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 解決方案為智能計量應(yīng)用提供了許多優(yōu)勢，包括較低的通信基礎(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)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)的主動接口，可以對數(shù)據(jù)進行更大的分析和解釋。特別是傳統(tǒng)的機械和機電電能表，例如水和煤氣表，可以用數(shù)字計量功能代替。在同一時期，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)可以實時捕獲能源傳輸和消耗方式的詳細(xì)信息。ABI Research 估計，到 2020 年，全球部署的智能電表數(shù)量將達到 7.8 億個電力、1.5 億個燃?xì)夂?9000 萬個水。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)電等）、輸配電、智能測量（住宅、商業(yè)和工業(yè)）和電動汽車（站管理充電） ）。

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

　　智能電表正在幫助實現(xiàn)電網(wǎng)現(xiàn)代化，提供遠程監(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。通過實時收集能源消耗信息，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。同時，智能計量改善預(yù)測并降低能耗，簡化微發(fā)電監(jiān)控，監(jiān)控發(fā)電和消耗的能源。智能計量絕對對最終客戶也有好處，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的，公用事業(yè)需要一個安全且現(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)模測量基礎(chǔ)設(shè)施，但蜂窩通信現(xiàn)在是首選。移動網(wǎng)絡(luò)是理想的，因為它是一個現(xiàn)有且經(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)單位能夠以更低的成本遠程、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)簡化了硬件和軟件部署，并提高了運營效率。今天在很多方面‘ s 智能電表是即插即用的，可以實現(xiàn)更快、更簡單和更便宜的安裝。移動運營商促進與后端管理、計費和遠程云管理系統(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。

各種智能電表的實施，例如與用水有關(guān)的電表，正值對環(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。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)水方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。更簡單和更便宜的安裝。移動運營商促進與后端管理、計費和遠程云管理系統(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。各種智能電表的實施，例如與用水有關(guān)的電表，正值對環(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。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)水方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。更簡單和更便宜的安裝。移動運營商促進與后端管理、計費和遠程云管理系統(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)用中的電表進行通信。今天，蜂窩技術(shù)正在成為智能計量和智能電網(wǎng)整體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)選項：第二代 （2G） 和第三代 （3G）。當(dāng)今大多數(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、GSM 演進的增強數(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)，這使得它們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)用中擁有較寬的可用帶寬，從而為額外的消費者服務(wù)提供機會。智能 4G 傳感器的另一個原因是最新的長期演進 （LTE） 版本包括 LTE-M，這是專為機器對機器通信而設(shè)計的規(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)的低功耗需求進行了優(yōu)化）。特別是 M1 類別允許 LTE 經(jīng)濟地支持有效的、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。

　　高端LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由三個主要部分組成：用戶設(shè)備（UE）；先進的 UMTS 地面接入網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN）；和演進分組核心（EPC）。E-UTRAN 管理移動設(shè)備與高級數(shù)據(jù)包核心之間的無線電通信。它只有一個組件，即演進基站，稱為 eNodeB 或 eNB。每個 eNB 都是一個基站，用于監(jiān)視一個或多個小區(qū)中的移動設(shè)備。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

　　在使用蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施進行智能計量時，業(yè)界正在努力制定最佳實踐設(shè)計指南。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)該具有類似于實時操作系統(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量系統(tǒng)。該公司致力于通過 ATEX 認(rèn)證移動產(chǎn)品組合進入智能計量市場，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)計中的外形尺寸。LARA-R2 系列模塊支持多達四個 LTE 頻段、多達兩個 3G UMTS/HSPA 頻段以及多達兩個用于語音和/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 IP 堆棧，旨在支持廣泛的數(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 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 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）或普通 I 2 S 模式（信號長同步）下使用 AT 命令進行配置） 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。每個模塊都根據(jù) ISO16750 進行了全面測試和認(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 射頻信號的主要射頻輸入/輸出。第二個射頻輸入僅支持 LTE / 3G Rx 分集配置的 Rx。

　　圖 3：模塊必須通過三個 V CC引腳供電。這些代表模塊電源輸入，它們在內(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 ASIC、包含 NAND 閃存和 LPDDR2 RAM 的內(nèi)存系統(tǒng)、穩(wěn)壓器和提供時鐘參考的 32.768 kHz 晶體振蕩器。

　　智能計量和蜂窩網(wǎng)絡(luò)

　　智能電表之所以“智能”，是因為它能夠?qū)?zhí)行計量功能的前端電子電路連接到通信網(wǎng)絡(luò)，從而為消費者和公用事業(yè)提供商提供測量數(shù)據(jù)。對于這些活動，儀器必須配備傳感器、通信接口、電源和用于管理整個系統(tǒng)的微控制器。選擇的智能電表類型取決于需要測量的內(nèi)容：能源、水或燃?xì)猓灰约皩⑹褂玫?a href="http://www.3532n.com/soft/data/43-44/" target="_blank">通信技術(shù)。通過將通信網(wǎng)絡(luò)外包給移動運營商，公用事業(yè)提供商可以顯著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 a） 智能電表的簡化框圖。

　　當(dāng)前的蜂窩覆蓋范圍幾乎無處不在，覆蓋了智能計量基礎(chǔ)設(shè)施可尋址人口的約 99%。事實上，大多數(shù)地區(qū)都被多個蜂窩網(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)域單獨采用 LTE 進行智能測量有三個主要市場驅(qū)動力：長期使用；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提供服務(wù)；和移動網(wǎng)絡(luò)運營商的投資。

　　安全是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，公用事業(yè)供應(yīng)公司使用的復(fù)雜計算機網(wǎng)絡(luò)將不得不工作很長時間。對智能電表固件的故障或惡意攻擊可能會導(dǎo)致數(shù)百萬臺設(shè)備同時停用，從而對網(wǎng)絡(luò)造成巨大破壞并影響該國的大部分地區(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情況。電力公司必須在集中式 IDS、嵌入式 IDS 或?qū)Ｓ糜趩蝹€公用事業(yè)需求的 IDS 之間進行選擇。研究人員發(fā)現(xiàn)，對于典型的高級測量基礎(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。另一個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主要集中在數(shù)據(jù)收集和損失監(jiān)測等需求上，這些要求都沒有智能電表所需的按需管理或電網(wǎng)監(jiān)測那么密集。

　　移動標(biāo)準(zhǔn)提供了與消費設(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，在長期運行過程中識別和處理威脅是確保智能電表安全有效部署的下一步。一個有前途的解決方案包括累積認(rèn)證內(nèi)核 （CAK） 和基于計量器的算法，以提供另一層安全性。CAK 可以在 8 位或 32 位微控制器上運行，并且需要最少的內(nèi)存，使其具備典型智能電表設(shè)計的處理能力。

　　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)變需要對基礎(chǔ)設(shè)施進行根本性的改變。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量實現(xiàn)了強大且安全的解決方案，這是主要電表供應(yīng)商實現(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，電力供應(yīng)商和電表制造商應(yīng)仔細(xì)考慮移動技術(shù)可以在智能電網(wǎng)中提供最大價值的領(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。