水表、燃氣表和電表抄表工作正邁向遙控和自動化發展，這個趨勢不單獲得與能源輸送相關的計量表生產商和服務供應商的積極推動，而且還得到了眾多政府機構的支援，因為遠程抄表和遠程系統管理能源輸送網路有明顯的優勢存在。
此外，這種趨勢還催生了若干專門為下一代計量表制訂規格之委員會的成立。為了能夠處理各種互不相容的安裝拓撲，計量表必須具有安全穩健的通訊協定，而且還須擁有防潮濕、防破壞的按鈕，以及用於電磁閥和旋轉角位移感測器定位的顯示螢幕與編碼器。這些按鈕、顯示螢幕和編碼器必須具有防止直接或是透過感應磁場、感應電場篡改的能力。這些計量表還得擁有長達數月的事件記錄能力，以應付長時間未能向存取點傳輸資訊時的需要。
另一個常見的要求則與計量程式有關，就是計量表必須在韌體升級時也能夠如常工作，並保證達到某些安全參數。另外，由於燃氣表必須採用電池電源(而其他計量表也可能採用)，所以設備的總能耗必須非常低。
ZigBee是最佳的選擇
在分析本節的這些要求和選擇時，先列出計量應用的通訊協定所必須具備的一些特性。首先，家用計量表的首選解決方案當然是採用射頻通訊，其最主要的參數如下：
．效能
確保電池壽命，並減低抄表員的工作量。
．資料的可靠性和穩健性
因為資訊的完整性是絕對關鍵的要素。
．安全性
必須採用複雜的加密演算法以確保安全性，而更重要的是，編碼金鑰的管理和分配必須符合公共事業本身定義良好的要求。
．可配置網路
網路必須是可配置的，其自身必須能夠自動進行配置和重配置，以適應工作環境，並按照工作環境的要求而演進。這是因為環境條件可能隨時間而變化，譬如兩座建築物本來採用無線電進行通訊，但後來兩者間興建了第三座建築物，阻斷這種聯繫。一個自身可以發展並自動重配置的靈活網路，就可以解決這些問題。
．簡單的安裝和維護
計量表網路必然具有許多節點，而網路本身也非常複雜。下一代計量表須透過協議來管理網路，該協議必須能夠涵蓋所有可能的情況，同時保證提供最大的靈活性，讓操作人員僅須執行計量表節點的定位和啟動等基本操作。
．開放式協議
協議不得是專有的，而且必須是開放的，以避開供應商間的競業限制問題。協議必須可認證，而且能夠保證各個供應商產品間的互通性。
要完全滿足所有上述的要求，ZigBee可說是最佳的選擇。在美國，ZigBee已被選為智慧電網(Smart-grid)的標準。ZigBee是基於IEEE 802.15.4標準，並帶有一個堆疊結構。全球授權使用頻率為2.4GHz，而不同地區的sub GHz頻率分別為：中國783MHz、歐洲868MHz、美國915MHz。ZigBee具有良好的傳輸範圍和一定的抗衰減源(鋼筋水泥、濕氣、無線電頻帶超載)能力，非常適合計量應用，尤其是室外的計量應用。基於以上的理由，sub GHz是最適合的解決方案。比如，868MHz頻率不容易受到多路徑帶來的相消干擾(衍射和反射是主要原因)的影響。而且，不同於2.4GHz，它也不易受水(雪、雨、霧)所造成固有衰減的影響，並具有更佳的自由空間衰減特性(自由空間衰減隨波長的平方而減小)。
此外，採用最新一代的收發器還可以擴大點到點範圍，因而有助於簡化網路，減少具路由功能的節點數目。愛特梅爾(Atmel)的IEEE 802.15.4相容收發器AT86RF212就是一例，能夠提供高達120dBm的鏈路預算。
在義大利、西班牙、英國及其他許多國家，安裝電表是很複雜的事情。原因在於計量表常常在無法獲得點到點鏈路的位置上布局，或是無法簡單運用橋接來增大距離。在這些情況下，網狀型網路就能發揮重要的作用。成熟又可靠的網狀網路通訊協定，加上sub GHz鏈路的可靠性，使得這種解決方案成為眾多實際情況的理想選擇。
量身打造ZigBee sub GHz收發器
愛特梅爾擁有多種2.4GHz收發器(如AT86RF231)以及sub GHz收發器(如AT86RF212)，能夠保證最大的靈敏度和輸出功率，以及極低的功耗。兩者的封裝和接腳都相同，也採用同樣的ZigBee協議。這種收發器需要一個帶有高記憶體級的低功耗微控制器(MCU)。
愛特梅爾也有提供嵌入式解決方案，即更靈活的一對收發器加一個外部MCU。AVR XMEGA就是一個微控制器系列，在接腳和軟體方面完全相容，帶有16KB至384KB的快閃記憶體和32KB的RAM。XMEGA程式記憶體帶有一個額外的8KB儲存空間，既可用於引導載入，也可用於諸如在設備升級韌體時運行計量之類的程式。
為此，可以加進一組免費供應的ZigBee PRO 和Smart Energy Profile庫。ZigBee PRO和 Smart Energy Profile都已通過認證。
這種解決方案在功耗方面性能極好，在輪詢(Polling)狀態下，整個系統的平均電流值可小至數百奈安培(nA)。而在無外部放大器的情況下，鏈路預算可達到120dBm，意味著可通過的距離，故可減少路由器的使用。而所需的路由器越少，就能夠降低成本、減少維護工作和電池消耗。但具有路由選項對解決棘手的網路配置問題也十分重要，合適的點到點傳輸距離和有限的路由器數目有助於優化集中度(Concentration Ratio)。如果各節點主要是精簡功能裝置(Reduced Function Device, RFD)，而且串列傳輸速率又足夠高(如100kbit/s)，則可考慮增加在單個存取點之下的集中度。
表1所示為IEEE 802.15.4規範下各種可選擇的無線電配置。其中之一是帶有O-QPSK調製及100kbit/s的串列傳輸速率的868MHz設備。在這種配置之下，就有可能充分發揮波長所保證的範圍和靈敏度方面的優勢，同時優化傳送速率、降低功耗，並提高集中度。
不過必須留意的是，無論是2.4GHz或sub GHz，協議都是一樣的。在這兩種情況下，所有重傳和應答機制都會被採用，比如載波偵聽多點存取/避免衝撞(Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance, CSMA-CA)，以及安全機制(AES128加密和高安全性金鑰分配，視公共事業本身所採用之「認證中心」的要求而定)等。
在2.4GHz和sub GHz上還採用了直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)技術。受益於DSSS，因而不必觸及單個868MHz通道。0M～868MHz通道擁有足夠寬的頻帶，能夠發送好幾個譜間冗餘(Spectral Redundant)的頻率線，類似於採用多個子通道並在其上發送冗餘資料。這樣一來，在一個子通道上出現的干擾就不會影響到傳輸性能。此外，不能忽略的是，在868MHz下，由於工作週期(Duty Cycle)的限制，因此不能把該頻帶應用於資料流程服務。
鏈路預算是接收靈敏度、傳輸功率和天線增益的總和。鏈路預算定義了在點到點鏈路上兩個無線電設備間的鏈路在丟失之前，哪些路由損耗是被允許的。由於無線電通訊與傳播環境密切相關，其中一個能夠對無線電設備進行參數化和比較的客觀方法是利用Friis定理(Friis's Law)來測試其間接收無線訊號的能力：
以上公式描述在與源Tx相距「d」處接收到的資料流程，以及全向天線的實際開放接收資料的分配。從中可以看出，2.4GHz的衰減大於sub GHz的衰減，這種情況隨波長的平方律更形顯著。
另一方面，圖1顯示一個真正的環境模擬。A線代表868MHz傳輸，B線則為2.4GHz傳輸。連續拋物線與自由空間衰減有關，而另一條曲線是發射易受相長干擾和相消干擾(源於衍射和發射、衰減及由此而引起的多路徑等現象)所影響的遠程訊號的功率線。須注意的是，在2.4GHz中隨著距離增大會出現真正的「裂口」，其中訊號會被干擾抵消掉。868MHz ZigBee卻能夠避免這個問題，有效距離可從最初的數十乃至數百公尺。最後，2.4GHz頻率被水充分吸收，因為這是其諧振頻率之一。
由於頻率、串列傳輸速率和調製方式的差異，同一個IEEE 802.15收發器在自由空間範圍內具有截然不同的性能級。圖2所示為對AT86RF212和AT86RF231測得的結果，測試在愛特梅爾位於德國德累斯頓的總部進行，而ZigBee MCU無線收發器系列也在此處設計。
綜合以上所述，選擇正確的頻率有助於在惡劣的傳輸條件下提高性能級，不過因為網路是由協定管理，所以選擇最適合的協議也許更重要。而正是ZigBee協定的複雜性，使得工程人員能夠設計出複雜的感測器或計量表網路，安裝大量計量表，利用單個集中器予以管理，從最困難的位置到達集中器，並隨環境條件改變而演進。此外，由於ZigBee是可認證的，所以也保證了各個供應商產品間的互通性。
選擇合適的微控制器
愛特梅爾可提供一百多款從8～32位元、基於AVR、AVR32和ARM核心的MCU。在計量表設計方面，則提供帶有四百分段(Segment)LCD 控制器的低功耗ARM7 (AT91SAM7L)，或是採用picoPOWER技術並帶有多達一百六十個分段的LCD控制器的AVR Mega核心或AVR XMEGA。至於集中器方面，愛特梅爾可以提供以高至數百MHz的ARM或AVR32為基礎的產品，例如AP7000。
以XMEGA為例，這是一款在32MHz下工作的8位元32 MIPS MCU，內含一個DMA控制器和一個事件管理機制(由硬體觸發產生)，另外也包括一個16/32位元即時計量表(RTC)。同時，XMEGA還有一個內置式加密演算法加速器AES128與T-DES、128MHz PWM通道，不但成本極低，而且最重要的是採用了picoPOWER技術。
picoPOWER具節能模式
picoPOWER技術備有五種節能模式。備份電池備有一個Vbat接腳，以確保外接超低功耗32位元RTC與32.768kHz石英晶體振盪器的功能。這些設備在1.6～3.3伏特電壓下可以保持全功能運作，從而優化動態功耗(Pdyn=K×Vcc2×f，與電源電壓的平方及頻率成正比)。由於優化了架構，AVR可在每Hz頻率週期內執行一道指令，這樣ZigBee PRO就可以在低頻(例如4MHz或8MHz)下工作。 AVR PicoPOWER器件的耗電量範圍如下：
．100nA
掉電模式，SRAM記憶體保持。
．500nA
省電模式，即時時鐘(Real Time Clock)和檢測(Detect)啟動。
．350微安培(μA)
1MIPS工作。
．3.6毫安培(mA)
12MIPS工作(最大32MIPS)。
．2微秒(μs)
從睡眠模式中喚醒所需時間。
除了以上的耗電量外，設計人員還必須加上收發器無線電的耗電。如果網路在輪詢模式下工作，睡眠模式的耗電便十分重要，在2.4GHz版為20nA；在sub GHz版則為100nA，而sub GHz收發器的Rx耗電量是9mA。
電容性感測器解決機械問題
計量表通常備有一個顯示器，為有需要的使用者提供一些第一手的消息和資訊，同時這些由資料、診斷和控制構成的重要資訊會被發送到中央資料管理系統。由於顯示器單元會消耗掉不少能量，因此它必須處於關斷狀態，並具備ON/OFF按鈕以便隨時打開，而這個按鈕必須符合一定的防濕防破壞要求。
愛特梅爾提供與應用整合在一起的軟體庫，讓設計人員可以利用一塊鋪銅區域(Copper Area)作為電容性按鈕，這種解決方案沒有機械元件，所以可以採用任何介電材料作為覆蓋層(Cover)。設計人員可參考大量的指導性文檔去設計電容性按鈕，但這方案最重要的優勢是其成本小到可以忽略不計。
感測器/按鈕就設計在印製電路板(PCB)上，並由軟體管理。設計人員也可以選用比簡單的電容性按鈕更為複雜的感測器。具有典型8位元解析度的感測器能夠提供二百五十六個觸摸位置，適用於創造滑塊或轉子。按照愛特梅爾提供的指南所描述的設計標準進行設計，可實現角位置或線性位置編碼器，以識別讀取燃氣或液體流量的轉子的位置、或定義開閥的準確位置。同樣地，在電容性感測器上插補位置的演算法可由軟體實現，而愛特梅爾微控制器可免費提供相關的軟體庫。
在任何情況下，感測值的讀取都須要取樣。合理的取樣速率可以讓耗電量降至數微安培。
完整方案提供多樣應用
愛特梅爾深知開發自動遠程抄表系統的重要性，並針對ATMR優化了一個完整的解決方案。該方案包括用於無線電網路管理的臨時(ad hoc)協議如ZigBee PRO Smart Energy Profile，以至閘道整合或無線引導載入程式等特殊應用。顯示器控制由超低耗電量的微控制器處理，並透過記憶體區域的選擇性保護和安全的韌體升級來支援計量工作。此外，這個工具還包含用於設計創新性按鈕和編碼器的電容感測解決方案。
(本文作者任職於愛特梅爾)