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，例如操作范圍，數(shù)據(jù)速率，安全性以及與其他產(chǎn)品的互操作性。蜂窩廣域網(wǎng)解決方案為智能計量應(yīng)用提供了許多優(yōu)勢，包括降低通信基礎(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)型大大提高了質(zhì)量在控制工程中，通過與各種電子系統(tǒng)的有效接口，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行更大的分析和解釋。特別是，傳統(tǒng)的機械和機電能量計，例如水和氣體，可以用數(shù)字計量能力代替。在類似的時期，基于互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備行業(yè)也發(fā)生了巨大的變化，這種變化無處不在：只是觀察街上的人們?nèi)绾问褂?a target="_blank">智能手機作為我們感官的延伸。

世界各地的能源供應(yīng)商正在投資新技術(shù)以優(yōu)化現(xiàn)有的智能電網(wǎng)。通過使用雙向和數(shù)字端到端智能基礎(chǔ)設(shè)施，公用事業(yè)公司可以捕獲實時傳輸和消耗能源的詳細(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7.8億電力，1.5億用于天然氣，9000萬用于水。這是一個巨大的市場機會。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)電源等），輸配電，智能測量（住宅，商業(yè)和工業(yè)）和電動汽車（車站管理充電） ）。

圖1：智能電網(wǎng)是一個帶有智能傳感器的配電網(wǎng)絡(luò)，可以收集實時信息。

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。更頻繁，更可靠地傳遞有關(guān)能源質(zhì)量和電力的信息。通過實時收集能耗信息，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營來降低成本。與此同時，智能計量可改善預(yù)測并降低能耗，簡化微型發(fā)電監(jiān)控，并監(jiān)控生成和消耗的能源。智能計量對于最終客戶來說無疑也是一種好處，可以為他們提供節(jié)能和更高的服務(wù)可靠性。

為確保所有這些優(yōu)勢都是真實的，公用事業(yè)需要安全且現(xiàn)有的雙向通信基礎(chǔ)設(shè)施連接并與給定位置中存在的各種智能儀表通信。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)在是優(yōu)選的選擇。移動網(wǎng)絡(luò)是理想的，因為它是一個現(xiàn)有的，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)公司能夠更頻繁地遠(yuǎn)程獲取儀表讀數(shù)，并且成本更低。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，并提高了運營效率。在許多方面，今天的智能電表是即插即用的，允許更快，更簡單和更便宜的安裝。移動運營商促進(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，并使用強大的加密，安全連接和安全訪問機制來保持網(wǎng)絡(luò)及其客戶數(shù)據(jù)的安全。各種智能電表的實施，例如與用水有關(guān)的電表，是在對環(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出現(xiàn)的。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)約用水方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)

電力供應(yīng)商長期以來一直在使用WAN無線解決方案在大量應(yīng)用程序中與儀表通信。如今，蜂窩技術(shù)正在成為整個智能計量和智能電網(wǎng)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)選擇：第二代（2G）和第三代（3G）。今天的大多數(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)，增強GSM演進(jìn)的數(shù)據(jù)速率（EDGE）。 EDGE技術(shù)提供比GPRS更多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及更新技術(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)，使其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)用中具有可用的寬帶寬，從而為其他消費者服務(wù)提供了機會。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，這是為機器對機器通信設(shè)計的新規(guī)范。類別1，M1和NB1（也稱為NB-IoT）等LTE-M標(biāo)準(zhǔn)針對大量設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，數(shù)據(jù)復(fù)雜度低，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。特別是M1類別允許LTE在各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中經(jīng)濟地支持有效的低端應(yīng)用。通常，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提供更高的穿透力和電池壽命。與GPRS和其他常規(guī)2G和3G標(biāo)準(zhǔn)（如CDMA和UMTS）相比，兩者都具有這些優(yōu)勢。

高端LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由三個主要組成部分組成：用戶設(shè)備（UE）;先進(jìn)的UMTS地面接入網(wǎng)（E-UTRAN）;和演進(jìn)分組核心（EPC）。 E-UTRAN管理移動設(shè)備和高級分組的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是監(jiān)視一個或多個小區(qū)中的移動設(shè)備的基站。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

行業(yè)正在努力制定指南使用蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行智能計量時的最佳實踐設(shè)計。通過這些指導(dǎo)原則，儀表生產(chǎn)商可以幫助確保蜂窩智能計量技術(shù)提供高性能和長使用壽命。例如，將通信協(xié)議構(gòu)建到模塊而不是儀表中，允許供應(yīng)商升級技術(shù)而無需更換儀表本身。

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

u-blox擁有完整系列的蜂窩通信模塊，可以在世界任何地方實現(xiàn)智能測量系統(tǒng)。該公司致力于智能計量市場，擁有經(jīng)過認(rèn)證的ATEX移動產(chǎn)品組合，其生產(chǎn)基于ISO 16785，以保證和滿足行業(yè)細(xì)節(jié)，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 mm，100引腳）封裝的LTE Cat 1/3G/2G模塊，可提供易于集成到超緊湊設(shè)計中的外形。 LARA-R2系列模塊最多支持4個LTE頻段，最多2個3G UMTS/HSPA頻段，以及最多2個2G GSM/GPRS頻段，用于語音和/或數(shù)據(jù)傳輸（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的IP堆棧，旨在支持各種數(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模塊支持從LTE到3G或2G的LTE語音（VoLTE）和電路交換回退（CSFB），用于提供音頻服務(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模式下配置AT命令（短同步信號），或者在正常模式下配置 2 S模式（信號長同步），用于將數(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模塊采用ISO/TS 16949制造經(jīng)過認(rèn)證的設(shè)施，確保最高的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和最高的質(zhì)量和可靠性。對于安裝在車輛中的系統(tǒng)，每個模塊都經(jīng)過全面測試和認(rèn)證，符合ISO16750標(biāo)準(zhǔn)。

LARA-R2系列模塊提供兩個RF接口，用于連接外部天線。用于發(fā)送和接收LTE/3G/2G RF信號的主要RF輸入/輸出。第二個RF輸入僅支持Rx，用于LTE/3G Rx分集配置。

圖3：必須通過三個VCC引腳提供模塊。這些代表模塊電源輸入，內(nèi)部連接到RF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，晶體振蕩器，濾波器組成，雙工器和RF開關(guān)。根據(jù)作為LTE類別1用戶設(shè)備的模塊支持的LTE接收器分集無線電技術(shù)來實現(xiàn)雙接收路徑。基帶和電源管理部分由以下主要元件組成：混合信號ASIC，包括NAND閃存和LPDDR2 RAM的存儲器系統(tǒng)，穩(wěn)壓器和用于提供時鐘參考的32.768 kHz晶體振蕩器。

< h2>智能計量和蜂窩網(wǎng)絡(luò)

智能電表“智能”的原因是能夠?qū)?zhí)行計量功能的前端電子電路連接到生成測量數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)可供消費者和公用事業(yè)提供商使用。對于這些活動，儀器必須配備傳感器，通信接口，電源和微控制器，以便管理整個系統(tǒng)。選擇的智能電表類型取決于需要測量的內(nèi)容：能源，水或天然氣;以及將要使用的通信技術(shù)。通過將通信網(wǎng)絡(luò)外包給移動運營商，公用事業(yè)提供商可以大大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ab）智能電表相比的簡化框圖。

目前的蜂窩覆蓋范圍幾乎無處不在，覆蓋智能計量基礎(chǔ)設(shè)施中約99％的可尋址人口。事實上，大多數(shù)區(qū)域都被多個蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋，使公用事業(yè)部門能夠根據(jù)位置使用最佳可用蜂窩網(wǎng)絡(luò)來部署智能電表，同時保持備份網(wǎng)絡(luò)功能。在水和天然氣等應(yīng)用領(lǐng)域中，單獨采用LTE進(jìn)行智能測量有三個主要的市場驅(qū)動因素：長期使用;頻譜效率，這意味著可以在給定的頻譜上提供許多其他智能終端;移動網(wǎng)絡(luò)運營商的投資。

安全是一個快速發(fā)展的環(huán)境，公用事業(yè)供應(yīng)公司使用的復(fù)雜計算機網(wǎng)絡(luò)必須長期運作。智能電表固件的故障或惡意攻擊可能導(dǎo)致數(shù)百萬設(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。電力公用事業(yè)公司必須在集中式IDS，嵌入式IDS或?qū)Ｓ糜趥€人公用事業(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)架構(gòu)，集中式IDS架構(gòu)在成本效率和安全性方面具有優(yōu)勢。另一個考慮因素是儀表和公用設(shè)施之間所需的通信水平。就天然氣，水和熱而言，重點主要集中在數(shù)據(jù)收集和損耗監(jiān)測等要求上，這些要求不如按需管理或智能電能計量所需的電網(wǎng)監(jiān)控強烈。

移動標(biāo)準(zhǔn)提供與消費者設(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，在長期運行期間識別和處理威脅是確保安全有效地部署智能電表的下一步。一個有前途的解決方案包括累積證明內(nèi)核（CAK）和基于儀表的算法，以提供另一層安全性。 CAK可以在8位或32位微控制器上運行，并且需要最少的內(nèi)存，使其處于典型智能電表設(shè)計的處理能力之內(nèi)。

結(jié)論

能量轉(zhuǎn)換來自傳統(tǒng)的基于可再生能源的系統(tǒng)供應(yīng)需要對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行根本性改變。特別是，從集中式網(wǎng)絡(luò)向分布式架構(gòu)的過渡極大地增加了對基于ICT的管理和控制方法的需求。

智能電網(wǎng)通信作為智能電網(wǎng)愿景的一部分實現(xiàn)智能計量，安全解決方案，是主要電表供應(yīng)商實現(xiàn)滿足未來期望的實施方式的一種方式。 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，快速運行時間和其他優(yōu)勢，電源供應(yīng)商和電表制造商應(yīng)該仔細(xì)考慮移動技術(shù)在智能電網(wǎng)中可以提供最大價值的領(lǐng)域。他們應(yīng)該確保現(xiàn)代智能計量設(shè)計的基本要求和最佳實踐。