無線通訊設計居關鍵　智慧儀表市場規模可期

智慧儀表可以消除公用事業單位手動抄表或提供估算帳單的需求，因此可顯著降低成本並提高客戶滿意度，同時可提供其他好處。與自動抄表(Automatic Meter Reading, AMR)相關的第一批專利是在1970年代提交的，但直到世紀之交之後，才真正開始各種智慧儀表的部署。在過去十年左右的時間裡，有些國家如瑞典，基本上已將所有電力用戶轉移到智慧電表上了。

從單向自動抄表到智慧型儀表基礎建設

首批部署及至今仍有很多的智慧儀表僅採用單向傳輸通訊。這種自動抄表最初是透過步行或車載抄表器完成。但隨後，許多公用事業部署具備社區收集器或聚合器的全自動無線或有線網路，這有助於將許多儀表連接到某種廣域網路(Wide Area Network, WAN)，例如蜂巢式網路，因此可以將每月、每週或每小時的儀表使用消耗數據回報到公用事業的計費系統。

智慧型儀表基礎建設(Advance Metering Infrastructure, AMI)是雙向通訊網路的代名詞，不僅實現遠端抄表，還可以控制儀表和其他設備。AMI使公用事業能夠執行諸如連接或斷開客戶、監控和預測電力變化等操作，進而控制配電和發電設備響應需求，實現所謂的智慧電網。AMI還可用於實現即時線上韌體更新(Over-the-Air, OTA)，例如實施新的通訊協定或彌補新發現的安全漏洞。

智慧計量設備

智慧儀表可用於測量所有不同類型公用事業的消耗量，包括電、瓦斯、水和冷暖氣等。最初，用於公用事業的儀表使用機械式計量(測量)，但現今幾乎所有新的智慧儀表設計都是非機械式、全電子的設計，這些儀表通常被稱為靜態儀表。從機械儀表到電子(靜態)儀表的轉變，與向智慧儀表的轉變同步進行。事實上，中國的一些儀表供應商使用「智能電表」一詞，代指任何類型的電子儀表，甚至是那些不具備通訊能力的儀表。

電表

電表測量流入建築物或房屋的交流電流。住宅電表通常是單向的，但商業安裝以及一些北歐國家如德國、丹麥的家庭，可能需要專用的三向供電電表。傳統的機電式電表具備機械刻度盤，用於計算金屬盤的轉數，該金屬盤透過電磁感應，以與流過電表的電能成正比的速度旋轉。 然而，智慧電表是完全電子化的，使用比流器(CT)、分流電阻器，有時也使用羅氏線圈或霍爾效應感測器來測量流過電表的電流。除了電流，電表還需要持續測量線電壓，以計算消耗的電量。

最初CT在智慧電表中十分常見，然而，由於其在大電流下容易飽和、容易受到強力磁場干擾，導致準確度問題，因此不再受到新設計的青睞，而現在有各種基於微控制器的專用設備部署，並且針對此類電表進行優化。

瓦斯表、水表和熱量/冷量表

瓦斯表、水表和熱量/冷量表都是傳統的機械流量表，但與電表不同的是，這些儀表有許多「智慧」實踐，繼續使用相同的機械計量原理。這些儀表可以使用各種旋轉葉輪或活塞來測量流量。瓦斯表也可以使用隔膜和風箱來實行，這些隔膜和風箱在充滿氣體時膨脹，在排出氣體時收縮，使用曲柄產生旋轉運動來轉動機械刻度盤。

在一些地區，許多智慧瓦斯表都是透過在機械隔膜表上簡單地增加一個電子模組來實行的。該瓦斯表模組可以讀取機械刻度盤，然後透過無線通訊網路將讀數傳輸到瓦斯公用事業。這種智慧電表改造是可以在現場對已安裝的儀表進行的，也可以在工廠中對全新的儀表進行改造。這些改裝模組通常使用某種光學編碼器，例如格雷碼來讀取機械刻度盤。

同樣，許多智慧水表可使用機械計量原理，使用光學、磁性或電感式電子感測器來測量旋轉，進而測量流量。然而，為了提高準確度和可靠性，大多數新流量計設計都是靜態或完全電子化。許多靜態流量計使用超音波原理，測量超音波脈衝在上行和下行傳播所需的時間差，以推斷氣體、水或其他液體的流速。此外，還有一些使用電磁流量感測的水表，其在管道上施加電磁場，感應出與導電液體(例如水)流速成正比的電壓。

人們可能熟悉電表、瓦斯表和水表，但熱量/冷量表不太常見。熱量表使用在有集中供暖系統的區域，在熱電廠產生熱水，然後透過管道輸送，為家庭供暖。熱量表測量流入家中的熱水量和進出建築物時的水溫，一般類似於水表，但增加溫度感測器，通常採用相同類型的計量方法(機械或超音波)，但水流量的動態範圍可能比水表要小很多。

熱量成本分配器

熱量成本分配器(HCA)用於多租戶住宅和商業建築，以測量每個散熱器的熱量輸出，進而實行共享供暖系統的公平成本分配，透過這種方式，個人租戶支付的帳單與供暖系統的使用量成正比，而非不公平的統一費率，許多歐洲國家，HCA的使用是強制性的，具有鼓勵節能的效果，若租戶為暖氣支付統一費率，他們也沒有動力調低或關閉暖氣。

最初非電子HCA，使用蒸發量的原理測量散熱器的使用情況，但現今的電子HCA有兩個溫度感測器，一個記錄散熱器的溫度，另一個記錄房間的環境溫度，這兩項測量使HCA能夠計算散熱器使用的熱量。

通訊設備輔助監控智慧儀表

為了滿足「智慧」的最低定義，所有這些儀表都需要一種將使用消耗量回饋給公用事業供應商(或在使用熱量成本分配器的情況下回饋給房東)的方法。這通常是透過無線射頻(RF)通訊實行的，儘管一些儀表配置使用電力線通訊(PLC)透過電線發送數據，但由於干擾和其他網路問題，這種方法似乎不再受歡迎。還有一些短距離、有線通訊協定(例如M-Bus)，這種協定常在許多儀表(通常是水表或熱量表)位於同一地點(例如高層公寓樓的地下室)時使用。

社區或多租戶建築物中的無線儀表通常與某種本地收集器、聚合器或邊界路由器通訊，這些路由器還具有WAN連線以完成與公用事業後台計費系統的通訊連接，通常是無線的蜂巢式網路(例如3G/4G/LTE等)，但也可以是某種有線或光纖連接。通常每個收集器都會提供數十甚至數百米的場域網路(FAN)接入。對於一些公用事業來說，找到一個合適的位置並為收集器供電可能是一個挑戰，但這對電力供應商來說不是問題，因為他們在社區內就擁有便利的變電站和配電變壓器。

家用顯示器

家用顯示器(IHD)透過無線連接直接連至家中的智慧儀表，通常使用Zigbee網狀網路。IHD顯示累積和瞬間的公用事業使用費率(例如本月迄今為止的瓦斯使用量為35美元、當前用電量為每小時0.63美元等)。家用顯示器在英國的家庭中很常見，它們是智慧能源部署中智慧儀表的一部分，其中所有電表和瓦斯表都能夠連接到Zigbee家域網路(HAN)。它們也可以從北美的一些公用事業取得，那裡部署的許多儀表也內置Zigbee HAN功能。

通訊技術使智慧儀表更聰明

場域網路

智慧儀表部署中可使用許多不同類型的通訊技術，典型安裝中通常使用具有星狀或網狀拓撲的sub-GHz場域網路(FAN)，用於工業、科學和醫療(ISM)免執照的頻率上運行的專有協定。許多專有協定可能基於IEEE 802.15.4g實體層標準，許多AMI設備供應商正在調整他們的產品，以相容Wi-SUN聯盟採用的標準。無線M-Bus(wM-Bus，EN 13737)是另一種ISM頻段FAN技術，它在許多歐洲國家十分常見，用於公用事業儀表和熱量成本分配器。由法國GRDF和SUEZ支持的WIZE聯盟建立在wM-Bus的基礎上，以開發和推廣用於水表和瓦斯表的169MHz ISM頻段LPWAN技術。

一些AMI供應商，例如Sensus和丹麥的Kamstrup，甚至在某些國家擁有頻譜執照，允許他們以比ISM頻段允許的更高功率進行傳輸，使其能提供更遠距離的授權頻段網路。

低功率廣域網路

基於對場域儀表網路連接到廣域網路所需的社區聚合器的定位和供電考慮，某些儀表供應商支援的一些公用事業，正在使用直接內建WAN功能的儀表設備。這可能包括使用2G、3G或4G蜂巢式通訊技術的機器對機器(M2M)連接。直到最近，大多數M2M蜂巢式解決方案都還過於昂貴且耗電，而無法廣泛使用，通常僅在絕對必要的情況下才會使用。

然而，隨著3GPP第13版(NB-IoT，又名LTE Cat NB1)中，新的窄頻物聯網標準開始往降低功率和成本的方向，使授權頻段蜂巢式WAN解決方案也越來越適合智慧計量應用。除了窄頻物聯網之外，還有許多競爭性的免執照頻段低功率廣域網路(LPWAN)技術正在爭奪公用事業、儀表供應商和其他智慧城市和物聯網應用的關注，包括LoRaWAN、Sigfox、Weightless和Telensa。

目前公用事業產業中，對於LPWAN與FAN連接的爭議很多，然而，對於大多數電力公司，無論是政府或是投資人所有，大多數智慧計量部署迄今為止似乎都朝著FAN方向發展。

智慧計量通訊的問題在於「它不是也可能永遠不會是通用的方案」，即使電力公司已投資建立自己的AMI場域網，它也幾乎肯定需要使用替代通訊技術(例如蜂巢式網路)連接到一些偏遠客戶。這是許多儀表設計採用模組化設計的原因之一，通訊部分與儀表的計量部分分開。通常每個部分都在自己的電路板上，通訊部分具備模組化外形，以便公用事業技術人員能夠輕鬆進行現場安裝和更換。而認證則是大多數儀表設計中將計量和通訊分開的另一個原因。

為確保準確度，計量有非常嚴格的認證要求，雖然大多數無線通訊系統的認證要求也存在，但是由完全不同的組織認證的。此外，雖然智慧電表的計量部分不太可能需要進行軟體更新，但不斷變化的通訊要求，或者更不幸的萬一發現新的安全漏洞，很可能需要確保將軟體更新部署到通訊子系統。當然，手動部署此類軟體的更新會非常昂貴，因此現在都希望在智慧電表中包含部署OTA更新的能力。至少，OTA支援需要將程式記憶體(通常是快閃記憶體)的容量增加一倍，並具備適當的安全功能，以防止在設備上安裝未經授權的軟體更新。

因此，雖然當今大多數儀表都有兩個獨立的子系統，一個用於計量，一個用於通訊，每個子系統都有自己的MCU，但如果將這兩個子系統組合而為一，似乎在成本和功耗方面都有好處。可以利用一種較新的無線SoC元件將它們合併，該元件整合完整的無線收發器，通常是雙頻段sub-GHz和2.4GHz，並具備強大的MCU和周邊裝置。可惜迄今為止，目前幾乎沒有這樣的單晶片電表設計實例，主要因為無線電通訊的模組化需求。本文預計第一個使用單無線SoC的儀表將是熱量成本分配器，因為它們幾乎都使用wM-Bus通訊且只有簡易的計量需求，簡易的瓦斯表和水表也可能使用類似的單無線SoC設計。

家域網路

在許多智慧計量部署中，重要的第三類通訊網路是家域網路亦即HAN。Zigbee聯盟與電力研究所(EPRI)和其他機構合作，開發了其2.4GHz ISM頻段IEEE 802.15.4網狀網路規範的智慧能源部署文件。智慧儀表現在正在北美和英國部署，其中包括符合智慧能源標準的Zigbee無線電。在英國，Zigbee無線電在智慧計量設備技術規範(SMETS)中，被指定為英國智慧能源計畫中使用的所有家用設備必要的HAN，該計畫的既定目標是在2020年底將5,000萬個智慧電表和瓦斯表部署到2,300萬個英國家庭。在英國的部署中，每個智慧電表和瓦斯表中都有一個Zigbee無線電，也包括家庭顯示器，以及將每個家庭的HAN連接到WAN的通訊中心。

SMETS的目標(第一代SMETS1設備尚未實現)是英國40多家能源電力和天然氣零售商中的每一家都將使用可互通的設備，使客戶毋需更換計量表即可輕鬆切換能源供應商設備。此外，SMETS2還增加對868MHz Zigbee無線電的支援，以解決在某些位置2.4GHz無線電傳播可能遇到困難的問題。雖然英國的智慧儀表僅使用Zigbee HAN通訊，但北美智慧儀表部署通常包括Zigbee無線電和更典型的sub-GHz FAN無線電。奇怪的是，據傳聞報導表示，儘管經常部署支援Zigbee的儀表，但如今幾乎沒有北美公用事業供應商啟用這種HAN功能。

Zigbee並不是唯一被使用的HAN技術，在日本，電力公司採用了一種名為ECHONET的Wi-SUN HAN技術，東京電力公司(TEPCO)將其稱為Route B。

Wi-Fi、藍牙和Z-Wave

雖然智慧儀表使用各種不同的無線網路技術，但值得注意的是三個眾所周知的標準(幾乎)完全沒有在AMI網路中使用：Wi-Fi、藍牙和Z-Wave。Wi-Fi沒有被使用可能是因為對於目前電池供電的儀表來說功耗太高，也許更重要的是公用事業不想依賴客戶的Wi-Fi網路。未來可能透過新的低功耗Wi-Fi實作來解決供電問題，這表示有朝一日可能會在智慧儀表中看到一些Wi-Fi的使用。

可以想像藍牙向客戶的智慧手機提供消耗量訊息的案例，但即使使用新的藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)產品，功耗和成本也可能令人望而卻步。此外，對於這個案例來說，藍牙並不是真正必要的，因為客戶可以透過公用事業供應商提供的網頁，甚至智慧手機應用程式，在他們的裝置上獲得相同的訊息。一個更有趣的案例可能是使用藍牙低功耗使公用事業技術人員能夠對儀表進行配置和維護。目前，一些儀表使用紅外線數據協會(IrDA)通訊或近距離無線通訊(NFC)提供此功能。藍牙低功耗可用於為儀表提供更好的維護介面，並且可以在標準智慧手機上實現，不需要專門的IrDA設備。

此外，將藍牙低功耗功能添加到具有Zigbee 2.4GHz無線電的儀表中可能會相對便宜，特別是如果Zigbee使用最新一代支援多重協定的無線SoC之一部署的，例如Silicon Labs Mighty Gecko系列。

多重協定無線通訊簡化成本

多重協定無線連接的一個有趣案例是由公用事業的技術人員啟用基於行動裝置的儀表部署和管理。在這種情況下，儀表將同時支援公用事業所需的FAN或LPWAN協定和藍牙低功耗。透過使用同步藍牙通訊增強儀表功能，技術人員現可使用行動應用程式直接設置儀表、收集計量訊息並在現場執行維護。這些新功能簡化日常任務，並有可能為公用事業節省成本。如果儀表使用了多重協定晶片或SoC(例如Wireless Gecko)，那麼為儀表添加藍牙低功耗連接的成本是相對較低的。

智慧儀表布建現況

電表是目前使用最廣泛的智慧儀表類型，一些國家如西班牙、義大利，甚至中國，已經接近飽和點，幾乎每個家庭都安裝智慧電表。據估計全球每年大約安裝1億個新的智慧電表，但由於某些市場的飽和，這個數字可能會緩慢下降。然而，隨著電力公司更新其先進的計量基礎建設網路以增加更多的智慧電網功能，新的電表部署可能會以類似的速度繼續進行。

智慧電網將實施諸如需求響應等措施，使電力供應幾乎可以瞬間響應需求變化，甚至可以預測此類變化，前提是如果家用恆溫器等設備，在實際工作之前，可以通知公用事業打開或關閉暖氣或冷氣設備。與簡單的消耗量報告相比，這種先進的智慧電網功能需要更高的數據速率和更低的通訊延遲，因此，最新一代的電表往往比其他類型的儀表具備更強大的通訊能力。

即使智慧電表的部署率可能會下降，但智慧瓦斯表和水表的安裝率肯定會增加。許多瓦斯和自來水公司尚未完成向其客戶推出智慧儀表的工作，這為智慧儀表供應商發展業務創造了機會。雖然2017年這兩種儀表的年出貨量可能低於1,500萬，但未來五年的年出貨量可能會翻倍。 全球熱量成本分配器的出貨量可能在2,000萬個單元範圍內(±50%)，並且在可預見的未來裡，這個市場似乎將持平，因為市場可能已經接近飽和，並且大多數新出貨量是用於更換裝置，通常每8~12年需要更換一次，主要是因為需要更換電池。

儀表電子設備供電/設計

高數據速率、低延遲的通訊可能很昂貴，需要無線電來實施調變方案，例如正交頻分多工(OFDM)，這不僅需要昂貴的設備，而且比低數據速率的實施需要更多的功率。幸運的是，電表的功耗通常不是問題，因為自身就帶有電源(也可能由備用電池補充，使電表能夠提供停電通知和監控)。

但是，其他智慧儀表沒有這種內建電源，瓦斯表、水表、熱量表和熱量成本分配器幾乎都是由電池供電。對於這些電池供電的儀表，必須大幅減少電子設備的功耗，以盡量延長電池壽命，而特殊的電池化學物質，例如鋰亞硫醯氯(LTC，LiSOCl2)，可以使用長達20年，只要電子設備在此之前不會耗盡電池電量。公用事業通常不希望客戶更換儀表中的電池，並且派遣技術人員更換儀表電池(或更可能是整個儀表)的成本很高，因此這些儀表的電池壽命必須在10~20年。然而，中國的一些瓦斯公司在其室內儀表中使用標準的消費型AA尺寸電池，並要求客戶大約每12~18個月更換一次電池，以確保其瓦斯供應的連續性(即無電池就無瓦斯)。

由於需要盡量延長電池壽命，智慧儀表電子設計人員在選擇用於其設計的元件時非常重視功耗，並且通常願意在功耗較低的設備上花費更多的錢，因為替代方案是花更多的錢購買更大的電池。優秀的設計人員還意識到功耗不僅僅是查看產品規格，例如無線電接收功率或CPU睡眠電流。如果數據速率較低，或者容易受到干擾，需要多次傳輸重試，則低功率無線電可能不會降低功耗。相同地，與具備在CPU保持休眠狀態下，支援周邊設備捕獲和資料儲存的直接記憶體存取方案MCU相比，如果具備低睡眠電流的MCU在每次需要記錄感測器輸入時都必須完全喚醒，則實際上可能會消耗更多的電量。在延長電池壽命方面，投資在更先進的電源管理電路會帶來巨大助益，尤其是在優化智慧儀表系統各個部分的電壓方面。

例如LTC電池的電壓名義上為3.6V，但無線電功率放大器(PA)可能不需要超過3.3V，同時CPU核心可能在1.0V下能最高效運行，而具備CPU的MCU上的類比周邊設備需要1.8V電源才能在規格範圍之內運行。所有這些不同的電壓都可以使用低成本的低壓降(LDO)穩壓器提供，但代價是浪費電池容量，尤其是在1.8V和1.0V電源的情況下，它們能夠使用更高效的開關降壓穩壓器來生成，理想情況下，除了被動元件之外，所有元件都可以完全整合到MCU上。

智慧計量生態系統/商業模式

智慧計量生態系統和商業模式，可以像智慧計量中使用的產品和技術一樣多元。部署智慧儀表的公用事業通常由當地市政當局、國家所有，也可以是投資者擁有的公司的一部分。這些公司可能為他們的客戶提供單一的公用事業服務，也可能是提供電、氣、水或熱的任意組合的多服務供應商。為了部署智慧計量，公用事業不僅需要購買儀表，還需要有網路基礎建設，以讓儀表進行通訊。此外，還需要布建後台表計資料管理(MDM)系統和軟體，以向消費者提供每月的帳單。公用事業可能會購買或租用營運其業務所需的這類系統。

許多AMI供應商為其客戶提供建置和租用網路的選項，MDM供應商也是如此。幾家供應商為其客戶提供一站式服務，提供實施智慧計量所需的一切，其中一些供應商正在為其客戶提供計量即服務(MaaS)商業模式，使得公用事業可以透過提供公用事業服務和管理其家庭和企業客戶群來專注於他們最擅長的事情，而儀表和AMI設備供應商則負責管理儀表、網路和所有儀表數據。

除了計量和通訊設備製造商以及MDM系統供應商之外，還有其他生態系統參與者需要了解，例如政府監管機關推動對儀表的要求和規定，還要嚴格監管通訊、銷售頻譜執照，並規定如何使用免執照頻段。

電氣和電子工程師協會(IEEE)和網路工程任務小組(IETF)等標準機關是定義基本通訊要求的關鍵，Wi-SUN聯盟等機構透過定義如何使用IEEE和IETF標準來補充，以鼓勵多供應商通訊互操作性。還有一些組織在應用程式級別定義資料互操作性，例如負責裝置語言訊息協定(DLMS)和能源計量配套規範(COSEM)的DLMS用戶協會。

智慧儀表未來市場規模可期

智慧儀表的世界以多樣性為主，目前全球有200多家智慧設備供應商，有多種儀表設備類型可供使用，使用種類繁多的計量和通訊技術。在智慧計量領域，沒有任何技術、標準或公司會完全占據主導地位。

儘管FAN無線M-Bus在歐洲得到廣泛採用，並且在北美和亞洲的一些重要部署可能會符合Wi-SUN標準，但一些公用事業希望完全避免使用FAN，並將LPWAN功能直接放入儀表中。計量設備供應商需要能夠為FAN、HAN和LPWAN建構支援廣泛通訊技術的產品，但除此之外，還需要具備計量和低功耗設計技術方面的專業知識。

無論選擇何種無線協定，多重協定連接都是降低設計成本、增強產品功能和改善最終用戶體驗的可行選擇。成功設計實施的回報是很可觀的，當前部署量已超過1億個裝置。迄今為止，沒有一家供應商在全球範圍內擁有接近10%的市場占有率，而且絕大多數傳統儀表尚未獲得更新，這為全球許多智慧儀表供應商在未來提供大量的機會。

(本文由Silicon Labs提供)