無線嵌入式模塊簡化了物聯(lián)網(wǎng)硬件和軟件設(shè)備的開發(fā)。選擇和設(shè)計通常由性能要求驅(qū)動，例如工作范圍、數(shù)據(jù)速率、安全性以及與其他產(chǎn)品的互操作性。蜂窩 WAN 解決方案為智能計量應(yīng)用提供了許多優(yōu)勢，包括較低的通信基礎(chǔ)設(shè)施成本。

　　智能計量和智能電網(wǎng)

　　近年來測量儀器的轉(zhuǎn)變極大地提高了控制工程的質(zhì)量，通過與各種電子系統(tǒng)的主動接口，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行更大的分析和解釋。特別是傳統(tǒng)的機(jī)械和機(jī)電電能表，例如水和煤氣表，可以用數(shù)字計量功能代替。在同一時期，基于互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備行業(yè)也發(fā)生了翻天覆地的變化，而且這種變化無所不在：看看大街上的人們?nèi)绾问褂?a target="_blank">智能手機(jī)作為我們感官的延伸。

　　世界各地的能源供應(yīng)商都在投資新技術(shù)以優(yōu)化現(xiàn)有的智能電網(wǎng)。使用雙向和數(shù)字端到端智能基礎(chǔ)設(shè)施，公用事業(yè)可以實時捕獲能源傳輸和消耗方式的詳細(xì)信息。ABI Research 估計，到 2020 年，全球部署的智能電表數(shù)量將達(dá)到 7.8 億個電力、1.5 億個燃?xì)夂?9000 萬個水。這是一個巨大的市場機(jī)會。連接技術(shù)將是關(guān)鍵選擇。智能電網(wǎng)概念（圖 1）包括一系列技術(shù)，如能源生產(chǎn)（可再生能源、分布式發(fā)電等）、輸配電、智能測量（住宅、商業(yè)和工業(yè)）和電動汽車（站管理充電） ）。

　　圖 1：智能電網(wǎng)是一個帶有收集實時信息的智能傳感器的配電網(wǎng)絡(luò)。

　　智能電表正在幫助實現(xiàn)電網(wǎng)現(xiàn)代化，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，可以更頻繁、更可靠地傳輸有關(guān)能源質(zhì)量和電力的信息。通過實時收集能源消耗信息，智能計量基礎(chǔ)設(shè)施允許供應(yīng)商通過更好地管理其運(yùn)營來降低成本。同時，智能計量改善預(yù)測并降低能耗，簡化微發(fā)電監(jiān)控，監(jiān)控發(fā)電和消耗的能源。智能計量絕對對最終客戶也有好處，可為他們節(jié)省能源并提高服務(wù)的可靠性。

　　然而，為了確保所有這些好處是真實的，公用事業(yè)需要一個安全且現(xiàn)有的雙向通信基礎(chǔ)設(shè)施來連接和通信給定位置的各種智能電表。雖然電力線通信 （PLC） 和各種類型的射頻 （RF） 技術(shù)歷來用于大規(guī)模測量基礎(chǔ)設(shè)施，但蜂窩通信現(xiàn)在是首選。移動網(wǎng)絡(luò)是理想的，因為它是一個現(xiàn)有且經(jīng)過驗證的基礎(chǔ)設(shè)施，在大多數(shù)地區(qū)幾乎完全覆蓋。蜂窩技術(shù)使公用事業(yè)單位能夠以更低的成本遠(yuǎn)程、更頻繁地獲取儀表讀數(shù)。此外，與其他解決方案相比，蜂窩技術(shù)簡化了硬件和軟件部署，并提高了運(yùn)營效率。今天在很多方面‘ s 智能電表是即插即用的，可以實現(xiàn)更快、更簡單和更便宜的安裝。移動運(yùn)營商促進(jìn)與后端管理、計費和遠(yuǎn)程云管理系統(tǒng)的集成。這些系統(tǒng)受益于已經(jīng)支持?jǐn)?shù)百萬臺設(shè)備的軟件和平臺，并使用強(qiáng)大的加密、安全連接和安全訪問機(jī)制來確保網(wǎng)絡(luò)及其客戶數(shù)據(jù)極其安全。

各種智能電表的實施，例如與用水有關(guān)的電表，正值對環(huán)境的關(guān)注以及對可持續(xù)性和效率的討論非常熱門的時候。例如，通過開發(fā)蜂窩技術(shù)，智能水表和測量基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在可以在節(jié)水方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。更簡單和更便宜的安裝。移動運(yùn)營商促進(jìn)與后端管理、計費和遠(yuǎn)程云管理系統(tǒng)的集成。這些系統(tǒng)受益于已經(jīng)支持?jǐn)?shù)百萬臺設(shè)備的軟件和平臺，并使用強(qiáng)大的加密、安全連接和安全訪問機(jī)制來確保網(wǎng)絡(luò)及其客戶數(shù)據(jù)極其安全。各種智能電表的實施，例如與用水有關(guān)的電表，正值對環(huán)境的關(guān)注以及對可持續(xù)性和效率的討論非常熱門的時候。例如，通過開發(fā)蜂窩技術(shù)，智能水表和測量基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在可以在節(jié)水方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。更簡單和更便宜的安裝。移動運(yùn)營商促進(jìn)與后端管理、計費和遠(yuǎn)程云管理系統(tǒng)的集成。這些系統(tǒng)受益于已經(jīng)支持?jǐn)?shù)百萬臺設(shè)備的軟件和平臺，并使用強(qiáng)大的加密、安全連接和安全訪問機(jī)制來確保網(wǎng)絡(luò)及其客戶數(shù)據(jù)極其安全。

　　蜂窩網(wǎng)絡(luò)

　　長期以來，電力供應(yīng)商一直在使用 WAN 無線解決方案與大量應(yīng)用中的電表進(jìn)行通信。今天，蜂窩技術(shù)正在成為智能計量和智能電網(wǎng)整體實施的重要組成部分。供應(yīng)商有兩種主要的 WAN/蜂窩技術(shù)選項：第二代 （2G） 和第三代 （3G）。當(dāng)今大多數(shù)移動點對點智能計量基礎(chǔ)設(shè)施是全球移動通信系統(tǒng) （GSM） 網(wǎng)絡(luò)的一部分，并使用通用分組無線服務(wù) （GPRS） 數(shù)據(jù)服務(wù)，這是一種低成本的 2G 解決方案。然而，較新的 2G 移動智能測量基礎(chǔ)設(shè)施更有可能使用 GPRS 的演進(jìn)、GSM 演進(jìn)的增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率 （EDGE）。EDGE 技術(shù)提供比 GPRS 更大的帶寬和更快的連接速度，并允許您將多個設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)。利用其帶寬和傳輸速度，3G、4G 和后續(xù)技術(shù)有望在智能計量實施中發(fā)揮重要作用。

　　出于成本和容量的原因，供應(yīng)商傾向于使用 3G 和 4G 網(wǎng)絡(luò)，這使得它們對智能計量項目更具吸引力和便利性。因此，電力供應(yīng)商可能在其計量應(yīng)用中擁有較寬的可用帶寬，從而為額外的消費者服務(wù)提供機(jī)會。智能 4G 傳感器的另一個原因是最新的長期演進(jìn) （LTE） 版本包括 LTE-M，這是專為機(jī)器對機(jī)器通信而設(shè)計的規(guī)范的新部分。LTE-M 標(biāo)準(zhǔn)，如 1 類、M1 和 NB1（也稱為 NB-IoT）針對大量設(shè)備、低數(shù)據(jù)復(fù)雜性以及連接到物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗需求進(jìn)行了優(yōu)化）。特別是 M1 類別允許 LTE 經(jīng)濟(jì)地支持有效的、廣泛的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的低端應(yīng)用。一般來說，LTE Cat M1 為數(shù)據(jù)管理提供更低的延遲和更大的帶寬，而 LTE Cat NB1 提供更高的滲透率和電池壽命。與 GPRS 等技術(shù)以及 CDMA 和 UMTS 等其他常規(guī) 2G 和 3G 標(biāo)準(zhǔn)相比，兩者都具有這些優(yōu)勢。

　　高端LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由三個主要部分組成：用戶設(shè)備（UE）；先進(jìn)的 UMTS 地面接入網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN）；和演進(jìn)分組核心（EPC）。E-UTRAN 管理移動設(shè)備與高級數(shù)據(jù)包核心之間的無線電通信。它只有一個組件，即演進(jìn)基站，稱為 eNodeB 或 eNB。每個 eNB 都是一個基站，用于監(jiān)視一個或多個小區(qū)中的移動設(shè)備。與移動設(shè)備通信的基站稱為其 eNB 服務(wù)。

　　LARA：智能電網(wǎng)中蜂窩連接的認(rèn)證模塊

　　在使用蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行智能計量時，業(yè)界正在努力制定最佳實踐設(shè)計指南。通過這些指南，電表生產(chǎn)商可以幫助確保蜂窩智能電表技術(shù)提供高性能和長使用壽命。例如，將通信協(xié)議構(gòu)建到模塊而不是電表中，允許供應(yīng)商升級技術(shù)而無需更換電表本身。

　　通過避免將編碼功能放入儀表本身，還可以保留通過軟件更新添加新功能或滿足新功能（例如滿足新的安全標(biāo)準(zhǔn)）的能力。為了提供這種級別的適應(yīng)性和智能性的通信模塊，它應(yīng)該具有類似于實時操作系統(tǒng)的處理能力。

　　u-blox 擁有完整的蜂窩通信模塊系列，可以在世界任何地方啟用智能測量系統(tǒng)。該公司致力于通過 ATEX 認(rèn)證移動產(chǎn)品組合進(jìn)入智能計量市場，其生產(chǎn)基于 ISO 16785 以保證和滿足行業(yè)規(guī)范，例如在極端溫度、濕度和振動的環(huán)境中工作。

　　LARA-R2 系列包括采用LARA LGA（26.0 x 24.0 毫米，100 針）封裝的 LTE Cat 1 / 3G / 2G 模塊，提供易于集成到超緊湊設(shè)計中的外形尺寸。LARA-R2 系列模塊支持多達(dá)四個 LTE 頻段、多達(dá)兩個 3G UMTS/HSPA 頻段以及多達(dá)兩個用于語音和/或數(shù)據(jù)傳輸?shù)?2G GSM/GPRS 頻段（圖 2）。

　　圖 2：LARA-R2 系列框圖。

　　LARA-R2 系列模塊與 u-blox SARA、LISA 和 TOBY 移動蜂窩系列兼容，便于遷移到高速模塊。由于 LTE 網(wǎng)絡(luò)的長期可用性和可擴(kuò)展性，這些模塊非常適合從 2G 和 3G 切換到 LTE 的應(yīng)用。這些模塊具有一系列接口選項和集成 IP 堆棧，旨在支持廣泛的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。

　　對于可能需要語音功能的安全和監(jiān)控等系統(tǒng)，LARA-R2 模塊支持 LTE 語音 （VoLTE） 和從 LTE 到 3G 或 2G 的電路交換回退 （CSFB） 以提供音頻服務(wù)。這些模塊包括一個 4 線 I 2 S 數(shù)字音頻接口（I2S_TXD、I2S_RXD、I2S_CLK、I2S_WA），可以在 PCM 模式（短同步信號）或普通 I 2 S 模式（信號長同步）下使用 AT 命令進(jìn)行配置） 將數(shù)字音頻數(shù)據(jù)作為音頻編解碼器從/向外部設(shè)備傳輸。它們包括 9 個引腳（GPIO1-GPIO5、I2S_TXD、I2S_RXD、I2S_CLK、I2S_WA），可配置為輸入/輸出或提供自定義功能。

　　LARA-R2 模塊在經(jīng)過 ISO / TS 16949 認(rèn)證的設(shè)施中制造，確保最高的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)以及最高的質(zhì)量和可靠性。每個模塊都根據(jù) ISO16750 進(jìn)行了全面測試和認(rèn)證 - 適用于安裝在車輛中的系統(tǒng)。

　　LARA-R2 系列模塊提供兩個射頻接口，用于連接外部天線。用于傳輸和接收 LTE/3G/2G 射頻信號的主要射頻輸入/輸出。第二個射頻輸入僅支持 LTE / 3G Rx 分集配置的 Rx。

　　圖 3：模塊必須通過三個 V CC引腳供電。這些代表模塊電源輸入，它們在內(nèi)部連接到射頻功率放大器和集成電源管理單元。

　　RF部分由RF收發(fā)器、PA、LNA、晶振、濾波器、雙工器和RF開關(guān)組成。根據(jù)模塊支持的 LTE 接收器分集無線電技術(shù)實現(xiàn)雙接收路徑，作為 LTE 類別 1 用戶設(shè)備?；鶐Ш?a target="_blank">電源管理部分由以下主要元素組成：混合信號 ASIC、包含 NAND 閃存和 LPDDR2 RAM 的內(nèi)存系統(tǒng)、穩(wěn)壓器和提供時鐘參考的 32.768 kHz 晶體振蕩器。

　　智能計量和蜂窩網(wǎng)絡(luò)

　　智能電表之所以“智能”，是因為它能夠?qū)?zhí)行計量功能的前端電子電路連接到通信網(wǎng)絡(luò)，從而為消費者和公用事業(yè)提供商提供測量數(shù)據(jù)。對于這些活動，儀器必須配備傳感器、通信接口、電源和用于管理整個系統(tǒng)的微控制器。選擇的智能電表類型取決于需要測量的內(nèi)容：能源、水或燃?xì)?；以及將使用?a href="http://hljzzgx.com/soft/data/43-44/" target="_blank">通信技術(shù)。通過將通信網(wǎng)絡(luò)外包給移動運(yùn)營商，公用事業(yè)提供商可以顯著降低其智能計量項目的安裝成本和部署時間（圖 4）。

　　圖 4：a） 傳統(tǒng)電能表與 a） 智能電表的簡化框圖。

　　當(dāng)前的蜂窩覆蓋范圍幾乎無處不在，覆蓋了智能計量基礎(chǔ)設(shè)施可尋址人口的約 99%。事實上，大多數(shù)地區(qū)都被多個蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋，使公用事業(yè)公司能夠根據(jù)位置使用最佳可用蜂窩網(wǎng)絡(luò)來部署智能電表，同時保持備用網(wǎng)絡(luò)功能。在水和天然氣等應(yīng)用領(lǐng)域單獨采用 LTE 進(jìn)行智能測量有三個主要市場驅(qū)動力：長期使用；頻譜效率，這意味著可以在給定的頻譜上為許多其他智能端點提供服務(wù)；和移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的投資。

　　安全是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，公用事業(yè)供應(yīng)公司使用的復(fù)雜計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將不得不工作很長時間。對智能電表固件的故障或惡意攻擊可能會導(dǎo)致數(shù)百萬臺設(shè)備同時停用，從而對網(wǎng)絡(luò)造成巨大破壞并影響該國的大部分地區(qū)。通過使用入侵檢測系統(tǒng) （IDS），可以通過實時研究網(wǎng)絡(luò)流量來檢測和驗證異常情況。電力公司必須在集中式 IDS、嵌入式 IDS 或?qū)Ｓ糜趩蝹€公用事業(yè)需求的 IDS 之間進(jìn)行選擇。研究人員發(fā)現(xiàn)，對于典型的高級測量基礎(chǔ)設(shè)施，集中式 IDS 架構(gòu)在成本效率和安全收益方面具有優(yōu)勢。另一個考慮因素是儀表和公用事業(yè)之間所需的通信水平。在燃?xì)?、水和熱方面，重點主要集中在數(shù)據(jù)收集和損失監(jiān)測等需求上，這些要求都沒有智能電表所需的按需管理或電網(wǎng)監(jiān)測那么密集。

　　移動標(biāo)準(zhǔn)提供了與消費設(shè)備的一定程度的互操作性，允許雙向通信，提供與其他外部服務(wù)的輕松互連。安全的智能電表必須足夠靈活以應(yīng)對任何安全威脅。因此，在長期運(yùn)行過程中識別和處理威脅是確保智能電表安全有效部署的下一步。一個有前途的解決方案包括累積認(rèn)證內(nèi)核 （CAK） 和基于計量器的算法，以提供另一層安全性。CAK 可以在 8 位或 32 位微控制器上運(yùn)行，并且需要最少的內(nèi)存，使其具備典型智能電表設(shè)計的處理能力。

　　結(jié)論

　　從傳統(tǒng)供應(yīng)到基于可再生能源的系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)變需要對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行根本性的改變。特別是，從集中式網(wǎng)絡(luò)向分布式架構(gòu)的轉(zhuǎn)變極大地增加了對基于 ICT 的管理和控制方法的需求。

　　作為智能電網(wǎng)愿景的一部分，采用蜂窩通信的智能計量實現(xiàn)了強(qiáng)大且安全的解決方案，這是主要電表供應(yīng)商實現(xiàn)滿足未來期望的一種方式。LARA-R2 系列蜂窩模塊為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供支持，并提供了一種改進(jìn)智能計量應(yīng)用的方法。為了利用無線解決方案的安裝成本、性能、快速運(yùn)行時間和其他優(yōu)勢，電力供應(yīng)商和電表制造商應(yīng)仔細(xì)考慮移動技術(shù)可以在智能電網(wǎng)中提供最大價值的領(lǐng)域。他們應(yīng)該確?，F(xiàn)代智能計量設(shè)計的基本要求和最佳實踐。