無線嵌入式模塊簡(jiǎn)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(jì)通常由性能要求驅(qū)動(dòng)，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(jì)量應(yīng)用提供了許多優(yōu)勢(shì)，包括較低的通信基礎(chǔ)設(shè)施成本。

　　智能計(jì)量和智能電網(wǎng)

　　近年來測(cè)量?jī)x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(dòng)接口，可以對(duì)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(jì)量功能代替。在同一時(shí)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(shí)時(shí)捕獲能源傳輸和消耗方式的詳細(xì)信息。ABI Research 估計(jì)，到 2020 年，全球部署的智能電表數(shù)量將達(dá)到 7.8 億個(gè)電力、1.5 億個(gè)燃?xì)夂?9000 萬個(gè)水。這是一個(gè)巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。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(cè)量（住宅、商業(yè)和工業(yè)）和電動(dòng)汽車（站管理充電） ）。

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

　　智能電表正在幫助實(shí)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(shí)時(shí)收集能源消耗信息，智能計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施允許供應(yīng)商通過更好地管理其運(yùn)營(yíng)來降低成本。同時(shí)，智能計(jì)量改善預(yù)測(cè)并降低能耗，簡(jiǎn)化微發(fā)電監(jiān)控，監(jiān)控發(fā)電和消耗的能源。智能計(jì)量絕對(duì)對(duì)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(shí)的，公用事業(yè)需要一個(gè)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(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施，但蜂窩通信現(xiàn)在是首選。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是理想的，因?yàn)樗且粋€(gè)現(xiàn)有且經(jīng)過驗(yàn)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(jiǎn)化了硬件和軟件部署，并提高了運(yùn)營(yíng)效率。今天在很多方面‘ s 智能電表是即插即用的，可以實(shí)現(xiàn)更快、更簡(jiǎn)單和更便宜的安裝。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商促進(jìn)與后端管理、計(jì)費(fèi)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(tái)設(shè)備的軟件和平臺(tái)，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(shí)施，例如與用水有關(guān)的電表，正值對(duì)環(huán)境的關(guān)注以及對(duì)可持續(xù)性和效率的討論非常熱門的時(shí)候。例如，通過開發(fā)蜂窩技術(shù)，智能水表和測(cè)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(jiǎn)單和更便宜的安裝。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商促進(jìn)與后端管理、計(jì)費(fèi)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(tái)設(shè)備的軟件和平臺(tái)，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(shí)施，例如與用水有關(guān)的電表，正值對(duì)環(huán)境的關(guān)注以及對(duì)可持續(xù)性和效率的討論非常熱門的時(shí)候。例如，通過開發(fā)蜂窩技術(shù)，智能水表和測(cè)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(jiǎn)單和更便宜的安裝。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商促進(jìn)與后端管理、計(jì)費(fèi)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(tái)設(shè)備的軟件和平臺(tái)，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(zhǎng)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(jì)量和智能電網(wǎng)整體實(shí)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(xiàng)：第二代 （2G） 和第三代 （3G）。當(dāng)今大多數(shù)移動(dòng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)智能計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施是全球移動(dòng)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(dòng)智能測(cè)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(gè)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(jì)量實(shí)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(duì)智能計(jì)量項(xiàng)目更具吸引力和便利性。因此，電力供應(yīng)商可能在其計(jì)量應(yīng)用中擁有較寬的可用帶寬，從而為額外的消費(fèi)者服務(wù)提供機(jī)會(huì)。智能 4G 傳感器的另一個(gè)原因是最新的長(zhǎng)期演進(jìn) （LTE） 版本包括 LTE-M，這是專為機(jī)器對(duì)機(jī)器通信而設(shè)計(jì)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(duì)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(shì)。

　　高端LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由三個(gè)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(dòng)設(shè)備與高級(jí)數(shù)據(jù)包核心之間的無線電通信。它只有一個(gè)組件，即演進(jìn)基站，稱為 eNodeB 或 eNB。每個(gè) eNB 都是一個(gè)基站，用于監(jiān)視一個(gè)或多個(gè)小區(qū)中的移動(dòng)設(shè)備。與移動(dòng)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(jì)量時(shí)，業(yè)界正在努力制定最佳實(shí)踐設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jí)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(jí)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(shí)時(shí)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(cè)量系統(tǒng)。該公司致力于通過 ATEX 認(rèn)證移動(dòng)產(chǎn)品組合進(jìn)入智能計(jì)量市場(chǎng)，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(dòng)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(jì)中的外形尺寸。LARA-R2 系列模塊支持多達(dá)四個(gè) LTE 頻段、多達(dá)兩個(gè) 3G UMTS/HSPA 頻段以及多達(dá)兩個(gè)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(dòng)蜂窩系列兼容，便于遷移到高速模塊。由于 LTE 網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)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(xiàng)和集成 IP 堆棧，旨在支持廣泛的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。

　　對(duì)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(gè) 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(hào)）或普通 I 2 S 模式（信號(hào)長(zhǎng)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(gè)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(gè)模塊都根據(jù) ISO16750 進(jìn)行了全面測(cè)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(gè)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(hào)的主要射頻輸入/輸出。第二個(gè)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(gè) V CC引腳供電。這些代表模塊電源輸入，它們?cè)趦?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(shí)現(xiàn)雙接收路徑，作為 LTE 類別 1 用戶設(shè)備。基帶和電源管理部分由以下主要元素組成：混合信號(hào) ASIC、包含 NAND 閃存和 LPDDR2 RAM 的內(nèi)存系統(tǒng)、穩(wěn)壓器和提供時(shí)鐘參考的 32.768 kHz 晶體振蕩器。

　　智能計(jì)量和蜂窩網(wǎng)絡(luò)

　　智能電表之所以“智能”，是因?yàn)樗軌驅(qū)?zhí)行計(jì)量功能的前端電子電路連接到通信網(wǎng)絡(luò)，從而為消費(fèi)者和公用事業(yè)提供商提供測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)于這些活動(dòng)，儀器必須配備傳感器、通信接口、電源和用于管理整個(gè)系統(tǒng)的微控制器。選擇的智能電表類型取決于需要測(cè)量的內(nèi)容：能源、水或燃?xì)猓灰约皩⑹褂玫?a href="http://www.1cnz.cn/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(dòng)運(yùn)營(yíng)商，公用事業(yè)提供商可以顯著降低其智能計(jì)量項(xiàng)目的安裝成本和部署時(shí)間（圖 4）。

　　圖 4：a） 傳統(tǒng)電能表與 a） 智能電表的簡(jiǎn)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(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施可尋址人口的約 99%。事實(shí)上，大多數(shù)地區(qū)都被多個(gè)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(shí)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(dú)采用 LTE 進(jìn)行智能測(cè)量有三個(gè)主要市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力：長(zhǎng)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(diǎn)提供服務(wù)；和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的投資。

　　安全是一個(gè)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將不得不工作很長(zhǎng)時(shí)間。對(duì)智能電表固件的故障或惡意攻擊可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)百萬臺(tái)設(shè)備同時(shí)停用，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成巨大破壞并影響該國(guó)的大部分地區(qū)。通過使用入侵檢測(cè)系統(tǒng) （IDS），可以通過實(shí)時(shí)研究網(wǎng)絡(luò)流量來檢測(cè)和驗(yàn)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€(gè)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(duì)于典型的高級(jí)測(cè)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(shì)。另一個(gè)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)狻⑺蜔岱矫妫攸c(diǎn)主要集中在數(shù)據(jù)收集和損失監(jiān)測(cè)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(cè)那么密集。

　　移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)提供了與消費(fèi)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(duì)任何安全威脅。因此，在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中識(shí)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(gè)有前途的解決方案包括累積認(rèn)證內(nèi)核 （CAK） 和基于計(jì)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(jì)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(duì)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(duì)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(jì)量實(shí)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(shí)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(jì)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(shí)間和其他優(yōu)勢(shì)，電力供應(yīng)商和電表制造商應(yīng)仔細(xì)考慮移動(dòng)技術(shù)可以在智能電網(wǎng)中提供最大價(jià)值的領(lǐng)域。他們應(yīng)該確保現(xiàn)代智能計(jì)量設(shè)計(jì)的基本要求和最佳實(shí)踐。