《電子技術(shù)應(yīng)用》
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恩智浦智能電表解決方案
來(lái)源:恩智浦
摘要: 本文旨在通過(guò)對(duì)恩智浦半導(dǎo)體智能電表解決方案的介紹,使大家對(duì)非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。本文還對(duì)一些常見(jiàn)問(wèn)題做出了回答,諸如:非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)是如何工作的?非接觸式技術(shù)帶來(lái)哪些益處?公用事業(yè)預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)有哪些優(yōu)點(diǎn)?智能卡在測(cè)量系統(tǒng)中起什么作用?預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)需要什么程度的安全級(jí)別?使用非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)時(shí)需要考慮哪些關(guān)鍵問(wèn)題?
Abstract:
Key words :

    本文旨在通過(guò)對(duì)恩智浦半導(dǎo)體智能電表解決方案的介紹,使大家對(duì)非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。本文還對(duì)一些常見(jiàn)問(wèn)題做出了回答,諸如:非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)是如何工作的?非接觸式技術(shù)帶來(lái)哪些益處?公用事業(yè)預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)有哪些優(yōu)點(diǎn)?智能卡在測(cè)量系統(tǒng)中起什么作用?預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)需要什么程度的安全級(jí)別?使用非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)時(shí)需要考慮哪些關(guān)鍵問(wèn)題?
智能電表系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    日益緊張的能源供給和上漲的能源成本迫使電力供應(yīng)商更有效地計(jì)算、監(jiān)測(cè)和控制電能分配。
電網(wǎng)的老化和近年來(lái)屢次出現(xiàn)的電力中斷現(xiàn)象很清楚地顯示出輸電網(wǎng)的使用已經(jīng)達(dá)到極限。因此電網(wǎng)公司需要更多的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算分析,以更有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格買賣電能。
    全世界的政府機(jī)構(gòu)都很重視可再生能源方面的技術(shù),美國(guó)奧巴馬政府斥資45億美元鼓勵(lì)創(chuàng)新和促進(jìn)可再生能源科技的推廣使用。其中創(chuàng)新之一便是公用事業(yè)智能表的改革。中國(guó)政府也于日前宣布了高規(guī)格的智能電網(wǎng)計(jì)劃。這些計(jì)劃將給智能電表行業(yè)帶來(lái)前所未有的發(fā)展契機(jī)。
    智能表允許家用和商用電能系統(tǒng)自動(dòng)將電能消費(fèi)紀(jì)錄傳給公用事業(yè)管理中心和終端使用者,允許每個(gè)人跟蹤其電能使用情況并隨時(shí)調(diào)節(jié)使用量。如果用戶家中有數(shù)字工具可控制電能使用量,則在用電高峰時(shí)期輸電網(wǎng)的最大負(fù)荷就可減少高達(dá)15%,未來(lái)20年里不用再建新的發(fā)電廠和配套基礎(chǔ)設(shè)施,由此可節(jié)省700億美元。
    從長(zhǎng)期來(lái)看,保護(hù)環(huán)境的需要使得很多國(guó)家不得不另辟蹊徑以節(jié)約能源并減少石油消費(fèi)和二氧化碳的排放量;另外,政府和公司也希望減少偷電等欺詐行為。
非接觸式預(yù)付費(fèi)智能電表系統(tǒng)可解決這些難題,同時(shí)使智能卡和智能電表系統(tǒng)更加安全。
預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)
    1.什么是預(yù)付費(fèi)智能表?
    預(yù)付費(fèi)意為預(yù)先支付公用事業(yè)服務(wù)費(fèi)用,例如水電費(fèi)、煤氣費(fèi)等。一張非接觸式智能卡就能記錄所有信息,包括用戶的使用時(shí)間、用量和花費(fèi)。
    2. 預(yù)付費(fèi)智能卡是如何工作的?
    首先,消費(fèi)者為支付公用事業(yè)費(fèi)用可通過(guò)銀行、非接觸式終端機(jī)或者互聯(lián)網(wǎng)向非接觸式智能卡上充值;然后,在消費(fèi)者家中,智能卡中的充值金額可轉(zhuǎn)到非接觸式智能表中,消費(fèi)者就可安心享用公用事業(yè)服務(wù)了;如智能卡中余額不足,消費(fèi)者可在商店購(gòu)買充值卡向智能卡中充值即可。消費(fèi)者家中也可留一張備用卡,以防智能卡中余額不足或者消費(fèi)者不想或不能立即向智能卡中充值等情況。否則,一旦智能卡中余額不足,消費(fèi)者就不能享用公用事業(yè)服務(wù)了??梢灶A(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái),手機(jī)有可能代替智能卡實(shí)現(xiàn)這些功能。

    3. 預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)有何優(yōu)勢(shì)?
    短期來(lái)看,公用事業(yè)收費(fèi)更快更及時(shí):計(jì)費(fèi)表大都裝在居民家中,如果家中沒(méi)人,電表公司就不能及時(shí)抄表,引起額外成本;為抄表和維修節(jié)省成本:不再需要派專人花大量時(shí)間去抄表。智能卡和智能表壽命更長(zhǎng),省去了維修成本。同時(shí),也節(jié)省了計(jì)費(fèi)管理成本;先付費(fèi),后使用,直接消除了不付款的風(fēng)險(xiǎn)。在使用智能表的情況下,沒(méi)有任何人可以逃避繳費(fèi)。另外,如果房東想出租房子,對(duì)房東來(lái)講,預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)立顯;用戶可更容易地控制自己的使用量,而且不會(huì)因電源突然中斷而煩惱。
    長(zhǎng)期來(lái)看,為公用事業(yè)管理中心降低抄表和維修的人力成本;可提高電網(wǎng)公司業(yè)務(wù)效率:便捷控制可減少使用量。在用電高峰期,使用此系統(tǒng)可減少電能使用量,,從而使電網(wǎng)公司不必建很多發(fā)電站,減少了不必要的投資,由此可使電網(wǎng)公司節(jié)省數(shù)十億美元;消費(fèi)者可更加方便地控制使用量從而減少了能源用量;有利于保護(hù)環(huán)境:這尤其利于石油和水資源短缺的地區(qū),減少能源消費(fèi)量有益于這些地區(qū)的發(fā)展,并可抑制物價(jià)上漲;非接觸式智能表系統(tǒng)對(duì)高濕度高溫度等惡劣環(huán)境抵抗力更強(qiáng),從而延長(zhǎng)了電表的使用壽命。
    給公用事業(yè)公司和中介機(jī)構(gòu)帶來(lái)的好處:非接觸式智能表系統(tǒng)可自我管理,不需要派專人抄表或者派專人管理某處房子的電源系統(tǒng)。非接觸式智能表系統(tǒng)工作壽命更長(zhǎng),管理成本更低。和傳統(tǒng)的儀表系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)在行政費(fèi)用結(jié)算以及登記管理開(kāi)銷/注銷方面,成本更低;該系統(tǒng)具有可靠、高效和自主管理等優(yōu)點(diǎn),而且在費(fèi)用不足的情況下可自動(dòng)中斷服務(wù)。系統(tǒng)通信僅限于卡和讀卡器之間,不需要將讀卡器中的數(shù)據(jù)再傳送到電網(wǎng)公司;信用記錄差的客戶或頻繁搬家的客戶都可使用該系統(tǒng),因此擴(kuò)大了客戶群也增加了公用事業(yè)公司的收益;該系統(tǒng)先付費(fèi)的特征有利于公用事業(yè)公司更快地收回投資成本,降低不支付風(fēng)險(xiǎn)(它可以占到智能電網(wǎng)公司收益額的10%)。
    給消費(fèi)者帶來(lái)的好處:消費(fèi)者通過(guò)該系統(tǒng)可清楚地了解自己的使用量,從而會(huì)減少用量并提前為水電消費(fèi)做出預(yù)算。大部分人直到拿到電費(fèi)單才知道自己每月到底用了多少度電。擁有更多的控制權(quán)也意味著有更多的靈活性。在用電高峰時(shí)電價(jià)上漲,因此鼓勵(lì)消費(fèi)者錯(cuò)開(kāi)用電高峰,在需求較少時(shí)洗衣;該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便:有時(shí)人們無(wú)意中忘記付賬單,或者要專門去銀行轉(zhuǎn)賬支付,或者在回家的路上賬單丟了,都會(huì)引起麻煩。預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)很容易地解決了這些問(wèn)題,從而降低了非自愿不付款的風(fēng)險(xiǎn);該系統(tǒng)同樣允許那些曾經(jīng)有不良信用記錄或者信用度低的消費(fèi)者使用;智能卡中只存有需要完成交易的金額,不包含個(gè)人信息。
為什么非接觸式系統(tǒng)要預(yù)付費(fèi)?
    1. 市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)
    非接觸式技術(shù)的應(yīng)用是銀行、門禁管理、交通運(yùn)輸和電子政務(wù)發(fā)展的需要。萬(wàn)事達(dá)、維薩和美國(guó)運(yùn)通正在美國(guó)和一些歐洲國(guó)家部署非接觸式技術(shù)用于安全支付。非接觸式技術(shù)已經(jīng)在公共交通部門運(yùn)用很多年了。目前世界上很多國(guó)家的電子護(hù)照和身份證都是非接觸式的了。另一些地方,比如自動(dòng)售貨機(jī)也開(kāi)始運(yùn)用非接觸式技術(shù)了。
    非接觸式技術(shù)集多種功能于一張卡中,包括電子錢包、公共交通和支付公路費(fèi)等功能,這種卡正在越來(lái)越流行。多項(xiàng)服務(wù)集于一身使得運(yùn)營(yíng)商在鞏固成本的基礎(chǔ)上擴(kuò)大了客戶群并增加了收益。
     2. 非接觸式技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
    以上講的都是非接觸技術(shù)能夠給我們帶來(lái)哪些益處。下面再來(lái)看看智能表系統(tǒng)的益處:
    非接觸式智能卡密封性好,能抵抗惡劣環(huán)境的侵蝕,如高溫、低溫、潮濕、水和灰塵等,因此保證了卡的壽命更長(zhǎng)。即便卡損壞了,卡內(nèi)的芯片照樣可以工作,非接觸式IC卡與讀寫器之間無(wú)機(jī)械接觸,避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障,例如:由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰塵或油污導(dǎo)致接觸不良造成的故障。非接觸式IC卡表面無(wú)裸露芯片,無(wú)須擔(dān)心芯片脫落,靜電擊穿,彎曲損壞等問(wèn)題,既便于卡片印刷,又提高了卡片的使用可靠性。
    讀卡器可對(duì)抗惡劣的天氣,從而延長(zhǎng)了壽命,將維修成本降到最低。整個(gè)非接觸式系統(tǒng)要比接觸式系統(tǒng)可靠得多。
    大多數(shù)計(jì)量表都被安裝在昏暗狹小的壁櫥里,要插進(jìn)去卡還真不是一件容易的事情。接觸式IC卡首先需要插進(jìn)讀卡器中才能完成交易,因此減少了IC卡的壽命。
    非接觸式IC卡只要在近距離范圍內(nèi)靠近讀卡器就可完成交易。
    安裝非接觸式智能卡系統(tǒng)和接觸式智能卡系統(tǒng)的成本是相同的。
    為什么非接觸式預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)安全?
    只要和金錢相關(guān),不法分子總會(huì)想方設(shè)法不付費(fèi)或者少付費(fèi)。尤其是在水電短缺的國(guó)家,偷電偷水的激勵(lì)更大,因此公用事業(yè)公司應(yīng)該防止不法分子的偷竊行為。
     許多國(guó)家偷電現(xiàn)象非常普遍。在某些地區(qū),消費(fèi)者篡改電表使之停止甚至倒轉(zhuǎn),這樣就能偷電成功。在新一代非接觸式預(yù)付費(fèi)智能系統(tǒng)中已經(jīng)有了反偷電行為的設(shè)置了。
    非接觸式預(yù)付費(fèi)技術(shù)因避免了數(shù)據(jù)在用戶和電網(wǎng)公司之間的傳送而更加安全。只簽名、不加密、傳送渠道也不安全的數(shù)據(jù)極易被閱讀和操縱。非接觸式預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)只在讀卡器和IC卡之間傳送數(shù)據(jù),不受外界干擾。當(dāng)然讀卡器和IC卡之間傳送數(shù)據(jù)也要安全,以防止有人惡意竊取卡內(nèi)金額,高安全非接觸智能卡技術(shù)能完美的滿足以上應(yīng)用需求。
    產(chǎn)品描述
    1. 非接觸和預(yù)付費(fèi)
     智能電表需要智能產(chǎn)品與之配套。預(yù)付費(fèi)電表是如何工作的?非接觸電表系統(tǒng)包含硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件包括一個(gè)非接觸讀卡器,一個(gè)主控制器,外圍設(shè)備,一個(gè)天線和配套部分;軟件包括微控制器固件,主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序軟件和演示軟件。
     恩智浦針對(duì)非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)的IC卡閱讀器有MFRC510、MFRC522、MFRC523、MFRC530、MFRC531和CLRC632等產(chǎn)品。另外恩智浦公司會(huì)依據(jù)未來(lái)新的需求繼續(xù)研發(fā)新的解決方案。
     2. 智能表的其他IC元件
    從上面的框架圖來(lái)看,智能卡明顯是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng),包含很多不同的元件。為使智能表系統(tǒng)正常運(yùn)行,恩智浦也提供了很多配套產(chǎn)品系列,包括微控制器、顯示驅(qū)動(dòng)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、邏輯產(chǎn)品(一般產(chǎn)品,串行EEPROM,橋接芯片,UART, 具有I2C的溫度傳感器),電源管理產(chǎn)品(starplug家庭),普遍適用的分立(BISS晶體管,肖特基二極管,可再生能源技術(shù))和無(wú)線通信模塊(圖 3)。
上圖所列的恩智浦產(chǎn)品,產(chǎn)品技術(shù)很先進(jìn),而且已在儀表系統(tǒng)中應(yīng)用多年了。

     3. IC卡的安全性
     恩智浦研發(fā)的產(chǎn)品中包括安全性極高的IC卡,可降低被操控的風(fēng)險(xiǎn)。此卡的讀卡器中含有安全訪問(wèn)模塊(SAMs),如電子護(hù)照一樣安全性極高,并滿足通用標(biāo)準(zhǔn)
EAL5+。這種智能卡充分利用高安全性、低功耗、性能最優(yōu)化的技術(shù),將用于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施的異常強(qiáng)勁的協(xié)同處理器和對(duì)稱密鑰加密結(jié)合起來(lái)支持RSA、ECC、DES和AES。除提供最優(yōu)化功能和最高安全性外,它還擁有簡(jiǎn)便易操作的先進(jìn)操作系統(tǒng)和開(kāi)放平臺(tái)解決方案。
智能卡的商業(yè)優(yōu)勢(shì)
    盡管非接觸式預(yù)付費(fèi)智能表系統(tǒng)的初始投資較高,但其收益豐厚,兼具經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。首先,智能表系統(tǒng)比以往價(jià)格更低,這促使全球越來(lái)越多的地區(qū)選用智能表系統(tǒng)。在歐洲,三年來(lái)單個(gè)智能表的價(jià)格已從300美元降到了50美元。因此,安裝智能表的初始成本已不像前幾年那么高了。意大利國(guó)家電力公司埃奈爾花費(fèi)30億美元安裝了3千萬(wàn)個(gè)智能表(每個(gè)約合100美元,因而每年節(jié)省7億美元,五年內(nèi)就將投資成本全部收回。到2010年,預(yù)計(jì)投資成本會(huì)再降低30%到40%,投資成本可更快收回。
    目前,發(fā)行非接觸式卡是具有成本效益的,該卡可以使用很多年。對(duì)于一個(gè)擁有100萬(wàn)客戶的公司來(lái)講,發(fā)行非接觸式卡可消除結(jié)算過(guò)程中的成本,因而每年可節(jié)省幾百萬(wàn)美元。結(jié)算成本是電網(wǎng)公司的主要成本之一,而預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)則可降低或者完全消除結(jié)算成本。
    非接觸式卡或其他的非接觸式設(shè)備(如手機(jī))還可提供別的服務(wù),如大型超市發(fā)放會(huì)員卡可提高顧客忠誠(chéng)度,政府可發(fā)放10元面值的卡用于相關(guān)社會(huì)福利等。
    另外,還有之前提到過(guò)的,非接觸式預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)可消除惡意欠費(fèi)的風(fēng)險(xiǎn),由此而節(jié)省的費(fèi)用可占到電網(wǎng)公司收益的10%。
    非接觸式預(yù)付費(fèi)智能系統(tǒng)帶來(lái)的社會(huì)效應(yīng)也是不可忽視的。首先,此系統(tǒng)可使更多的人享用公用事業(yè)服務(wù),因此提高了社會(huì)福利,并減少了偷電偷水等犯罪行為;其次,此系統(tǒng)降低了人均水電用量,減少了二氧化碳排放量,因此改善了人們的生活質(zhì)量。
     為實(shí)現(xiàn)上述收益,電網(wǎng)公司需要有經(jīng)驗(yàn)的公司提供支持,而恩智浦就是最佳合作伙伴。恩智浦有多年非接觸式市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),已經(jīng)為社會(huì)提供了超過(guò)一億個(gè)的IC卡讀卡器和20億張的非接觸式卡提供芯片技術(shù)支持,這些都證明了恩智浦技術(shù)的可靠性。
     因此,即使新技術(shù)的初始投資成本高昂,收益也是立竿見(jiàn)影的。“技術(shù)是昂貴的,但是不使用將更加昂貴。”非接觸式預(yù)付費(fèi)智能電表系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的迅速應(yīng)用已經(jīng)使其價(jià)格更低,過(guò)渡更快。
本文小結(jié)
    智能電表是公用事業(yè)改革的一部分內(nèi)容,但是,要想實(shí)現(xiàn)最大收益,業(yè)務(wù)明確、技術(shù)的正確選擇和恰當(dāng)實(shí)施是前提。智能系統(tǒng)正是在提高效率和降低操作、零售甚至生產(chǎn)成本的大背景下而研發(fā)的,非接觸式預(yù)付費(fèi)智能系統(tǒng)能更快地獲得這些收益。恩智浦公司在此領(lǐng)域的技術(shù)已在全球范圍內(nèi)得到應(yīng)用,因此證明恩智浦是最佳合作伙伴。
     似乎減少需求不是賣方所追求的目標(biāo)。但是通過(guò)應(yīng)用智能電表系統(tǒng),公用事業(yè)公司不只是減少需求,而是更好地控制該系統(tǒng)并避免因偷電而引起的損失,同時(shí)減少了管理費(fèi)用,獲得了更高的收益。減少水電用量可使公用事業(yè)公司推遲甚至避免建設(shè)新的發(fā)電站。眾所周知,建設(shè)發(fā)電站成本極高而且投資回收期很長(zhǎng)。另外,應(yīng)用智能表還可以促進(jìn)新能源的使用,從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境和降低二氧化碳排放量的目的。能為電力公司基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和保護(hù)環(huán)境助一臂之力,恩智浦人感到很自豪。
     智能表行業(yè)還沒(méi)有完全統(tǒng)一開(kāi)放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),盡管現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)存在一些標(biāo)準(zhǔn),但是又出現(xiàn)了一些新的標(biāo)準(zhǔn)。恩智浦專注于開(kāi)發(fā)支持共同操作的產(chǎn)品,而不是排外的或者專有性質(zhì)的產(chǎn)品。一些專家認(rèn)為,就如互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的革新應(yīng)用一樣,智能電網(wǎng)的應(yīng)用也能為能源創(chuàng)新和應(yīng)用提供平臺(tái),從而這個(gè)平臺(tái)可帶動(dòng)世界上規(guī)模最大最重要的產(chǎn)業(yè)之一發(fā)生轉(zhuǎn)變。恩智浦很樂(lè)意通過(guò)研發(fā)現(xiàn)代產(chǎn)品融入這個(gè)轉(zhuǎn)變中。
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