[스마트홈] 댁내서 구현되는 전기 선불 시스템 … NFC·보안 인증 IC 활용 1 - 에너지 선불 시스템의 배경

[스마트홈] 댁내서 구현되는 전기 선불 시스템 … NFC·보안 인증 IC 활용 2 - 에너지 선불 트랜잭션 보안

 

 

자원 절약, 현명한 전기 소비 등에 적합한 에너지 선불 시스템에 대한 관심이 최근 들어 더욱 높아지고 있다. 여기서는 전력회사와 소비자 사이에 첨단 계량 인프라를 필요로 하는 NFC 스마트폰 기반 양방향 유틸리티 선불 시스템과, 핵심적인 보안 회로로서 보안 NFC/RIFD 태그 인증 IC를 구현하는 방법에 대해 살펴본다.

요금을 미리 결제하고 전기를 사용하는 어떤 이용자가 있다. 그녀는 집에 돌아와서 전기가 나간 것을 보고 스마트폰을 꺼내 애플리케이션을 작동시킨 후 그녀의 계정으로 50달러의 전기 요금을 추가로 결제했다. 그런 다음 에너지 모니터링 HDU(Home Display Unit) 앞에서 스마트폰을 흔들자 5분 내에 다시 전기가 들어왔다.

우리의 주인공은 모르고 있지만, 그녀는 이제 막 NFC(근거리 무선통신)와 HDU에 내장된 보안 인증 태그를 이용해 전기 요금을 미리 결제한 것이다. 이 선불 시스템이 바로 여기서 다루게 될 내용이며, 보안 NFC/RFID 인증 IC에 기반한 에너지 선불 시스템을 구현하기 위해 제안된 플랫폼이다. 여기서는 보안 태그 인증 IC 예로 DeepCover^® MAX66242를 사용했다.

에너지 선불 시스템의 배경

미국은 전기, 수도, 천연가스 서비스를 공급하는 유틸리티 회사들이 소비자에게 후불결제 방식으로 요금을 청구하고 있다. 이들은 분기별로 고객의 사용량을 추적한 다음, 이러한 사용량을 기준으로 요금 청구서를 발송한다. 

소비자는 정해진 기일 내에 요금을 납부해야 하며, 그렇지 않을 경우 전기가 끊어질 수도 있다. 우리는 모두 에너지 소비자이지만, 일부 사람들은 다음 달 청구서가 도착할 때까지 가스, 난방, 수도와 같은 자신의 에너지 소비에 대해 별로 생각하지 않는다. 

그러나 우리는 의식적으로 천연 자원을 소비하면서 자원을 절약하고 보존하는 쪽으로 변화하고 있다. 또한 자신의 유틸리티 청구서 금액을 더 적극적으로 관리하려는 사람들도 많아졌다. 이제 앞에서 가상 소비자가 효율적으로 사용했던 선불 시스템에 대해 살펴보자.

선불 유틸리티 서비스는 수십 년 동안 특히 영국, 오스트레일리아, 뉴질랜드, 벨기에, 남아프리카공화국 등에서 많이 이용되어 왔다. 그러나 미국에서는 주로 휴대전화, 전화 카드, 고속도로 요금을 위한 선불 서비스 요금제로만 선보였다. 선불 유틸리티 옵션은 원격지[투자자들이 투자 지출에 대한 명확한 투자 수익(ROI)을 항상 거두지는 못하는 분야]에 거주하는 사람들과 대학생 등의 유동 인구에 적합한 모델이 될 수 있다.

앞에 나온 가상 여성은 전력회사와 직접 접촉할 필요가 없으며, 집안에서 HDU와 함께 첨단 계량 인프라(AMI ; Advanced Metering Infrastructure) 시스템을 이용하면 된다. 시스템만 선불 결제를 실시하고 유틸리티 서비스를 재활성화할 수 있도록 보안 NFC 태그 인증 IC를 사용해 안전한 트랜잭션을 보장한다.

에너지 선불 시스템의 이점

소비자는 계정 잔액이 플러스인 상태에서 시작할 수 있으며, 전력회사는 실시간 전기 사용을 추적해 그에 해당하는 사용 요금을 미리 지불된 크레디트(Credit)로부터 차감한다. 결제하지 않거나 계정에 크레디트를 추가하지 않으면 서비스가 종료된다.

선불형 사업 모델은 전 세계적으로 전력회사와 함께 실질적인 성장 흐름을 보여주고 있다. 수많은 신생 국가들이 다양한 형태의 투자를 유치하는 방법 중 하나로 이 모델에 의존한다. 특히 선불식 전기는 세계적인 성장 트렌드가 되고 있다. 

시장 조사 전문 기관인 내비건트 컨설팅(Navigant Consulting, 구 Pike Research)의 보고서에 의하면, 전 세계 선불 계량기 설치대수는 2014년 3170만 대에서 2024년 8520만 대로 연평균 10.4%의 성장이 예상된다. 이 보고서는 북미 지역에서 선불 계량기 설치대수가 예측 기간 동안 연평균 17.0% 성장을 기록, 65만 대에서 310만 대로 성장할 것으로 전망했다.^[1]

그림 1. 세계 시장의 지역별 선불 전기 계량기 설치대수(2014-2024)^[1]

그림 1에 나타난 바와 같이, 가장 많은 선불 고객이 예상되는 곳은 아태 지역이다.

선불식 모델은 전력회사와 소비자 양쪽 모두의 지지를 얻고 있으며, 참여하는 모든 당사자들에게 진정한 윈윈(Win-Win) 시나리오로 인식되고 있다.

선불 방식을 채택할 경우, 전력회사는 요금 징수 비용을 쉽게 낮추고 보증금이나 해지 비용을 징수할 필요 없이 상각을 감소시킬 수 있으며, 연체 고객과 관련된 모든 백오피스와 현장 활동을 피할 수 있어 악성 부채를 줄일 수 있다. 그뿐 아니라 100% 징수율을 달성할 수 있으며, 소비에 앞서 선불 수익이 이루어지므로 예측 가능한 ROI를 투자 및 실현할 수 있다. 

이 모델은 소비자에게 제공되는 서비스를 물리적으로 분리하거나 연결하기 위해 직원을 파견할 필요가 없다. 그뿐 아니라 매월 청구서를 발행하지 않아도 되므로, 전력회사는 많은 비용이 드는 서류작업은 물론 우편, 종이, 인쇄, 처리와 관련된 비용도 줄일 수 있다.

그렇다면 소비자 입장에서 좋은 점은 무엇일까? 간단히 말하면, 선불 방식은 전기 사용을 간편하게 모니터링할 수 있는 최고의 수단을 제공한다. 즉, 보증금이나 신용 확인, 납기일 또는 연체료 등을 신경 쓸 필요가 없으며 취소나 재연결 비용도 발생하지 않고 청구서에 놀랄 일도 없다. 또한 스마트폰에서 인터넷을 통해 지불 옵션을 24시간 이용할 수도 있다. 

선불 모델은 소비자가 전기를 현명하게 소비할 수 있는 수단을 제공한다. 또한 소비자는 전기 사용 패턴을 더 잘 알게 되므로 요금 청구서와 전기 사용을 더 잘 관리할 수 있으며, 에너지나 연료 보전에 대한 이해도를 높일 수 있다.

우리는 지금까지 새로운 기술이 인간의 행동을 변화시키는 것을 여러 번 목격했다. 따라서 소비자가 에너지 모니터링 장치를 통해 일상적인 에너지 사용 패턴과 비용을 보게 된다면, 소비 습관을 충분히 바꿀 수 있을 것이다.

에너지 선불 시스템을 위한 인프라

1. 첨단 계량 인프라
모든 선불 유틸리티 프로그램의 기반 기술은, 소비자와 전력회사 사이에 실시간 연결을 가능하게 하는 첨단 계량 인프라(AMI)라는 스마트 계량기 기술이다. 이 기술의 핵심은 원격 해지/재연결 기능을 갖춘 디지털 계량기(일명 스마트 계량기)이다.

전력회사의 백오피스와 배치된 스마트 계량기 사이의 양방향 통신 네트워크는 사용 데이터와 원격 해지/재연결 명령을 실시간으로 전달한다. 전력회사는 AMI를 사용해 스마트 계량기로부터 미리 설정된 간격으로, 짧게는 몇 분 또는 이보다 더 짧은 간격으로 계량기 계측량을 수집할 수 있다. 전력회사는 이를 이용해 요금을 부과하거나 계량기의 소프트웨어를 업그레이드할 수 있다.

AMI와 함께 구성되는 또 다른 필수적인 요소는 이용자의 집 안에 설치되는 별도의 플러그 가능 에너지 모니터링 HDU이다.

2. HDU
HDU(그림 2)는 NFC를 지원하는 전력 상태 모니터링 장치이며, 소비자와 전력회사 간의 양방향 통신이 이루어지는 관문이다.

그림 2. ‌NFC 기반 선불 HDU를 위한 데모 보드. HDU는 전력회사의 백오피스와 통신하면서 남은 에너지 크레디트를 갱신한다.

트랜잭션은 가정에 설치된 기존 전기 배선을 통한 전력선 통신(PLC)을 사용한다

소비자는 자신의 스마트폰이나 태블릿 플랫폼으로 기존 와이파이(Wi-Fi) 또는 셀룰러 네트워크를 통해 추가 에너지 크레디트를 구매한 다음, 스마트폰에 탑재된 NFC 인터페이스를 사용하여 HDU에 크레디트를 전송한다.

그림 3. ‌선불 유틸리티 시연 플랫폼은 MAX66242 보안 인증 태그 및

MAXQ610 마이크로컨트롤러(그림에는 표시되지 않음)를 탑재하고 있다

이 HDU 데모 플랫폼은 시스템 동작을 보여주기 위해 설치됐다. HDU 중심에는 MAX66242 보안 NFC 태그 인증 IC가 있다. 데모 유닛의 모든 구성 요소는 그림 3과 같다. LCD는 소비된 전력량(kW)과 남아 있는 크레디트 전력량(kW)을 보여준다.

이 HDU를 작동시키려면 NFC 기능이 있는 스마트폰이 필요하다. 랩톱에 연결된 로컬 와이파이 네트워크가 전력회사의 서버를 시뮬레이트한다. 트래블 라우터는 ZyXEL의 MWR102가 사용됐다. 서버는 에너지 크레디트 트랜잭션을 처리하는 TCP/IP 클라이언트 서버 앱을 실행한다.

또한 서버는 계량기의 ROM ID, 바인딩 페이지 데이터, 부분 비밀키, 마스터 비밀키(M-Secret), 페이지 데이터(계량기 계측량)를 포함하고 있어 각 슬레이브 비밀키(S-Secret)를 재생성할 수 있다. 이 시스템에서 HDU는 슬레이브 장치이며 서버는 마스터이다.

HDU는 소비자의 에너지 소비와 지출 정보를 표시한다. 전력회사에서 제공하는 소프트웨어 앱을 사용할 경우, 소비자는 매일, 매시간 또는 (실시간) 전기 소비에 액세스할 수 있으므로 본인의 에너지 소비 특성을 분석하고 때로는 변경하며, 심지어 예산을 절약할 수도 있다. 

스마트 계량기와 HDU 간 통신은 전력선 캐리어(즉, 전력선 통신 PLC)를 사용하는 콘센트에서 기존 전기 배선을 통해 유선으로 연결할 수 있다.

전력회사는 고객의 계정이 사전에 결정된 일정 잔액 미만으로 되면, 고객에게 가청 경고음을 전송한다. 고객은 이러한 통지를 이메일, 텍스트 문자, 전화 방식 중 하나 또는 세가지 모두를 선택해 수신할 수 있으며, 언제든지 NFC 지원 스마트폰/태블릿을 사용해 추가 크레디트를 구매할 수 있다. 

그러면 보충된 선불 크레디트는 HDU로 로드된다. 선불 잔액이 완전히 없어지면 HDU의 디스플레이가 적색으로 되면서 바로 서비스가 해지된다. 다시 선불 결제하면 계정이 원격으로 재연결된다.

HDU 아키텍처와 동작 원리

그림 4는 MAX66242 EV 키트의 보드에 설치된 실제 시연 HDU의 앞면과 뒷면 모습이다.

그림 4. ‌NFC 안테나와 디스플레이가 통합된 HDU 앞면 PCB(위)와 뒷면 PCB(아래)는 MAX66242

보안 태그 IC에 연결된 NFC 안테나 코일을 보여준다

 
이 아키텍처는 DeepCover® 보안, ISO/IEC 15693 태그 인증 IC, MAX66242를 사용해 에너지 선불 시스템을 구현한다. 원활한 양방향 통신을 위해 EV 키트 보드에 디스플레이 패널이 추가됐다.

보안은 이러한 에너지 선불 시스템에서 무엇보다도 중요하다. 이 HDU는 MAX66242 보안 태그와 IC의 메모리 보호 기능에 모두 내장된 SHA-256 암호화 블록 기술을 사용함으로써, 에너지 선불 결제 고갈과 재충전 과정에서 사용되는 통신이 위조자나 개인 정보를 빼내려는 대상에 노출되지 않도록 한다.

실제 시스템 동작은 매우 단순하다. 첫째, 소비자는 스마트폰에서 전력회사가 제공하는 앱을 사용하여 에너지 크레디트를 선불 결제한다(그림 5의 1단계, 2단계).

그림 5. ‌에너지 구매 프레임워크를 보여주는 첨단 선불 계량 인프라 [1단계에서 소비자가 커스텀 앱으로 크레디트를 구매하면, 금융 데이터가 전력회사의 백오피스 서버로 전송된다. 2단계에서는 선불 크레디트(최대 계량기 값을 포함한 데이터 패킷)이 스마트폰으로 전송된다. 3단계에서는 이러한 크레디트를 소비자의 HDU에 전송한다.

둘째, 소비자는 스마트폰의 NFC 안테나를 HDU의 팔각형 안테나에 맞춰 정렬한다. 핸드셰이킹 트랜잭션이 휴대폰과 HDU 사이에서 발생하며, 구매된 크레디트가 스마트폰에서 HDU로 안전하게 전송된다(3단계). 

셋째, 소비자의 계정이 선불 크레디트의 금액으로 갱신되며, 전체 이용 가능한 크레디트가 HDU 디스플레이 화면에 즉시 갱신된다. 그리고 4단계에서는 이미 해지된 가정에서 에너지 크레디트를 추가하는 고객을 위해 원격 연결 및 해지 스위치가 활성화된다. 5단계는 스마트 계량기에서 HDU로 링크를 통해 갱신되며, 6단계에서는 계량기 데이터가 전력회사의 서버에 동기화된다. 

현재 데모 플랫폼 구현의 경우, 앞서 구매한 크레디트가 HDU 장치에 전송되지 않는 한, 같은 스마트폰에서는 새로운 에너지 크레디트를 구매할 수 없다.

표준 무선 네트워크를 통한 동작

이 에너지 선불 시스템은 우리 주변에서 흔하게 볼 수 있는 무선 네트워크를 이용하므로 전체 AMI 설치가 필요 없어 빠르게 구현할 수 있다(그림 6).

그림 6. 선불 시스템 프레임워크는 표준 무선 PLC를 사용해 HDU와 전력회사 간 통신을 실행한다

고객은 먼저 간단한 프로파일을 입력하여 전력회사의 선불 시스템에 등록한다. 그 후 간단한 프로파일에 입력된 인증서가 계정 구성과 지불 시스템 프레임워크 활성화에 이용된다. 전력회사는 HDU에 비밀키를 저장한 다음(즉, 슬레이브 비밀키) HDU를 고객에게 보낸다. 고객이 요청할 경우, 전력회사는 고객의 집에 기사를 파견해 하드웨어를 설치할 수 있다.

그림 6은 계량기 계측량이 공공 무선 데이터나 셀룰러 네트워크를 통해 어떻게 징수 지점 또는 클라우드에 다시 전달되는지 나타낸 것이다. 경보, 사용 데이터, 해지/재연결, 계량기 조작 검사 명령이 모두 스마트 계랑기와 HDU 사이에 전달된다. 

소비자는 HDU와 마찬가지로 휴대전화 앱을 통해 실시간으로 선불 잔액, 사용 내역 및 기타 계정 정보에 액세스할 수 있다. 전력회사의 백오피스에서 HDU로 전송되는 정보에는 잔액 부족, 해지, 기타 계정 정보를 고객에게 통지하는 경보가 포함한다.

따라서 전력회사는 이러한 방법을 통해 어디서나 이용할 수 있는 무선 네트워크로 선불 서비스 프로그램 구현을 확장할 수 있게 된다. 또한 이와 같은 구성은 완전한 AMI 설치로 이어질 수 있다.

Hamed Sanogo _ 맥심