智能电表典型方案设计实例精华汇总

　　智能电表凭借着其节能、高精确度等多种优势，在最近几年迅猛发展，据研究机构数据显示，中国2012年的智能电表数量将超过1.1亿个，到2016年，出货量会达到1.45亿个。面对这么一个大市场，各大厂商都在智能电表方案上面进行了多方面的研究改进以提高其竞争力。下面我们就通过介绍一些智能电表的技术方案来加深大家对智能电表的了解。

　　预付费智能电表设计要考虑什么问题

　　本文旨在通过对恩智浦半导体智能电表解决方案的介绍，使大家对非接触式预付费智能表系统有一个整体的认识。本文还对一些常见问题做出了回答，诸如：非接触式预付费智能表系统是如何工作的？非接触式技术带来哪些益处？公用事业预付费系统有哪些优点？智能卡在测量系统中起什么作用？预付费智能表系统需要什么程度的安全级别？使用非接触式预付费智能表系统时需要考虑哪些关键问题？

　　智能电表系统简介

　　日益紧张的能源供给和上涨的能源成本迫使电力供应商更有效地计算、监测和控制电能分配。

　　电网的老化和近年来屡次出现的电力中断现象很清楚地显示出输电网的使用已经达到极限。因此电网公司需要更多的统计数据进行测算分析，以更有竞争力的价格买卖电能。

　　全世界的政府机构都很重视可再生能源方面的技术，美国奥巴马政府斥资45亿美元鼓励创新和促进可再生能源科技的推广使用。其中创新之一便是公用事业智能表的改革。中国政府也于日前宣布了高规格的智能电网计划。这些计划将给智能电表行业带来前所未有的发展契机。

　　智能表允许家用和商用电能系统自动将电能消费纪录传给公用事业管理中心和终端使用者，允许每个人跟踪其电能使用情况并随时调节使用量。如果用户家中有数字工具可控制电能使用量，则在用电高峰时期输电网的最大负荷就可减少高达15%，未来20年里不用再建新的发电厂和配套基础设施，由此可节省700亿美元。

　　从长期来看，保护环境的需要使得很多国家不得不另辟蹊径以节约能源并减少石油消费和二氧化碳的排放量；另外，政府和公司也希望减少偷电等欺诈行为。

　　非接触式预付费智能电表系统可解决这些难题，同时使智能卡和智能电表系统更加安全。

　　预付费智能表系统

　　1．什么是预付费智能表？

　　预付费意为预先支付公用事业服务费用，例如水电费、煤气费等。一张非接触式智能卡就能记录所有信息，包括用户的使用时间、用量和花费。

　　2. 预付费智能卡是如何工作的？

　　首先，消费者为支付公用事业费用可通过银行、非接触式终端机或者互联网向非接触式智能卡上充值；然后，在消费者家中，智能卡中的充值金额可转到非接触式智能表中，消费者就可安心享用公用事业服务了；如智能卡中余额不足，消费者可在商店购买充值卡向智能卡中充值即可。消费者家中也可留一张备用卡，以防智能卡中余额不足或者消费者不想或不能立即向智能卡中充值等情况。否则，一旦智能卡中余额不足，消费者就不能享用公用事业服务了。可以预见在不久的将来，手机有可能代替智能卡实现这些功能。

　　3. 预付费系统有何优势？

　　短期来看，公用事业收费更快更及时：计费表大都装在居民家中，如果家中没人，电表公司就不能及时抄表，引起额外成本；为抄表和维修节省成本：不再需要派专人花大量时间去抄表。智能卡和智能表寿命更长，省去了维修成本。同时，也节省了计费管理成本；先付费，后使用，直接消除了不付款的风险。在使用智能表的情况下，没有任何人可以逃避缴费。另外，如果房东想出租房子，对房东来讲，预付费系统的优势立显；用户可更容易地控制自己的使用量，而且不会因电源突然中断而烦恼。

　　长期来看，为公用事业管理中心降低抄表和维修的人力成本；可提高电网公司业务效率：便捷控制可减少使用量。在用电高峰期，使用此系统可减少电能使用量，，从而使电网公司不必建很多发电站，减少了不必要的投资，由此可使电网公司节省数十亿美元；消费者可更加方便地控制使用量从而减少了能源用量；有利于保护环境：这尤其利于石油和水资源短缺的地区，减少能源消费量有益于这些地区的发展，并可抑制物价上涨；非接触式智能表系统对高湿度高温度等恶劣环境抵抗力更强，从而延长了电表的使用寿命。

　　给公用事业公司和中介机构带来的好处：非接触式智能表系统可自我管理，不需要派专人抄表或者派专人管理某处房子的电源系统。非接触式智能表系统工作寿命更长，管理成本更低。和传统的仪表系统相比，该系统在行政费用结算以及登记管理开销/注销方面，成本更低；该系统具有可靠、高效和自主管理等优点，而且在费用不足的情况下可自动中断服务。系统通信仅限于卡和读卡器之间，不需要将读卡器中的数据再传送到电网公司；信用记录差的客户或频繁搬家的客户都可使用该系统，因此扩大了客户群也增加了公用事业公司的收益；该系统先付费的特征有利于公用事业公司更快地收回投资成本，降低不支付风险（它可以占到智能电网公司收益额的10%）。

　　给消费者带来的好处：消费者通过该系统可清楚地了解自己的使用量，从而会减少用量并提前为水电消费做出预算。大部分人直到拿到电费单才知道自己每月到底用了多少度电。拥有更多的控制权也意味着有更多的灵活性。在用电高峰时电价上涨，因此鼓励消费者错开用电高峰，在需求较少时洗衣；该系统操作简单方便：有时人们无意中忘记付账单，或者要专门去银行转账支付，或者在回家的路上账单丢了，都会引起麻烦。预付费系统很容易地解决了这些问题，从而降低了非自愿不付款的风险；该系统同样允许那些曾经有不良信用记录或者信用度低的消费者使用；智能卡中只存有需要完成交易的金额，不包含个人信息。

　　为什么非接触式系统要预付费？

　　1. 市场发展趋势

　　非接触式技术的应用是银行、门禁管理、交通运输和电子政务发展的需要。万事达、维萨和美国运通正在美国和一些欧洲国家部署非接触式技术用于安全支付。非接触式技术已经在公共交通部门运用很多年了。目前世界上很多国家的电子护照和身份证都是非接触式的了。另一些地方，比如自动售货机也开始运用非接触式技术了。

　　非接触式技术集多种功能于一张卡中，包括电子钱包、公共交通和支付公路费等功能，这种卡正在越来越流行。多项服务集于一身使得运营商在巩固成本的基础上扩大了客户群并增加了收益。

　　2. 非接触式技术的优势

　　以上讲的都是非接触技术能够给我们带来哪些益处。下面再来看看智能表系统的益处：

　　非接触式智能卡密封性好，能抵抗恶劣环境的侵蚀，如高温、低温、潮湿、水和灰尘等，因此保证了卡的寿命更长。即便卡损坏了，卡内的芯片照样可以工作，非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障，例如：由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘或油污导致接触不良造成的故障。非接触式IC卡表面无裸露芯片，无须担心芯片脱落，静电击穿，弯曲损坏等问题，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。

　　读卡器可对抗恶劣的天气，从而延长了寿命，将维修成本降到最低。整个非接触式系统要比接触式系统可靠得多。

　　大多数计量表都被安装在昏暗狭小的壁橱里，要插进去卡还真不是一件容易的事情。接触式IC卡首先需要插进读卡器中才能完成交易，因此减少了IC卡的寿命。

　　非接触式IC卡只要在近距离范围内靠近读卡器就可完成交易。

　　安装非接触式智能卡系统和接触式智能卡系统的成本是相同的。

　　为什么非接触式预付费系统安全？

　　只要和金钱相关，不法分子总会想方设法不付费或者少付费。尤其是在水电短缺的国家，偷电偷水的激励更大，因此公用事业公司应该防止不法分子的偷窃行为。

　　许多国家偷电现象非常普遍。在某些地区，消费者篡改电表使之停止甚至倒转，这样就能偷电成功。在新一代非接触式预付费智能系统中已经有了反偷电行为的设置了。

　　非接触式预付费技术因避免了数据在用户和电网公司之间的传送而更加安全。只签名、不加密、传送渠道也不安全的数据极易被阅读和操纵。非接触式预付费系统只在读卡器和IC卡之间传送数据，不受外界干扰。当然读卡器和IC卡之间传送数据也要安全，以防止有人恶意窃取卡内金额，高安全非接触智能卡技术能完美的满足以上应用需求。

　　产品描述

　　1. 非接触和预付费

　　智能电表需要智能产品与之配套。预付费电表是如何工作的？非接触电表系统包含硬件和软件两个部分。硬件包括一个非接触读卡器，一个主控制器，外围设备，一个天线和配套部分；软件包括微控制器固件，主机驱动程序软件和演示软件。

　　恩智浦针对非接触式预付费智能表系统的IC卡阅读器有MFRC510、MFRC522、MFRC523、MFRC530、MFRC531和CLRC632等产品。另外恩智浦公司会依据未来新的需求继续研发新的解决方案。

　　2. 智能表的其他IC元件

　　从上面的框架图来看，智能卡明显是一个很复杂的系统，包含很多不同的元件。为使智能表系统正常运行，恩智浦也提供了很多配套产品系列，包括微控制器、显示驱动器、实时时钟、逻辑产品（一般产品，串行EEPROM，桥接芯片，UART， 具有I2C的温度传感器），电源管理产品（starplug家庭），普遍适用的分立（BISS晶体管，肖特基二极管，可再生能源技术）和无线通信模块（图 3）。

　　上图所列的恩智浦产品，产品技术很先进，而且已在仪表系统中应用多年了。

　　3. IC卡的安全性

　　恩智浦研发的产品中包括安全性极高的IC卡，可降低被操控的风险。此卡的读卡器中含有安全访问模块（SAMs），如电子护照一样安全性极高，并满足通用标准

　　EAL5+。这种智能卡充分利用高安全性、低功耗、性能最优化的技术，将用于公钥基础设施的异常强劲的协同处理器和对称密钥加密结合起来支持RSA、ECC、DES和AES。除提供最优化功能和最高安全性外，它还拥有简便易操作的先进操作系统和开放平台解决方案。

　　智能卡的商业优势

　　尽管非接触式预付费智能表系统的初始投资较高，但其收益丰厚，兼具经济效益和社会效益。首先，智能表系统比以往价格更低，这促使全球越来越多的地区选用智能表系统。在欧洲，三年来单个智能表的价格已从300美元降到了50美元。因此，安装智能表的初始成本已不像前几年那么高了。意大利国家电力公司埃奈尔花费30亿美元安装了3千万个智能表（每个约合100美元，因而每年节省7亿美元，五年内就将投资成本全部收回。到2010年，预计投资成本会再降低30%到40%，投资成本可更快收回。

　　目前，发行非接触式卡是具有成本效益的，该卡可以使用很多年。对于一个拥有100万客户的公司来讲，发行非接触式卡可消除结算过程中的成本，因而每年可节省几百万美元。结算成本是电网公司的主要成本之一，而预付费系统则可降低或者完全消除结算成本。

　　非接触式卡或其他的非接触式设备（如手机）还可提供别的服务，如大型超市发放会员卡可提高顾客忠诚度，政府可发放10元面值的卡用于相关社会福利等。

　　另外，还有之前提到过的，非接触式预付费系统可消除恶意欠费的风险，由此而节省的费用可占到电网公司收益的10%。

　　非接触式预付费智能系统带来的社会效应也是不可忽视的。首先，此系统可使更多的人享用公用事业服务，因此提高了社会福利，并减少了偷电偷水等犯罪行为；其次，此系统降低了人均水电用量，减少了二氧化碳排放量，因此改善了人们的生活质量。

　　为实现上述收益，电网公司需要有经验的公司提供支持，而恩智浦就是最佳合作伙伴。恩智浦有多年非接触式市场经验，已经为社会提供了超过一亿个的IC卡读卡器和20亿张的非接触式卡提供芯片技术支持，这些都证明了恩智浦技术的可靠性。

　　因此，即使新技术的初始投资成本高昂，收益也是立竿见影的。“技术是昂贵的，但是不使用将更加昂贵。”非接触式预付费智能电表系统在全球范围内的迅速应用已经使其价格更低，过渡更快。