基于NFC物聯(lián)網(wǎng)的智能電表本地復(fù)電終端系統(tǒng)研究

馬 源，吳金蓮，劉國(guó)鋒，陸緯彤，馬 宇

（1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司定西供電公司，甘肅 定西 743000；2.曉能（深圳）科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

隨著國(guó)家電網(wǎng)公司智能電能表的推廣應(yīng)用，遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表已進(jìn)入電力公司批量輪換周期。遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表是通過(guò)指令對(duì)用戶電能表購(gòu)電、復(fù)電環(huán)節(jié)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[1]。對(duì)于遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表用戶，他們采用更加便捷的遠(yuǎn)程在線付款方式（如微信、支付寶、網(wǎng)銀等）進(jìn)行購(gòu)電。用戶完成購(gòu)電操作后，購(gòu)電金額將通過(guò)售電系統(tǒng)推送至營(yíng)銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行電費(fèi)結(jié)算，并將電費(fèi)結(jié)算結(jié)果推送至用電信息采集系統(tǒng)，由用電信息采集系統(tǒng)根據(jù)電費(fèi)結(jié)算結(jié)果對(duì)遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表下發(fā)報(bào)警、停/復(fù)電等費(fèi)控命令，遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表只進(jìn)行日常電量計(jì)量，響應(yīng)由用電信息采集系統(tǒng)下發(fā)的遠(yuǎn)程費(fèi)控命令[2]。

在用戶的停/復(fù)電過(guò)程中，遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表指令下發(fā)成功率及響應(yīng)速度不高、人工復(fù)電工作模式及流程不完備、遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表用戶用電服務(wù)質(zhì)量低等問(wèn)題急需解決。

如果遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表以微功率無(wú)線方式進(jìn)行控制類指令下發(fā)，成功率最高約為95%[3]。而以窄帶/寬帶電力載波方式進(jìn)行指令下發(fā)，成功率、響應(yīng)速度更低，無(wú)法滿足用戶快速用電的響應(yīng)要求，會(huì)對(duì)電力公司的服務(wù)形象產(chǎn)生一定影響。

在已斷電用戶的復(fù)電過(guò)程中，由于用戶用電狀況及用電行為的復(fù)雜性，并受到用電信息采集系統(tǒng)現(xiàn)有通信信道速率的制約，無(wú)法確保用戶電能表及時(shí)響應(yīng)用電信息采集主站下發(fā)的復(fù)電指令，造成遠(yuǎn)程下發(fā)復(fù)電命令失敗的情況時(shí)有發(fā)生。而當(dāng)前遠(yuǎn)程復(fù)電命令下發(fā)失敗問(wèn)題的解決，只能通過(guò)人工方式，由供電公司相關(guān)人員在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手持終端對(duì)復(fù)電失敗的電能表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工復(fù)電。這種人工復(fù)電的方式對(duì)工作人員的數(shù)量需求和機(jī)動(dòng)性都有較高要求，增大了供電公司業(yè)務(wù)人員的工作壓力[4]。

遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表用戶用電服務(wù)質(zhì)量有待改善。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外推廣的遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表，在剩余金額小于或等于設(shè)定的報(bào)警金額時(shí)，用電信息采集系統(tǒng)會(huì)下發(fā)“報(bào)警”命令。電能表收到該命令后會(huì)點(diǎn)亮液晶屏背光，并在液晶屏上閃爍“請(qǐng)購(gòu)電”。由于采用系統(tǒng)下行通信帶寬限制，在多業(yè)務(wù)交互操作時(shí)，系統(tǒng)下發(fā)的報(bào)警命令的成功率不理想及響應(yīng)速度不及時(shí)，因而造成購(gòu)電報(bào)警信息下發(fā)不及時(shí)，會(huì)對(duì)用戶正常用電產(chǎn)生影響[5]。

因此，為滿足用戶的正常的及時(shí)用電需求，提高電能表的快速響應(yīng)復(fù)電，購(gòu)電、復(fù)電環(huán)節(jié)就成了電力企業(yè)日常工作的重點(diǎn)。本文所研究的基于NFC物聯(lián)網(wǎng)的智能電表本地復(fù)電終端系統(tǒng)，是利用NFC物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有計(jì)量箱進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，并配合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信、NFC識(shí)別、安全認(rèn)證及相應(yīng)的配套軟件系統(tǒng)，以營(yíng)銷、采集、售電系統(tǒng)為支撐，實(shí)現(xiàn)用戶電能表購(gòu)電后遠(yuǎn)程復(fù)電失敗的自復(fù)電功能，而且確保用戶復(fù)電安全，提高用戶滿意度。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于NFC物聯(lián)網(wǎng)的智能電表本地復(fù)電終端系統(tǒng)，是通過(guò)對(duì)計(jì)量箱的小幅度改造，加入NFC識(shí)別、藍(lán)牙等通信模塊、安全控制模塊，與手機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)本地復(fù)電功能。

1.1 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

基于NFC物聯(lián)網(wǎng)的智能電表本地復(fù)電終端系統(tǒng)研究，是用戶在使用互聯(lián)網(wǎng)完成遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的電費(fèi)繳納充值后，用電信息采集系統(tǒng)在通道不暢通的情況下遠(yuǎn)程下發(fā)電能表復(fù)電命令失敗，用戶手機(jī)通過(guò)連接電e寶等互聯(lián)網(wǎng)營(yíng)銷業(yè)務(wù)服務(wù)軟件獲取復(fù)電加密命令，再與本地復(fù)電終端通過(guò)藍(lán)牙、NFC近場(chǎng)傳輸?shù)确绞竭M(jìn)行本地通信，完成遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的復(fù)電操作。

1.2 系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

整體應(yīng)用系統(tǒng)物理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體應(yīng)用系統(tǒng)物理架構(gòu)

如圖1所示，在用戶側(cè)，使用基于NFC物聯(lián)網(wǎng)的智能電表本地復(fù)電終端，內(nèi)部與智能電能表進(jìn)行連接，用戶通過(guò)手機(jī)端將電能表合閘控制復(fù)電命令經(jīng)復(fù)電終端下發(fā)給電能表進(jìn)行復(fù)電；在通信層，使用公網(wǎng)、藍(lán)牙、NFC近場(chǎng)交互的方式對(duì)傳統(tǒng)的窄帶/寬帶電力載波、微功率無(wú)線進(jìn)行升級(jí)，在數(shù)據(jù)鏈路上使用加密安全芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次防護(hù)，以保證數(shù)據(jù)在公網(wǎng)下的安全性；在上層電力公司系統(tǒng)上，為保證內(nèi)網(wǎng)接入的安全需求，應(yīng)加入隔離裝置防火墻等，在復(fù)電服務(wù)前增加前置設(shè)備，以進(jìn)行服務(wù)安全隔離。

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新復(fù)電業(yè)務(wù)模式

通過(guò)與營(yíng)銷售電系統(tǒng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電費(fèi)繳納、用電信息查詢和管理。用戶在使用互聯(lián)網(wǎng)完成遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的電費(fèi)繳納充值后，如果用電信息采集系統(tǒng)在通道不暢通的情況下遠(yuǎn)程下發(fā)電能表復(fù)電命令失敗，則用戶手機(jī)通過(guò)連接電e寶等互聯(lián)網(wǎng)營(yíng)銷業(yè)務(wù)服務(wù)軟件獲取復(fù)電加密命令后，再與本地復(fù)電終端通過(guò)藍(lán)牙、NFC近場(chǎng)傳輸?shù)确绞竭M(jìn)行本地通信，完成遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表的復(fù)電操作。多業(yè)務(wù)模式構(gòu)成如圖2所示。

圖2 多業(yè)務(wù)模式構(gòu)成圖

如圖2所示，在用戶復(fù)電環(huán)節(jié)上，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”及NFC近場(chǎng)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了用戶自主復(fù)電的業(yè)務(wù)模式。該模式真正體現(xiàn)了用戶體驗(yàn)至上的宗旨，增強(qiáng)了用電服務(wù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

3 智能復(fù)電終端

基于NFC物聯(lián)網(wǎng)的智能電表本地復(fù)電終端系統(tǒng)，一是通過(guò)對(duì)計(jì)量箱的小幅度改造，加入NFC識(shí)別、藍(lán)牙等通信模塊、安全控制模塊，與手機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)本地復(fù)電的功能。二是基于NFC/藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)的本地復(fù)電終端進(jìn)行研發(fā)。

3.1 基于NFC物聯(lián)網(wǎng)的智能電表計(jì)量箱升級(jí)

基于NFC物聯(lián)網(wǎng)的智能電表復(fù)電終端，即在現(xiàn)有計(jì)量箱上加裝NFC識(shí)別、藍(lán)牙通信功能模塊，在上行通道利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與營(yíng)銷系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；在本地通過(guò)NFC、藍(lán)牙方式與用戶手機(jī)進(jìn)行交互，并通過(guò)RS485接線將復(fù)電指令下發(fā)至智能電表。

通過(guò)對(duì)試點(diǎn)臺(tái)區(qū)計(jì)量箱的升級(jí)改造，引入“互聯(lián)網(wǎng)+”模式，通過(guò)NFC技術(shù)、藍(lán)牙通信、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及安全控制技術(shù)保證數(shù)據(jù)安全，滿足用戶自主復(fù)電的使用需求，提升遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表應(yīng)用效果，減少用戶復(fù)電失敗的投訴。

3.2 基于NFC/藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)的本地復(fù)電終端研發(fā)

基于NFC物聯(lián)網(wǎng)的本地復(fù)電終端，用于解析處理安卓、iOS手機(jī)端（用藍(lán)牙方式連接）發(fā)送的復(fù)電加密報(bào)文，并可配合互聯(lián)網(wǎng)電力營(yíng)銷業(yè)務(wù)平臺(tái)聯(lián)合完成用戶購(gòu)電、復(fù)電工作，同時(shí)可通過(guò)復(fù)電終端與營(yíng)銷等業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，使用戶及時(shí)獲取用電信息。在服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)主站、前置機(jī)及防火墻部署，安全上形成內(nèi)外網(wǎng)隔離，并為本地復(fù)電提供數(shù)據(jù)服務(wù)。本地復(fù)電終端采用國(guó)家電網(wǎng)公司智能電能表ESAM芯片，手機(jī)端通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)連接營(yíng)銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲取的復(fù)電命令為加密命令。手機(jī)端通過(guò)NFC或藍(lán)牙通信的方式發(fā)送給本地復(fù)電終端時(shí)，終端將對(duì)加密復(fù)電指令進(jìn)行安全認(rèn)證，確保終端與電能表進(jìn)行復(fù)電操作通信過(guò)程傳輸?shù)闹噶罹鶠榧用軋?bào)文，復(fù)電指令傳輸全過(guò)程安全可靠。

通過(guò)復(fù)電終端、后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)、安全防護(hù)隔離硬件的數(shù)據(jù)交互傳輸，實(shí)現(xiàn)復(fù)電指令通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，為用電用戶提供自助購(gòu)電、復(fù)電渠道。計(jì)量箱表面光刻印刷二維碼信息，用戶掃描二維碼可跳轉(zhuǎn)至電費(fèi)信息查詢和自助復(fù)電頁(yè)面。其中，電費(fèi)信息查詢頁(yè)面與營(yíng)銷業(yè)務(wù)售電系統(tǒng)連接，為用戶提供自家電表用電信息查詢服務(wù)；自助復(fù)電頁(yè)面與用電信息采集系統(tǒng)連接，允許用戶遠(yuǎn)程接收用電信息采集主站系統(tǒng)下發(fā)的復(fù)電加密報(bào)文。這兩個(gè)頁(yè)面滿足遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表用戶日常用電查詢和自助復(fù)電需求，后期可根據(jù)用戶反饋意見(jiàn)增加相關(guān)功能，提升用戶與電網(wǎng)企業(yè)的信息交互體驗(yàn)，強(qiáng)化電網(wǎng)營(yíng)銷服務(wù)質(zhì)量。

4 復(fù)電數(shù)據(jù)安全加密方法

用戶手機(jī)發(fā)出的復(fù)電申請(qǐng)?jiān)谶M(jìn)入SG186營(yíng)銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)前，必須先接入國(guó)網(wǎng)安全接入平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)，采集主站下發(fā)的復(fù)電指令會(huì)通過(guò)用采2.0安全網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密[6]。同時(shí)，復(fù)電終端本身的ESAM數(shù)據(jù)安全加密芯片也會(huì)對(duì)復(fù)電指令數(shù)據(jù)進(jìn)行安全認(rèn)證，確保復(fù)電申請(qǐng)和復(fù)電指令在內(nèi)外網(wǎng)傳輸過(guò)程中均安全可靠，不會(huì)被破解或篡改。該復(fù)電數(shù)據(jù)安全加密方法屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，確保用戶、復(fù)電終端、采用系統(tǒng)三者之間的數(shù)據(jù)傳輸安全。

5 結(jié) 論

本文所述基于NFC物聯(lián)網(wǎng)的智能電表本地復(fù)電終端系統(tǒng)的研究應(yīng)用，是針對(duì)遠(yuǎn)程電能表的用電用戶，在豐富電能表的通信渠道的基礎(chǔ)上，提升購(gòu)電、復(fù)電環(huán)節(jié)的響應(yīng)能力。通過(guò)NFC通信、藍(lán)牙方式、安全控制對(duì)原始紅外通信方式進(jìn)行擴(kuò)展，在保證數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上，使用電用戶對(duì)復(fù)電具有一定自主性，有效降低因復(fù)電帶來(lái)的用電不及時(shí)和安全問(wèn)題，提高遠(yuǎn)程費(fèi)控表復(fù)電合閘成功率（從現(xiàn)有的85%～90%提升至99.9%），減少電力公司工作人員疲于現(xiàn)場(chǎng)奔波的壓力，提升企業(yè)服務(wù)質(zhì)量、精益化管理水平和客戶滿意度。