何榮譽(yù)

（湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410126）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

何榮譽(yù)

（湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410126）

水電氣繳費(fèi)與人們的生活息息相關(guān)，對將物聯(lián)網(wǎng)的近場通信（NFC）技術(shù)和移動(dòng)支付技術(shù)應(yīng)用到水電氣付費(fèi)過程進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源管理系統(tǒng)，以滿足方便快捷的付費(fèi)需求。系統(tǒng)中的智能表計(jì)和手機(jī)終端應(yīng)用NFC技術(shù)，用戶使用NFC手機(jī)與智能表計(jì)進(jìn)行通信，并應(yīng)用移動(dòng)支付技術(shù)與能源公司和銀行進(jìn)行信息交互，實(shí)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(dòng)支付 遠(yuǎn)程抄表 能源管理 物聯(lián)網(wǎng) 智能表計(jì)

Intelligentmeter

0 引言

近場通信（near field communication，NFC）是一種短距離無線通信技術(shù)，允許設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換。我國主要的移動(dòng)運(yùn)營商也相繼推行了NFC移動(dòng)支付標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用NFC的移動(dòng)支付將逐漸成為人們生活不可缺少的一部分［1－2］。移動(dòng)支付是指移動(dòng)用戶使用其手機(jī)對所消費(fèi)的商品或者服務(wù)進(jìn)行賬務(wù)支付的一種服務(wù)方式。用戶可以通過終端設(shè)備向銀行金融機(jī)構(gòu)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(shù)的發(fā)展，針對目前我國能源管理領(lǐng)域傳統(tǒng)的管理方式存在的問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型能源管理系統(tǒng)。系統(tǒng)將NFC技術(shù)應(yīng)用到手機(jī)終端，用戶通過NFC手機(jī)完成與智能表計(jì)和能源運(yùn)營公司的信息交互，并利用移動(dòng)支付方便快捷的優(yōu)勢，實(shí)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(fèi)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(fèi)方式。

1 系統(tǒng)功能

1.1 系統(tǒng)的整體功能要求

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向水、電、氣表的基于NFC的移動(dòng)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(jī)，通過GSM/3G/WiFi網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)支付平臺(tái)進(jìn)行信息交互，通過移動(dòng)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(jì)中。同時(shí)，通過NFC接口讀取表計(jì)的用量信息和狀態(tài)信息，并通過GSM/3G/WiFi網(wǎng)絡(luò)返回給各個(gè)運(yùn)營公司后臺(tái)系統(tǒng)。

1.2 NFC手機(jī)接口的調(diào)用

系統(tǒng)中所使用的手機(jī)是基于Android平臺(tái)的NFC手機(jī)。該手機(jī)提供了android.nfc package和android.nfc.tech package兩個(gè)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(jìn)行I/O操作的類包含在android.nfc.tech package中，這些類分別表示一個(gè)tag支持的不同的NFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過調(diào)用這兩個(gè)API，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)與NFC適配器的數(shù)據(jù)交互，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對NFC標(biāo)簽的識別［7－8］。

1.3 NFC標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)。通過對android.nfc.tech package中IsoDep類的調(diào)用，NFC手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對該NFC標(biāo)簽的識別并進(jìn)行相關(guān)的讀寫數(shù)據(jù)操作［9－10］，從而實(shí)現(xiàn)NFC手機(jī)與智能表計(jì)的信息交互。

1.4 NFC表計(jì)的管理

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

1.5 遠(yuǎn)程支付

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

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)支付終端系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

當(dāng)NFC手機(jī)靠近NFC表計(jì)時(shí)，NFC通信模塊進(jìn)入NFC適配器的磁場，接收手機(jī)發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量接收NFC手機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并發(fā)送出經(jīng)過加密存儲(chǔ)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(jī)將這些信息發(fā)送到運(yùn)營公司后臺(tái)進(jìn)行處理。運(yùn)營公司后臺(tái)收到手機(jī)傳來的信息并解密后，主動(dòng)將解密的信息回傳給手機(jī)，用戶也可以通過手機(jī)終端軟件主動(dòng)發(fā)送查詢請求并得到運(yùn)營公司后臺(tái)的響應(yīng)。

移動(dòng)支付終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括運(yùn)營公司服務(wù)子系統(tǒng)、NFC手機(jī)終端子系統(tǒng)、NFC表計(jì)子系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 移動(dòng)支付終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure ofmobile payment terminal system

2.2 運(yùn)營公司服務(wù)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

運(yùn)營公司服務(wù)子系統(tǒng)包括表計(jì)管理模塊和遠(yuǎn)程支付模塊兩部分。表計(jì)管理模塊中的表計(jì)指用戶的水表、電表和燃?xì)獗?，其管理模塊包括管理員表計(jì)發(fā)放、用戶自助服務(wù)、遠(yuǎn)程支付和數(shù)據(jù)傳輸模塊。遠(yuǎn)程支付模塊通過對NetPayClient的安裝與調(diào)用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程支付功能。NetPayClient是一個(gè)安裝在ChinaPay商戶會(huì)員側(cè)的應(yīng)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(shí)現(xiàn)消費(fèi)者、商戶和銀行間的網(wǎng)上安全支付。

2.3 NFC手機(jī)終端子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.3.1 NFC手機(jī)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(gè)API，手機(jī)接口調(diào)用模塊可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付終端軟件與手機(jī)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(shí)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(yīng)的IsoDep類創(chuàng)建相應(yīng)的對象，可以實(shí)現(xiàn)對表計(jì)中NFC電子標(biāo)簽的訪問。

2.3.2 NFC標(biāo)簽識別模塊

為防止電子標(biāo)簽的偽造和標(biāo)簽內(nèi)容被濫用，保證僅有授權(quán)實(shí)體才可以讀取和處理相關(guān)標(biāo)簽上的信息。NFC手機(jī)通過建立相應(yīng)的訪問控制機(jī)制，在通信時(shí)對NFC電子標(biāo)簽的身份進(jìn)行一定的認(rèn)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(jì)先校驗(yàn)和計(jì)算所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并把用量信息、表號和校驗(yàn)信息傳輸給NFC手機(jī)。NFC手機(jī)將數(shù)據(jù)傳遞給運(yùn)營公司后臺(tái)。為了防止傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出錯(cuò)或被惡意篡改，運(yùn)營公司后臺(tái)通過校驗(yàn)計(jì)算可以及時(shí)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(jì)加密之后傳送到手機(jī)。由于手機(jī)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(jī)只有將獲得的數(shù)據(jù)上傳至運(yùn)營公司后臺(tái)，運(yùn)營公司后臺(tái)將數(shù)據(jù)解密之后又回傳給手機(jī)客戶端，才能顯示給用戶。

3 系統(tǒng)測試

本設(shè)計(jì)的試驗(yàn)是以燃?xì)赓M(fèi)移動(dòng)支付系統(tǒng)為例，用戶使用該系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)。測試結(jié)果如下。

3.1 用戶賬戶申請測試

用戶通過在燃?xì)夤痉?wù)子系統(tǒng)的自助申請服務(wù)進(jìn)行賬戶申請與賬戶管理。打開瀏覽器，進(jìn)入“燃?xì)夤居脩魝€(gè)人一站式自助服務(wù)中心”用戶注冊界面，提交賬戶申請。接著，燃?xì)夤竞笈_(tái)管理系統(tǒng)中就將出現(xiàn)新的申請用戶，燃?xì)夤竞笈_(tái)服務(wù)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(shí)可以為用戶提供不同的服務(wù)。

3.2 用戶終端遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳測試

當(dāng)用戶用NFC手機(jī)靠近NFC燃?xì)獗頃r(shí)，手機(jī)終端讀取燃?xì)獗硇畔?，然后將燃?xì)獗硇畔⑼ㄟ^通信網(wǎng)路傳輸?shù)饺細(xì)夤竞笈_(tái)進(jìn)行有效性分析。燃?xì)夤竞笈_(tái)服務(wù)系統(tǒng)將對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳回相應(yīng)的手機(jī)終端，完成用戶燃?xì)獗頂?shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)讀取與查詢。當(dāng)用戶點(diǎn)擊“查詢最近繳費(fèi)記錄”時(shí)，通過手機(jī)向燃?xì)夤竞笈_(tái)發(fā)出繳費(fèi)記錄查詢申請，后臺(tái)從數(shù)據(jù)庫中找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)并傳回手機(jī)，顯示給客戶。

3.3 移動(dòng)支付測試

在測試過程中，用戶點(diǎn)擊“用戶自助網(wǎng)上繳費(fèi)”按鈕，移動(dòng)支付終端軟件自動(dòng)打開手機(jī)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?xì)夤竞笈_(tái)服務(wù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的個(gè)人賬戶支付的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程繳費(fèi)功能。

4 結(jié)束語

水電氣繳費(fèi)是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚牟糠?。傳統(tǒng)繳費(fèi)過程存在手續(xù)繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等弊端，人們急需方便快捷的付費(fèi)方式。針對這一需求，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想，結(jié)合NFC技術(shù)和移動(dòng)終端的優(yōu)勢，將移動(dòng)支付技術(shù)應(yīng)用到水電氣付費(fèi)服務(wù)中，將物聯(lián)網(wǎng)的新應(yīng)用和已有公共服務(wù)平臺(tái)緊密結(jié)合在一起。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的付費(fèi)模式還可以進(jìn)一步拓展到供暖、空調(diào)的付費(fèi)服務(wù)，適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)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(xué)研究基金資助項(xiàng)目（編號：12C1119）。

修改稿收到日期：2014－03－12。

作者何榮譽(yù)（1982－），男，現(xiàn)為湖南大學(xué)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(shù)、智能檢測技術(shù)等方面的研究。