NFC技術與RFID技術芯片實現雙向預付費系統的設計
圖6. 預付費系統利用標準無線PLC實現HDU和電力公司后臺的通信。
圖6所示為通過公共無線數據或蜂窩網絡將電表讀數發送回收集點或云端的方式。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允許用戶實時訪問其預付費余額、用電歷史，以及其他賬戶信息。從供電公司后臺發送至HDU的信息包括通知用戶余額較低的報警、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絡部署預付費服務計劃的方法，具有平穩、可擴展等特點。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
為確保這些財務交易的安全，選用MAX66242，這是HDU內部的關鍵電子器件。該標簽認證器IC集成無線NFC/RFID接口和I2C接口。32字節SRAM緩沖器有利于通過I2C接口進行高速數據傳輸。IC具有加密引擎和帶有保護模式的用戶存儲器，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，包括專有的管芯級物理技術、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本質上是HDU內部的安全元件。集成的SHA-256加密引擎提供對稱質詢-應答安全認證（圖7），基于供電公司后臺服務器（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器實現該系統的M密鑰，S密鑰安全地保存在用戶家中HDU的MAX66242中。此外，每個用戶的HDU采用唯一的S密鑰行工作。當需要將購買的用電額度傳輸至HDU時，安全服務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器上的M密鑰用戶的HDU配置數據，利用直接和加密的過程，可實現這一目的。這一過程不會被外部的不法人員所復制，在完成之后，安全服務器即臨時持有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）用戶存儲器中有四個數據字節，儲存電能表的最大千瓦時（kWh）值，我們稱之為最大電表值（MMV）。與加載額度然后在用電時扣減的方法不同，這種情況下采用的方法是累加。當用戶買電時（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讀數，達到該讀數時將斷電。這里使用的方法利用MAX66242中的存儲頁執行SHA-256運算，此時器件已經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HDU具有自身唯一的S密鑰，在數學上與服務器上的M密鑰關。同樣，在該方法中，智能手機僅提供一個途徑，一種信息渠道。
圖7. HDU框圖。服務器利用主機密鑰（M密鑰）和包括HUD ROM ID在內的用戶相關數據計算從機密鑰（S密鑰）。
由于客戶配置文件是客戶首次在供電公司注冊帳戶時創建的，所以系統知道客戶信息?，F在，后臺服務器擁有客戶的個人信息（例如姓名、住址等）、MMV（對于新用戶，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數據信息。用戶按照圖7所示的交易流程進行買電。
1.用戶利用支持NFC的智能手機或平板電腦，通過定制的app進行預付費（比如1000kWh）。這種情況下，app通過用戶的蜂窩數據網絡或家庭Wi-Fi直接從供電公司買電。供電公司的app指導用戶完成交易。在服務器執行交易并驗證成功完成預付費后，服務器將用戶預付費總額增加到MMV。
2.然后服務器生成一個數據包，其中包括新存儲頁數據（即新MMV）和計算的對應信息驗證代碼（MAC），用于對HDU的MAX66242執行認證寫操作。服務器通過建立的蜂窩數據網絡或Wi-Fi連接將數據包發送至智能手機。
3.現在，用戶即可通過NFC接口將購買的電從智能手機傳輸至HDU。正如文章開頭虛構故事中描寫的那樣，用戶只需將智能手機靠近HDU的天線即可。當智能手機的NFC天線與HDU的八邊形天線對準時，可實現最佳、最可靠的連接。然后智能手機使用服務器提供的認證寫操作以及信息驗證代碼（MAC），將新MMV（比如1000kWh）寫到HDU（具體講，是MAX66242存儲頁）。（注意，NFC智能手機僅僅是執行認證的渠道，既沒有M密鑰，也對其一無所知。）完成存儲器安全認證后，智能手機發送一條短消息，向HDU報告傳輸完成。該消息使MAX66242向HDU的微控制器（MAXQ610）發送一個信號，觸發中斷，表示有新額度可用。然后微控制器讀取MAX66242存儲頁并更新自身的MMV副本。只有具有M密鑰的服務器才能進行更新，并且此時將顯示在HDU的屏幕上，供用戶參考。將重新計算并顯示剩余的電量。容－源－電－子－網－為你提供技術支持
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