ניהול תשלומים עבור אנרגיה

Yan Vainter, Freescale

בעידן של מדידת כוח חשמלי, במיוחד בתחומים מסוימים, קל להבחין בימים אלו במגמה הברורה הבאה: חברות למתן שירותים זקוקות לתשתית תשלומים מורכבת יותר בכדי להקל על תהליכי התשלומים עבור אנרגיה תהליך זה משקף גם מגמות בשיפור האבטחה במערכות אלו, כולל מניעת גניבה. יש מגמה מובחנת לעבור מתשלום לפי שיעורים קבועים להתחשבנות לפי זמן השימוש. ניתן להשתמש במוני תשלום מראש מאובטחים לצורך מטרה זו. מוני חשמל אלו מעניקים ללקוחות שליטה גדולה יותר בחשבונות החשמל שלהם. אזורי המטרה העיקריים לשימוש במונים משולמים מראש הנם בריטניה, מזרח אירופה, אמריקה הדרומית, דרום אפריקה ואסיה. מונים מסוג זה מתאימים להתקנות בדירות ששייכות לאותו בעל בית, בחנויות, במתקנים ספורט וכדומה.
העיקרון הבסיסי והמשותף למוני אנרגיה המיועדים לתשלומים מראש היא רכישת כמות מסוימת של אנרגיה מראש, תוך כדי יידוע מוני החשמל על כך בדרך מסוימת. פירושו של דבר הוא שהלקוחות מחליטים כמה אנרגיה הם צריכים ורוצים לצרוך. פתרון זה מעניק ללקוחות שליטה גדולה יותר בשימוש שלהם באנרגיה. לאחר צריכת הכמות המשולמת מראש לחברת החשמל, המשתמשים מנותקים באופן אוטומטי מרשת החשמל, אלא אם הם משלמים תשלום שימוש מראש נוסף לפני כן. זהו ההבדל העיקרי בהשוואה למוני חשמל מסורתיים (המבוססים על עסקאות תשלום לפי שיעורים קבועים) בהם הצרכנים צורכים חשמל ברציפות.
בשוק מוני החשמל המשולם מראש יש דרישה לבניית תשתית התשלומים הזו. באופן כללי יש צורך בחשבון בנק, מכונת תשלומים אוטומטית, תחנות מכירה אוטומטיות או חנויות בכדי לטעון את האנרגיה. החלקים העיקריים במונה לתשלום מראש טיפוסי הם: חלק המדידה שמודד את האנרגיה שנצברת, מתג שמשמש לניתוק המונה (צרכן) מרשת החשמל, ואלמנט חישה לתשלום מראש שמשמש לטעינת חשבון האנרגיה למונה עצמו. לפי אלמנט החישה אנחנו יכולים להבדיל בין מספר סוגים של פתרונות למוני תשלום מראש:
מבוסס על מערכת אלקטרו-מכנית – התשלום מראש מבוצע בפשטות באמצעות מטבעות.
שימוש במקלדת מספרית המשובצת במונה – משתמשים רוכשים אשראי אנרגיה בחברה המספקת. בזמן העסקה נוצר מספר זיהוי אישי (PIN) אותו מקצים למונה באמצעות המקלדת המספרית.
שימוש באסימון פלסטיק או בכרטיס מגנטי (ניתן לרכוש אותם במכונת מכירה אוטומטית).
שימוש בכרטיס זיכרון שעובר רענון בתחנת אספקה ולבסוף מוכנס למונה התשלום מראש על ידי המשתמש.
שימוש בכרטיס חכם שמציע התנהגות זהה לזו של כרטיס זיכרון, אבל עם אבטחה משופרת (זיהוי הדדי, לדוגמה) – כרטיסים חכמים אלה יכולים להיות עם מגעים או נטולי מגעים.
אלחוטי (שימוש בטלפון נייד) – בדרך כלל מבוסס על תקשורת GPRS, ZigBee או NFC – טכנולוגיות אלו ניתנות לשימוש לא רק לצורך טעינת מאוזן האנרגיה, אלא גם לקריאה אלחוטית בזמן אמת של הנתונים מהמונים החכמים או כל מידע בר-ערך אחר שמותר לקריאה על ידי ספקית השירות.
המאמר להלן מתמקד בתיאור מפורט של פתרון תשלום מראש המבוסס על טכנולוגיית NFC (תקשורת טווח קצר, Near Field Communication). היא טכנולוגיה אלחוטית מיוחדת לטווח קצר מאוד (מספר סנטימטרים) שמאפשרת להתקנים, כדוגמת טלפונים חכמים, להתחבר באופן מאובטח עם התקנים אחרים בהם טכנולוגיה זו פעילה, כגון מוני תשלום מראש. טכנולוגיה זו הוכחה כשמישה בתעשיית הבנקאות, כשהיא משולבת עם בקר זעיר מאובטח. דגם ייחוס למונה תשלום מראש, המבוסס על הטכנולוגיה הזו, הוצג באופן משותף בידי שתי חברות, פריסקייל סמיקונדטור (ארה”ב) ו-Inside Secure-(צרפת). דגם ייחוס זה, שפותח הודות לשיתוף הפעולה בין שתי החברות, מספק מונה תשלום מראש מבוסס NFC עם יכולת לטעינה מאובטחת של יתרות אנרגיה. דגם ייחוס זה מורכב משלושה חלקים עיקריים: המיקרובקר MK30X של פריסקייל, רכיב שהוא חלק מסדרת Kinetis שהוצגה לאחרונה, אלמנט האבטחה, ה-ATVaultIC460, וערכת שבבי ה- (Microread_ 3.4), שניהם משותפתה של פריסקייל, Inside Secure.
המונה מונע באמצעות בקר זעיר ב-32 סיביות, ה-MK30X256 של פריסקייל, שנמצא בלב מנוע המנייה. המיקרובקר המסוים הזה בנוי על ליבת CortexTM-M4 הפופולארית. התפקיד העיקרי של המיקרובקר, יחד עם הממשק האנלוגי (AFE), הוא לקרוא באופן תקופתי נתונים מחיישני מתח וזרם חיצוניים, ולחשב בצורה עוקבת ערכים אחרים, בעיקר את ההספק ואת האנרגיות שנצברו. מכיוון שטכניקת החישוב העיקרית מבוססת על המרת פורייה מהירה (FFT), המונה יכול למדוד אנרגיה במדויק בכל ארבעת הרביעים (ייצוא/ייבוא אנרגיה, אנרגיה פעילה/מגיבה). הודות לכך המונה יכול לבצע ניתוח תדר שלם של רשת החשמל. התפקיד הבא של המיקרובקר הוא לתקשר עם ממשקי תקשורת AMR מובנים, כגון ממשק RS232 מבודד אופטית, ממשק תפוקת פעימות LED אנרגטי, ממשק אינפרא אדום IEC1107, וממשק I2C/SPI לתקשורת עם כרטיסי בת מסוג RF/ZigBee. בנוסף, המיקרובקר משתף פעולה עם ממשק אדם-מכונה (HMI) מובנה, כגון מסך LCD, שמשמש להצגת ערכי דרישה וכן עם כפתור לחיצה מובנה שמשמש לבחירת פריט בתפריט.
החלק החשוב הבא בדגם הייחוס הוא כרטיס בת עצמאי ליישום ה-RF שמשלב שני תפקידים עיקריים: אבטחה ותקשורת NFC. אלמנט האבטחה הוא הבסיס ליישום אבטחה מקצה לקצה בין מונה התשלום מראש לחברת אספקת השירותים ולמפיציה שמוכרים אשראי אנרגיה. כרטיס ה-RF אליו מתייחסים מציג את ה-ATVaultIC460 של Inside Secure כמו גם ערכת שבבי (Microread_ 3.4). מודל האבטחה ATVaultIC460 מספק פונקציות אבטחה מקיפות כגון זיהוי הדדי, אימות ואספקת אישורים, וכן הצפנה/קידוד וניהול של האחסון המאובטח של המפתחות הקריפטוגרפים. בנוסף, הבקר הוא מאושר EAL4+ ויכול גם לתמוך ברמה 3 של FIPS 140-2 וגם באישורים וסטנדרטים אחרים. עם השילוב של השירותים הקריפטוגרפים הללו ומעבד RISC של 8/16 סיביות, ATVaultIC460 מספק פתרון בקרה מאובטח ולא רק ליישומי מנייה. קישוריות ה-NFC המשולבת בדגם מאפשרת למשתמשים לטעון אשראי אנרגיה באמצעות טכנולוגיית כרטיס חכם ללא מגעים או באמצעות טלפון תומך NFC. קישוריות ה-NFC בכרטיס הבת הזה מיושמת באמצעות בקר Microread_ 3.4 ופרוטוקול Open NFC. כרטיס ה-RF/NFC עם פונקציות האבטחה והבקר הזעיר MK30 מחוברים באמצעות ממשק I2C, עם קישוריות המבוססת על פרוטוקול ממשק תקשורת מארח (HCI) סטנדרטי.
הקושחה עבור דגם הייחוס הזה מבוססת על מערכת ההפעלה בזמן אמת MQX של פריסקייל שמאפשרת לשפר את מבנה הקוד, והיא מיטבית לשימוש בשווקים מתקדמים. מערכת ההפעלה בזמן אמת מתכוננת לאפשר למשתמשים להגדיר ולאזן את גודל הקוד בהתאם לדרישות ביצועים. מערכת ההפעלה בזמן אמת MQX של פריסקייל מספקת למפתחים זמני פיתוח מהירים בזכות היכולת שלה לשחרר את המהנדסים מעול היצירה או התחזוקה של מערכת תזמון וכן מהצורך לטפל בפסיקות. מערכת הפעלה זו מספקת בנוסף תבנית עבודה, עם API פשוט, לבניית וארגון התכונות הללו לרוחב פורטפוליו המעבדים המשובצים הרחב של פריסקייל.
תועלות המפתח של מונה התשלום מראש המאובטח והחד פאזי MK30 המתואר להלן הן:
אבטחה מקצה לקצה בין המונה וספקית השירות ומפיצי אשראי האנרגיה
אבטחה פיזית – עטיפת מגן חתומה הודות לטכנולוגיית ה-NFC (טעינה מחדש של אנרגיה בעזרת ה-NFC)
מנוע מנייה המבוסס על ליבת ה-Cortex M4 הפופולארית של ARM
מדידה מלאה בכל 4 הרביעים – היכולת למדוד ייבוא/ייצוא, אנרגיה פעילה/מגיבה
היכולת לחשב עיוותים הרמוניים כוללים (THD) ולנתח את התדר של רשת החשמל
החלפת מידע מאובטחת בין המונה וחברת השירותים באמצעות טלפון חכם – היכולת לטעון מחדש את היתרה במונה ולבצע בדיקות נגד זיוף
מאופשר מערכת ההפעלה בזמן אמת MQX
כדי להבין טוב יותר כיצד מונה התשלום מראש המאובטח הזה פועל ביישום אמיתי, התייחסו לסכמה בתרשים 1. ראשית, המשתמש צריך לטעון יתרת אנרגיה אל תוך המונה. כדי לעשות זאת המשתמש צריך לרענן את כרטיס אשראי האנרגיה שלו בטלפון החכם באמצעות הספק, שמחייב את חשבון הבנק של המשתמש בסכום המתאים. לחלופין, או עבור שווקים בהם התמורה חשובה יותר, ניתן להחליף את הטלפונים החכמים בכרטיסים חכמים שהינם זולים יותר. לשימוש בטלפון חכם או כרטיס חכם ללא מגעים שתומכים ב-NFC אין כל השפעה על החומרה ו/או הקושחה של המונה. במקרה כזה המשתמשים רוכשים כרטיסים חכמים אצל הספקים (חנויות, וכדומה). לאחר מכן המשתמש חייב לגשת לקרבת המונה עם הטלפון החכם או הכרטיס החכם. ברגע זה ממשק ה-NFC במונה מזהה בקשה חדשה לפתיחת יתרה (תוספת למאזן), ולאחר שהוא מבצע אימות הדדי, הוא מתחיל להעביר את האשראי החדש מהכרטיס או הטלפון אל המונה. לאחר מכן, יש לאמת את הנתונים שהתקבלו והחתימה הדיגיטלית של כל ההודעה לאחר אימות מוצלח, המונה מפעיל את המגעים שלו (ממסר נעילת כוח), שמחבר את המונה (לצורך טעינה) לרשת החשמל. המונה מודד באופן רציף את האנרגיה הנצברת. האשראי שמקבלים מופחת בתלות בשימוש באנרגיה, וכשהאשראי הזה מגיע לאפס, המונה ינתק את הטעינה מרשת החשמל. אם המשתמש ירצה להשתמש באנרגיה נוספת מרשת החשמל, הוא צריך לבצע עוד תשלום מראש.
דגם הייחוס של מונה התשלום מראש המאובטח מקצה לקצה, המתואר במאמר זה, מספק פתרון יציב, בטוח ורב עוצמה עבור מפתחי מוני תשלום מראש.
מידע נוסף אודות דגם הייחוס הזה, ניתן למצוא באתר החברה תחת Reference Designs.