簡介

技術(shù)的進步使人們淘汰了機械和機電式的水、電、氣表，取而代之的是具備高級功能的數(shù)字儀表。擁有這些新工具后，用戶將擺脫被動消極的角色，變得更加積極主動，每個人都能控制自己的消費習慣并制定各自的資源節(jié)約策略。這里的關(guān)鍵詞是“通信”二字。利用新的技術(shù)，公用事業(yè)公司和用戶便能實現(xiàn)相互溝通，進而開創(chuàng)基礎(chǔ)資源智能化利用的新局面。

智能儀表

使用智能儀表具有諸多優(yōu)勢。公用事業(yè)公司能夠從自動化數(shù)據(jù)收集中受益，避免了人工抄表帶來的人為差錯，并最終降低人工成本。此外，靜態(tài)數(shù)據(jù)收集變得更加容易，因而能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)容量規(guī)劃，并充分利用配送網(wǎng)。

利用診斷和瞬時故障檢測功能，還可以開展預見性維護，構(gòu)建更高效、更可靠的配送網(wǎng)。此外，公用事業(yè)公司還可以提供更多服務，例如根據(jù)一天中的不同時間段進行實時計費。某些能源使用行為可以推遲到服務成本較低的時間段，這樣既能讓用戶節(jié)省資金，又能讓公用事業(yè)公司有效管理峰值需求。

智能儀表連接到家庭網(wǎng)絡之后，便能提供關(guān)于消費習慣的實用信息，這樣就能了解某個洗衣循環(huán)的能耗、澆灌花園所需的用水量、每日供暖所需的用氣量等等。多項研究表明，僅憑加強節(jié)能意識一項，就能節(jié)省20%或更多的能源。消費者如果有機會通過減少能源使用來節(jié)省資金，并獲得可降低能耗的技術(shù)，他們愿意采取行動，并因此實現(xiàn)高達50%的能源節(jié)約效益。

圖1. 智能儀表框圖

智能儀表能夠減少用戶一端所耗用的基礎(chǔ)資源，降低公用事業(yè)公司一端的損耗，最終有助于實現(xiàn)“減少碳排放、讓地球更環(huán)保”的目標。

智能儀表的結(jié)構(gòu)

智能儀表的總體框圖如圖1所示。根據(jù)、水、電、氣計量等具體應用，可以包含一個或多個與前端電子裝置連接的傳感器、電源，以及相關(guān)的電源管理電路、通信節(jié)點和系統(tǒng)管理微控制器。

可以使用多種技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡化的計量系統(tǒng)，然而，其中兩種技術(shù)占據(jù)主導地位，即無線短程（SRD）和電力線通信（PLC）。PLC作為免費提供的電力線載波，特別適用于電能計量；對于水、氣計量，由于缺少適用的電力線載波，SRD成為當仁不讓的選擇。此外，水表和氣表采用電池供電，因此功耗是一個至關(guān)重要的因素。

為了在功耗和通信范圍之間達成最佳平衡，北美的儀表設計師選擇sub-GHz頻段（如915 MHz）的無線電，而在歐洲，目標頻段為868 MHz和433 MHz，同時169 MHz頻段也日益受到關(guān)注。此外，大多數(shù)儀表制造商紛紛考慮2.4 GHz全球免費頻段；然而，在給定功耗下，這些頻率的無線電通信距離短于sub-GHz無線電。水表和氣表由于安裝在惡劣的環(huán)境中進行RF傳播（如地下室和地下坑洞），因此獲得較寬的通信范圍至關(guān)重要。

水計量—Smart Metering開發(fā)的MultiReader系統(tǒng)無線短程傳輸技術(shù)的進步實現(xiàn)了對配水網(wǎng)的監(jiān)控。過去，監(jiān)控用水情況依靠的是數(shù)學模型，以及在配水網(wǎng)的輸入端和用戶接口進行零星的測量。如今，有了適用的硬件，便能執(zhí)行同步多次測量，進而能夠妥善管理配水網(wǎng)。

該儀表實現(xiàn)了AMR（自動抄表），不僅能夠用于計費，還能檢測網(wǎng)絡中的損耗。由于可以在輸入端和輸出端進行同步而頻繁的測量，公用事業(yè)公司得以執(zhí)行每月、每周，甚至是每天的水量預算。如此一來，就能更輕松地監(jiān)控由于故障或非法用水造成的網(wǎng)絡損耗。公用事業(yè)公司還可以為客戶提供更多的服務，例如通過監(jiān)控夜間或非高峰時段的使用情況來檢測用戶網(wǎng)絡中的損耗。

通過電池供電式無線網(wǎng)絡進行水資源監(jiān)控是一項棘手的任務。儀表需要在惡劣的環(huán)境中連續(xù)工作多年，甚至長達10年或15年，而且電能來源也非常有限。帶外干擾信號（如無線電和電視廣播、GSM基站）或帶內(nèi)干擾信號（如遙控）會帶來電磁干擾，降低接收機的靈敏度，有時還會造成接收機本身的阻塞。另外，天氣條件和金屬物體（如排水管和停泊的車輛）也會影響天線性能和無線電波傳播。較高的濕度和熱循環(huán)則會產(chǎn)生機械應力或影響電池性能。

上述因素都會影響系統(tǒng)的總體可靠性，并使維護成本難以保持低水平。

從上述工作條件明顯可以看出，設備應具備極高的靈敏度、穩(wěn)定的抗干擾能力以及較低的功耗。Smart Metering對一系列短程設備進行了對比分析，最終決定選擇ADI公司的ADF702x系列無線收發(fā)器，因為該系列產(chǎn)品在滿足上述嚴苛要求方面具有冠絕市場的表現(xiàn)。

MultiReader系統(tǒng)

Smart Metering開發(fā)了基于ADF702x系列的MultiReader系統(tǒng)（圖2），以滿足公用事業(yè)公司的水資源監(jiān)控需求。該系統(tǒng)由水表MultiReader-C、中繼器MultiReader-R和集中器MultiReader – G組成。

MultiReader-C是一個電池供電計數(shù)器，最多可連接三個脈沖發(fā)射極器件。該儀表可提供實時用水情況、根據(jù)固定日歷存儲的數(shù)據(jù)，以及應用特定算法處理的測量數(shù)據(jù)。上述功能實現(xiàn)了多項服務，例如不同位置的同步測量、按規(guī)定時間間隔提供耗水數(shù)據(jù)，以及報告其他有價值的信息，如回流、計數(shù)器關(guān)閉和最終用戶損耗等等。

圖2. MultiReader系統(tǒng)

MultiReader-R是一個電池供電中繼器，通常安裝在電線桿上，用于擴展單個儀表的通信范圍。該中繼器能與儀表、其他中繼器以及集中器實現(xiàn)通信。

MultiReader-G收集來自儀表的數(shù)據(jù)，并能夠通過GSM網(wǎng)絡與中央交換局實現(xiàn)通信。

要對可靠的無線水計量網(wǎng)絡進行安裝和維護，需要具備硬件、軟件和系統(tǒng)管理能力，而Smart Metering已在長期實踐中發(fā)展了這種能力。

圖3所示為MultiReader-C單元裝置，其中每個單元與三個脈沖發(fā)射極器件相連。圖4所示為安裝在電線桿上的中繼器。

圖 3. MultiReader-C三個輸入單元

圖4. MultiReader-R中繼器

ADI的ISM頻段收發(fā)器技術(shù)

ADI的SRD收發(fā)器可以覆蓋75 MHz至1 GHz的頻段。最受歡迎的器件包括ADF7020中頻收發(fā)器（100 kHz至200kHz，數(shù)據(jù)速率最高可達200 kbps）、ADF7021窄帶收發(fā)器（9 kHz至25 kHz，數(shù)據(jù)速率最高可32 kbps）及其衍生產(chǎn)品。靈活性是這些器件的主要特性之一。為了在性能和功耗之間達成最佳平衡，可以對多種參數(shù)進行編程。這些收發(fā)器提供了ASK、FSK、OOK、GFSK、MSK調(diào)制方案、-16 dBm至+13 dBm范圍內(nèi)的可編程輸出功率，以及許多適用于低噪聲前置放大器（LNA）的編程選項，可在靈敏度、線性度和功耗之間進行權(quán)衡取舍。差分LNA輸入級、功率放大器（PA）斜坡控制以及高斯和升余弦數(shù)據(jù)濾波均可保證器件在復雜的電磁環(huán)境中正常工作。

同一系列中的ADF7023嵌入了一個8位通信處理器，以提供數(shù)據(jù)包處理、無線電控制和智能喚醒模式功能。該通信處理器通過集成一個典型通信協(xié)議堆棧的低層，減輕了配套處理器的處理負擔。