我們都熟悉隱藏在車庫、地下室或其他視線之外的電表。我們甚至可能看了一兩次，以打電話給公用事業(yè)公司的最新讀數(shù)來代替估計(jì)。多虧了技術(shù)，一場(chǎng)安靜的革命正在這個(gè)看起來無害的儀表內(nèi)發(fā)生。

圖 1 顯示了傳統(tǒng)機(jī)電儀表的示例，該儀表于 19 年末首次開發(fā)千世紀(jì)——有一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤和一個(gè)機(jī)械計(jì)數(shù)器顯示器。這種類型的儀表通過計(jì)算金屬盤的轉(zhuǎn)數(shù)來工作，金屬盤的旋轉(zhuǎn)速度與通過主保險(xiǎn)絲盒消耗的功率成正比。附近的線圈通過感應(yīng)渦流和與瞬時(shí)電流和電壓成比例的力來旋轉(zhuǎn)圓盤。永磁體在圓盤上施加阻尼力，在電源斷開后停止其旋轉(zhuǎn)。

圖1.機(jī)電式電能表。

儀表發(fā)展的第一步是用固態(tài)電子儀表取代機(jī)電儀表。電子儀表使用高度集成的元件（如ADE516x）測(cè)量能量，1 ADE556x，2 ADE716x，3 ADE756x，4和ADE77xx5電能測(cè)量 IC 系列。6這些器件通過高分辨率Σ-Δ型ADC對(duì)瞬時(shí)電壓和電流進(jìn)行數(shù)字化。計(jì)算電壓和電流的乘積給出了以瓦特為單位的瞬時(shí)功率。隨著時(shí)間的推移，積分給出了使用的能量，通常以千瓦時(shí) （kWh） 為單位。能量數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器（LCD）上，如圖2所示。

電子儀表有幾個(gè)好處。除了測(cè)量瞬時(shí)功率外，它們還可以測(cè)量其他參數(shù)，例如功率因數(shù)和無功功率。數(shù)據(jù)可以按特定的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量和存儲(chǔ)，允許公用事業(yè)公司根據(jù)一天中的使用時(shí)間提供價(jià)格計(jì)劃。這使得精明的消費(fèi)者可以通過在低成本的非高峰時(shí)段運(yùn)行洗衣機(jī)和烘干機(jī)等主要電器來節(jié)省資金;公用事業(yè)公司可以避免建造新的發(fā)電廠，因?yàn)樵诟叻迤谛枰娜萘枯^少。電子儀表不受外部磁鐵或儀表本身方向的影響，因此它們比機(jī)電儀表更防篡改。電子儀表也非常可靠。

ADI公司一直是從機(jī)電儀表向電子儀表過渡的關(guān)鍵參與者，迄今為止出貨量超過2.25億個(gè)電能測(cè)量IC。根據(jù)IMS Research的數(shù)據(jù)，2007年出貨的所有電表中有75%是電子的，而不是機(jī)電的。

圖2.固態(tài)電子式電能表。

電子儀表開辟新的可能性

一旦電表數(shù)據(jù)以電子形式提供，就可以向電表添加通信，允許電表使用自動(dòng)抄表（AMR）通過通信鏈路遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)。儀表制造商開發(fā)了不同的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)架構(gòu)，大致分為步行、路過或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在這種情況下，公用事業(yè)公司派出一輛帶有車載無線數(shù)據(jù)收集器的貨車。面包車穿過社區(qū)，有效地收集儀表數(shù)據(jù)。與步行系統(tǒng)相比，駕車系統(tǒng)將公用事業(yè)員工一天內(nèi)可以讀取的儀表數(shù)量提高了五倍，與手動(dòng)抄表相比增加了十倍以上。在聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，儀表數(shù)據(jù)被饋送到固定數(shù)據(jù)收集器，該數(shù)據(jù)收集器通常位于街道或社區(qū)盡頭的桿子上。數(shù)據(jù)通過寬帶或蜂窩骨干網(wǎng)反饋給公用事業(yè)公司。

AMR 到 AMI

最初，用AMR系統(tǒng)取代手動(dòng)抄表只是降低勞動(dòng)力成本的一種方式，但隨著行業(yè)認(rèn)識(shí)到AMR允許公用事業(yè)公司方便地提供更高階的好處和服務(wù)，例如實(shí)時(shí)定價(jià)以提高能源效率，即時(shí)報(bào)告故障檢測(cè)，以及更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)用于分析網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的使用情況，這種情況正在發(fā)生變化。AMR 有時(shí)會(huì)被高級(jí)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施 （AMI） 取代，以突出從簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程抄表演變而來。AMI網(wǎng)絡(luò)計(jì)量系統(tǒng)可以使用從衛(wèi)星到低成本無線電的各種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。兩種主要的新興技術(shù)是射頻（使用未經(jīng)許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻段）和電力線載波 （PLC）。

射頻技術(shù)使用低功耗、低成本的無線電無線傳輸儀表信息，而PLC使用電源線本身。ADI公司為這兩種技術(shù)開發(fā)了解決方案，包括ADF7xxx系列短程收發(fā)器8解決ISM頻段射頻段和基于流行的SALEM系列的?黑鰭金槍魚處理器?9解決 PLC 部分問題。這些技術(shù)中的每一種都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。特別是對(duì)于水和燃?xì)獗?，由于電源靠近水或燃?xì)獾陌踩珕栴}，射頻技術(shù)正在成為主要選擇。水表還具有經(jīng)常被埋在地下的額外復(fù)雜性。對(duì)于電表，這兩種方法的結(jié)合看起來最有可能，北美青睞RF，歐洲青睞電力線。在美國(guó)，少數(shù)房屋通常連接到單個(gè)變壓器，使PLC不太經(jīng)濟(jì)。在一些實(shí)現(xiàn)中，公用事業(yè)公司正在使用混合部署AMI，電力線用于從數(shù)據(jù)收集器到電表進(jìn)行通信，并在電表和其他家用電表或設(shè)備之間使用RF。一個(gè)有趣的谷歌地圖頁面，重點(diǎn)介紹全球AMR/AMI部署10現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示最新信息。

設(shè)計(jì)支持 AMR/AMI 的公用事業(yè)儀表的射頻部分

公用事業(yè)儀表通常位于擁有越來越多的無線設(shè)備的家庭中或周圍，因此確?？煽康臒o線電通信是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。RF電路需要高性能來抑制來自無線LAN等設(shè)備的大無用信號(hào)，同時(shí)解碼無線電輸入端可能低至幾分之一微伏的所需信號(hào)。

還需要良好的無線電靈敏度，因?yàn)檫@會(huì)轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的信號(hào)傳輸范圍。請(qǐng)記住，儀表可以位于地下室，或者更糟糕的是，可以位于地下 - 但它需要與幾個(gè)街區(qū)外的桿子上的收音機(jī)或街道上的多功能車進(jìn)行通信。靈敏度越低，接收無線電需要越接近正確解碼消息。對(duì)于移動(dòng)路過系統(tǒng)，這僅意味著貨車必須靠近您的房屋，但固定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施必須使用較小的單元和相應(yīng)的大量數(shù)據(jù)收集器。因此，高靈敏度將最大限度地降低網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施成本。

低功耗對(duì)于電池供電的燃?xì)獗砗退碇陵P(guān)重要。電表供應(yīng)商經(jīng)常嘗試降低電表的功耗，因?yàn)檫@允許他們將相同的設(shè)計(jì)移植到水表或燃?xì)獗砩稀４送猓瑸榱嗽陬l譜的未經(jīng)許可部分運(yùn)行，儀表和讀取器使用的通信協(xié)議必須符合運(yùn)營(yíng)國(guó)家/地區(qū)的無線電發(fā)射法規(guī)。全球存在幾個(gè)未經(jīng)許可的頻段，最常見的頻段是 900 MHz、2.4 GHz 和 5.8 GHz。

大多數(shù)電表制造商都選擇了 900 MHz 頻段的無線電作為電表之間以及電表和數(shù)據(jù)收集器之間的鏈路。與競(jìng)爭(zhēng)的2.4 GHz技術(shù)相比，這些頻率的無線電在給定功率預(yù)算下提供更好的通信范圍，因此可以為給定基站或數(shù)據(jù)收集器提供更廣泛的蜂窩覆蓋范圍。然而，從公用事業(yè)公司的角度來看，使用該頻段的一個(gè)缺點(diǎn)是缺乏可用的標(biāo)準(zhǔn)。sub-GHz頻段顯然是電池供電的燃?xì)獗砗退淼淖罴鸭夹g(shù)選擇，激發(fā)了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化日益增長(zhǎng)的需求，以實(shí)現(xiàn)不同制造商系統(tǒng)之間的互操作性。無線M-Bus是從有線M-Bus用戶組發(fā)展而來的，是電表之間以及電表和數(shù)據(jù)收集器之間通信標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)例子。M-巴士11現(xiàn)在是EN 13757中詳述的EN歐洲規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的一部分。無線M-Bus協(xié)議在EN 13757-4變體中有詳細(xì)說明。其他900 MHz標(biāo)準(zhǔn)化工作也在進(jìn)行中。

ADF702012即將發(fā)布的ADF7023收發(fā)器是900 MHz無線電的示例，這些無線電在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了計(jì)量。這兩款器件也適用于必須符合無線M-Bus標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。ADF7020的框圖如圖4所示。

圖4.ADF7020的功能框圖。

ADF7020是一款完全集成的低功耗無線電收發(fā)器，工作在中國(guó)為433 MHz、歐洲為868 MHz和北美為915 MHz的免許可ISM頻段。它集成了完整的發(fā)射和接收RF部分以及模擬和數(shù)字基帶。為支持 AMR 的公用事業(yè)儀表實(shí)現(xiàn)無線電卡13通常需要ADF7020、天線、少量外部無源器件和一個(gè)簡(jiǎn)單的微控制器來運(yùn)行通信協(xié)議，如圖5所示。ADF7020集成超低功耗、8位RISC內(nèi)核來運(yùn)行一些較低級(jí)別的通信功能，從而顯著減輕了外部微控制器的負(fù)擔(dān)。在許多情況下，這可以消除對(duì)單獨(dú)通信專用微控制器的需求。與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，電表制造商也選擇ADF702x系列，因?yàn)樗麄兊臒o線電具有一流的靈敏度和阻塞性能，從而在電表和數(shù)據(jù)采集器之間具有更好的范圍。ADF7020提供超過70 dB的阻塞性能，這意味著即使不需要的帶外信號(hào)比所需信號(hào)高70 dB，也可以正確檢測(cè)和解碼所需信號(hào)。相鄰?fù)ǖ酪种萍s為40 dB，靈敏度可低至–120 dBm，具體取決于數(shù)據(jù)速率。這比性能最佳的 ZigBee 解決方案低 20 分貝以上。

漢恩網(wǎng)絡(luò)

隨著通信電表即將在許多家庭中推出，公用事業(yè)公司和能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在展望未來，看看他們?nèi)绾卫迷摷夹g(shù)來提高節(jié)能和意識(shí)。使用這個(gè)概念，有時(shí)稱為智能電網(wǎng)，公用事業(yè)公司可以使用將一直延伸到客戶家中的網(wǎng)絡(luò)來積極管理傳輸負(fù)載。其中一項(xiàng)服務(wù)可以提供實(shí)時(shí)價(jià)格信息，允許消費(fèi)者調(diào)節(jié)能源使用。例如，在高峰負(fù)荷期間，例如在熱浪期間，公用事業(yè)公司可以向房屋發(fā)送信息，告訴房主下一個(gè)小時(shí)價(jià)格將上漲，并鼓勵(lì)他們關(guān)閉電器。這將需要一個(gè)可以顯示此類消息的家庭顯示器。更進(jìn)一步，公用事業(yè)公司可以通過儀表與您家中的設(shè)備進(jìn)行通信，例如，打開恒溫器或關(guān)閉泳池泵。該系統(tǒng)需要電表和家用電器之間的通信，有時(shí)稱為家庭局域網(wǎng)（HAN）。ADF702x和ZigBee無線電等900 MHz無線電都在這里受到青睞。

大多數(shù)行業(yè)參與者認(rèn)識(shí)到，與先進(jìn)的電表基礎(chǔ)設(shè)施相連的完全工作的家庭局域網(wǎng)還需要數(shù)年時(shí)間，但這種系統(tǒng)的好處意味著許多公司正在積極參與開發(fā)當(dāng)今的家庭局域網(wǎng)解決方案。

結(jié)論

ADI公司專注于為計(jì)量市場(chǎng)提供領(lǐng)先的技術(shù)，包括RF收發(fā)器、電能測(cè)量芯片組、RF放大器、隔離產(chǎn)品和電力線控制。ADF702x高性能、全集成收發(fā)器適用于支持通信或AMI就緒的電表，為全球電表制造商提供緊湊、可靠、低成本的解決方案。

審核編輯：郭婷