智能三表的应用为什么这么快?
大盛唐电子 2022-09-20

智能三表为何得以迅速发展

早前,新一代智能表计市场的发展动力主要来自于政策的推动和技术的落地需求。仅仅是中国区域的三表(智能电表、燃气表、水表)产品增长就足以令人侧目,数据显示,光智能燃气表一项,产量就以大于25%的速度快速增长,每年约生产2000万台。也许有人会担心这样的增长速度在未来会增长疲乏,逐渐一片红海。然而,随意一看附近小区的燃气表,就知道,市场增长空间仍然十分充足,中国有广大的下沉市场,可以为智能表提供广阔的发展空间。相似的状况也出现在水表、电表等板块,因此基于对智能表渗透率要求、新技术应用推广、规模化落地形式的考量,未来智能表依然具有可期的市场。


中国区域之外,据笔者所知,有不少智能表生产商将目光瞄准了海外市场,这些厂商的产品不但可以覆盖中国标准,也可以轻易地通过软件改换去满足欧洲市场。不同于中国的密集式居住,欧洲的人居分布模式也许更需要智能表完成远程抄表以节省人力。

图 1

三表市场也许算是智能家居的起点,各个制造厂商逐鹿三表市场总结得出的经验、标准将为智能家居的实际落地并为大众所接受打下良好的基础。


接下来,我们可以从智能燃气表和智能电表两方面着手分析,看一看三表(的基本原理和涉及系统的运行方式,来深入理解为什么智能三表会如此地发展迅速。

智能燃气表

智能燃气表种类包括IC卡燃气表、无线远传燃气表、CPU卡智能燃气表、射频卡智能燃气表、直读式远传燃气。物联网智能燃气表是一款基于移动运营商物联网专网,实现数据远传及控制的燃气计量器具。


图 2

以无线传输燃气表为例,如图2为其系统框图,具备余量/工作状态显示、泄露报警、充值、无线传输数据的简易功能,其主控可选用SOC、Sub RFIC 、MCU,视需要而定。直接使用Sub RFIC时,一般使用sub 1G 或sub 2.4G,易于使用,对于工程师来说,减少了射频设计的工作量。


智慧燃气领域涉及的产品和服务包括智能燃气表、手持数据终端、三表合一、生产运营解决方案、客服营收解决方案、智慧燃气解决方案等。其中三表合一系统由主站系统、集中器、接口转换器、手持设备、基本计量仪表单元(电能表、智能水表、智能气表和智能暖表)等构成(如图3),能够实现对水电气暖表的实时监控,对表具的电池电压、数据变化、阀门状态、通讯信道等实时监测、预警。

图 3

以IoT智慧CPU卡燃气表为例,结合IoT通信技术,与抄表设备PDA、智慧网关和远程计量系统管理软件组成无线网格物联网络抄控系统,可实现户外抄表、阀门控制、阶梯气价,支持预付费、实时调价、实时抄读、远程费控,及系统的集中管理。


而智慧燃气信息安全整体解决方案可以提供涵盖“云”管“端”的燃气行业全面解决方案,感知层包括基于国密算法加密芯片的信息安全物联网燃气表,采集层支持远程监控终端安全防护系统,信息安全主站系统则是支持安全专业版燃气生产运营管理平台。


综上所述,涉及智慧燃气表的核心是数据传输,然后是在此基础上拓展的生态,未来随着5G的发展,上云管理也是必然。


随着网络技术及电子信息技术的发展,燃气表的智能化和远程管理及服务成为燃气表发展的主要方向,这离不开远程通信技术的支撑,远程通信技术的发展水平甚至直接决定燃气表的智能化和远程管理及服务的实现效果。5G时代的到来,随着基站数量的增多,小区抄表管理完全可以实现接入网,抄表、充值等动作可以完全脱离接触,充值、查询、关闭等动作一机即可完成。


智能燃气表的应用一般在人员聚集的场所,比如小区、商场、街区,这样的场所用固定频段的RFIC完全没关系,人力可接触。而天然气跨国跨省运输管道远距离巡检人力难以频繁触及,无线系统此时便会略显乏力,便需要有线传输或者更为广泛使用的远距离标准传输规范。


看完了智能燃气表,再来看看电力系统中的智能电表。

智能电表

我国是电力大国,电网建设深入国土最边远或人力较难到达的地方的地方,而正因为地大物博,边远地区日常电网巡检保证电网正常供电便成了较大的难题,尤其是遇上像2008年南方特大雪灾时的情景,风雪路阻隔,查询故障便成了老大难题。而如今,不但在电表电箱中使用了4G模块以方便入网查询、异常报警,更开发出了输电线融冰系统保障冰雪天气电网正常工作,此处暂且不赘述。


使用智能电表(如图4),电力用户可根据用电信息改变用电习惯、选择用电方式和时间,提高能源使用效率,减少能源的浪费,实现电能的合理利用。电网公司可利用智能电表对用电信息进行监测,及时发现存在的问题甚至电力故障;每户的电力需求可以详细把握,并根据需求调节发电与配电设备,平衡高峰和低谷需求期的用电量,形成发电、配电与用电的及时互动,减少大面积停电、断电等影响社会正常生产、生活的事件发生。

图 4

这便是智能电表及其采集系统发展迅速的原因。


智能电表产品广泛应用于电力行业,成熟的智能电网建成后,智能电表具有自动查询、远程抄表功能,还可以实现自动拉闸断电。如图5,电网公司用电信息采集系统主要分为四层:数据处理中心、上行通信网络、采集设备、用户电表。

图 5

上行通信网络层有230M 电台模块、GPRS 延长器;采集设备层产品包括:集中器、采集器、转变终端、负控终端、配变终端;用户电表层产品包括:单相电表无线通信模块、三相表无线通信模块、集中器无线通信模块、I采集器无线通信模块等嵌入式无线自组织网本地模块。不同的使用场景通信方式通常不同,智能电网常用的通信方式包括电力线载波、485、GPRS、小无线、光纤等,这些通信方式各有优缺点,通信模式将根据最终应用进行选择,如智能电表与采集器/集中器之间一般采用载波和485等方式,采集器/集中器与主站之间一般采用GPRS、光纤等方式。


如下图6所示,以高性能SOC为核心的智能电表,再配上预付费卡、加密芯片、LCD显示屏、通信模块等为主的智能电表,智能电表的MCU系统担负用电信息的存储、用电信息的显示和用电信息的传递等管理功能。通过对存储模块、时钟模块、加密模块、计量模块、通信模块、预付费卡等的有效管理,智能电表可以实现预付费、复费率、阶梯电价等用电方式的管理,实现自动拉合闸、自动报警等安全措施的管理,实现自动控制、自动抄表等信息传递的管理。

图 6

前面说到,不同的使用场景的电表通信方式通常不同,因此,有使用GPRS的电表,也有使用其他集成RFIC的电表。笙科的sub RFIC是常见的被选物料。


笙科电子(AMICCOM)应用于Sub1GHz以下的收发频段,支持中国智能电网所选用的470MHz ~ 510MHz,以及欧洲无线自动读表所使用的868.3MHz 与868.95MHz频段,除此之外,A7108当然也支持1GHz 以下免执照的ISM Band应用 (300MHz ~ 950MHz),比如日本的310MHz,欧美及亚洲常见的433.92MHz,美国与台湾的允许的915MHz等频段。


以A7108为例,属于笙科电子第四代高效能芯片, data rate支持2Kbps ~ 250Kbps,调变方式可选择FSK或GFSK,MCU透过SPI接口即可操作A7108的RF模式以及存取内建的64 Bytes TXFIFO 与RXFIFO。

A7108最大的优势在于超优质的RF性能,以470MHz ~ 510MHz的频段来说,内建的PA可输出高达20dBm的发射功率,接收器拥有超高灵敏度 (-114dBm @ 10Kbps)。在10Kbps的条件下,笙科的参考设计(MD7108-A50)搭配直立的单心线天线 (裁剪四分之一波长长度之1.6mm单心线),在海边空旷区域实测可得1300米,街道实测之距离可达1000米。若将data rate 从10Kbps降为2Kbps,则空旷区域实测距离增加至1600米。


除了远距离传输能力外,A7108内建的RSSI 可协助软件工程师侦测干净的传输信道,芯片内部的Auto Calibration机制,用来克服半导体制程的变异,可稳定地在各种环境下工作,自动频率补偿(AFC)的功能可解决RF频偏造成的灵敏度衰退。在数据的处理上,A7108提供直接模式(Direct mode)与FIFO模式。直接模式适合MCU选用自行定义之封包格式,而FIFO模式则使用芯片内建之TXFIFO封包格式(含FEC,CRC与Manchester 编码等功能)。


适合A7108的应用非常多,比如AMR无线自动读表 (如无线智能电表,或无线热表,燃气表等等),远距离双向汽车防盗器,工业控制器 ,智能建筑之能源管理,家庭自动化  等等。笙科提供的参考设计,含外围低(高)通滤波器,搭配合适的天线与PA设定,当量测值EIRP = 14dBm 时 (14dBm有效等向辐射功率),可通过美国FCC part 15. 247 以及欧洲ETSI EN300-220 的EMC规范。


A7108的电源管理部分支持Deep sleep mode,Sleep,Idle mode 与WOR 模式 (Wake On RX), WOR功能提供A7108自动唤醒,接收不定时的RF网络封包,以延长电池的使用寿命。Deep Sleep mode相当于完全关掉A7108,其电流消耗仅需要200 nA。整体上,A7108是一颗高效能的射频芯片,内建的功能可以有效地降低开发复杂度与开发成本。


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