NB-IoT技術(shù)在智能表計(jì)的應(yīng)用方案

水表、燃?xì)獗?、熱量表和電表是家家戶戶幾乎在用的?jì)量器具，也是國(guó)家重點(diǎn)管理的計(jì)量器具。這些計(jì)量器具我們可以統(tǒng)稱為表計(jì)，傳統(tǒng)的表計(jì)產(chǎn)品需人工挨家挨戶的抄表，統(tǒng)計(jì)和月結(jié)的周期就拉得特別長(zhǎng)，現(xiàn)在隨著技術(shù)和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，家家戶戶用上了聯(lián)網(wǎng)表計(jì)，支付寶或微信就可以線上繳費(fèi)了，這就是智能物聯(lián)AIoT的落地場(chǎng)景之一。智能水表、智能燃?xì)獗?、智能熱量表、智能電表的出現(xiàn)，完美解決抄表難、收費(fèi)難、監(jiān)管難、繳費(fèi)難等問(wèn)題。

AIoT是下一代ICT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力。在水、氣、電、熱表計(jì)中，智能化產(chǎn)品覆蓋率已經(jīng)超越傳統(tǒng)表計(jì)。據(jù)儀表網(wǎng)數(shù)據(jù)，我國(guó)四大表計(jì)產(chǎn)品智能化水平差異較大，其中，智能電表的滲透率最高，超過(guò)90%；智能燃?xì)獗頋B透率約 50%，仍有一半市場(chǎng)被傳統(tǒng)膜式燃?xì)獗硭紦?jù)；智能水表下游水務(wù)公司客戶分散，當(dāng)前滲透率較低，約30%；智能熱量表市場(chǎng)主要集中于黑龍江、吉林、遼寧等北方15個(gè)供暖地區(qū)，季節(jié)性明顯，滲透率也較低。

NB-IoT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)有目共睹，NB-IoT智能表計(jì)的應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市組件中不可或缺的場(chǎng)景。滲透度較低的智能燃?xì)獗砗椭悄芩?，是?dāng)前NB-IoT技術(shù)應(yīng)用成熟且發(fā)展最迅速的應(yīng)用場(chǎng)景。

既然是計(jì)量器具，與車規(guī)芯片類似，除了需要通過(guò)計(jì)量器具國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，還需通過(guò)專業(yè)認(rèn)證，例如智能電表的R46電能表認(rèn)證；智能燃?xì)獗淼腅N 16314認(rèn)證；智能熱量表的JJF1434-2013熱量表(熱能表)認(rèn)證等。

搜集了一些智能表計(jì)的資料整理分析，我們按元器件的產(chǎn)品分類看：

主控芯片：藍(lán)碧石半導(dǎo)體(LAPIS)、德州儀器(TI)、意法半導(dǎo)體(ST)、微芯/愛(ài)特梅爾(MICROCHIP/ATMEL)、瑞薩(RENESAS)、復(fù)微(FMSH)；

載波芯片或模塊：貝嶺(BELLING)、鼎信通訊(TOPSCOMM)、芯瓏電子(NTW)；

計(jì)量芯片：銳能微(RENERGY)；

分立器件：星海(STARSEA)、永盛(WS)；

阻容感：三和(SAMWHA)、國(guó)之航(GUOZHIHANG)；

繼電器：宏發(fā)(HONGFA)；

變壓器：航天微(ASMMC)；

驅(qū)動(dòng)芯片：羅姆(ROHM)；

模擬開(kāi)關(guān)芯片：德州儀器(TI)、恩智浦(NXP)；

電池：昊誠(chéng)電池(HCB)、億緯鋰能(EVE)、Tekcell、帥福得(SAFT)、Ultralife；

光耦：東芝(TOSHIBA)；

濾波器：魯光(LGE)；

通信芯片/模塊：移遠(yuǎn)(QUECTEL)、萬(wàn)高(VANGO)、NORDIC；

存儲(chǔ)芯片：微芯/愛(ài)特梅爾(MICROCHIP/ATMEL)、華邦(WINBOND)、旺宏(MXIC)；

電源芯片：華昕(HSMC)、杰華特(JOULWATT)；

晶振：凱擎東光(KOAN)；

互感器：貝塔(BELTA)。

圖5、部分智能表計(jì)產(chǎn)品的部分BOM

智能電表是配電網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分。除了監(jiān)測(cè)能耗外，智能電表還能收集有關(guān)供電質(zhì)量的數(shù)據(jù)。例如，它能測(cè)量無(wú)功電能、總諧波失真、諧波成分、電壓浪涌和瞬變是否存在以及頻率的變化，所有這些都是電網(wǎng)狀態(tài)的指標(biāo)。圖6中的框圖顯示了單相系統(tǒng)和三相系統(tǒng)電表的主要組成部分。

圖6、單相和三相智能電表框圖（圖源：ADI）

在智能電表中，基本電力質(zhì)量是從電壓和電流測(cè)量獲得的。這些測(cè)量結(jié)果由一個(gè)特殊的模擬前端(AFE)處理并提供給微控制器，微控制器顯示結(jié)果或?qū)⑵涮峁┙o通信節(jié)點(diǎn)以進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。完整結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)電源管理單元。

電表的一個(gè)關(guān)鍵方面是電流測(cè)量。在電壓測(cè)量中，測(cè)量結(jié)果與標(biāo)稱值可能只有很小的偏差，但電流測(cè)量不同，電流具有非常寬的動(dòng)態(tài)范圍，從幾毫安到數(shù)百安，整個(gè)范圍內(nèi)都必須以盡可能高的精度進(jìn)行測(cè)量。使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器（較少情況下使用變壓器）就可以進(jìn)行電壓測(cè)量，但用于讀取電流的傳感器則有很多種類。一般使用以下四種傳感器：分流器、電流互感器(CT)、霍爾效應(yīng)傳感器和羅氏線圈。這些傳感器各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

搭配傳感器必須有計(jì)量芯片，國(guó)外原廠有亞德諾、恩智浦、SAMES、瑞薩/艾迪悌、Cirrus Logic、微芯等，國(guó)內(nèi)則有銳能微、鉅泉光電、貝嶺、復(fù)微、芯易德、合力為、萬(wàn)高、昊昱等。在單、三相計(jì)量芯片市場(chǎng)，鉅泉光電和上海貝嶺一同占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)份額，其中鉅泉光電在三相計(jì)量芯片領(lǐng)域出貨量常年穩(wěn)居第一，在單相計(jì)量芯片領(lǐng)域排名第二。

基于智能電表的場(chǎng)景要求，主控芯片的超低功耗是必須的。這里有恩智浦/飛思卡爾的S08GW系列、S08LL系列，意法半導(dǎo)體的STM8L、STM32L系列，德州儀器的MSP430AFE2xx及MSP430FE47X2系列，Atmel運(yùn)用picoPower技術(shù)的tinyAVR、megaAVR和AVR XMEGA系列，瑞薩電子RL78低功耗16位MCU產(chǎn)品系列。

圖8、智能電表元器件組成（圖源：TI）

國(guó)內(nèi)有眾多MCU廠商針對(duì)智能表計(jì)芯片布局，例如有將計(jì)量芯片集成在主控內(nèi)的，例如貝嶺的IR46計(jì)量芯片+計(jì)量 MCU一體集成的計(jì)量芯SoC；新唐智能電表解決方案是采用基于Armv8-M TrustZone? 架構(gòu)的NuMicro? M2351/ M2354微控制器；鉅泉光電憑借高算力32位MCU產(chǎn)品直接切入市場(chǎng)，不斷占據(jù)德州儀器、矽力杰和瑞薩電子的市場(chǎng)空間，占有率逐步攀升至第一位；復(fù)微是國(guó)內(nèi)較早起步進(jìn)入智能電表專用MCU芯片設(shè)計(jì)企業(yè)，其MCU芯片累計(jì)出貨超過(guò)5億顆；矽力杰的智能電表MCU來(lái)自買來(lái)的美信Maxim智慧電表及能源監(jiān)控芯片業(yè)務(wù)；小華半導(dǎo)體的超低功耗MCU在智能水表領(lǐng)域已經(jīng)擁有30%左右的市場(chǎng)占有率，優(yōu)勢(shì)在于nA級(jí)超低待機(jī)功耗、μS級(jí)高速喚醒、μA/MHz級(jí)高能效比；中國(guó)移動(dòng)旗下芯異科技自有的MCU主控芯片、NB模組和安全芯片，研發(fā)了高精度、低成本、超低功耗的無(wú)磁水表解決方案；國(guó)家電網(wǎng)旗下子公司北京智芯微也有推出自研MCU產(chǎn)品；物奇的WQ3021電量計(jì)量與通信SoC芯片；國(guó)民技術(shù)針對(duì)表計(jì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的N32L4xx低功耗系列MCU，可廣泛應(yīng)用于智能水表、智能燃?xì)獗淼葘?duì)功耗和安全非常敏感的場(chǎng)景。

圖9、國(guó)民技術(shù)的智能表計(jì)方案

國(guó)內(nèi)的載波芯片/模組原廠有海思、智芯微、東軟載波、創(chuàng)耀、曉程、貝嶺、濎通芯、力合微、鉅泉光電、瑞斯康、思凌科、慧信、北京中宸、深圳智微、芯云科技、江蘇米特、航天中電、矽久、四季豆、前景無(wú)憂、鼎信通訊、芯瓏電子、飛利信、深圳中創(chuàng)、溢美四方、愿景科技等。

智能表計(jì)智能化的關(guān)鍵還仰賴于無(wú)線通訊模塊，國(guó)內(nèi)的模組原廠有芯翼、移芯通信、桑銳、云程、廣和通、匯頂、涂鴉智能、中移物聯(lián)、龍尚、四信、吾愛(ài)易達(dá)、移柯通信、智聯(lián)安等。

智能燃?xì)獗淼臏y(cè)量傳感器主要是用氣體傳感器或超聲波傳感器，智能熱量表的測(cè)量傳感器通常用溫度傳感器，智能水表的測(cè)量傳感器則可用電磁傳感器和超聲波傳感器。

智能物聯(lián)AIoT萬(wàn)億規(guī)模級(jí)的龐大市場(chǎng)，智能表計(jì)是長(zhǎng)尾市場(chǎng)之一，筆者在網(wǎng)上搜集和整理資料的過(guò)程中，明顯感覺(jué)芯片和方案資料相對(duì)較少，所以研發(fā)選型和設(shè)計(jì)相對(duì)就更難。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺(tái)，過(guò)去數(shù)年已積累了物聯(lián)網(wǎng)芯片的優(yōu)勢(shì)貨源。我們聚焦服務(wù)元器件長(zhǎng)尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購(gòu)，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。

審核編輯：湯梓紅