迎接智能仪表的设计挑战
作者 | Silicon Labs2022-03-11

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。

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。

自动抄表(AMR)和高级计量基础设施(AMI)

第一批部署的智能仪表仅采用单向传输通信,今天仍然有很多。这种自动抄表(AMR)最初是通过步行或车载移动抄表器完成的。但随后,许多公用事业单位实现了带有街区收集器或聚合器的全自动无线或有线网络,这有助于将许多仪表连接到某种广域网(WAN),例如蜂窝网络,因此可以将每月、每周或每小时的仪表使用消耗数据回报到公用事业单位的计费系统。

高级计量基础设施(AMI)是双向通信网络的代名词,它不仅可以实现远程抄表,还可以控制仪表和其他设备。AMI使得公用事业单位能够执行诸如连接或断开客户、监控和预测电力变化等操作,从而控制配电和发电设备响应需求,实现所谓的“智能电网”。AMI还可用于实现无线(OTA)软件更新,例如,实施新的通信协议或弥补新发现的安全漏洞。

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。

电表

电表测量流入建筑物或房屋的交流电流。住宅电表通常是单相的,但商业安装以及一些北欧国家(如德国和丹麦)的许多家庭,可能需要专门的三相供电电表。传统的机电式电表具有机械刻度盘,用于计算金属盘的转数,该金属盘通过电磁感应以与流过电表的电能成正比的速度旋转。

然而,智能电表是完全电子化的,使用电流互感器(CT)、分流电阻器,有时也使用罗戈夫斯基线圈或霍尔效应传感器来测量流过电表的电流。除了电流,电表还需要持续测量线电压,以计算消耗的电量。最初,CT在智能电表中非常常见,而现在有各种基于微控制器的专用设备实现,并且特别针对此类电表进行了优化。

CT在大电流下容易饱和,也容易受到强磁场的干扰,因此基于CT的电表由于CT精度问题不再受到新设计的青睐。

燃气表、水表和热量表

燃气表、水表和热量(或冷量)表都是传统的机械流量计,但与电表不同的是,这些仪表有许多“智能”实现,它们继续使用相同的机械计量原理。这些仪表可以使用各种旋转叶轮或活塞来测量流量。燃气表也可以使用隔膜和波纹管来实现,这些隔膜和波纹管在充满气体时膨胀,在排出气体时收缩,使用曲柄产生旋转运动来转动机械刻度盘。

在一些地区,许多智能燃气表都是通过在机械隔膜表上简单地增加一个电子模块来实现的。该燃气表模块可以读取机械刻度盘,然后通过无线通信网络将读数传输到燃气公用事业单位。这种智能仪表改造是可以在现场对已部署的表进行的,也可以在工厂中对全新的表进行改造。这些改装模块通常使用某种光学编码器(例如格雷码)来读取机械刻度盘。

同样,许多智能水表可使用机械计量原理,使用光学、磁性或电感式电子传感器来测量旋转,从而测量流量。然而,为了提高准确性和可靠性,大多数新流量计设计都是“静态”或完全电子化。许多静态流量计使用超声波原理,测量超声波脉冲在上行和下行传播所需的时间差,以推断气体、水或其他液体的流速。此外,还有一些使用电磁流量传感的水表的有效实现,其在管道上施加电磁场,感应出与导电液体(例如水)流速成正比的电压。

大多数读者可能熟悉电表、气表和水表,但热量(或冷量)表不太常见。热量表使用在有集中供暖系统的区域,集中在热电厂产生热水,然后通过管道输送,为家庭供暖。热量表测量流入家中的热水量,以及进出建筑物时的水温。它们通常类似于水表,但增加了温度传感器,通常采用相同类型的计量方法(机械或超声波),但水流量的动态范围可能比水表要小很多。

热量成本分配器

热量成本分配器(HCA)是另一种许多读者可能不熟悉的设备。这些设备用于多租户住宅和商业建筑,以测量每个散热器的热量输出,从而实现共享供暖系统的公平成本分配。通过这种方式,个人租户支付的账单与他们对供暖系统的使用量成正比,而不是不公平的统一费率。

在包括德国在内的许多欧洲国家,热量成本分配器的使用是强制性的。HCA具有鼓励节能的额外好处。如果租户为他们的暖气支付统一费率,他们没有动力调低暖气(或者如果他们不在时关掉暖气),他们可能简单地打开一扇窗户来降温。

最初,非电子HCA使用蒸发量的原理来测量散热器的使用情况,但今天的电子HCA有两个温度传感器,一个记录散热器的温度,另一个记录房间的环境温度。这两项测量使HCA能够计算散热器使用的热量。

通信设备

为了满足“智能”的最低定义,所有这些仪表都需要一种将使用消耗量反馈给公用事业提供商(或在热成本分配器的情况下反馈给房东)的方法。这通常是通过无线射频(RF)通信实现的,尽管一些电表部署使用电力线通信(PLC)通过电线发送数据,但由于干扰和其他网络问题,这种方法似乎不再受欢迎。还有一些短距离、有线通信协议(例如M-Bus),这种协议常在许多仪表(通常是水表或热量表)位于同一地点(例如高层公寓楼的地下室)时使用。

街区或多租户建筑物中的无线仪表通常与某种本地收集器、聚合器或边界路由器通信,这些路由器还具有广域网(WAN)连接以完成与公用事业后台计费系统的通信连接。这种WAN连接通常是无线的,通常是蜂窝网络(例如3G/4G/LTE等),还有Silicon Labs公司的长距离、低功耗Wi-SUN无线通信等LPWAN解决方案,但也可以是某种有线或光纤连接。

通常,每个收集器都会提供数十甚至数百米的场域网(FAN)接入。对于一些公用事业企业来说,找到一个合适的位置并为收集器供电可能是一个挑战,但这对电力供应商来说不是问题,因为他们在街区内就拥有便利的变电站和配电变压器。另外,采用无线连接的方式收集数据还会遇到信号遮挡的挑战,同时全球各地可供选用的频点不用,因此波长更长的Sub-GHz连接的有效性更高,比如中国市场中的470-510MHz频段,这也是业内诸如Silicon Labs等领先企业的高射频性能Sub-GHz物联网芯片长盛不衰的原因。

家用显示器

家用显示器(IHD)是我们应该提及的最后一种智能计量设备。这些设备与家中的智能仪表有直接无线连接,通常使用Zigbee网状网络。IHD显示累积和瞬时的公用事业使用费率(例如本月迄今为止的燃气使用量为35美元,当前用电量为每小时0.63美元等)。

家用显示器在英国的家庭中很常见,它们是智能能源部署中智能仪表的一部分,其中所有电表和气表都能够连接到基于Zigbee的家庭局域网(HAN)。它们也可以从北美的一些公用事业公司获得,该区域部署的许多电表也内置了Zigbee HAN功能。

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)(Zigbee等)

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5000万个智能电表和燃气表部署到2300万个英国家庭。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。

智能仪表市场规模

电表是目前使用最广泛的智能仪表类型,一些国家,如西班牙、意大利,甚至中国,已经接近饱和点,几乎每个家庭都安装了智能电表。据估计,全球每年大约安装1亿个新的智能电表,但由于某些市场的饱和,这个数字可能会缓慢下降。然而,随着电力公司更新其先进计量基础设施网络以增加更多的智能电网功能,新的电表部署可能会以类似的速度继续进行。

据估计,全球每年大约安装1亿个新的智能电表。

智能电网将实施诸如需求响应等措施,使电力供应几乎可以瞬间响应需求变化,甚至可以预测此类变化,前提是如果家用恒温器等设备在实际工作之前可以通知公用事业单位打开或关闭供暖或供冷设备。与简单的消耗报告相比,这种先进的智能电网功能需要更高的数据速率和更低的通信延迟。出于这个原因,最新一代的电表往往比其他类型的电表具有更强大的通信能力。

即使智能电表的部署率可能会下降,但智能燃气表和水表的安装率肯定会增加。许多燃气和自来水公司尚未完成向其客户推出智能仪表的工作,这为智能仪表供应商发展业务创造了机会。虽然2017年这两种仪表的年出货量可能低于1500万,但未来五年的年出货量可能会翻倍。

全球热量成本分配器的出货量可能在2000万个单元范围内(+/-50%),并且在可预见的未来,这个市场似乎将持平,因为市场可能已经接近饱和,并且大多数新出货量用于更换装置,这通常每8-12年需要替换一次,主要是由于需要更换电池而引起的。

仪表电子设备的供电和设计

高数据速率、低延迟的通信可能很昂贵,需要无线电来实现高级调制方案,例如正交频分复用(OFDM),这不仅需要昂贵的设备,而且比低数据速率的实施需要更多的功率。幸运的是,功耗通常不是问题,因为电表有自己的电源(也可能由备用电池补充,使电表能够提供停电通知和监控)。

但是,其他智能仪表没有这种内置电源,燃气表、水表和热量表以及热量成本分配器几乎都是由电池供电。对于这些电池供电的仪表,必须最大限度地减少电子设备的功耗,以最大限度地延长电池寿命。幸运的是,特殊的电池化学物质,例如锂亚硫酰氯(“LTC”,LiSOCl2),只要电子设备在此之前不会耗尽电池电量,就可以使用长达20年。

公用事业公司通常不希望他们的客户更换仪表中的电池,并且派遣技术人员更换仪表电池(或更可能是整个仪表)的成本很高,因此这些仪表的电池寿命必须在10-20年。然而,中国的一些燃气公司在其室内仪表中使用标准的消费型AA尺寸电池,并要求客户大约每12-18个月更换一次电池,以确保其燃气供应的连续性(即无电池,无燃气)。

由于需要最大限度地延长电池寿命,智能仪表电子设计人员在选择用于其设计的元器件时非常重视功耗,并且通常愿意在功耗较低的设备上花费更多的钱,因为替代方案是花更多的钱购买更大的电池。优秀的设计人员还意识到功耗不仅仅是查看数据表规范,例如无线电接收功率或CPU睡眠电流。如果数据速率较低,或者容易受到干扰,可能需要多次传输重试,则低功率无线电可能不会降低功耗。

类似地,与具有直接存储器访问方案的MCU(在CPU保持休眠状态下支持外设捕获和数据存储)相比,如果具有低睡眠电流的MCU在每次需要记录传感器输入时都必须完全唤醒,则实际上可能会消耗更多的电量。在延长电池寿命方面,投资在更先进的电源管理电路会带来巨大收益,尤其是在优化智能仪表系统各个部分的电压方面。

例如,LTC电池的标称电压为3.6V,但无线电功率放大器(PA)可能不需要超过3.3V,同时CPU内核可能在1.0V下运行最高效,而带有CPU的MCU上的模拟外设需要1.8V电源才能在规格范围之内运行。所有这些不同的电压都可以使用低成本的低压降(LDO)稳压器提供,但代价是浪费电池容量,尤其是在1.8V和1.0V电源的情况下,它们能够使用更高效的开关降压稳压器来生成,理想情况下,除了无源组件之外,所有组件都可以完全集成到MCU上。

智能计量生态系统和商业模式

智能计量生态系统和商业模式可以像智能计量中使用的产品和技术一样多样化。部署智能仪表的公用事业单位通常由当地市政当局、国家所有,或者它们可以是投资者拥有的公司的一部分。这些公司可能为他们的客户提供单一的公用事业服务,也可能是提供电、气、水或热的任意组合的多服务提供商。

为了实现智能计量,公用事业企业不仅需要购买仪表,还需要有网络基础设施,以使这些仪表能够进行通信。他们还需要实施后台仪表数据管理(MDM)系统和软件,以向消费者提供每月的账单。公用事业企业可能会购买或租赁运营其业务所需的这些类型的系统。

许多AMI供应商为其客户提供构建和租赁网络的选项,MDM供应商也是如此。几家供应商为其客户提供一站式服务,提供实施智能计量所需的一切,其中一些供应商正在为其客户提供计量即服务(MaaS)业务模型。这使得公用事业企业可以通过提供公用事业服务和管理其家庭和企业客户群来专注于他们最擅长的事情,而仪表和AMI设备供应商则负责管理仪表、网络和所有仪表数据。

除了计量和通信设备制造商以及MDM系统提供商之外,还有其他生态系统参与者需要了解。例如,政府监管机构推动对仪表的要求和规定。政府还严格监管通信、销售频谱许可证,并经常规定如何使用免许可的频段。

电气和电子工程师协会(IEEE)和互联网工程任务组(IETF)等标准机构是定义基本通信要求的关键,Wi-SUN联盟等机构通过定义如何使用IEEE和IETF标准来补充这一点以鼓励多供应商通信互操作性的方式。还有一些组织在应用程序级别定义数据互操作性,例如负责设备语言消息规范(DLMS)和能源计量配套规范(COSEM)的DLMS用户协会。

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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