基于集成RF/MCU的智能能源安全解决方案

智能能源的商业驱动力很容易理解;估计节省1千瓦时电力的成本约为1.7美分，而生产1千瓦时的成本现在被认为是10美分左右。不管你看这些数字，都可以节省开支。立法也发挥了作用，因为渴望被视为进步的政府正在实施智能能源的要求，供应商必须遵守这些要求。

公用事业公司有义务安装和维护智能能源网络这一事实意味着他们最初会明显产生成本，可能是因为他们会在以后获得收益。然而，如果供应商要看到这些潜在的好处，智能电表的成本和功能必须既低又全面。

这给半导体制造商施加压力或创造机会，以制造出正确的解决方案，而且这些解决方案越来越多地基于MCU，但具有针对这个快速发展的市场的非常具体的功能。

在您的网络中

智能电网的关键在于创建不是一个单一的网络，而是创建一系列规模越来越大的网络，以满足所有需要的设备受到监控。这产生了诸如归属区域网络（HAN）和邻域区域网络（NAN）之类的网络层次结构，其又成为局域网（LAN）和/或广域网（WAN）。

在每个点上，协议和物理接口可能会有所不同，因此在每个阶段保持安全性，性能和数据完整性要求设备能够理解这些要求并能够在这些限制范围内工作。

图1：飞思卡尔提供针对智能电网特定领域的各种MCU。

图1显示了飞思卡尔对家庭能源管理系统的建议，这将具有许多功能，包括从智能电表和其他内部设备收集实时能耗;向用户提供有关如何在本地使用能源的反馈;允许用户控制其他本地连接的设备;并提供宽带连接的无处不在的链接。虽然系统的核心是基于处理器，但无线接口将由MKW20等设备实现。

这款支持无线功能的MCU内置ARM Cortex-M4核心，耦合具有完全兼容的802.15.4收发器，可在2.4 GHz频率ISM频段中的16个可选通道之一上运行（图2）。

图2：集成RF收发器的MCU，如飞思卡尔的MKW20系列，预计将在智能电网中有很高的需求。

类似的MCU，基于8位8051内核，可从Silicon Labs获得。据Silicon Labs称，Si106x/108x系列适用于智能计量应用，特别是在电池供电的情况下，因为该系列可以在单个电池上运行20年。这可能对预期构成HAN一部分的设备非常有用，如下所述。

集成

预计仪表有多种形状和尺寸，不仅如此监测能源的使用，但几乎任何效用，或其影响。当然，典型的公用设施是天然气和水，因此流量计将构成HAN的很大一部分。使用像Si106xx/8xx这样的东西可以与另一个专用于计量功能的MCU一起工作，但当然有些制造商可能希望将所有这些功能合并到一个设备中。

对于某些MCU，这可能是一个挑战，但Atmel已经开发出专门针对该应用领域的解决方案：SAM4C系列。这些是被描述为用于智能能源应用的SoC的MCU，并且不难看出原因。首先，该系列中的器件集成了两个ARM Cortex-M4内核;一个（描述为应用程序或主核心）是运行在120 MHz的Cortex-M4，具有存储器保护单元和DSP指令。第二个（称为协处理器，旨在运行计量功能）是Cortex-M4F，具有单精度浮点单元（FPU）。图3显示了采用双核架构的SAM4C系列的框图。

图3：Atmel的SAM4C系列提供双ARM Cortex-M4内核，可将应用程序代码与通信和安全性相结合。

支持高性能AES 128到256加密，具有TRNG（真随机数发生器），基于安全散列算法的公钥加速器和完整性检查模块（SHA1，SHA224，SHA256）。它还提供多达四个物理防篡改检测I/O，带有时间戳和立即清除通用备份寄存器。这些功能允许SAM4C系列在单个设备中集成应用层，通信层和安全功能。

智能能源应用中对安全性的需求显然很高，而且正是在这里，一些制造商正在推动技术提供新的创新解决方案，如下所述。

窥探

现在，许多MCU都提供符合3DES，AES，RSA和ECC等标准的片上加密技术，并且已经在ZigBee，Wi-Fi和蓝牙等协议中使用。密码学的硬件加速也变得越来越普遍，特别是在针对智能能源领域的MCU中。运行加密算法的一个组成部分是安全密钥存储，德州仪器的基于Ferroelectric RAM（FRAM）的MSP430器件可能特别受关注。

与闪存不同，FRAM不需要充电泵，这有两个好处;首先，这意味着MCU需要更少的功率来读/写内存，因此在电池供电的应用中更经常这样做。对于智能设备，智能流量计或智能热量表，这将为电池更换之间的服务时间提供显着优势。但从安全的角度来看，或许更重要的是，由于不需要电荷泵，因此在存储密钥之前不会发生“告密”电源尖峰。正是这个签名，不需要的窥探者将寻找以获取密钥。

MSP430F6系列在安全敏感型应用中的另一个好处是，即使在此过程中断电，它也能完成FRAM写入。它通过集成片上电容器来实现这一目标，该电容器可存储足够的功率以完成整个过程。这与基于闪存或EEPROM的设备形成对比，后者必须在过程中发生电源故障时存储数据的副本。显然，从安全的角度来看，避免这种情况会更好，FRAM提供了这种优势。

结论

智能电网和智能计量行业自然受到IEC 62056等标准的支配，涵盖了公认的规范，如DLMS（设备语言消息规范）和COSEM（伴随规范）。能量计量），以及包括ZigBee，蓝牙和Wi-Fi的协议（更不用说Thread，Weightless和其他现在出现的）。支持这些标准和规范，同时仍然提供一定程度的差异化，是半导体供应商留在这个市场并继续开发创新和有利解决方案的关键。幸运的是，这个行业充满了创新，智能家居，物联网甚至工业4.0的承诺都在拉近距离。这一新景观将确保所有人的供应安全，并在降低能源成本方面发挥重要作用，在所有情况下都可以发挥作用。

图4：飞思卡尔的智能电网和计量解决方案概述。