分析智能電表設計的挑戰

挑戰2：電流消耗

SoC的電流消耗是影響應用/解決方案的電池壽命的主要因素。因此，在電池供電模式下運行的應用要求SoC具有非常低的電流消耗。燃氣計/流量計不與電源直接連接。

因此，它們只能由電池進行供電。因此，與電表相比，這些應用對電流更加敏感。這一特性非常重要，因為計量表的平均使用壽命約為15年，客戶當然不希望每隔幾年就更換電池。

因此，與電表相比，燃氣/流量計應用對這些限制更加敏感。在典型燃氣/流量計解決方案中，儀表大多數時間都保持在低能耗狀態。它將定期隔喚醒以計算能量消耗，存儲數值，并可能重置脈沖計數器等。

另外，燃氣/水/熱量的消耗模式不同于電能，因為它們不像電那樣無時無刻不在使用。因此，內核不必總是處于通電狀態。“低功率模式電流”將扮演重要的角色。許多公司認為低功耗模式電流的范圍是1.1μA-2μA(休眠模式待機電流)。

另一個關注領域是SoC的啟動時間及相關的電流消耗。由于應用要求儀表必須定期喚醒，因此啟動時間和啟動電流將非常關鍵。因此，此類SoC中使用的內核比處理速度等其它因素更加重要。

挑戰3：安全、防護和檢測

安全性、篡改保護和檢測性能主要取決于最終應用的復雜性。滿足這項要求可以很簡單，只需要能夠檢測到是否有人試圖打開儀表蓋，或是否非法訪問SoC并更改計費軟件。

但是，也可能會非常復雜，要讓連接以太網的儀表能夠防止黑客攻擊或保護儀表中的用戶數據，這是GPRS/CDMA/ZigBee網絡解決方案的一部分。這些要求存在很大的差異，因為計量能夠或應該能夠支持不同類型的解決方案。

對于獨立解決方案，儀表不屬于基于網絡的計量解決方案的一部分，抄表和計費都是手動進行的，對安全性、防護和檢測的要求會很低，因為攻擊單個儀表不會影響其它儀表。因此，服務提供商可能會選擇前面提到的比較簡單的檢測方案。

在儀表窗口和儀表蓋之間形成一個電流路徑便可以檢測儀表蓋是否被打開。只要有人試圖打開儀表，該電流會被中斷，對于篡改電表的操作也是如此。

使用密碼保護SoC內部寄存器可以防止有人未經授權對SoC進行重新編程。除非有正確的密碼，否則無法重新編程，任何此類失敗的嘗試都會顯示為篡改企圖。

對于基于網絡的解決方案，僅僅通過檢測或簡單的密碼保護不能解決安全問題。需要更加嚴格的保護，因為儀表是網絡的一部分，如果一個節點(儀表)受到黑客攻擊，那么整個網絡都會暴露給黑客攻擊。

在這些情況下，安全性分為軟件和硬件層，這兩個層又進一步劃分為多個層。為了解決這些問題，行業制定了EN13757、HomePlug、ISA100.11a、ANSI/EIA/CEA-709.1-B-2000和EN14908等許多協議。

計量革命的興起很大程度上取決于智能電表所支持的通信模式的發展。這類通信對安全性提出了很高的要求。因為在所有通信模式當中，這類通信模式會使儀表/儀表網絡最容易遭受黑客攻擊。

以基于智能卡的預付費計量為例。這種解決方案使用SPI(串行外設接口)在智能卡和儀表MCU之間傳輸數據。智能卡將數額存儲在其內部存儲器中，插入儀表后，儀表會根據消耗量不斷扣除數額。

簡單的攻擊行為可能是對智能卡進行重新編程或復制。在這種情況下，防止此類篡改的一種方法是對存儲在智能卡里的數據(如真實性數據和數額)進行加密。儀表首先解密這些數據，然后再進行處理。

在智能卡上寫回數據時，會遵循同樣的加密流程。這樣，只要加密算法和加密密鑰沒有被暴露，儀表就會受到保護。事實上，無論采用哪種通信方式，幾乎所有的計量解決方案都使用加密功能，以保證安全性不會受到損害。

加密的類型和復雜性主要取決于所使用的通信協議類型。GPS/GPRS/CDMA、以太網等通信協議需要更加復雜的加密。因此，還采用了特殊硬件以降低軟件依賴性，同時，通過減少內核開銷增強了芯片性能。