【特高壓新基建系列 2】智能電表與 Wi-SUN 通訊模塊的結(jié)合

關(guān)鍵字：M2351 智慧電表通訊系統(tǒng) 電表管理系統(tǒng) 作者：來(lái)源: 發(fā)布時(shí)間：2021-12-30 瀏覽：198

【特高壓新基建系列 2】

智能電表與Wi-SUN通訊模塊的結(jié)合

AMI-智能電表應(yīng)用

先進(jìn)智能型電表系統(tǒng)(Advanced Metering Infrastructure，AMI)為發(fā)展智慧電網(wǎng)的核心基礎(chǔ)建設(shè)，具備連網(wǎng)能力的智能電表系統(tǒng)能實(shí)時(shí)呈現(xiàn)信息，讓用戶跟電力公司都能掌握該地區(qū)的用電狀態(tài)并配合使用情境做出優(yōu)化管理。用戶可隨時(shí)透過(guò)手機(jī)APP或計(jì)算機(jī)觀看電表所記錄的數(shù)據(jù)調(diào)整電器使用，降低不必要的花費(fèi)，上班或外出期間也能對(duì)居家用電做到安全監(jiān)控。電力公司人員則可透過(guò)遠(yuǎn)程查看使用狀態(tài)是否正常，所累積的數(shù)據(jù)也能應(yīng)用在大數(shù)據(jù)，分析各地區(qū)用電找出合適的節(jié)電、電力調(diào)度方案，對(duì)于推行需量反應(yīng)與能源管理都是不可或缺的重要基礎(chǔ)建設(shè)。

AMI的組成可看作幾部分:1.智慧電表2.通訊系統(tǒng)3.電表管理系統(tǒng)，智能電表所量測(cè)的用電數(shù)據(jù)透過(guò)有線或無(wú)線的方式傳送至通訊系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)則整合該地區(qū)電表所回報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步的交由電表管理系統(tǒng)做分析及管理。進(jìn)一步探討智慧電表，世界各國(guó)參考主流的美規(guī)(ANSI C12)及歐規(guī)(IEC 62056)標(biāo)準(zhǔn)并依據(jù)當(dāng)?shù)氐氖褂们榫匙龀鲂薷�，在新一代的電表設(shè)計(jì)上大多采用Metrology(計(jì)量模塊)以及management(管理模塊)并行運(yùn)作的方式進(jìn)行，計(jì)量模塊負(fù)責(zé)計(jì)量、信息顯示(LCD)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及狀態(tài)回報(bào)。管理模塊又稱做通訊模塊，透過(guò)可程序化邏輯控制器(PLC)、以太網(wǎng)及各種無(wú)線傳輸方式，扮演溝通橋梁負(fù)責(zé)將計(jì)量模塊的信息傳送至區(qū)域的通訊系統(tǒng)及接收訊息，可降低以往的人力抄表需求，而計(jì)量模塊及管理模塊之間則可透過(guò)SPI、UART等標(biāo)準(zhǔn)通訊界面進(jìn)行溝通。而如文章開(kāi)始所提，具備連網(wǎng)能力的智慧電表雖然能帶來(lái)許多效益，但在開(kāi)始推行之后其安全機(jī)制的完備性以及用戶的隱私性也一直是各家電表廠商及電力公司在努力的方向。

NuMicro® M2351的智能電表參考設(shè)計(jì)方案

我們跟位于韓國(guó)的Security Platform Inc.(SPI)合作推出了新一代智能電表方案(AMI2.0)，在通訊模塊上采用了新唐M2351系列微控制器并結(jié)合Arm® Mbed™ OS，功能上除了符合DLMS1*的安全通訊要求，更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了完整的安全功能方案，我們將在以下做說(shuō)明：

Secure communication

SPI Smart-meter基于(D)TLS1.2的安全聯(lián)機(jī)機(jī)制，在發(fā)起聯(lián)機(jī)時(shí)會(huì)先說(shuō)明所支持的聯(lián)機(jī)版本和加密算法，之后再進(jìn)一步進(jìn)行憑證交換，確認(rèn)要傳遞訊息的對(duì)象是否為可信任方，最后在完成密鑰交換后便開(kāi)始以加密的方式進(jìn)行通訊。新唐提供完整的硬件加解密引擎(AES,3DES,HAMC,ECC,SHA,TRNG)作為輔助，降低CPU使用資源讓電表能專注在資料的傳遞及處理，相關(guān)的硬件資源被設(shè)定在MCU內(nèi)的安全區(qū)域，防止非安全區(qū)的不合法詢問(wèn)。

Secure boot

建立在TrustZone技術(shù)下，SPI及新唐提供一套安全的開(kāi)機(jī)檢驗(yàn)機(jī)制/程序代碼(Trust boot code)，其存放于不可修改的安全區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)在每次啟動(dòng)時(shí)都會(huì)先確認(rèn)所要運(yùn)行韌體的合法性，透過(guò)驗(yàn)證該韌體的哈希值(HASH)及數(shù)字簽名(ECDSA)確保其真實(shí)性及合法性，完成檢驗(yàn)后才會(huì)跳至該區(qū)域執(zhí)行程序。此作法可確保電表沒(méi)有遭受惡意的篡改植入第三方程式藉此竊取機(jī)密信息、竊電等非法行為，而以下流程則說(shuō)明了SPI提供Secure boot所需安全憑證的產(chǎn)生方式。

Secure update

智慧電表的優(yōu)勢(shì)就是能藉由OTA的方式完成韌體更新，SPI提供多種無(wú)線傳輸接口(LTE、CAT.M1、NB-IoT、Wi-Fi)，而新唐M2351內(nèi)部Flash支持Dual-Bank功能，電表在驗(yàn)證新韌體的真實(shí)性及合法性后可在不影響運(yùn)行的情形下完成更新，SPI同時(shí)導(dǎo)入Anti-rollback protection機(jī)制確保韌體不會(huì)被回寫成舊版本，避免產(chǎn)生安全漏洞。

在智慧電表的運(yùn)作生命周期中，安全威脅可能以不同的形式出現(xiàn)。SPI推出的新一代智慧電表方案在2019年10月完成PSA Certified™ Level 1的OEM認(rèn)證，藉由Arm Pelion IoT平臺(tái)，對(duì)于數(shù)字證書的部署、可信任的更新來(lái)源以及安全的通訊協(xié)議(TLS)，電表生命周期內(nèi)所需的支持已經(jīng)與Arm Pelion IoT平臺(tái)的設(shè)備管理與訪問(wèn)控制能力完成整合。目前新唐也積極開(kāi)發(fā)下一代產(chǎn)品提供更為完善的軟硬件能力，協(xié)助智能電表制造商達(dá)到更高層級(jí)的安全防護(hù)。

基于NuMicro® M2354的WiSUN Smart Meter 參考設(shè)計(jì)方案

近來(lái)，基于IEEE 802.15.4為基礎(chǔ)相關(guān)協(xié)議的應(yīng)用預(yù)期仍是成長(zhǎng)的，特別是Wi-SUN在一些公共事業(yè)項(xiàng)目上的利用。而在應(yīng)用方面，根據(jù)市調(diào)資料的整理，是以Smart Home、Medical Devices、Auto Metering、Smart Building和Industrial為主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

新唐作為安全微控制器的開(kāi)發(fā)商，我們將基于既有M2351的基礎(chǔ)下發(fā)展出NuMicro®M2354，預(yù)定于2020年底正式面市，最主要是增加了高容量的內(nèi)存與增強(qiáng)了芯片本體(chip-level) 的防駭能力，包含了密碼硬件的防側(cè)信道攻擊(Side-Channel Attacks)，各種故障注入(Fault Injection, e.g. voltage glitch, clock glitch)的攻擊防護(hù)，以及安全儲(chǔ)存(Secure Storage with Active Shield Countermeasures in chip die level) …..等等。加上基于既有可以提供的TrustZone®與XOM功能，所以通訊協(xié)議層可以依據(jù)程序開(kāi)發(fā)的規(guī)劃放在安全區(qū)或XOM(eXecute-Only Memory)內(nèi)部，若選擇的射頻前端Transceiver IC有內(nèi)含MAC層的先期處理(ROM-based MAC firmware與MAC Co-processor)，那M2354這一端負(fù)責(zé)MAC層后期處理與其上IP層以上包含應(yīng)用層的處理則游刃有余，可以實(shí)現(xiàn)基于Wi-SUN在無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)做法上的創(chuàng)新，達(dá)成約比其他一般的解決方案增加一倍的收發(fā)距離又能同時(shí)兼顧超低功耗的表現(xiàn)，換言之對(duì)于一些以電池供電的裝置有更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間。更甚者，不需要加另一顆專注處理無(wú)線通信協(xié)議的MCU，整個(gè)參考設(shè)計(jì)模塊內(nèi)含的兩顆主要芯片就可以完全應(yīng)付通訊與終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，例如無(wú)線抄表、遠(yuǎn)距監(jiān)控、智慧家庭、智能工廠與智能大樓等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

以下，我們對(duì)于可執(zhí)行在M2351/M2354這端Wi-SUN的通訊協(xié)議(Wi-SUN Stack)與符合Arm PSA Level 2 (Plan to be certified in 2020, Q2)認(rèn)證的軟件架構(gòu)用以下的簡(jiǎn)圖說(shuō)明：

由上圖可看到智能電表開(kāi)發(fā)商可以將Wi-SUN通訊協(xié)議移植到M2354上，由于有充足的資源，M2354還可以再跑上層應(yīng)用，甚或RTOS，這些上層應(yīng)用或RTOS可以放到TrustZone®的非安全區(qū)來(lái)以充分利用Arm®v8-M的特性做到網(wǎng)絡(luò)連網(wǎng)應(yīng)用的軟件安全保障。

NuSMP

最后，我們?cè)俅握f(shuō)明與強(qiáng)調(diào)新唐目前持續(xù)在推廣的NuSMP (NuMicro® Secure Microcontroller Platform)帶給市場(chǎng)上應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員的好處。目前我們整合了軟硬件機(jī)制提供系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商一系列的完整使用工具，這涵蓋了以下幾點(diǎn):