智能能源的商業驅動力很容易理解;估計節省1千瓦時電力的成本約為1.7美分，而生產1千瓦時的成本現在被認為是10美分左右。不管你看這些數字，都可以節省開支。立法也發揮了作用，因為渴望被視為進步的政府正在實施智能能源的要求，供應商必須遵守這些要求。

公用事業公司有義務安裝和維護智能能源網絡這一事實意味著他們最初會明顯產生成本，可能是因為他們會在以后獲得收益。然而，如果供應商要看到這些潛在的好處，智能電表的成本和功能必須既低又全面。

這給半導體制造商施加壓力或創造機會，以制造出正確的解決方案，而且這些解決方案越來越多地基于MCU，但具有針對這個快速發展的市場的非常具體的功能。

在您的網絡中

智能電網的關鍵在于創建不是一個單一的網絡，而是創建一系列規模越來越大的網絡，以滿足所有需要的設備受到監控。這產生了諸如歸屬區域網絡（HAN）和鄰域區域網絡（NAN）之類的網絡層次結構，其又成為局域網（LAN）和/或廣域網（WAN）。

在每個點上，協議和物理接口可能會有所不同，因此在每個階段保持安全性，性能和數據完整性要求設備能夠理解這些要求并能夠在這些限制范圍內工作。

圖1：飛思卡爾提供針對智能電網特定領域的各種MCU。

圖1顯示了飛思卡爾對家庭能源管理系統的建議，這將具有許多功能，包括從智能電表和其他內部設備收集實時能耗;向用戶提供有關如何在本地使用能源的反饋;允許用戶控制其他本地連接的設備;并提供寬帶連接的無處不在的鏈接。雖然系統的核心是基于處理器，但無線接口將由MKW20等設備實現。

這款支持無線功能的MCU內置ARM Cortex-M4核心，耦合具有完全兼容的802.15.4收發器，可在2.4 GHz頻率ISM頻段中的16個可選通道之一上運行（圖2）。

圖2：集成RF收發器的MCU，如飛思卡爾的MKW20系列，預計將在智能電網中有很高的需求。

類似的MCU，基于8位8051內核，可從Silicon Labs獲得。據Silicon Labs稱，Si106x/108x系列適用于智能計量應用，特別是在電池供電的情況下，因為該系列可以在單個電池上運行20年。這可能對預期構成HAN一部分的設備非常有用，如下所述。

集成

預計儀表有多種形狀和尺寸，不僅如此監測能源的使用，但幾乎任何效用，或其影響。當然，典型的公用設施是天然氣和水，因此流量計將構成HAN的很大一部分。使用像Si106xx/8xx這樣的東西可以與另一個專用于計量功能的MCU一起工作，但當然有些制造商可能希望將所有這些功能合并到一個設備中。

對于某些MCU，這可能是一個挑戰，但Atmel已經開發出專門針對該應用領域的解決方案：SAM4C系列。這些是被描述為用于智能能源應用的SoC的MCU，并且不難看出原因。首先，該系列中的器件集成了兩個ARM Cortex-M4內核;一個（描述為應用程序或主核心）是運行在120 MHz的Cortex-M4，具有存儲器保護單元和DSP指令。第二個（稱為協處理器，旨在運行計量功能）是Cortex-M4F，具有單精度浮點單元（FPU）。圖3顯示了采用雙核架構的SAM4C系列的框圖。

圖3：Atmel的SAM4C系列提供雙ARM Cortex-M4內核，可將應用程序代碼與通信和安全性相結合。

支持高性能AES 128到256加密，具有TRNG（真隨機數發生器），基于安全散列算法的公鑰加速器和完整性檢查模塊（SHA1，SHA224，SHA256）。它還提供多達四個物理防篡改檢測I/O，帶有時間戳和立即清除通用備份寄存器。這些功能允許SAM4C系列在單個設備中集成應用層，通信層和安全功能。

智能能源應用中對安全性的需求顯然很高，而且正是在這里，一些制造商正在推動技術提供新的創新解決方案，如下所述。

窺探

現在，許多MCU都提供符合3DES，AES，RSA和ECC等標準的片上加密技術，并且已經在ZigBee，Wi-Fi和藍牙等協議中使用。密碼學的硬件加速也變得越來越普遍，特別是在針對智能能源領域的MCU中。運行加密算法的一個組成部分是安全密鑰存儲，德州儀器的基于Ferroelectric RAM（FRAM）的MSP430器件可能特別受關注。

與閃存不同，FRAM不需要充電泵，這有兩個好處;首先，這意味著MCU需要更少的功率來讀/寫內存，因此在電池供電的應用中更經常這樣做。對于智能設備，智能流量計或智能熱量表，這將為電池更換之間的服務時間提供顯著優勢。但從安全的角度來看，或許更重要的是，由于不需要電荷泵，因此在存儲密鑰之前不會發生“告密”電源尖峰。正是這個簽名，不需要的窺探者將尋找以獲取密鑰。

MSP430F6系列在安全敏感型應用中的另一個好處是，即使在此過程中斷電，它也能完成FRAM寫入。它通過集成片上電容器來實現這一目標，該電容器可存儲足夠的功率以完成整個過程。這與基于閃存或EEPROM的設備形成對比，后者必須在過程中發生電源故障時存儲數據的副本。顯然，從安全的角度來看，避免這種情況會更好，FRAM提供了這種優勢。

結論

智能電網和智能計量行業自然受到IEC 62056等標準的支配，涵蓋了公認的規范，如DLMS（設備語言消息規范）和COSEM（伴隨規范）。能量計量），以及包括ZigBee，藍牙和Wi-Fi的協議（更不用說Thread，Weightless和其他現在出現的）。支持這些標準和規范，同時仍然提供一定程度的差異化，是半導體供應商留在這個市場并繼續開發創新和有利解決方案的關鍵。幸運的是，這個行業充滿了創新，智能家居，物聯網甚至工業4.0的承諾都在拉近距離。這一新景觀將確保所有人的供應安全，并在降低能源成本方面發揮重要作用，在所有情況下都可以發揮作用。

圖4：飛思卡爾的智能電網和計量解決方案概述。