智能儀表是通過(guò)某種通信網(wǎng)絡(luò)記錄和報(bào)告公用事業(yè)服務(wù)的使用消耗的電子設(shè)備，例如電、氣、水以及供暖/制冷等。在本白皮書(shū)中，我們將探討智能計(jì)量的基礎(chǔ)知識(shí)以及伴隨的一些好處和挑戰(zhàn)。

簡(jiǎn)介

智能儀表可以免除公用事業(yè)單位手動(dòng)抄表或提供估算賬單的需要，因此可顯著降低成本并提高客戶滿意度，同時(shí)可提供下文中即將提到的其他好處。與自動(dòng)抄表相關(guān)的第一批專(zhuān)利是在20世紀(jì)70年代提交的，但直到世紀(jì)之交之后，才真正在各種智能儀表上開(kāi)始部署。在過(guò)去十年左右的時(shí)間里，包括瑞典在內(nèi)的幾個(gè)國(guó)家基本上已將所有電力客戶轉(zhuǎn)移到智能儀表上了。

自動(dòng)抄表（AMR）和高級(jí)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）

第一批部署的智能儀表僅采用單向傳輸通信，今天仍然有很多。這種自動(dòng)抄表（AMR）最初是通過(guò)步行或車(chē)載移動(dòng)抄表器完成的。但隨后，許多公用事業(yè)單位實(shí)現(xiàn)了帶有街區(qū)收集器或聚合器的全自動(dòng)無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)，這有助于將許多儀表連接到某種廣域網(wǎng)（WAN），例如蜂窩網(wǎng)絡(luò)，因此可以將每月、每周或每小時(shí)的儀表使用消耗數(shù)據(jù)回報(bào)到公用事業(yè)單位的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。

高級(jí)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）是雙向通信網(wǎng)絡(luò)的代名詞，它不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，還可以控制儀表和其他設(shè)備。AMI使得公用事業(yè)單位能夠執(zhí)行諸如連接或斷開(kāi)客戶、監(jiān)控和預(yù)測(cè)電力變化等操作，從而控制配電和發(fā)電設(shè)備響應(yīng)需求，實(shí)現(xiàn)所謂的“智能電網(wǎng)”。AMI還可用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線（OTA）軟件更新，例如，實(shí)施新的通信協(xié)議或彌補(bǔ)新發(fā)現(xiàn)的安全漏洞。

智能計(jì)量設(shè)備

智能儀表可用于測(cè)量所有不同類(lèi)型公用事業(yè)的消耗量：電、燃?xì)狻⑺约肮┡?制冷等。最初，用于公用事業(yè)的儀表使用機(jī)械式計(jì)量（測(cè)量），但今天幾乎所有新的智能儀表設(shè)計(jì)都是非機(jī)械式、全電子的設(shè)計(jì)，這些儀表通常被稱(chēng)為靜態(tài)儀表。從機(jī)械儀表到電子（靜態(tài)）儀表的轉(zhuǎn)變與向智能儀表的轉(zhuǎn)變同步進(jìn)行。事實(shí)上，中國(guó)的一些儀表供應(yīng)商使用“智能儀表”一詞來(lái)指代任何類(lèi)型的電子儀表，甚至是那些不具備通信能力的儀表。

幾乎所有新的智能儀表設(shè)計(jì)都是非機(jī)械式、全電子的設(shè)計(jì)，這些儀表通常被稱(chēng)為靜態(tài)儀表。

電表

電表測(cè)量流入建筑物或房屋的交流電流。住宅電表通常是單相的，但商業(yè)安裝以及一些北歐國(guó)家（如德國(guó)和丹麥）的許多家庭，可能需要專(zhuān)門(mén)的三相供電電表。傳統(tǒng)的機(jī)電式電表具有機(jī)械刻度盤(pán)，用于計(jì)算金屬盤(pán)的轉(zhuǎn)數(shù)，該金屬盤(pán)通過(guò)電磁感應(yīng)以與流過(guò)電表的電能成正比的速度旋轉(zhuǎn)。

然而，智能電表是完全電子化的，使用電流互感器（CT）、分流電阻器，有時(shí)也使用羅戈夫斯基線圈或霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)測(cè)量流過(guò)電表的電流。除了電流，電表還需要持續(xù)測(cè)量線電壓，以計(jì)算消耗的電量。最初，CT在智能電表中非常常見(jiàn)，而現(xiàn)在有各種基于微控制器的專(zhuān)用設(shè)備實(shí)現(xiàn)，并且特別針對(duì)此類(lèi)電表進(jìn)行了優(yōu)化。

CT在大電流下容易飽和，也容易受到強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，因此基于CT的電表由于CT精度問(wèn)題不再受到新設(shè)計(jì)的青睞。

燃?xì)獗怼⑺砗蜔崃勘?/span>

燃?xì)獗怼⑺砗蜔崃浚ɑ蚶淞浚┍矶际莻鹘y(tǒng)的機(jī)械流量計(jì)，但與電表不同的是，這些儀表有許多“智能”實(shí)現(xiàn)，它們繼續(xù)使用相同的機(jī)械計(jì)量原理。這些儀表可以使用各種旋轉(zhuǎn)葉輪或活塞來(lái)測(cè)量流量。燃?xì)獗硪部梢允褂酶裟ず筒y管來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些隔膜和波紋管在充滿氣體時(shí)膨脹，在排出氣體時(shí)收縮，使用曲柄產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械刻度盤(pán)。

在一些地區(qū)，許多智能燃?xì)獗矶际峭ㄟ^(guò)在機(jī)械隔膜表上簡(jiǎn)單地增加一個(gè)電子模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該燃?xì)獗砟K可以讀取機(jī)械刻度盤(pán)，然后通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將讀數(shù)傳輸?shù)饺細(xì)夤檬聵I(yè)單位。這種智能儀表改造是可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)已部署的表進(jìn)行的，也可以在工廠中對(duì)全新的表進(jìn)行改造。這些改裝模塊通常使用某種光學(xué)編碼器（例如格雷碼）來(lái)讀取機(jī)械刻度盤(pán)。

同樣，許多智能水表可使用機(jī)械計(jì)量原理，使用光學(xué)、磁性或電感式電子傳感器來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)，從而測(cè)量流量。然而，為了提高準(zhǔn)確性和可靠性，大多數(shù)新流量計(jì)設(shè)計(jì)都是“靜態(tài)”或完全電子化。許多靜態(tài)流量計(jì)使用超聲波原理，測(cè)量超聲波脈沖在上行和下行傳播所需的時(shí)間差，以推斷氣體、水或其他液體的流速。此外，還有一些使用電磁流量傳感的水表的有效實(shí)現(xiàn)，其在管道上施加電磁場(chǎng)，感應(yīng)出與導(dǎo)電液體（例如水）流速成正比的電壓。

大多數(shù)讀者可能熟悉電表、氣表和水表，但熱量（或冷量）表不太常見(jiàn)。熱量表使用在有集中供暖系統(tǒng)的區(qū)域，集中在熱電廠產(chǎn)生熱水，然后通過(guò)管道輸送，為家庭供暖。熱量表測(cè)量流入家中的熱水量，以及進(jìn)出建筑物時(shí)的水溫。它們通常類(lèi)似于水表，但增加了溫度傳感器，通常采用相同類(lèi)型的計(jì)量方法（機(jī)械或超聲波），但水流量的動(dòng)態(tài)范圍可能比水表要小很多。

熱量成本分配器

熱量成本分配器（HCA）是另一種許多讀者可能不熟悉的設(shè)備。這些設(shè)備用于多租戶住宅和商業(yè)建筑，以測(cè)量每個(gè)散熱器的熱量輸出，從而實(shí)現(xiàn)共享供暖系統(tǒng)的公平成本分配。通過(guò)這種方式，個(gè)人租戶支付的賬單與他們對(duì)供暖系統(tǒng)的使用量成正比，而不是不公平的統(tǒng)一費(fèi)率。

在包括德國(guó)在內(nèi)的許多歐洲國(guó)家，熱量成本分配器的使用是強(qiáng)制性的。HCA具有鼓勵(lì)節(jié)能的額外好處。如果租戶為他們的暖氣支付統(tǒng)一費(fèi)率，他們沒(méi)有動(dòng)力調(diào)低暖氣（或者如果他們不在時(shí)關(guān)掉暖氣），他們可能簡(jiǎn)單地打開(kāi)一扇窗戶來(lái)降溫。

最初，非電子HCA使用蒸發(fā)量的原理來(lái)測(cè)量散熱器的使用情況，但今天的電子HCA有兩個(gè)溫度傳感器，一個(gè)記錄散熱器的溫度，另一個(gè)記錄房間的環(huán)境溫度。這兩項(xiàng)測(cè)量使HCA能夠計(jì)算散熱器使用的熱量。

通信設(shè)備

為了滿足“智能”的最低定義，所有這些儀表都需要一種將使用消耗量反饋給公用事業(yè)提供商（或在熱成本分配器的情況下反饋給房東）的方法。這通常是通過(guò)無(wú)線射頻（RF）通信實(shí)現(xiàn)的，盡管一些電表部署使用電力線通信（PLC）通過(guò)電線發(fā)送數(shù)據(jù)，但由于干擾和其他網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，這種方法似乎不再受歡迎。還有一些短距離、有線通信協(xié)議（例如M-Bus），這種協(xié)議常在許多儀表（通常是水表或熱量表）位于同一地點(diǎn)（例如高層公寓樓的地下室）時(shí)使用。

街區(qū)或多租戶建筑物中的無(wú)線儀表通常與某種本地收集器、聚合器或邊界路由器通信，這些路由器還具有廣域網(wǎng)（WAN）連接以完成與公用事業(yè)后臺(tái)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的通信連接。這種WAN連接通常是無(wú)線的，通常是蜂窩網(wǎng)絡(luò)（例如3G/4G/LTE等），還有Silicon Labs公司的長(zhǎng)距離、低功耗Wi-SUN無(wú)線通信等LPWAN解決方案，但也可以是某種有線或光纖連接。

通常，每個(gè)收集器都會(huì)提供數(shù)十甚至數(shù)百米的場(chǎng)域網(wǎng)（FAN）接入。對(duì)于一些公用事業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，找到一個(gè)合適的位置并為收集器供電可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，但這對(duì)電力供應(yīng)商來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，因?yàn)樗麄冊(cè)诮謪^(qū)內(nèi)就擁有便利的變電站和配電變壓器。另外，采用無(wú)線連接的方式收集數(shù)據(jù)還會(huì)遇到信號(hào)遮擋的挑戰(zhàn)，同時(shí)全球各地可供選用的頻點(diǎn)不用，因此波長(zhǎng)更長(zhǎng)的Sub-GHz連接的有效性更高，比如中國(guó)市場(chǎng)中的470-510MHz頻段，這也是業(yè)內(nèi)諸如Silicon Labs等領(lǐng)先企業(yè)的高射頻性能Sub-GHz物聯(lián)網(wǎng)芯片長(zhǎng)盛不衰的原因。

家用顯示器

家用顯示器（IHD）是我們應(yīng)該提及的最后一種智能計(jì)量設(shè)備。這些設(shè)備與家中的智能儀表有直接無(wú)線連接，通常使用Zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。IHD顯示累積和瞬時(shí)的公用事業(yè)使用費(fèi)率（例如本月迄今為止的燃?xì)馐褂昧繛?5美元，當(dāng)前用電量為每小時(shí)0.63美元等）。

家用顯示器在英國(guó)的家庭中很常見(jiàn)，它們是智能能源部署中智能儀表的一部分，其中所有電表和氣表都能夠連接到基于Zigbee的家庭局域網(wǎng)（HAN）。它們也可以從北美的一些公用事業(yè)公司獲得，該區(qū)域部署的許多電表也內(nèi)置了Zigbee HAN功能。

通信技術(shù)

場(chǎng)域網(wǎng)（FAN）

正如我們之前提到的，智能儀表部署中使用了許多不同類(lèi)型的通信技術(shù)。典型安裝中通常使用具有星型或網(wǎng)狀拓?fù)涞膕ub-GHz場(chǎng)域網(wǎng)（FAN）——用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）免授權(quán)的頻率上運(yùn)行的專(zhuān)有協(xié)議。許多專(zhuān)有協(xié)議可能基于IEEE 802.15.4g物理層標(biāo)準(zhǔn)，許多AMI設(shè)備供應(yīng)商正在調(diào)整他們的產(chǎn)品以兼容無(wú)線智能泛在網(wǎng)絡(luò)（Wi-SUN）聯(lián)盟采用的標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)線儀表總線（wM-Bus，EN 13737）是另一種ISM頻段FAN技術(shù)，它在許多歐洲國(guó)家非常常見(jiàn)用于公用事業(yè)儀表和熱量成本分配器。WIZE聯(lián)盟（由法國(guó)GRDF和SUEZ支持）建立在wM-Bus的基礎(chǔ)上，以開(kāi)發(fā)和推廣用于水表和燃?xì)獗淼?69MHz ISM頻段LPWAN技術(shù)。

智能儀表部署中使用了許多不同類(lèi)型的通信技術(shù)。

一些AMI供應(yīng)商（例如Sensus，現(xiàn)在是Xylem的一部分，和丹麥的Kamstrup）甚至在某些國(guó)家擁有頻譜許可證，允許他們以比ISM頻段允許的更高功率進(jìn)行傳輸，這使得他們能夠?yàn)槠涔檬聵I(yè)客戶提供更遠(yuǎn)距離的授權(quán)頻段網(wǎng)絡(luò)。

低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）

出于對(duì)場(chǎng)域儀表網(wǎng)絡(luò)連接到廣域網(wǎng)所需的街區(qū)聚合器的定位和供電的考慮，某些儀表供應(yīng)商支持的一些公用事業(yè)公司正在使用直接內(nèi)置WAN功能的儀表設(shè)備。這可能包括使用2G、3G或4G蜂窩技術(shù)的機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）連接。直到最近，大多數(shù)M2M蜂窩解決方案通常還都過(guò)于昂貴且過(guò)于耗電而無(wú)法廣泛使用，并且通常僅在絕對(duì)必要的情況下才會(huì)使用。

然而，隨著3GPP第13版（NB-IoT，又名LTE Cat NB1）中新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始在正確的方向降低功率和成本，使得授權(quán)頻段蜂窩WAN解決方案也越來(lái)越適合智能計(jì)量應(yīng)用。除了窄帶物聯(lián)網(wǎng)之外，還有許多競(jìng)爭(zhēng)性的免授權(quán)頻段（ISM）低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)正在爭(zhēng)奪公用事業(yè)企業(yè)、儀表供應(yīng)商和其他智慧城市和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)注，包括Wi-SUN、LoRaWAN、Sigfox、Weightless和Telensa。

目前，公用事業(yè)行業(yè)中關(guān)于LPWAN與FAN連接的辯論很多。然而，對(duì)于大多數(shù)電力公司，無(wú)論是市政還是投資者所有，大多數(shù)智能計(jì)量部署迄今為止似乎都朝著FAN方向發(fā)展。但是在諸如供水等其他垂直市場(chǎng)中，采用NB-IoT或者長(zhǎng)距離、低功耗的Wi-SUN等LPWAN技術(shù)的案例也越來(lái)越常見(jiàn)，Silicon Labs的Wi-SUN芯片也已被客戶裝入各種智能計(jì)量?jī)x表中，并應(yīng)用于全球多個(gè)市場(chǎng)。

智能計(jì)量通信的問(wèn)題在于——它不是，也可能永遠(yuǎn)不會(huì)是一刀切的方案。即使電力公司已投資建立自己的AMI場(chǎng)域網(wǎng)，它也幾乎肯定需要使用替代通信技術(shù)（例如蜂窩）連接到一些偏遠(yuǎn)客戶。這是許多儀表設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的原因之一，通信部分與儀表的計(jì)量部分分開(kāi)。通常，每個(gè)部分都在自己的電路板上，通信部分通常具有模塊化外形，以便公用事業(yè)技術(shù)人員能夠輕松進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝和更換。而認(rèn)證則是大多數(shù)儀表設(shè)計(jì)中將計(jì)量和通信分開(kāi)的另一個(gè)原因。

計(jì)量有非常嚴(yán)格的認(rèn)證要求（以確保準(zhǔn)確性），雖然大多數(shù)無(wú)線通信系統(tǒng)的認(rèn)證要求也存在，但它們是由完全不同的組織認(rèn)證的。此外，雖然智能儀表的計(jì)量部分不太可能永遠(yuǎn)需要進(jìn)行軟件更新，但不斷變化的通信要求，或者更不幸地發(fā)現(xiàn)新的安全漏洞，很可能需要確保將軟件更新部署到通信子系統(tǒng)。當(dāng)然，手動(dòng)去部署此類(lèi)軟件的更新會(huì)非常昂貴，因此現(xiàn)在都希望在智能儀表中包含部署OTA更新的能力。至少，OTA需要支持將程序內(nèi)存（通常是閃存）的容量增加一倍，并具備適當(dāng)?shù)陌踩δ埽苑乐乖谠O(shè)備上安裝未經(jīng)授權(quán)的軟件更新。

因此，雖然當(dāng)今大多數(shù)儀表都有兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，一個(gè)用于計(jì)量，一個(gè)用于通信，每個(gè)子系統(tǒng)都有自己的MCU，但如果將這兩個(gè)子系統(tǒng)組合成一個(gè)，似乎在成本和功率方面都有好處。將它們合并在一起可以利用一種較新的無(wú)線SoC器件，該器件集成了完整的無(wú)線收發(fā)器，通常是雙頻段sub-GHz和2.4GHz，并具有強(qiáng)大的MCU和外圍設(shè)備。

不幸的是，迄今為止，目前幾乎沒(méi)有這樣的單芯片電表設(shè)計(jì)實(shí)例。這主要是由于前文提及的無(wú)線電通信的模塊化需求。我們預(yù)計(jì)第一個(gè)使用單無(wú)線SoC的儀表將是熱量成本分配器，因?yàn)樗鼈儙缀蹩偸鞘褂脀M-Bus通信，并且有簡(jiǎn)單的計(jì)量需求，但簡(jiǎn)單的燃?xì)獗砗退硪灿锌赡苁褂妙?lèi)似的單無(wú)線SoC設(shè)計(jì)。

家庭局域網(wǎng)（HAN）（Zigbee等）

在許多智能計(jì)量部署中，重要的第三類(lèi)通信網(wǎng)絡(luò)是家庭局域網(wǎng)或HAN。Zigbee聯(lián)盟與電力研究所（EPRI）和其他機(jī)構(gòu)合作，開(kāi)發(fā)了其2.4 GHz ISM頻段IEEE 802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的智能能源配置文件。智能儀表現(xiàn)在正在北美和英國(guó)部署，其中包括符合智能能源標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee無(wú)線電。

在英國(guó)，Zigbee無(wú)線電在智能計(jì)量設(shè)備技術(shù)規(guī)范（SMETS）中被指定為英國(guó)智能能源計(jì)劃中使用的所有家用設(shè)備必要的HAN，該計(jì)劃的既定目標(biāo)是在2020年底將5000萬(wàn)個(gè)智能電表和燃?xì)獗聿渴鸬?300萬(wàn)個(gè)英國(guó)家庭。在英國(guó)的部署中每個(gè)智能電表和燃?xì)獗碇卸加幸粋€(gè)Zigbee無(wú)線電，也包括家庭顯示器，以及將每個(gè)家庭的HAN連接到WAN的通信中心。

SMETS的目標(biāo)（第一代SMETS1設(shè)備尚未實(shí)現(xiàn)）是英國(guó)四十多家能源電力和天然氣零售商中的每一家都將使用可互操作的設(shè)備，使客戶無(wú)需更換計(jì)量表即可輕松切換能源供應(yīng)商設(shè)備。除了能夠輕松切換供應(yīng)商之外，SMETS2還增加了對(duì)868MHz Zigbee無(wú)線電的支持，以解決某些位置2.4GHz無(wú)線電傳播可能遇到困難的問(wèn)題。

雖然英國(guó)的智能儀表僅使用Zigbee HAN通信，但北美智能電表部署通常包括Zigbee無(wú)線電和更典型的sub-GHz FAN無(wú)線電。奇怪的是，據(jù)傳聞的報(bào)道表明，盡管經(jīng)常部署支持Zigbee 的電表，但如今幾乎沒(méi)有北美公用事業(yè)供應(yīng)商啟用這種HAN功能。

Zigbee并不是唯一使用的HAN技術(shù)，在日本，電力公司采用了一種名為ECHONET的Wi-SUN HAN技術(shù)，東京電力公司（TEPCO）將其稱(chēng)為Route B。

Wi-Fi、藍(lán)牙和Z-Wave？

雖然智能儀表使用各種不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但值得注意的是三個(gè)眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)（幾乎）完全沒(méi)有在AMI網(wǎng)絡(luò)中使用：Wi-Fi、藍(lán)牙和Z-Wave。Wi-Fi沒(méi)有使用可能是因?yàn)閷?duì)于目前電池供電的電表來(lái)說(shuō)功耗太高，也許更重要的是公用事業(yè)企業(yè)不想依賴客戶的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)可能通過(guò)新的低功耗Wi-Fi實(shí)現(xiàn)來(lái)解決供電問(wèn)題，這表明有朝一日可能會(huì)在智能儀表中看到一些Wi-Fi的使用。

可以想象藍(lán)牙向客戶的智能手機(jī)提供消耗信息的應(yīng)用場(chǎng)景，但即使使用新的低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy）產(chǎn)品，功耗和成本也可能令人望而卻步。此外，對(duì)于這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙并不是真正必要的，因?yàn)榭蛻艨梢酝ㄟ^(guò)服務(wù)提供商提供的門(mén)戶網(wǎng)站，甚至智能手機(jī)應(yīng)用程序，在他們的設(shè)備上獲得相同的信息。

一個(gè)更有趣的應(yīng)用場(chǎng)景可能是使用低功耗藍(lán)牙使公用事業(yè)技術(shù)人員能夠?qū)﹄姳磉M(jìn)行配置和維護(hù)。目前，一些儀表使用紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA）通信或近場(chǎng)通信（NFC）提供此功能。低功耗藍(lán)牙可用于為儀表提供更好的維護(hù)接口，并且可以在標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)上實(shí)現(xiàn)，不需要專(zhuān)門(mén)的IrDA設(shè)備。

此外，將低功耗藍(lán)牙功能添加到具有Zigbee 2.4GHz無(wú)線電儀表中可能會(huì)相對(duì)便宜些，特別是如果Zigbee是使用最新一代支持多協(xié)議的無(wú)線SoC之一實(shí)現(xiàn)的，例如Silicon Labs Mighty Gecko系列。

Z-Wave是另外一種廣受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，但目前還沒(méi)有廣泛進(jìn)入智能計(jì)量領(lǐng)域，其常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景包括智能家居、酒店、多用戶單元樓（MDU）和智能照明等，全球已經(jīng)有上億臺(tái)智能設(shè)備采用了該通信協(xié)議。其特點(diǎn)包括由協(xié)議固有的S2高安全性、長(zhǎng)傳輸距離和低功耗功能，可以實(shí)現(xiàn)電池壽命長(zhǎng)達(dá)10年等。如市場(chǎng)上全新的Z-Wave 800 SoC使用了Silicon Labs屢獲殊榮的Wireless Gecko第二代無(wú)線SoC平臺(tái)，為開(kāi)發(fā)人員提供了可用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的Z-Wave Mesh模式，以及更遠(yuǎn)通訊距離的Z-Wave Long Range模式，覆蓋距離可長(zhǎng)達(dá)2.4公里。

多協(xié)議無(wú)線通信的影響

多協(xié)議無(wú)線連接的一個(gè)有趣用例是由公用事業(yè)的技術(shù)人員啟用基于移動(dòng)設(shè)備的儀表配置和管理。在這種情況下，儀表將同時(shí)支持公用事業(yè)單位所需的FAN或LPWAN協(xié)議和低功耗藍(lán)牙。通過(guò)啟用同步藍(lán)牙通信，儀表功能得到增強(qiáng)，技術(shù)人員現(xiàn)在可以使用移動(dòng)應(yīng)用程序直接設(shè)置儀表、收集計(jì)量信息并在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行維護(hù)。這些新功能簡(jiǎn)化了日常任務(wù)，并有可能為公用事業(yè)企業(yè)節(jié)省成本。如果儀表使用了多協(xié)議芯片或SoC（例如Wireless Gecko），那么為儀表添加低功耗藍(lán)牙連接的成本是相對(duì)較低的。

智能儀表市場(chǎng)規(guī)模

電表是目前使用最廣泛的智能儀表類(lèi)型，一些國(guó)家，如西班牙、意大利，甚至中國(guó)，已經(jīng)接近飽和點(diǎn)，幾乎每個(gè)家庭都安裝了智能電表。據(jù)估計(jì)，全球每年大約安裝1億個(gè)新的智能電表，但由于某些市場(chǎng)的飽和，這個(gè)數(shù)字可能會(huì)緩慢下降。然而，隨著電力公司更新其先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)以增加更多的智能電網(wǎng)功能，新的電表部署可能會(huì)以類(lèi)似的速度繼續(xù)進(jìn)行。

據(jù)估計(jì)，全球每年大約安裝1億個(gè)新的智能電表。

智能電網(wǎng)將實(shí)施諸如需求響應(yīng)等措施，使電力供應(yīng)幾乎可以瞬間響應(yīng)需求變化，甚至可以預(yù)測(cè)此類(lèi)變化，前提是如果家用恒溫器等設(shè)備在實(shí)際工作之前可以通知公用事業(yè)單位打開(kāi)或關(guān)閉供暖或供冷設(shè)備。與簡(jiǎn)單的消耗報(bào)告相比，這種先進(jìn)的智能電網(wǎng)功能需要更高的數(shù)據(jù)速率和更低的通信延遲。出于這個(gè)原因，最新一代的電表往往比其他類(lèi)型的電表具有更強(qiáng)大的通信能力。

即使智能電表的部署率可能會(huì)下降，但智能燃?xì)獗砗退淼陌惭b率肯定會(huì)增加。許多燃?xì)夂妥詠?lái)水公司尚未完成向其客戶推出智能儀表的工作，這為智能儀表供應(yīng)商發(fā)展業(yè)務(wù)創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。雖然2017年這兩種儀表的年出貨量可能低于1500萬(wàn)，但未來(lái)五年的年出貨量可能會(huì)翻倍。

全球熱量成本分配器的出貨量可能在2000萬(wàn)個(gè)單元范圍內(nèi)（+/-50%），并且在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，這個(gè)市場(chǎng)似乎將持平，因?yàn)槭袌?chǎng)可能已經(jīng)接近飽和，并且大多數(shù)新出貨量用于更換裝置，這通常每8-12年需要替換一次，主要是由于需要更換電池而引起的。

儀表電子設(shè)備的供電和設(shè)計(jì)

高數(shù)據(jù)速率、低延遲的通信可能很昂貴，需要無(wú)線電來(lái)實(shí)現(xiàn)高級(jí)調(diào)制方案，例如正交頻分復(fù)用（OFDM），這不僅需要昂貴的設(shè)備，而且比低數(shù)據(jù)速率的實(shí)施需要更多的功率。幸運(yùn)的是，功耗通常不是問(wèn)題，因?yàn)殡姳碛凶约旱碾娫矗ㄒ部赡苡蓚溆秒姵匮a(bǔ)充，使電表能夠提供停電通知和監(jiān)控）。

但是，其他智能儀表沒(méi)有這種內(nèi)置電源，燃?xì)獗怼⑺砗蜔崃勘硪约盁崃砍杀痉峙淦鲙缀醵际怯呻姵毓╇姟?duì)于這些電池供電的儀表，必須最大限度地減少電子設(shè)備的功耗，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。幸運(yùn)的是，特殊的電池化學(xué)物質(zhì)，例如鋰亞硫酰氯（“LTC”，LiSOCl2），只要電子設(shè)備在此之前不會(huì)耗盡電池電量，就可以使用長(zhǎng)達(dá)20年。

公用事業(yè)公司通常不希望他們的客戶更換儀表中的電池，并且派遣技術(shù)人員更換儀表電池（或更可能是整個(gè)儀表）的成本很高，因此這些儀表的電池壽命必須在10-20年。然而，中國(guó)的一些燃?xì)夤驹谄涫覂?nèi)儀表中使用標(biāo)準(zhǔn)的消費(fèi)型AA尺寸電池，并要求客戶大約每12-18個(gè)月更換一次電池，以確保其燃?xì)夤?yīng)的連續(xù)性（即無(wú)電池，無(wú)燃?xì)猓?br/>

由于需要最大限度地延長(zhǎng)電池壽命，智能儀表電子設(shè)計(jì)人員在選擇用于其設(shè)計(jì)的元器件時(shí)非常重視功耗，并且通常愿意在功耗較低的設(shè)備上花費(fèi)更多的錢(qián)，因?yàn)樘娲桨甘腔ǜ嗟腻X(qián)購(gòu)買(mǎi)更大的電池。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員還意識(shí)到功耗不僅僅是查看數(shù)據(jù)表規(guī)范，例如無(wú)線電接收功率或CPU睡眠電流。如果數(shù)據(jù)速率較低，或者容易受到干擾，可能需要多次傳輸重試，則低功率無(wú)線電可能不會(huì)降低功耗。

類(lèi)似地，與具有直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)方案的MCU（在CPU保持休眠狀態(tài)下支持外設(shè)捕獲和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）相比，如果具有低睡眠電流的MCU在每次需要記錄傳感器輸入時(shí)都必須完全喚醒，則實(shí)際上可能會(huì)消耗更多的電量。在延長(zhǎng)電池壽命方面，投資在更先進(jìn)的電源管理電路會(huì)帶來(lái)巨大收益，尤其是在優(yōu)化智能儀表系統(tǒng)各個(gè)部分的電壓方面。

例如，LTC電池的標(biāo)稱(chēng)電壓為3.6V，但無(wú)線電功率放大器（PA）可能不需要超過(guò)3.3V，同時(shí)CPU內(nèi)核可能在1.0V下運(yùn)行最高效，而帶有CPU的MCU上的模擬外設(shè)需要1.8V電源才能在規(guī)格范圍之內(nèi)運(yùn)行。所有這些不同的電壓都可以使用低成本的低壓降（LDO）穩(wěn)壓器提供，但代價(jià)是浪費(fèi)電池容量，尤其是在1.8V和1.0V電源的情況下，它們能夠使用更高效的開(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器來(lái)生成，理想情況下，除了無(wú)源組件之外，所有組件都可以完全集成到MCU上。

智能計(jì)量生態(tài)系統(tǒng)和商業(yè)模式

智能計(jì)量生態(tài)系統(tǒng)和商業(yè)模式可以像智能計(jì)量中使用的產(chǎn)品和技術(shù)一樣多樣化。部署智能儀表的公用事業(yè)單位通常由當(dāng)?shù)厥姓?dāng)局、國(guó)家所有，或者它們可以是投資者擁有的公司的一部分。這些公司可能為他們的客戶提供單一的公用事業(yè)服務(wù)，也可能是提供電、氣、水或熱的任意組合的多服務(wù)提供商。

為了實(shí)現(xiàn)智能計(jì)量，公用事業(yè)企業(yè)不僅需要購(gòu)買(mǎi)儀表，還需要有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以使這些儀表能夠進(jìn)行通信。他們還需要實(shí)施后臺(tái)儀表數(shù)據(jù)管理（MDM）系統(tǒng)和軟件，以向消費(fèi)者提供每月的賬單。公用事業(yè)企業(yè)可能會(huì)購(gòu)買(mǎi)或租賃運(yùn)營(yíng)其業(yè)務(wù)所需的這些類(lèi)型的系統(tǒng)。

許多AMI供應(yīng)商為其客戶提供構(gòu)建和租賃網(wǎng)絡(luò)的選項(xiàng)，MDM供應(yīng)商也是如此。幾家供應(yīng)商為其客戶提供一站式服務(wù)，提供實(shí)施智能計(jì)量所需的一切，其中一些供應(yīng)商正在為其客戶提供計(jì)量即服務(wù)（MaaS）業(yè)務(wù)模型。這使得公用事業(yè)企業(yè)可以通過(guò)提供公用事業(yè)服務(wù)和管理其家庭和企業(yè)客戶群來(lái)專(zhuān)注于他們最擅長(zhǎng)的事情，而儀表和AMI設(shè)備供應(yīng)商則負(fù)責(zé)管理儀表、網(wǎng)絡(luò)和所有儀表數(shù)據(jù)。

除了計(jì)量和通信設(shè)備制造商以及MDM系統(tǒng)提供商之外，還有其他生態(tài)系統(tǒng)參與者需要了解。例如，政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)推動(dòng)對(duì)儀表的要求和規(guī)定。政府還嚴(yán)格監(jiān)管通信、銷(xiāo)售頻譜許可證，并經(jīng)常規(guī)定如何使用免許可的頻段。

電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）和互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）等標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)是定義基本通信要求的關(guān)鍵，Wi-SUN聯(lián)盟等機(jī)構(gòu)通過(guò)定義如何使用IEEE和IETF標(biāo)準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)充這一點(diǎn)以鼓勵(lì)多供應(yīng)商通信互操作性的方式。還有一些組織在應(yīng)用程序級(jí)別定義數(shù)據(jù)互操作性，例如負(fù)責(zé)設(shè)備語(yǔ)言消息規(guī)范（DLMS）和能源計(jì)量配套規(guī)范（COSEM）的DLMS用戶協(xié)會(huì)。

總結(jié)

智能儀表的世界以多樣性為主，目前全球有200多家智能設(shè)備供應(yīng)商。有多種儀表設(shè)備類(lèi)型可供使用，使用種類(lèi)繁多的計(jì)量和通信技術(shù)。在智能計(jì)量領(lǐng)域，沒(méi)有任何技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)或公司會(huì)完全占據(jù)主導(dǎo)地位。

盡管FAN無(wú)線儀表總線在歐洲得到廣泛采用，并且在北美和亞洲的一些重要部署可能會(huì)符合Wi-SUN標(biāo)準(zhǔn)，但一些公用事業(yè)企業(yè)希望完全避免使用FAN，并將LPWAN功能直接放入他們的儀表中。計(jì)量設(shè)備供應(yīng)商需要能夠?yàn)镕AN、HAN和LPWAN構(gòu)建支持廣泛通信技術(shù)的產(chǎn)品，但他們還需要具備計(jì)量和低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

無(wú)論選擇何種無(wú)線協(xié)議，多協(xié)議連接都是降低設(shè)計(jì)成本、增強(qiáng)產(chǎn)品功能和改善最終用戶體驗(yàn)的可行選擇。成功設(shè)計(jì)實(shí)施的回報(bào)是巨大的，當(dāng)前部署量已超過(guò)1億個(gè)單元。迄今為止，沒(méi)有一家供應(yīng)商在全球范圍內(nèi)擁有接近10%的市場(chǎng)份額，這為全球許多智能儀表供應(yīng)商公司在未來(lái)提供了巨大的機(jī)會(huì)。