180。除確保數據交換安全外，SHA-256也是一款強大的防偽工具。
HDU平臺如圖7所示。HDU的（MAX66242）用戶(hù)存儲器中有四個(gè)數據字節，儲存電能表的最大千瓦時(shí)（kWh）值，我們稱(chēng)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。當用戶(hù)買(mǎi)電時(shí)（預付費），在總額度上加上新額度。所以，MMV是預付費額度允許的最大千瓦時(shí)讀數，達到該讀數時(shí)將斷電。這里使用的方法利用MAX66242中的存儲頁(yè)執行SHA-256運算，此時(shí)器件已經(jīng)被設置為認證保護模式（IC支持的眾多存儲器保護模式之一）。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，智能手機僅提供一個(gè)途徑，一種信息渠道。
圖7. HDU框圖。服務(wù)器利用主機密鑰（M密鑰）和包括HUD ROM ID在內的用戶(hù)相關(guān)數據計算從機密鑰（S密鑰）。
由于客戶(hù)配置文件是客戶(hù)首次在供電公司注冊帳戶(hù)時(shí)創(chuàng )建的，所以系統知道客戶(hù)信息�，F在，后臺服務(wù)器擁有客戶(hù)的個(gè)人信息（例如姓名、住址等）、MMV（對于新用戶(hù)，初始值為0）、HDU的唯一序列號（即ROM ID），以及從其配置中選擇的存儲頁(yè)數據信息。用戶(hù)按照圖7所示的交易流程進(jìn)行買(mǎi)電。
1.用戶(hù)利用支持NFC的智能手機或平板電腦，通過(guò)定制的app進(jìn)行預付費（比如1000kWh）。這種情況下，app通過(guò)用戶(hù)的蜂窩數據網(wǎng)絡(luò )或家庭Wi-Fi直接從供電公司買(mǎi)電。供電公司的app指導用戶(hù)完成交易。在服務(wù)器執行交易并驗證成功完成預付費后，服務(wù)器將用戶(hù)預付費總額增加到MMV。
2.然后服務(wù)器生成一個(gè)數據包，其中包括新存儲頁(yè)數據（即新MMV）和計算的對應信息驗證代碼（MAC），用于對HDU的MAX66242執行認證寫(xiě)操作。服務(wù)器通過(guò)建立的蜂窩數據網(wǎng)絡(luò )或Wi-Fi連接將數據包發(fā)送至智能手機。
3.現在，用戶(hù)即可通過(guò)NFC接口將購買(mǎi)的電從智能手機傳輸至HDU。正如文章開(kāi)頭虛構故事中描寫(xiě)的那樣，用戶(hù)只需將智能手機靠近HDU的天線(xiàn)即可。當智能手機的NFC天線(xiàn)與HDU的八邊形天線(xiàn)對準時(shí)，可實(shí)現最佳、最可靠的連接。然后智能手機使用服務(wù)器提供的認證寫(xiě)操作以及信息驗證代碼（MAC），將新MMV（比如1000kWh）寫(xiě)到HDU（具體講，是MAX66242存儲頁(yè)）。（注意，NFC智能手機僅僅是執行認證的渠道，既沒(méi)有M密鑰，也對其一無(wú)所知。）完成存儲器安全認證后，智能手機發(fā)送一條短消息，向HDU報告傳輸完成。該消息使MAX66242向HDU的微控制器（MAXQ610）發(fā)送一個(gè)信號，觸發(fā)中斷，表示有新額度可用。然后微控制器讀取MAX66242存儲頁(yè)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(hù)參考。將重新計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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