【设计干货】迎接智能仪表的设计挑战

Silicon Labs SiliconLabs 2022-03-17 17:30
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智能仪表是通过某种通信网络记录和报告公用事业服务的使用消耗的电子设备，例如电、气、水以及供暖/制冷等。在本白皮书中，我们将探讨智能计量的基础知识以及伴随的一些好处和挑战。以下为摘要内容，点击文末的阅读原文按钮以访问Silicon Labs（亦称“芯科科技”）官网获取完整文章。
 
简介
智能仪表可以免除公用事业单位手动抄表或提供估算账单的需要，因此可显著降低成本并提高客户满意度，同时可提供下文中即将提到的其他好处。与自动抄表相关的第一批专利是在20世纪70年代提交的，但直到世纪之交之后，才真正在各种智能仪表上开始部署。在过去十年左右的时间里，包括瑞典在内的几个国家基本上已将所有电力客户转移到智能仪表上了。
 
智能计量设备
智能仪表可用于测量所有不同类型公用事业的消耗量：电、燃气、水以及供暖/制冷等。最初，用于公用事业的仪表使用机械式计量（测量），但今天几乎所有新的智能仪表设计都是非机械式、全电子的设计，这些仪表通常被称为静态仪表。从机械仪表到电子（静态）仪表的转变与向智能仪表的转变同步进行。事实上，中国的一些仪表供应商使用“智能仪表”一词来指代任何类型的电子仪表，甚至是那些不具备通信能力的仪表。
 
几乎所有新的智能仪表设计都是非机械式、全电子的设计，这些仪表通常被称为静态仪表。

通信技术 －场域网（FAN）
正如我们之前提到的，智能仪表部署中使用了许多不同类型的通信技术。典型安装中通常使用具有星型或网状拓扑的sub-GHz场域网（FAN）——用于工业、科学和医疗（ISM）免授权的频率上运行的专有协议。许多专有协议可能基于IEEE 802.15.4g物理层标准，许多AMI设备供应商正在调整他们的产品以兼容无线智能泛在网络（Wi-SUN）联盟采用的标准。
 
无线仪表总线（wM-Bus，EN 13737）是另一种ISM频段FAN技术，它在许多欧洲国家非常常见用于公用事业仪表和热量成本分配器。WIZE联盟（由法国GRDF和SUEZ支持）建立在wM-Bus的基础上，以开发和推广用于水表和燃气表的169MHz ISM频段LPWAN技术。
 
智能仪表部署中使用了许多不同类型的通信技术。
 
一些AMI供应商（例如Sensus，现在是Xylem的一部分，和丹麦的Kamstrup）甚至在某些国家拥有频谱许可证，允许他们以比ISM频段允许的更高功率进行传输，这使得他们能够为其公用事业客户提供更远距离的授权频段网络。
 
低功耗广域网（LPWAN）
出于对场域仪表网络连接到广域网所需的街区聚合器的定位和供电的考虑，某些仪表供应商支持的一些公用事业公司正在使用直接内置WAN功能的仪表设备。这可能包括使用2G、3G或4G蜂窝技术的机器对机器（M2M）连接。直到最近，大多数M2M蜂窝解决方案通常还都过于昂贵且过于耗电而无法广泛使用，并且通常仅在绝对必要的情况下才会使用。
 
然而，随着3GPP第13版（NB-IoT，又名LTE Cat NB1）中新的窄带物联网标准开始在正确的方向降低功率和成本，使得授权频段蜂窝WAN解决方案也越来越适合智能计量应用。除了窄带物联网之外，还有许多竞争性的免授权频段（ISM）低功耗广域网（LPWAN）技术正在争夺公用事业企业、仪表供应商和其他智慧城市和物联网应用的关注，包括Wi-SUN、LoRaWAN、Sigfox、Weightless和Telensa。
 
目前，公用事业行业中关于LPWAN与FAN连接的辩论很多。然而，对于大多数电力公司，无论是市政还是投资者所有，大多数智能计量部署迄今为止似乎都朝着FAN方向发展。但是在诸如供水等其他垂直市场中，采用NB-IoT或者长距离、低功耗的Wi-SUN等LPWAN技术的案例也越来越常见，Silicon Labs的Wi-SUN芯片也已被客户装入各种智能计量仪表中，并应用于全球多个市场。
 
智能计量通信的问题在于——它不是，也可能永远不会是一刀切的方案。即使电力公司已投资建立自己的AMI场域网，它也几乎肯定需要使用替代通信技术（例如蜂窝）连接到一些偏远客户。这是许多仪表设计采用模块化设计的原因之一，通信部分与仪表的计量部分分开。通常，每个部分都在自己的电路板上，通信部分通常具有模块化外形，以便公用事业技术人员能够轻松进行现场安装和更换。而认证则是大多数仪表设计中将计量和通信分开的另一个原因。
 
计量有非常严格的认证要求（以确保准确性），虽然大多数无线通信系统的认证要求也存在，但它们是由完全不同的组织认证的。此外，虽然智能仪表的计量部分不太可能永远需要进行软件更新，但不断变化的通信要求，或者更不幸地发现新的安全漏洞，很可能需要确保将软件更新部署到通信子系统。当然，手动去部署此类软件的更新会非常昂贵，因此现在都希望在智能仪表中包含部署OTA更新的能力。至少，OTA需要支持将程序内存（通常是闪存）的容量增加一倍，并具备适当的安全功能，以防止在设备上安装未经授权的软件更新。
 
因此，虽然当今大多数仪表都有两个独立的子系统，一个用于计量，一个用于通信，每个子系统都有自己的MCU，但如果将这两个子系统组合成一个，似乎在成本和功率方面都有好处。将它们合并在一起可以利用一种较新的无线SoC器件，该器件集成了完整的无线收发器，通常是双频段Sub-GHz和2.4GHz，并具有强大的MCU和外围设备。 

不幸的是，迄今为止，目前几乎没有这样的单芯片电表设计实例。这主要是由于前文提及的无线电通信的模块化需求。我们预计第一个使用单无线SoC的仪表将是热量成本分配器，因为它们几乎总是使用wM-Bus通信，并且有简单的计量需求，但简单的燃气表和水表也有可能使用类似的单无线SoC设计。
 
家庭局域网（HAN）
在许多智能计量部署中，重要的第三类通信网络是家庭局域网或HAN。Zigbee联盟与电力研究所（EPRI）和其他机构合作，开发了其2.4 GHz ISM频段IEEE 802.15.4网状网络规范的智能能源配置文件。智能仪表现在正在北美和英国部署，其中包括符合智能能源标准的Zigbee无线电。
 
在英国，Zigbee无线电在智能计量设备技术规范（SMETS）中被指定为英国智能能源计划中使用的所有家用设备必要的HAN，该计划的既定目标是在2020年底将5,000万个智能电表和燃气表部署到2,300万个英国家庭。在英国的部署中每个智能电表和燃气表中都有一个Zigbee无线电，也包括家庭显示器，以及将每个家庭的HAN连接到WAN的通信中心。
 
SMETS的目标（第一代SMETS1设备尚未实现）是英国四十多家能源电力和天然气零售商中的每一家都将使用可互操作的设备，使客户无需更换计量表即可轻松切换能源供应商设备。除了能够轻松切换供应商之外，SMETS2还增加了对868MHz Zigbee无线电的支持，以解决某些位置2.4GHz无线电传播可能遇到困难的问题。
 
虽然英国的智能仪表仅使用Zigbee HAN通信，但北美智能电表部署通常包括Zigbee无线电和更典型的Sub-GHz FAN无线电。奇怪的是，据传闻的报道表明，尽管经常部署支持Zigbee的电表，但如今几乎没有北美公用事业供应商启用这种HAN功能。
 
Zigbee并不是唯一使用的HAN技术，在日本，电力公司采用了一种名为ECHONET的Wi-SUN HAN技术，东京电力公司（TEPCO）将其称为Route B。

Wi-Fi、蓝牙和Z-Wave？
虽然智能仪表使用各种不同的无线网络技术，但值得注意的是三个众所周知的标准（几乎）完全没有在AMI网络中使用：Wi-Fi、蓝牙和Z-Wave。Wi-Fi没有使用可能是因为对于目前电池供电的电表来说功耗太高，也许更重要的是公用事业企业不想依赖客户的Wi-Fi网络。未来可能通过新的低功耗Wi-Fi实现来解决供电问题，这表明有朝一日可能会在智能仪表中看到一些Wi-Fi的使用。
 
可以想象蓝牙向客户的智能手机提供消耗信息的应用场景，但即使使用新的低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）产品，功耗和成本也可能令人望而却步。此外，对于这个应用场景来说，蓝牙并不是真正必要的，因为客户可以通过服务提供商提供的门户网站，甚至智能手机应用程序，在他们的设备上获得相同的信息。
 
一个更有趣的应用场景可能是使用低功耗蓝牙使公用事业技术人员能够对电表进行配置和维护。目前，一些仪表使用红外数据协会（IrDA）通信或近场通信（NFC）提供此功能。低功耗蓝牙可用于为仪表提供更好的维护接口，并且可以在标准智能手机上实现，不需要专门的IrDA设备。
 
此外，将低功耗蓝牙功能添加到具有Zigbee 2.4GHz无线电仪表中可能会相对便宜些，特别是如果Zigbee是使用最新一代支持多协议的无线SoC之一实现的，例如Silicon Labs Mighty Gecko系列。
 
Z-Wave是另外一种广受欢迎的物联网协议，但目前还没有广泛进入智能计量领域，其常见的应用场景包括智能家居、酒店、多用户单元楼（MDU）和智能照明等，全球已经有上亿台智能设备采用了该通信协议。其特点包括由协议固有的S2高安全性、长传输距离和低功耗功能，可以实现电池寿命长达10年等。如市场上全新的Z-Wave 800 SoC使用了Silicon Labs屡获殊荣的Wireless Gecko第二代无线SoC平台，为开发人员提供了可用于网状网络的Z-Wave Mesh模式，以及更远通讯距离的Z-Wave Long Range模式，覆盖距离可长达2.4公里。
 
多协议无线通信的影响
多协议无线连接的一个有趣用例是由公用事业的技术人员启用基于移动设备的仪表配置和管理。在这种情况下，仪表将同时支持公用事业单位所需的FAN或LPWAN协议和低功耗蓝牙。通过启用同步蓝牙通信，仪表功能得到增强，技术人员现在可以使用移动应用程序直接设置仪表、收集计量信息并在现场执行维护。这些新功能简化了日常任务，并有可能为公用事业企业节省成本。如果仪表使用了多协议芯片或SoC（例如Wireless Gecko），那么为仪表添加低功耗蓝牙连接的成本是相对较低的。

总结
智能仪表的世界以多样性为主，目前全球有200多家智能设备供应商。有多种仪表设备类型可供使用，使用种类繁多的计量和通信技术。在智能计量领域，没有任何技术、标准或公司会完全占据主导地位。
 
尽管FAN无线仪表总线在欧洲得到广泛采用，并且在北美和亚洲的一些重要部署可能会符合Wi-SUN标准，但一些公用事业企业希望完全避免使用FAN，并将LPWAN功能直接放入他们的仪表中。计量设备供应商需要能够为FAN、HAN和LPWAN构建支持广泛通信技术的产品，但他们还需要具备计量和低功耗设计技术方面的专业知识。
 
无论选择何种无线协议，多协议连接都是降低设计成本、增强产品功能和改善最终用户体验的可行选择。成功设计实施的回报是巨大的，当前部署量已超过1亿个单元。迄今为止，没有一家供应商在全球范围内拥有接近10%的市场份额，这为全球许多智能仪表供应商公司在未来提供了巨大的机会。
 
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