NFC技术与RFID技术芯片实现双向预付费系统的设计

图6. 预付费系统利用标准无线PLC实现HDU和电力公司后台的通信。

图6所示为通过公共无线数据或蜂窝网络将电表读数发送回收集点或云端的方式。在智能电表和HDU之间传递全部的报警、用电数据、断电/恢复供电、电表欺诈行为检查命令等。像HDU一样，预付费手机app允许用户实时访问其预付费余额、用电历史，以及其他账户信息。从供电公司后台发送至HDU的信息包括通知用户余额较低的报警、断电以及其它账户信息。

该方法为供电公司提供了利用广泛可用的无线网络部署预付费服务计划的方法，具有平稳、可扩展等特点。最后，该配置可迁移至完整的AMI部署架构。

确保电能预付费交易的安全性

为确保这些财务交易的安全，选用MAX66242，这是HDU内部的关键电子器件。该标签认证器IC集成无线NFC/RFID接口和I2C接口。32字节SRAM缓冲器有利于通过I2C接口进行高速数据传输。IC具有加密引擎和带有保护模式的用户存储器，是保护HDU中隐私信息的最佳和最安全方案。MAX66242也内置硬件保护功能，包括专有的管芯级物理技术、电路以及加密方法，隔离和保护HDU，防止被黑客或恶意攻击者篡改或损坏。

MAX66242本质上是HDU内部的安全元件。集成的SHA-256加密引擎提供对称质询-应答安全认证（图7），基于供电公司后台服务器（作为主机，M密钥）和HDU（作为从机，S密钥）之间的共公密钥。位于供电公司的后台密钥服务器实现该系统的M密钥，S密钥安全地保存在用户家中HDU的MAX66242中。此外，每个用户的HDU采用唯一的S密钥行工作。当需要将购买的用电额度传输至HDU时，安全服务器必须在本地建立与目标HDU中储存的相同的S密钥。根据储存在安全服务器上的M密钥用户的HDU配置数据，利用直接和加密的过程，可实现这一目的。这一过程不会被外部的不法人员所复制，在完成之后，安全服务器即临时持有MAX66242中的储存的S密钥副本。用于电能额度交换的后台SHA-256加密算法基于美国国家标准与技术研究院（NIST）颁布的安全散列标准FIPS PUB 180。除确保数据交换安全外，SHA-256也是一款强大的防伪工具。

HDU平台如图7所示。HDU的（MAX66242）用户存储器中有四个数据字节，储存电能表的最大千瓦时（kWh）值，我们称之为最大电表值（MMV）。与加载额度然后在用电时扣减的方法不同，这种情况下采用的方法是累加。当用户买电时（预付费），在总额度上加上新额度。所以，MMV是预付费额度允许的最大千瓦时读数，达到该读数时将断电。这里使用的方法利用MAX66242中的存储页执行SHA-256运算，此时器件已经被设置为认证保护模式（IC支持的众多存储器保护模式之一）。该方法也允许每个HDU具有自身唯一的S密钥，在数学上与服务器上的M密钥关。同样，在该方法中，智能手机仅提供一个途径，一种信息渠道。

基于NFC技术与RFID技术芯片实现双向预付费系统的设计

图7. HDU框图。服务器利用主机密钥（M密钥）和包括HUD ROM ID在内的用户相关数据计算从机密钥（S密钥）。

由于客户配置文件是客户首次在供电公司注册帐户时创建的，所以系统知道客户信息。现在，后台服务器拥有客户的个人信息（例如姓名、住址等）、MMV（对于新用户，初始值为0）、HDU的唯一序列号（即ROM ID），以及从其配置中选择的存储页数据信息。用户按照图7所示的交易流程进行买电。

1.用户利用支持NFC的智能手机或平板电脑，通过定制的app进行预付费（比如1000kWh）。这种情况下，app通过用户的蜂窝数据网络或家庭Wi-Fi直接从供电公司买电。供电公司的app指导用户完成交易。在服务器执行交易并验证成功完成预付费后，服务器将用户预付费总额增加到MMV。

2.然后服务器生成一个数据包，其中包括新存储页数据（即新MMV）和计算的对应信息验证代码（MAC），用于对HDU的MAX66242执行认证写操作。服务器通过建立的蜂窝数据网络或Wi-Fi连接将数据包发送至智能手机。

3.现在，用户即可通过NFC接口将购买的电从智能手机传输至HDU。正如文章开头虚构故事中描写的那样，用户只需将智能手机靠近HDU的天线即可。当智能手机的NFC天线与HDU的八边形天线对准时，可实现最佳、最可靠的连接。然后智能手机使用服务器提供的认证写操作以及信息验证代码（MAC），将新MMV（比如1000kWh）写到HDU（具体讲，是MAX66242存储页）。（注意，NFC智能手机仅仅是执行认证的渠道，既没有M密钥，也对其一无所知。）完成存储器安全认证后，智能手机发送一条短消息，向HDU报告传输完成。该消息使MAX66242向HDU的微控制器（MAXQ610）发送一个信号，触发中断，表示有新额度可用。然后微控制器读取MAX66242存储页并更新自身的MMV副本。只有具有M密钥的服务器才能进行更新，并且此时将显示在HDU的屏幕上，供用户参考。将重新计算并显示剩余的电量。容－源－电－子－网－为你提供技术支持

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