物聯(lián)網(wǎng)技術在能源管理系統(tǒng)中的應用

何榮譽

（湖南生物機電職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410126）

物聯(lián)網(wǎng)技術在能源管理系統(tǒng)中的應用

何榮譽

（湖南生物機電職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410126）

水電氣繳費與人們的生活息息相關，對將物聯(lián)網(wǎng)的近場通信（NFC）技術和移動支付技術應用到水電氣付費過程進行了研究，設計并實現(xiàn)了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的能源管理系統(tǒng)，以滿足方便快捷的付費需求。系統(tǒng)中的智能表計和手機終端應用NFC技術，用戶使用NFC手機與智能表計進行通信，并應用移動支付技術與能源公司和銀行進行信息交互，實現(xiàn)支付功能。系統(tǒng)功能測試表明，該系統(tǒng)可行、易操作。

近場通信 移動支付 遠程抄表 能源管理 物聯(lián)網(wǎng) 智能表計

Intelligentmeter

0 引言

近場通信（near field communication，NFC）是一種短距離無線通信技術，允許設備之間進行非接觸式點對點數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換。我國主要的移動運營商也相繼推行了NFC移動支付標準，運用NFC的移動支付將逐漸成為人們生活不可缺少的一部分［1－2］。移動支付是指移動用戶使用其手機對所消費的商品或者服務進行賬務支付的一種服務方式。用戶可以通過終端設備向銀行金融機構發(fā)送支付指令，產(chǎn)生貨幣支付或資金轉(zhuǎn)移［3－5］。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，針對目前我國能源管理領域傳統(tǒng)的管理方式存在的問題，本文設計并實現(xiàn)了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的新型能源管理系統(tǒng)。系統(tǒng)將NFC技術應用到手機終端，用戶通過NFC手機完成與智能表計和能源運營公司的信息交互，并利用移動支付方便快捷的優(yōu)勢，實現(xiàn)了抄繳過程一體化［6］。該系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)水、電、氣繳費過程帶來的各種繁瑣步驟，節(jié)省了人力物力，給人們帶來一種新型的方便快捷的付費方式。

1 系統(tǒng)功能

1.1 系統(tǒng)的整體功能要求

本文設計并實現(xiàn)了一個面向水、電、氣表的基于NFC的移動支付終端系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 新型能源管理系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of new energymanagement system

用戶使用具有NFC功能的手機，通過GSM/3G/WiFi網(wǎng)絡與移動支付平臺進行信息交互，通過移動支付的方式購買水、電、氣量，然后將購買量通過NFC通信接口存入到具有NFC接口的表計中。同時，通過NFC接口讀取表計的用量信息和狀態(tài)信息，并通過GSM/3G/WiFi網(wǎng)絡返回給各個運營公司后臺系統(tǒng)。

1.2 NFC手機接口的調(diào)用

系統(tǒng)中所使用的手機是基于Android平臺的NFC手機。該手機提供了android.nfc package和android.nfc.tech package兩個API。其中，用來與本地NFC適配器交互的頂層類包含在android.nfc package中，這些類可以用NDEF數(shù)據(jù)格式表示被檢測到的tags。用來對tag屬性查詢和進行I/O操作的類包含在android.nfc.tech package中，這些類分別表示一個tag支持的不同的NFC技術標準。通過調(diào)用這兩個API，可以實現(xiàn)手機與NFC適配器的數(shù)據(jù)交互，從而進一步實現(xiàn)對NFC標簽的識別［7－8］。

1.3 NFC標簽的識別

本系統(tǒng)所開發(fā)的水、電、氣表中的NFC模塊都符合ISO-DEP（ISO 14443-4）標準。通過對android.nfc.tech package中IsoDep類的調(diào)用，NFC手機可以實現(xiàn)對該NFC標簽的識別并進行相關的讀寫數(shù)據(jù)操作［9－10］，從而實現(xiàn)NFC手機與智能表計的信息交互。

1.4 NFC表計的管理

能源運營公司對用戶NFC表計的管理包括兩部分。一是用戶自助服務，包括用戶對所用水電氣量的查詢、對繳費記錄的查詢等操作。二是運營公司向用戶發(fā)放帶有NFC標簽的水電氣表，并對其實現(xiàn)遠程管理操作，如遠程抄表、狀態(tài)查詢等。

1.5 遠程支付

用戶的NFC手機通過調(diào)用NetPayClient編程接口函數(shù)庫，實現(xiàn)了用戶、能源運營公司以及銀行三方之間的安全通信。用戶可以通過手機Web直接將銀行賬戶的錢轉(zhuǎn)到運營公司，實現(xiàn)移動支付購買水電氣量。

2 系統(tǒng)設計

2.1 移動支付終端系統(tǒng)整體結構

當NFC手機靠近NFC表計時，NFC通信模塊進入NFC適配器的磁場，接收手機發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量接收NFC手機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并發(fā)送出經(jīng)過加密存儲在NFC通信模塊安全芯片中的用量信息和狀態(tài)信息。

裝有定制終端軟件的 NFC手機將這些信息發(fā)送到運營公司后臺進行處理。運營公司后臺收到手機傳來的信息并解密后，主動將解密的信息回傳給手機，用戶也可以通過手機終端軟件主動發(fā)送查詢請求并得到運營公司后臺的響應。

移動支付終端系統(tǒng)結構包括運營公司服務子系統(tǒng)、NFC手機終端子系統(tǒng)、NFC表計子系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 移動支付終端系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure ofmobile payment terminal system

2.2 運營公司服務子系統(tǒng)的設計

運營公司服務子系統(tǒng)包括表計管理模塊和遠程支付模塊兩部分。表計管理模塊中的表計指用戶的水表、電表和燃氣表，其管理模塊包括管理員表計發(fā)放、用戶自助服務、遠程支付和數(shù)據(jù)傳輸模塊。遠程支付模塊通過對NetPayClient的安裝與調(diào)用，設計并實現(xiàn)移動終端的遠程支付功能。NetPayClient是一個安裝在ChinaPay商戶會員側(cè)的應用編程接口函數(shù)庫。它與商戶網(wǎng)上柜面系統(tǒng)相集成，實現(xiàn)消費者、商戶和銀行間的網(wǎng)上安全支付。

2.3 NFC手機終端子系統(tǒng)的設計

2.3.1 NFC手機接口調(diào)用模塊

通過調(diào)用 Android系統(tǒng)提供的 android.nfc包和android.nfc.tech包的兩個API，手機接口調(diào)用模塊可以實現(xiàn)移動支付終端軟件與手機NFC適配器的連接與數(shù)據(jù)通信。通過調(diào)用android.nfc包，可以實現(xiàn)客戶端與適配器之間的連接；通過調(diào)用android.nfc.tech包提供相應的IsoDep類創(chuàng)建相應的對象，可以實現(xiàn)對表計中NFC電子標簽的訪問。

2.3.2 NFC標簽識別模塊

為防止電子標簽的偽造和標簽內(nèi)容被濫用，保證僅有授權實體才可以讀取和處理相關標簽上的信息。NFC手機通過建立相應的訪問控制機制，在通信時對NFC電子標簽的身份進行一定的認證，從而確保讀寫器的安全性。

2.3.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

在數(shù)據(jù)傳輸模塊中，NFC表計先校驗和計算所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并把用量信息、表號和校驗信息傳輸給NFC手機。NFC手機將數(shù)據(jù)傳遞給運營公司后臺。為了防止傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出錯或被惡意篡改，運營公司后臺通過校驗計算可以及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)是否正確，從而決定是否接收該信息。

數(shù)據(jù)經(jīng)過表計加密之后傳送到手機。由于手機只有傳遞數(shù)據(jù)的功能而并沒有解密數(shù)據(jù)的能力，所以手機只有將獲得的數(shù)據(jù)上傳至運營公司后臺，運營公司后臺將數(shù)據(jù)解密之后又回傳給手機客戶端，才能顯示給用戶。

3 系統(tǒng)測試

本設計的試驗是以燃氣費移動支付系統(tǒng)為例，用戶使用該系統(tǒng)進行了全部功能的測試，包括從最初的申請到最終支付功能的實現(xiàn)。測試結果如下。

3.1 用戶賬戶申請測試

用戶通過在燃氣公司服務子系統(tǒng)的自助申請服務進行賬戶申請與賬戶管理。打開瀏覽器，進入“燃氣公司用戶個人一站式自助服務中心”用戶注冊界面，提交賬戶申請。接著，燃氣公司后臺管理系統(tǒng)中就將出現(xiàn)新的申請用戶，燃氣公司后臺服務系統(tǒng)通過對新的申請用戶的識別與受理，可以辨別不同用戶的賬戶狀態(tài)，同時可以為用戶提供不同的服務。

3.2 用戶終端遠程數(shù)據(jù)上傳測試

當用戶用NFC手機靠近NFC燃氣表時，手機終端讀取燃氣表信息，然后將燃氣表信息通過通信網(wǎng)路傳輸?shù)饺細夤竞笈_進行有效性分析。燃氣公司后臺服務系統(tǒng)將對應的數(shù)據(jù)傳回相應的手機終端，完成用戶燃氣表數(shù)據(jù)信息的實時讀取與查詢。當用戶點擊“查詢最近繳費記錄”時，通過手機向燃氣公司后臺發(fā)出繳費記錄查詢申請，后臺從數(shù)據(jù)庫中找到相應的數(shù)據(jù)并傳回手機，顯示給客戶。

3.3 移動支付測試

在測試過程中，用戶點擊“用戶自助網(wǎng)上繳費”按鈕，移動支付終端軟件自動打開手機瀏覽器并轉(zhuǎn)到China Pay網(wǎng)銀在線頁面，用戶即可通過網(wǎng)銀支付在燃氣公司后臺服務系統(tǒng)中出現(xiàn)的個人賬戶支付的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程繳費功能。

4 結束語

水電氣繳費是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚牟糠帧鹘y(tǒng)繳費過程存在手續(xù)繁瑣、費時費力等弊端，人們急需方便快捷的付費方式。針對這一需求，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術的能源管理系統(tǒng)設計構想，結合NFC技術和移動終端的優(yōu)勢，將移動支付技術應用到水電氣付費服務中，將物聯(lián)網(wǎng)的新應用和已有公共服務平臺緊密結合在一起。該系統(tǒng)設計的付費模式還可以進一步拓展到供暖、空調(diào)的付費服務，適應物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，具有廣闊的應用前景和實用價值。

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Application of Internet of Things in Energy Management System

Paying fees for utilities（water，electricity and gas）is closely related to people’s daily life.The process of utilities payment applying near field communication（NFC）technology of Internetof things（IOT）and mobile payment technology are researched and the energy management system based on IOT is designed and implemented to satisfy the demands for quick and easy payment.NFC technology is used in intelligentmeters and mobile phone terminal；the users of NFC mobile phone communicate with intelligentmeters，and interact with utility companies and banks applyingmobile payment technology to conduct payment functions.The functional testof the system shows that this system is feasible and easy to operate.

Near field communication（NFC） Mobile payment Remote meter reading Energy management Internet of things

TP216

A

湖南省教育廳科學研究基金資助項目（編號：12C1119）。

修改稿收到日期：2014－03－12。

作者何榮譽（1982－），男，現(xiàn)為湖南大學控制工程專業(yè)在讀碩士研究生，講師；主要從事數(shù)控技術、智能檢測技術等方面的研究。