网络体系结构、安全问题和硬件实现家庭智能电网的区域网络

文摘

论述了目标、体系结构和安全问题的智能电网,照顾教训比萨大学的研究项目在智能能源和电网。智能电网的关键元素是能量区域网络(汉族),提出了一个实现,处理和显示出一些解决方案实现其安全方面基于ZigBee无线网络。可能的硬件软件体系结构和实现使用COTS(商业从架子上)组件介绍等关键构件的能量汉智能电表和插头和一个家庭智能信息框提供能源管理政策,支持用户的节能意识。

1。介绍

智能电网是当前电网的发展,到一个新的智能网络(1,2]。它是一个现代化、电力输送系统的再造工程,通过利用信息和通信技术(ICT)的电力系统工程。结果应该是一个可以监控的智能网络,保护和优化操作的节点,从中央和分布式发电机层最终用户(3- - - - - -6]。这一创新的主要目的是提高能源效率、可靠性和可持续性解决日益增长的电力需求和缓解气候变化减少气体排放。由于连续监测所有电网节点和与经典的ICT网络互联,智能电网可以用来增加社会的能源意识表明,刺激“绿色行为。”

论述了目的,网络体系结构,智能电网的安全/隐私问题部分2。此外提出了一些解决方案,以定义一个高级体系结构实现网格中的隐私和安全技术。

从ICT的角度来看,智能电网是一个“网络的网络”包括广域网(WAN),局域网(LAN),和家庭区域网络(汉族),从能源生产到客户的前提。特别是,汉族的适当的设计必须确保客户的隐私和系统的能源效率。部分3和4关注可能实现能源的汉族,以下的建议,海洋(支持能源意识到社会)提议由一组意大利机构。海的目的是发展一个高级体系结构实现汉,允许用户远程控制能源消耗和优化在网络家电的活动。讨论可能的能源汉拓扑后,利用ZigBee无线节点的连通性,主楼节点的硬件架构讨论(智能电表7)和插头+家庭智能信息框提供能源管理政策,支持用户的能源意识)。可能实现这样的节点,基于COTS(商业从架子上)组件,也提出了。

2。智能电网的目标、体系结构和安全

2.1。限制现有的电网和智能电网的挑战

现有的电网的典型结构如图1。世界各地的公用事业公司设计他们的电网实施其主要子系统之间的明确的界定:生成、传输和分销系统。这种方法带来了不同程度的自动化的各个子系统,每个子系统分别经历了不同的演变和转换。此外,网格的层次结构会导致多米诺效应失败。

沿现有电网的效率,有各种形式的浪费能源的:只有三分之一的燃料能源转换成电能(废热并不是恢复),产生的8%的能量沿着输电线路损失,和20%的发电能力只存在支持一个潜在的峰值需求(1]。最后一点是很重要的。现有的网格实际上是超功能站最大峰值需求,非常罕见,因此限制整个系统的效率。

此外,目前电网主要是单向的:发电机产生能量和分发到较低水平,用很少的电网能耗状态和最终用户的信息。通常情况下,电源没有实时信息服务终止点的参数和无法控制能源生产根据实际电网的要求。新挑战目前的网格可以归纳为五个要点。(我)引入新形式的发电,特别是那些使用可再生能源,如风能、太阳和生物量。这些类型的发电机有间歇性和小输出,因此需要不同的管理从传统的发电机。(2)需要不间断的电力供应。(3)需要减少白天高峰需求,减少能源浪费,确保足够的能源储备。(iv)扩散的新数控设备能够改变电力负荷的行为(例如,切换本身打开或关闭),智能电表和能源控制单元实施能源管理战略和提高能源意识的用户。(v)安全威胁,不仅涉及到电力供应也网络攻击(8,9]。

进化向智能电网始于创新现有电网通过加入新的ICT技术在许多的基础设施。表1显示现有的电网和智能电网之间的主要区别。这场革命的起点是系统的底层,电气配电子系统。第一步是分布式和网络的插入电网监测和控制系统。这样的系统可以帮助电力公司电网监测和识别潜在风险,及时采取纠正措施。其次需要大修的ICT基础设施。通信和数据管理将提供一层智能现有电网和未来的基础设施,允许引入新的应用程序。这种有机增长的网格允许公司逐步将旧网格的功能转移到新网格,从而改善他们的关键服务。

单向的变化方法的经典电网双向智能电网概念引入的一个可以支持分布式发电机的扩散或热电联供装置,沿着现有的网格。实际上,智能电网可以提供一个更简单的替代能源的集成(即。,年代un, wind, etc.) characterized by time-varying energy production level with storage systems, in order to fill the gap between when/where the energy is produced and when/where the energy is required. Smart Grid can aid utility companies to make a more efficient use of the existing infrastructures, introducing step by step some key features as demand response, peak shaving, and service quality control [1]。

电网的发展需要智能电网之间的共存和现有电网(10]。这允许电网的逐步增长,逐步增加的能力和增加新的功能。来执行这个进化是微型电网的介绍11)网络的分布式能源系统,负载,和发电机,可以连接到电网。他们可以,例如,房屋或工厂,拥有自己的当地能源,希望优化其能源消耗。

一个微型智能电网"比萨大学开发的框架NanoCatGeo项目(12)与工业合作伙伴如《能源和Edi Progetti,见图2。的想法是开发一个微型智能电网对风力能源问题自主房屋坐落在风区。系统中风力能源(非常数的能源生产)+一个AC / DC转换器提供能量的直流总线中也连接:(i)逆变器直流/交流系统功率家里或出售任何多余的生产能源公用事业公司;(2)一个AC / DC转换器提供一个氢电解槽(13)的形式存储氢多余当风电能生产高于用户的需求和获取能量从氢当风能源生产低于用户的消费。这个智能电网互联的所有子系统(有线)通过一个控制箱,实现能量管理策略;控制箱是基于低功耗微控制器(14,15,例如,一个8051年——比如核心+ RS485接口。

2.2。智能电网网络体系结构

智能电网可以看作是一个网络,网络见图3。从客户方面,汉族是交流的网络负载,传感器和设备在客户的前提。客户是通过局域网连接到能量分布水平。局域网识别智能电表的网络,网关,和元素分布系统。最后,我们找到了。这是上游实用程序的网络资产,包括发电厂、变电站、分布式存储,等等。变电站广域网和局域网网络网关接口。

2.3。在智能电网的安全和隐私问题

由于现有电网从一个集中的网络动态对等网络,与不断增长的复杂性,它也变得越来越容易受到当地和全球的破坏。智能终端引入网络成为入侵和恶意攻击的门户。此外,智能电网的发展对系统设计与安全标准,因此与重大的安全漏洞8,16,17]。安全问题不涉及网络安全方面,但它也关注失败的网格和抵御自然灾害。下面列出的潜在风险智能电网:(我)电网的复杂性增加意外错误和可能的入侵;(2)新技术的部署网络中可以引入新问题;(3)许多网络链接增加潜在的级联故障的存在,给更多的机会妥协的系统;(iv)智能节点可以脆弱的入口点拒绝服务(DOS)攻击。

特别是智能电网安全的重点是汉:事实上广域网和局域网的智能电网是已知的计算机网络安全问题被广泛讨论文学。汉族网络部署到客户领域,及其安全临界点严格相关客户的隐私。

一个典型的汉族是由四种元素组成的。(我)网关连接汉网络信息服务外,在局域网或广域网网络。(2)韩接入点或网络节点组成网络。(3)网络操作系统和网络管理软件。(iv)智能终端、智能电表等显示器、冰箱、电器和恒温器。

到目前为止,许多技术已经被认为是为了实现由不同的团体和组织汉族。最重要的标准是无线个域网(18)、z - wave的Insteon, Wavenis。他们都是标准的无线网络。这些标准的主要特点是在桌子上2。谈安全,如果存在,类似使用加密算法:AES和在某些情况下3 des。AES是他们之间最可靠的加密算法9),及其实现(硬件和软件)提供了更好的性能比3 des。此外,AES加密可以使用临时AES硬件执行,也就是说,一个AES协处理器,它存在于许多提出的解决方案实现汉网络。网络摘要的示例中,将使用和ZigBee标准。无线个域网的安全问题将在节中详细讨论4。

从客户的角度来看,一个基本要求是公用事业公司之间交换信息的保护和智能电表安装在客户的前提。远离旧机电测量系统,新一代的电表完全电子(19- - - - - -24),他们提供先进的功率测量和管理能力由于权力所提供的特定于应用程序的集成电路(ASIC)半导体供应商像意法半导体25]。新一代的智能电表集成了一个双向通信系统。特别是,低压电力线上传输能耗数据,使用分组交换数字电力线通信标准(26),从客户对数据集中器的前提,基于梯形技术(27]。另一方面,从每个数据集中器,信息被发送到服务器使用互联网络的公用事业公司。亦然,公共事业公司可以很容易地操作通过访问通过互联网远程智能电表数据集中器和,虽然在低压电力线通信住宅电线,智能电表在客户的前提。这样实用操作符可以向客户打开/关闭电源,使用信息阅读,改变客户的计费计划,同时检测服务中断或未经授权的用电量。

电力线通信是基于以下的想法。交流电源传输高压输电导线在50 - 60 Hz,所以可以让一个更高频率的信号携带数字信息在两个方向上(从客户的前提向公用事业公司,反之亦然)。承运人在电力线通信通常用于数据传输的频率约为100 - 200千赫,几个Kbps的数据速率,因此数据信号可以很容易地分离能力。更多细节在智能电网电力线通信和相关的包格式和标准可以在找到27]。

然而,消费记录通过智能电表可以揭示很多客户的活动信息,因此重要的是要满足一些需求保密,的完整性,和可用性。

保密处理信息免受未经授权的访问。这是一个客户端需求。在智能电网中,重点是数据存储在公用事业公司服务器和从客户的智能电表。这些数据包含能源使用信息和计费数据。保护他们,重要的是正确实施最小特权原则:用户权限没有超过必要的来执行其功能。详细指导组织数据服务器,实现安全,遵循这一原则,可以发现在28]。保护这些机密数据保证客户的隐私。事实上,能源使用信息显示白天用户活动,允许演绎什么样的设备或设备使用在给定的时间。在文献中有很多负载签名算法,结果NALM(不干扰设备负载监控)研究分会24,29日),可以提取从用电量记录的详细信息。这些算法的结果的一个例子,在实际消费记录,如图4和5。签名一个特定的电力设备的使用,可以提炼出考虑典型负载的电力消耗,使用频率,和瞬态响应,因为不同的设备有不同的负载类型:非线性电阻加热器和灯泡灯、感应电动机,微波炉的活性,二极管的led灯。

完整性确保信息的正确性保护数据,防止修改攻击。对策来防止这种类型的攻击是基于访问控制。,只有经过授权的用户可以修改这些信息。

可用性确保服务总是提供给用户。安全必须防止报废的由于人为因素或DOS攻击公用事业公司可以妥协配电。冗余是一个很好的练习来防止环境威胁。

2.4。实践在智能电网安全的汉族

在信息技术中,有大量的代码和规则强调为了达到安全要求。一个例子是ISO / IEC 27000系列,一组标准的最佳实践信息安全认证(30.- - - - - -32]。另一个安全计划,而不是认证,是信息安全论坛(安全部队)33]。安全部队是一个非营利组织,分配信息安全论坛的良好实践标准的免费的。

这些指南可以应用于确保信息安全对于每一种系统,包括智能电网特别是汉族是本文的重点。汉一个代码的技术实践安全智能电网可以概括以下12点。(1)威胁建模。必须识别可能的威胁,准备适当的对策。本研究可以进行分析用例和滥用情况。(2)分割。尽量减少攻击的影响,分割可以采用限制,例如,数据流量在特定区域通过防火墙:攻击伤害会局限于这样的区域。(3)防火墙规则。适当的规则必须用于防火墙、代理服务器和内容过滤。(4)签字。软件在电网中运行代码来实现数字签名。这允许受信任应用程序并确保完整的执行只在智能电网的信息交换。(5)“粘蜜罐”。黑客的部署“粘蜜罐”、陷阱,允许识别的新类型的攻击和警报组织。因此,honeypot展示弱点和系统的安全漏洞。这些元素可以放置在智能电网环境下,在它的外围地区。(6)加密。通过加密算法,敏感信息免受未经授权的披露。必须采用加密传输层,归档数据和控制网络。(7)漏洞分析。公用事业公司必须创建控制中心分析网络流量和系统识别任何暴露增加易受攻击。(8)渗透测试。旁边的脆弱性分析,模拟攻击通常由一个恶意的黑客在智能电网必须定期执行;这种方式的快照可以获得智能电网安全的有效性。(9)源代码审查。智能电网应用程序必须现在没有漏洞。因此,必须仔细检查他们的源代码,以满足高质量的要求。识别代码的漏洞后,这些可以固定。(10)配置硬化。智能电网的所有元素,特别是智能终端,必须在部署之前进行测试。这可以用漏洞扫描器和基准测试。(11)强大的身份验证。有三个主要类型的身份验证方法:用户知道的东西(如密码),一些用户(例如,硬件键),和一些用户(例如,生物识别id)。必须使用至少两种方法。(12)日志记录和监控。他们是强大的工具提供信息攻击识别和重建事件的自然灾害。从存储数据,数据挖掘技术和信号处理分析提供重要的信息攻击和网格行为在某些事件。然而,如果没有正确的管理,数据记录可以代表进一步后门到系统中。因为这个原因是很重要的定义一个精确的日志计划过程包括日志管理规划、政策和程序(考虑到安全问题34]。

这组实践也可以作为支柱的发展未来的智能电网标准。

2.5。智能电网安全标准,并提出了解决方案

一些协会和组织在不同的国家已经开发出许多智能电网的安全标准。IEC 62351标准,由国际电工委员会(IEC)就是其中之一。本标准涉及电力系统管理和相关信息交换和分为八个核心标准,报告在表3。IEC 62351标准的范围是电力系统信息安全控制操作(35]。在表3其他两个IEC标准提到:IEC 60870和IEC 61850。第一个,IEC 60870标准定义了用于遥控系统。本标准的第5部分处理通信节点之间直接连接。IEC 61850是一个电力变电站自动化标准造型数据,报告方案,快速转移的事件,设置组,样本数据传输命令和数据存储。

NIST报告7628年智能电网的网络安全是另一个重要的文档(36]。这份报告包含了一个网络安全风险管理框架,功率计安全的需求列表,讨论隐私和智能电网。此外,本文档包含电力系统用例的安全需求和自下而上智能电网的安全分析。

除了这些标准,在文学上也有一些解决方案和模型提出了实现智能电网的安全。最有趣的一个解决方案是基于公钥基础设施(PKI)。这是基于事实,安全和隐私技术使用一个密钥来加密和保护数据,以满足所需的安全需求。这个问题,在一个大型网络作为智能电网,是管理系统的关键。PKI提议由五个主要元素:(我)PKI标准;(2)智能电网PKI工具;(3)设备认证;(iv)信任锚安全;(v)证书属性。

PKI标准将被用来决定需求的PKI操作能源服务提供者。然而,PKI是出了名的难以部署和使用,由于PKI标准只提供高层框架,然后离开公司的详细实现。智能电网PKI工具给用户一个简单的方法来管理基础设施和支持未来的发展应用,满足PKI安全需求。这些工具的一个重要特性是消除对称密钥配置的需要,这是一个不安全的和昂贵的过程。在一个安全的系统中,每个组件必须是一个值得信赖的组件。设备认证技术是用来识别设备和设备是否被篡改。在一个基于PKI基础设施网络,是设备管理的一个重要方面的证书。这些证书可以组织在树和根叫做信任锚(TA)。是很重要的安全操作助教:加载和存储、识别、管理本地政策数据库(一组规则定义的设备应该如何使用它的证书,和什么类型的证书应该接受),等等。智能电网是至关重要的,任何设备在网络可以决定另一个设备的授权状态并进行身份验证。 This can be done using the attributes present into the certificate and contacting a security server. Therefore, it is important to distribute local security servers in various part of the network and not to rely only on a back-end server (single point of failure problem).

提出的解决方案只是一个高层次的描述如何实现安全性和隐私在智能电网中,和许多问题可能出现在PKI基础设施的实现。之前(即其中的一些问题进行了讨论。,need of distributed authentication servers, implementation of PKI standards, secure management of devices certificates, etc.).

或者,芳香醚酮(password-authenticated密钥交换)研究[37,38]探索一种方法来保护密码不依赖PKI。芳香醚酮旨在实现两个目标。首先,它允许零知识证明的密码。一个可以证明的知识密码没有透露给另一方。第二,它执行身份验证的密钥交换。如果密码是正确的,双方将能够建立一个共同的会话密钥,没有其他人可以计算。

作为客户的隐私而言,一种可能的解决方案是基于智能电表数据匿名化。这个想法是为了区分智能电表数据的基础上生成频率。(我)高频数据发送的智能电表效用数据集中器为了控制发电和分销网络,使电能质量的实时响应。这些数据不需要由一个特定的客户和发送,例如,每一分钟。(2)低频数据发送到公用事业公司、计费和帐户管理。这些数据必须由一个客户或一个帐户和发送每天/周/月。

只有高频数据“匿名”,因为他们的发送速率。智能电表,使用这种技术,有两个ID的消息:一个HFID高频数据,和一个LFID低频数据。匿名的方法确保HFID,因此高频信息。公用事业公司和客户只知道LFID, HFID是只有智能电表的生产商,所以它是唯一一个有对应LFID和HFID之间。例如HFID可以硬件编码。然而,这种解决方案只考虑从智能电表发送数据。限制在安全方面的方法类似于提出一个(HFID和LFID对应的智能电表制造和存储在它的档案)讨论了(39]。

3所示。家庭能源网络可能实现

3.1。家庭能源网络体系结构

本节提出了一种可能的实现家庭智能能源管理区域网络,讨论了安全问题,并分析一些商业实施硬件/软件解决方案。来源于经验提出的网络等智能电网项目的提议在意大利Energy@Home项目(40),由工业合作伙伴如伊莱克斯,Enel家电和意大利电信,和海洋提议,由意大利学术合作伙伴。目的是开发一个通信基础设施,能源使用相关的交换信息,消费,在家里和关税区域网络。

的一般架构智能能源汉呈现在图6。汉族网络智能信息框包含一个名为家庭能源的天使,意识到作为一个电子控制单元和车载内存、计算能力(32位微处理器与非易失性存储器,和更快的记忆)和数字网络接口。

家庭能源天使框实现以下主要功能:(我)收集数据从电表和家里的智能终端领域,监测能源(电力供应商或从当地可再生能源如太阳能光伏板或风力系统)问题,能源负荷(充电的电动汽车,照明、空调、家用电器和信息娱乐设备),和能量缓冲(锂离子电池或H2-based储能(13]);(2)收集数据通过汉环境传感器(温度、光线、湿度);(3)预测用户的需求,基于传感器提供的数据和分析方法;(iv)发送命令根据预排程序的策略来实现智能家电节能策略(例如,关闭/灯光对环境的自适应条件,适当的时间编程的洗衣机或烤箱避免消费高峰,…),(v)为用户提供的信息对他们的能量通过平板电脑或智能手机的行为。

超出了家庭能源天使盒子,一个家庭网关也连接到汉。这为用户提供了上网通过wi - fi网络。家庭网关是汉族和WAN网络之间的接口在这个架构(互联网)。用户可以获取的信息消费联系家能源天使通过家庭网关信息框,使用一个简单的本地网络连接或使用平板电脑的连接接口,笔记本电脑或智能手机。家庭能源天使智能信息框提供能源服务让客户意识到对他们的能源消耗。这些服务是自动负载管理,能源效率,积极服务的需求,和网络智能电器。

一个图形用户界面(GUI)将为家庭能源开发的天使,使整个系统的更好的用户体验。GUI将用于两个主要目的。首先,用户能够轻松地提供他们的偏好信息(即使用能源在家里。在设备上,他们愿意使用,时间窗口启动/停止每个设备)。其次,它将用于可视化计算的最佳能源计划家庭能源天使和访问额外的信息,如负载消费资料,成本、或统计数据,从而解决了一般缺乏认识的人他们的能源消耗。

提出家庭能源体系结构将在以下方面提供福利。(我)提供一个易于使用的支持优化电力的生产和消费,降低电力成本,减少电力浪费。(2)增加用户能源消费/储蓄意识。(3)平峰提高电网效率的需求。

能源消耗信息,收集的米,可以直接发送到配电系统运营商服务器(DSO遗留系统图6)利用电力线通信协议,而不是使用汉连接。

在体系结构的详细图6还有另一个特定的元素:智能插座。智能插座插头(或家庭)系统能够增加情报旧一代设备。他们是简单的套接字点无线连接(如无线个域网)提供消费连接设备的监控。聪明的插头也可以控制连接设备的状态(为他们开/关,即。,是智能电源开关(41])分享权力。

网络的系统架构图所示7。可能实现的系统使用一个无线个域网网络实现汉朝。在网络中有一个智能信息框,通过无线个域网收发器连接到汉,配备了wi - fi界面接触家庭网关。家庭网关是一个简单的wi - fi路由器。智能信息框的作用就是从汉族收集数据来计算他们使用信息来自互联网网络(客户的关税,计费帐户信息),现在他们通过一个用户友好的界面。

家庭网关充当一个接口之间的广域网(互联网),汉族。wi - fi路由器可以扮演这样的角色:智能信息框可以从用户和远程访问可以很容易地联系公用事业服务的服务器。在图的例子7有四个智能电器:烤箱、冰箱、洗衣机、智能插座;结合智能信息框和智能电表收发器,他们形成了汉族。

无线个域网协议每个节点分配一个角色进入网络。有三个可能的角色。(我)无线个域网协调人(佐):这是网络中最聪明的装置。网络协调器节点的根,也可以作为不同网络之间的桥梁。它可以包含的信息网络以及存储安全密钥。在每个无线个域网网络只有一个协调员。智能信息框的佐网络图的例子7。(2)无线个域网路由器(ZR):它充当路由器在网络中,节点之间交换数据(在这个示例中是不存在的网络图7)。(3)无线个域网终端设备(零):他们是最简单的网络节点,他们只能沟通与协调器或路由器。零需要小数量的内存。设备的网络图7都是零,只有智能通信信息框。

值得注意的是,无线个域网不是一个对等网络协议(即。,networks composed by nodes that have all the same role and where there is no distinction between them). ZigBee instead assigns a role to each node, and ZEDs cannot communicate directly, but only through a router or coordinator. Using routers within ZigBee network allows the deployment of a network architecture similar to mesh network.

此外家庭能源的天使在我们的愿景是一个智能设备运行应用程序特定的能源管理。这一点存在的每一个智能设备在家庭领域和第三方的domotic解决方案。对于我们的目的来说,家庭能源天使智能信息框也可以集成wi - fi路由器为用户提供互联网访问。在这种情况下网络和能源管理的所有应用程序运行在家庭能源天使智能信息框,行为也作为一个网关。

实施提出能源汉将允许节能和成本节约效益的最终用户。

如前所述在最后SustainIT2012会议数篇论文(42- - - - - -44)在欧洲家庭贡献总体用电量约为29%对应的像意大利这样的国家(44)70年TWh每年12数十亿欧元的成本,每年2.5千瓦时/用户。模拟考虑典型的电力成本的房子进行电器、和典型用户的消费资料允许以下评估:能源汉族的引入,支持用户节能意识,实现自动能源管理策略可以减少用户从实际消费每年20% 2.5兆瓦时2兆瓦时。

进一步可以实现成本节约,由于汉族,通过允许用户自动利用能源成本的高可变性,报道在图8从高峰时间,可以改变一个因素3 (F1关税在图中红色的8)非高峰时段(F3关税在图中绿色的8)。

3.2。HW架构构建节点:智能插座上,家庭能源天使框和智能电表

图9显示了智能设备的块图出现在网络的例子。每个设备都有一个微控制器(MCU)的核心,例如,32-b RISC皮层活动管理系统,交互式用户界面。连接模块使他们加入到网络和远程控制。这个子系统可以是一个简单的收发器与单片机集成在同一个PCB板,或者可以使用单片机无线单片机。

独立的无线个域网收发器的一个示例是德州仪器CC2520。解决方案,集成了无线单片机和收发器在同一芯片,天线可以直接印刷在PCB板上实现足够的增益大小有限,可以由最近的作品做比萨大学在多回路的多频天线实现了作为子GHz PCB-printed天线应用程序(45,46]。

两种解决方案可以用来升级现有设备的设计使他们加入区域网络。如果我们使用一个收发器,现有的微控制器可以连接到使用GPIO(通用输入/输出)和SPI(串行外围接口)。然而,这个开销设备单片机,介绍了目前控制系统,实现通信协议。另一方面,使用无线单片机可以避免这个问题。实际上,无线单片机可以作为协处理器,将它与系统的设备单片机负责控制。无线单片机实现了通信协议和管理传输和接收数据包,而其他单片机实现控制算法,当它需要与其他设备通信网络中的无线单片机发送一个请求。这个场景中引入的开销是有限的。

家庭能源的架构天使智能信息框如图10。触摸屏显示器(家庭显示)为用户提供了一个简单的方法与智能交互框。通过这个显示用户可以管理能量设置的设备连接到汉网络和能耗可以检查记录。外部需要永久性存储器来存储过去的记录,文件的软件运行在智能信息框和任何重要的信息网络。智能信息框需要连接互联网,以检索客户能源账户信息,由能源管理应用程序使用。因此有一个wi - fi设备接口连接到单片机。

图11给出了框图结构安装智能电表的公用事业公司(例如,在意大利ENEL)。智能电表的核心由电子仪表(静电计)表示,能够计算能耗的感应电流和电压电网通过一个模拟前端。此信息数字化和阐述了单片机配备数字信号处理功能(例如,皮质的32位处理器),然后通过显示了。还一个电力线通信调制解调器连接到仪表以使用信息发送到数据集中器。所需的扩展对当前状态的艺术是无线个域网收发器。该组件可以与智能通信信息框,因此用户可以实时检查他们的消费。智能电表还可以在内存中存储消费数据,供以后使用。

描述了智能电表是进化的结果从AMR(自动化仪表读数)系统。这些米允许公用事业公司阅读消费记录、状态或发生警报。amr只提供单向通信:公用事业公司不能对客户电网采取更正措施。

AMR的进化是AMI(先进计量信息)计的硬件架构已经详细图11。AMI的特点是一个内置的双向通信系统,允许客户服务水平参数的修改。这样客户可以选择不同的计费计划控制能源成本。然而,作为公认的艺术、部署环境中大量的智能电表很麻烦。减少部署电力计量设备在不影响信息可靠性的新方法进行了调查,也就是负载解集从单点电路级中提取个人设备能耗信息的措施。这种方法是基于这样的观察:每个设备都有自己的能耗资料随着时间的推移,数据证明4和5从单点测量,可以隔离。解集的目的是提取的签名不同的电器总措施。关于艺术的状态,人工神经网络(47)或一个贝叶斯方法(48)被用来执行设备识别,我们旨在避免培训阶段。这个目标我们建议采用的粗描述设备(即“能源签名”。,how each type of appliance works and therefore its power consumption in any possible state) and recognize most of the appliance types used in a residential building by indentifying which unit is active, how long and how much is consuming. To this aim, the advanced hardware architecture proposed in Figure11是必要的,因为两个功率计测量的智能模拟前端(静电计)和一个强大的处理单元(嵌入式信号处理器)需要实现解集的DSP算法。而且支持通信通过无线连接的智能电表区域网络和电力线通信与主电网。

antitapering原因使用硬件倾斜传感器也在智能电表集成体系结构和连接到无线个域网和电力线通信接口(即。如果智能电表是干扰,最终用户和/或实用程序通知),[49]。详细审查antitampering智能电表技术报告(50]。

3.3。COTS组件选择构建汉的能量

表4提出了COTS组件的选择适合发展中能够形成一个无线个域网网络设备,根据前面几节中给出的架构。至少他们systems-on-chip (soc)集成无线个域网收发器,芯片上的非易失性内存,内存内存和CPU与安全AES协处理器芯片上的架构图12)。

至于射频部分是所有设备表4实现无线个域网物理层的传输功率的2.4 GHz的顺序几兆瓦(3 - 4.5 dBm 0 dBm = 1 mW)和灵敏度从95−−101 dBm。因此考虑全面TX-RX链接该设备可以面临路径损失−100 dB足以构建可靠的国内区域网络根据拓扑中讨论部分3所示。1和3所示。2。由于2.4 GHz是全世界没有执照的频率,这使得这些收发器的使用在每一个国家,没有困难。通过使用一个集成的村田天线,印在PCB板,3 dBm的发射功率可以达到30米室内/城市或100米和户外的视线。如前所述(51),几个战略预见无线个域网为了解决频率共存问题与其他通信技术(例如,wi - fi,蓝牙)拥挤的2.4 GHz频率谱。

电力消费而言它是在RX的几十兆瓦或TX主动模式;通过实现功率循环策略,可以保持低功耗μW使用STM32W108C8设备而且有110醒来时间短μ年代。实现智能计量或能源管理功能设备与一个32位CPU必须优先和RAM和Flash(而不是罗)芯片上的功能。为实现这一目标我们已经选定的STM32W108C8 8 kb和64 kb的RAM和Flash,分别和一个32位皮层M3 Dhrystone MIPS处理器具有计算效率1.25 MHz,增强指令等硬件划分,单循环(32×32)相乘,饱和数学的支持,和149年μW / MHz时在180纳米CMOS技术实现。期间的一些典型的MAC操作所需的通信(如ACK管理、自动退下延迟,和信息包过滤)是通过硬件实现的,为了满足IEEE 802.15.4-2003标准的严格的时间要求。

当优化网络,一个特定的定制可以根据特定的设备控制。例如,控制简单的电力电器像烤箱,冰箱、锅炉、灯光,或者空调,它不需要一个连续的控制。他们必须把他们的消费,警报的麻烦(炉过热在烹饪,失败在冰箱的组件,等等),和远程开启或关闭他们的能力是必要的。这些设备可以添加一个简单的收发器,因此引入的开销是最小的。这些设备只有在低传输和接收消息:他们的状态,包括能源使用情况,检查几次在一天一天(4/5),和警报不经常发生。射频收发器可以被添加到单片机已经出现在这样的机器,或者他们可以换成无线SoC单片机STM32W108C8等。智能插座的(例如,开/关控制灯),单片机不存在(因为不需要逻辑控制)添加一个简单的收发器没有任何CPU核心。

在处理其他家电如洗衣机或电动汽车充电系统,连续控制程序可以是有用的工作,因此在用户需求之间找到一个最佳的权衡,基于时间的能源关税,和可再生家庭能源发电机的生产高峰(风能、光伏),如果任何。智能洗衣机可以通过编程工作在低成本的时段。要做到这一点,一旦设备编程,它必须在备用模式下才可以执行的工作。小备用消费是必需的。智能信息框的图10低成本时可以联系洗衣机槽开始。该设备可以开始工作。一个好的解决方案来实现智能洗衣机可能是意法半导体STM32W108C8,主要由于其低功耗待机模式(0.8期间的电流μ)。它可以设想的可能性也使用这个无线单片机管理洗衣机操作,对于那些不太复杂的模型。最后的家庭能源天使智能信息框和智能电表与当地处理能力(数据崩溃),强大的架构是必要的。智能电表为例,STM32W108C8 SoC可以实现部分(单片机和无线收发器)的架构图11。智能电表的董事会应该装备也显示驱动,一个静电计ASIC,电力线通信调制解调器芯片和触摸屏/显示控制器。在家庭能源的天使还需要无线通信控制器。可以使用ST7590 IC电力线通信调制解调器。这个设备能够运行在28.8 kbps,及其架构图报道13。

静电计、ASIC在图14可以使用由意法半导体。它实现的措施积极、反应性和明显的能量通过收购电压或电流通过专门收购渠道价值。满刻度值的准确度为0.1%。

3.4。内部安全提出了无线个域网/ 802.15.4汉提供服务

在前一节中讨论的所有设备包含一个AES专用处理器来实现内部无线个域网/ IEEE 802.15.4安全通信提供服务。AES加密算法应用于该网络。芯片上的一次可编程的内存可用于存储64位MAC ID和128位AES安全的关键。报道在图15关于ISO / OSI协议栈,无线个域网实现了第一个三层(应用程序、运输和网络层),而内部IEEE 802.15.4提供了数据链路层协议(即提供服务。,分为逻辑链路控制和媒体访问控制)。这个标准有几个版本,命名。最重要的是2003年和2006年的版本。内部IEEE 802.15.4使用27渠道提供服务分为三个主要的乐队;最有趣的是全球16个通道的可用2.4 GHz无照乐队。为了避免几个节点的同时传输,标准使用CSMA-CA(载波感知多重存取冲突避免)或GTS(保证时段)协议。节点使用CSMA-CA协议,在网络上发送数据包之前,检查是否传播媒介是免费的:如果媒介自由节点发送数据包,否则该节点将等待一段时间,计算与特定退下算法(如指数退下算法)。相反,GTS协议使用一个协调者节点给其他节点时段,所以,任何人都知道当它传输数据。内部IEEE 802.15.4通道能量提供服务的一个有趣特性扫描。使用前一个通道,网络看到多少能量(其他网络活动、噪声和干扰)。

这种机制可以节省能源,选择免费频道当设置网络。内部IEEE 802.15.4是一种低功耗协议提供服务。节点使用这个协议可以保持他们的收发器大部分时间睡觉(99%)和接收和发送任务可以设置设备的能源的一小部分。无线个域网(18)是一个标准的高层沟通内部基于IEEE 802.15.4(提供服务52- - - - - -55)数据链路的标准。无线个域网广泛用于短程无线通信要求日期率低,能耗低,一条安全通道。提供四个主要服务的标准。(我)额外的加密服务:应用程序和网络层使用128位AES加密。(2)协会和身份验证:只有可信节点可以加入网络。(3)路由协议:临时按需距离矢量路由协议(AODV)指定节点相互通信。(iv)应用程序服务集群:无线个域网介绍的概念”。“每个节点属于集群和允许集群只能执行操作。例如“房子光系统”集群中只有两种可能的行为:“把灯打开”和“关掉灯。”

无线个域网节点有一个16位的网络地址,由协会过程中协调。这个地址是用于路由信息。节点在网络中扮演不同的角色:协调器、路由器和终端设备。协调器和路由器不能睡眠。他们必须永远清醒为了管理网络和发送数据包在网络。

是很重要的提醒,ZigBee网络没有一个点对点架构,但层次结构中,终端设备只能与路由器和协调员沟通。

内部IEEE 802.15.4只支持提供服务128位AES加密算法。原因主要是由于可能轻易找到市场上特定的设备能够在硬件级别进行加密和解密。选中的SoC的AES直接嵌入接收器和处理器需要较低的资源。这个标准没有指定的关键是如何管理或身份验证策略应用。这些细节是叶的高级标准。使用AES数据安全(有效载荷加密)和数据的完整性。特别是,完整性是通过使用消息完整性代码(MIC)。麦克风获取加密的部分MAC(介质访问控制)框架,使用网络的关键,它的长度通常是128位的。

图16显示了内部IEEE 802.15.4 MAC帧提供服务。有三个重要领域的安全问题:帧控制,辅助安全报头和数据有效负载。

辅助安全头字段是没有意义的,如果安全使钻头(画面中控制字段)设置。否则,这个领域分为三个子字段描述以下。

安全控制
这个字段是用于选择什么样的保护(即用于帧。、安全政策):什么是加密的,多长时间是关键。前3位指定安全级别,和相关的编码表中列出5。

帧计数器
为了防止回复攻击,每一个框架都有一个惟一的id。

键标识符
该字段包含的信息的类型,主要用于与其他节点通信。钥匙可以隐式通信(节点)或显式。在这最后的情况下,关键指标和关键源分支给指示所使用的关键。

根据安全控制领域位载荷领域的变化。

在网络中每个节点有一个访问控制列表(ACL),一个“值得信赖的兄弟列表。“每个节点将数据发送到另一个节点检查接收器是一个值得信赖的兄弟使用ACL表。如果接收方没有出现在列表中,节点可以采取两种可能的行动,根据安全策略采用网络,拒绝消息或者开始一个身份验证过程。ACL字段中指定的表6。

内部关于802.15.4层提供服务,无线个域网添加两个额外的安全层:网络和应用程序层。因为所有的安全机制使用128位AES加密,可以使用内部设备专为IEEE 802.15.4标准提供服务没有任何修改。ZigBee标准使用三种类型的键。这些键是否实际使用,根据网络的政策选择。无线个域网键:(我)主键:用于保持链接密钥保密和检查他们的信件。(2)链接键:一对节点之间的这些键是独一无二的。使用链接键引入了一个重要的开销为节点,要求更多的内存资源,因为所有的数据在两个节点之间交换必须用这个密钥加密。使用链接键只有在商业模式的政策。(3)网络关键:它是一个独特的128位的密钥共享之间的设备组成的网络。网络密钥是由信任中心,它是特定的时间间隔后再生。旧密钥用于加密新键,发送节点。

大师和链接密钥使用的应用层,和网络关键是使用无线个域网和MAC层。信任中心是一个特殊的设备,可靠的网络中的其他节点。一般来说,信任中心协调员,即使这个角色也可以由另一个节点。

为了确保安全,无线个域网网络可以使用主和链接键,或者只需要一个简单的连接网络的关键。

在第一种情况下,理想情况下,每个设备都有信任中心地址和一个初始主密钥安装。否则,主键可以被信任中心,分布在初始网络设置使用一个不安全的通道。在所有节点主键,链接密钥可以获得使用协议或传输过程。链接密钥也可以预先安装。一个例子使用的键是商业模式政策(如图17)。

当无线个域网网络只使用网络主要有一个初始分布的关键,是通过信托中心通过一个不安全的通道。只有在网络关键是获得所有节点之间的通信节点变得安全。

安全策略决定哪个键是用来制造安全网络。(我)商业模式,两个主密钥和链接键使用。在这种情况下需要更多的内存资源。(2)住宅模式,数据交换网络中只使用网络密钥加密。这种模式是最简单的实现,但更不安全。

以确保安全和隐私保护能源汉族的示例中,住宅和商业模式(见图17和18可以使用)。在两种模式下,信任中心的角色可以由智能信息框,这也是网络的协调器。这消除了需要一个特殊的节点执行只有安全操作。安全参数可以很容易地设置使用的接口的智能信息框,和网络信息行为之后(日志)可以存储和访问。此外,家庭能源天使智能信息框也可以远程访问,因此用户可以控制网络的安全状态也户外,使用一个网络连接。

实现住宅模式的网络将只需要一个网络的关键。家庭能源天使智能信息框可以先建立一个关键,然后分发到其他节点通过一个不安全的连接。否则用户和运营商可以“写”到设备的内存;这个操作更加安全。实际上任何关键是通过一个不安全的传输通道。总结,如果住宅模式选择安全问题可能发生在网络的初始设置。

商业模式比住宅模式提供更强的安全性,但需要更多的资源(内存和CPU时间)。实际上每个连接两个节点之间使用不同的密钥,如果安全坏了一个链接,这不会影响整个网络。也在这种模式下,设置初始的关键是一个关键时刻。一个安全的方法是每个节点分配一个手动第一主密钥”。“那么,这将是改变信任中心使用安全连接。如果第一个主密钥没有分配,这个任务必须由信托中心使用一个不安全的通道。成功的初始设置网络保证了网络的机密性和完整性。

信息交换节点之间总是加密和消息完整性总是可以检查,如果最高安全级别(aes - ccm - 128)被选中。这个选择不影响设备性能由于无线个域网收发器有专门的AES加密和解密的处理器。

4所示。结论

本文讨论和审查安全问题在智能电网的发展架构和比萨大学的教训在一些项目智能能源的主题。能源区域网络,智能电网的关键元素,处理其安全和隐私方面,显示出一些解决方案实现无线网络,基于无线个域网。实现挑战从硬件和软件的角度和可能的架构和实现提出了使用COTS组件的关键节点智能能源汉:智能电表、智能插座上,和一个家庭能源天使信息框必不可少的能源管理/节约能源政策和意识。

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