NFC技术与RFID技术芯片实现双向预付费系统的设计

AMI另一项关键配套组件是分离式可插拔电能监测显示单元（HDU），该装置位于用户家中。

家庭显示单元（HDU）

用户的HDU（图2）实际上是一种电力状态监测装置，是用户和供电公司之间的双向通信入口。HDU支持NFC。用户可利用其智能手机或平板电脑平台通过Wi-Fi？或蜂窝网络买电，然后利用智能手机的NFC接口将这些购买金额从智能手机传输到HDU。

基于NFC技术与RFID技术芯片实现双向预付费系统的设计

图2. 基于NFC的预付费家庭显示单元（HDU）演示板。HDU与供电公司的后台通信，更新剩余的电量额度。通过家庭中现有电力线利用电力线通信（PLC）完成交易。

该HDU演示平台的目的是为了演示系统工作原理。HDU的核心是MAX66242安全NFC标签认证器。图3所示为演示单元的所有组件。LCD显示消耗的电力以及剩余的电费总量。有一个开关可使能或禁止能源消耗。需要支持NFC功能的智能手机才能操作该HDU。连接至笔记本电脑的本地Wi-Fi网络可模拟供电公司的服务器。使用的是ZyXEL的MWR102旅行路由器。服务器运行TCP/IP client-server应用，负责处理购电交易。

基于NFC技术与RFID技术芯片实现双向预付费系统的设计

图3. 此处所示的预付费供电公司演示平台采用MAX66242安全认证器标签和MAXQ610微控制器（图中未显示）。

HDU显示用户的能耗和支出信息。利用供电公司提供的软件应用程序，用户可访问其日、月或即时用电情况，从而为其提供分析以及可能改变其用电习惯，减少预算的机会。智能电表和HDU之间的通信也可以是硬件连接，从电源插座处通过电力线传输数据（即电力载波通信，PLC）。

当用户账户余额达到预设下限时，供电公司可利用HDU向用户发送声音报警。用户也可选择通过电子邮件、短消息、电话或全部三种方式接受这种提醒。用户在任何时间均可利用支持NFC的智能手机/平板电脑买电。然后将购买的电装载至HDU。如果用户的预付费额度已经全部用完，HDU的显示屏可设计为变为红色，并在之后很快断电。在发生再次预付费后，远程恢复供电。

HDU架构及其工作原理

图4所示为实际的演示HDU，分别是正面和背面，基于MAX66242评估板（EV）。该架构采用符合ISO/IEC 15693标准的DeepCover安全标签认证器IC （MAX66242）实现电能预付费系统。在评估板上增加了显示屏，便于双向通信。

安全是该电能预付费系统的重要特点。该HDU利用MAX66242安全标签集成的SHA-256加密技术及其存储器保护特性，确保电能预付费的扣减和充值不会将整个通信暴露给造假者以及/或者试图窃取隐私信息的任何人。

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图4. HDU正面PCB（上），包括集成NFC天线和显示屏；HDU背面PCB（下），可看出NFC天线线圈连接至MAX66242安全标签认证器。

实际系统操作非常简单。首先，用户利用供电公司提供的智能手机软件为用电账户充值（图5中的第1步和第2步）。第二，用户将智能手机的NFC天线对准HDU的八边形天线。手机和HDU之间进行握手，将用户购买的用电额度从智能手机安全地传输至HDU（第3步）。第三，更新用户账户的预付费电费额度总量，并瞬时在HDU的显示屏上更新总额度。对于断电后增加了用电额度的用户，在第4步中触发远程断电和恢复开关。在利用第5步链路从智能表向HDU更新的同时，在第6步中将数据同步至供电公司的服务器。注意，目前的演示平台中，必须将已购买的用电额度从手机传递至HDU装置，才能用同一个智能手机再次购买新的用电额度。

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图5. 高级预付费表计基础架构，包括买电流程。第1步中，用户利用定制的app买电，并将财务数据传输至电力公司的后台服务器。在第2步中将预付费额度（数据包，包括最大电表值或MMV）传输至智能手机。然后用户在第3步中将这些用电额度传输至其HDU。

通过标准无线网络操作

利用我们周围无所不在的无线网络，无需完全部署AMI，即可快速建立该预付费系统（图6）。

用户首先需要填写简要信息，在电力公司的预付费系统上注册账号。然后利用输入到简要信息中的凭证配置账户并激活预付费系统。供电公司在HDU中储存一个密钥（即S密钥），然后将HDU发送给用户。如果用户申请，供电公司可派遣技术人员到用户现场完成硬件安装。

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