在電力及燃?xì)獾饶茉搭I(lǐng)域，具備通信功能并能夠遠(yuǎn)程讀取數(shù)據(jù)的“智能儀表”受到的關(guān)注越來越高。其原因是，這種儀表有望用于多種用途，如能源使用情況的“可視化”、使用抄表數(shù)據(jù)提供咨詢服務(wù)，將來還有望用于家用設(shè)備控制等。

　　那么，這種智能儀表由哪些部件構(gòu)成，并由哪些廠商供應(yīng)主要部件？與智能手機(jī)等便攜終端相比，人們幾乎沒有機(jī)會(huì)了解智能儀表的內(nèi)部構(gòu)造。因此，為了弄清楚這些內(nèi)部情況，拆解組決定購買美國的“智能電表”產(chǎn)品，并進(jìn)行內(nèi)部分析。

　　此次是在從事過多款產(chǎn)品拆解調(diào)查的Fomalhaut Technology Solutions公司的協(xié)助下進(jìn)行拆解分析的。下面首先以具備有線通信功能的智能儀表為主，分析一下使用部件的廠商名稱及部材成本等。

　　具備以太網(wǎng)通信功能

　　此次拆解的產(chǎn)品是美國儀表廠商Itron的“Sentinel SS5S2L”（以下稱Sentinel）與美國通用電氣的“KV2”，二者均為支持120V～480V電壓的電表，具備以太網(wǎng)或電話線通信功能（表 1）。此外，為了便于參考，同時(shí)還分析了瑞士蘭吉爾（Landis+Gyr）公司的不具備通信功能的“AXS4”的內(nèi)部情況，并一起列在下表中。

表1 此次拆解分析的電表

　　這三款儀表的共同點(diǎn)是，均為電表，而且可使用液晶面板顯示數(shù)據(jù)。其不同點(diǎn)是，具備通信功能的兩款機(jī)型在內(nèi)部安裝了三塊基板，而不具備通信功能的 AXS4則將主要部件集成在了一塊基板上。而且，AXS4的部材成本推測值最低。拆解時(shí)可以看出，其他兩款機(jī)型因嵌入了通信功能，部材成本有所增加。

　　使用三塊基板

　　下面我們看一下內(nèi)部具體構(gòu)造。首先分析一下安裝在Sentinel內(nèi)部基板上的MCU等。

　　Sentinel與其他智能電表一樣采用圓筒形狀，乍看上去就像一個(gè)稍大的罐頭盒。取下外面的塑料殼，并拆除下部的加固部材后，可以看到兩塊安裝有各種部件的基板（圖1）。里面還有一塊基板，該電表共由三塊基板構(gòu)成。其中一塊是進(jìn)行以太網(wǎng)等通信處理的基板，另一塊是安裝主要MCU的主基板。每塊基板均由樹脂制成。

圖1 Itron公司的Sentinel

　　取下外殼并拆掉下部的加固部材后，可以看到兩塊基板。此外，里面還有一塊基板。

　　負(fù)責(zé)通信處理的基板上最引人注目的部件是，進(jìn)行以太網(wǎng)信號(hào)與串行信號(hào)轉(zhuǎn)換的美國創(chuàng)力（Lantronix）公司的超小型設(shè)備服務(wù)器“XPort”（圖 2）。XPort的內(nèi)部嵌入了可進(jìn)行串行數(shù)據(jù)及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理及網(wǎng)絡(luò)控制處理的電路，可以利用以太網(wǎng)線傳輸信號(hào)。位于其周圍的瑞薩電子的MCU等估計(jì)是進(jìn)行通信處理的。

圖2 以太網(wǎng)信號(hào)與串行信號(hào)的交換

　　主要安裝通信處理部分的基板。用來交換以太網(wǎng)信號(hào)與串行信號(hào)的創(chuàng)力“Xport”十分引人注目。

　　還有可能安裝了備用電路

　　主基板上安裝了多個(gè)MCU（圖3）。特點(diǎn)是采用了多款日本廠商生產(chǎn)的MCU，包括瑞薩電子的16bit產(chǎn)品與NEC電子的產(chǎn)品注1）。此外還有歐美廠商的產(chǎn)品，如美國愛特梅爾的8bit產(chǎn)品，荷蘭恩智浦半導(dǎo)體的液晶驅(qū)動(dòng)器IC等。

　　注1）本文涉及到的廠商均為電表上市時(shí)的名稱，其中包括現(xiàn)已更名的企業(yè)。

圖3 使用瑞薩等公司的MCU

　　主基板上安裝了瑞薩電子及愛特梅爾等的MCU。

　　另一個(gè)特點(diǎn)是具備兩個(gè)相似的電路塊，分別以瑞薩與NEC的MCU為中心，安裝了美國PDI公司的晶體振蕩器以及各種防噪音部件等。對(duì)此，F(xiàn)omalhaut Technology Solutions的主管柏尾南壯指出，“因?yàn)槭鞘褂脡勖L達(dá)10年的產(chǎn)品，所以使其具備了備用電路職能”。這樣就具備了冗余性，發(fā)生故障時(shí)，能夠利用另一個(gè)電路塊繼續(xù)進(jìn)行處理。

　　日本產(chǎn)品較多的原因

　　除基板外，電表內(nèi)部還嵌入了兩個(gè)圓筒形鋰離子充電電池。其形狀并非筆記本電腦等使用的直徑18mm高65mm的“18650”，而是接近5號(hào)干電池。使用這種電池之后，當(dāng)因某種原因斷電時(shí)，電路能夠繼續(xù)工作。

　　此外，還使用了尼吉康的鋁電解電容器等，明顯日本廠商的部件較多。對(duì)此，F(xiàn)omalhaut的柏尾認(rèn)為，“因?yàn)槭情L期使用的工業(yè)設(shè)備，所以選擇了長期可靠性較高的日本產(chǎn)部件”。據(jù)該公司推測，這些基板與構(gòu)成部件合計(jì)后的部材成本為5551.32日元。

　　電表如何智能：Elster REX2智能電表拆解實(shí)錄

　　電表是一個(gè)連接到電網(wǎng)的設(shè)備，任何公司或者家庭都要用到它，采用的技術(shù)可以追溯到19世紀(jì)后期。然而，工程師們最近開發(fā)出一種固態(tài)電子式電能表，能夠無線發(fā)送用電讀數(shù)。這種新的電表，消除了人為錯(cuò)誤，也能更準(zhǔn)確地監(jiān)測其系統(tǒng)。

　　這里展示了iFixit網(wǎng)站上對(duì)Elster REX2智能儀表的拆解，我們來看看它是由哪些設(shè)備構(gòu)成，揭秘他們的硬件結(jié)構(gòu)。

　　第一步

　　這里介紹先進(jìn)的電能表：Elster REX2電度表。

　　REX22智能儀表在非編程電表的基礎(chǔ)上做得的幾項(xiàng)改進(jìn)：

　　-- 1，000，000次寫周期的非易失性內(nèi)存

　　-- 完整的128位AES加密造就了先進(jìn)的安全性

　　-- 遠(yuǎn)程升級(jí)

　　-- 支持900兆赫和2.4 GHz ZigBee通信

　　-- 可選：附加通量電容

　　第二步

　　下面的拆解功能由專業(yè)人員或認(rèn)為自己是專業(yè)人士的來執(zhí)行。

　　-- 進(jìn)入電表內(nèi)部之前，必須首先拆除安全封條。如圖。

　　-- 取出安全密封條后，扭動(dòng)手腕揭開透明塑料蓋。

　　第三步

　　-- 標(biāo)記類型為R2S 是Elster REX2智能電表。 2S模式經(jīng)營的額定電壓240V，192V到288V，標(biāo)稱頻率為60赫茲。

　　-- 智能電表將有一個(gè)LAN ID ，基于IP的智能電網(wǎng)的EnergyAxis網(wǎng)絡(luò)都必須連接到一個(gè)LANID。

　　-- Elster 的電表都是用控制路徑網(wǎng)運(yùn)作在902-928 MHz ISM頻段的25個(gè)渠道。

　　-- 當(dāng)“控制網(wǎng)絡(luò)”建立時(shí)，Elster REX2能夠發(fā)現(xiàn)自己和其他電網(wǎng)之間的最佳路徑，使重復(fù)信號(hào)的噪聲和重復(fù)最少。

　　-- 如果客戶對(duì)電表作為中繼器有所擔(dān)憂，可以聯(lián)系Elster公司，要求他們的Elster電表傳送功率讀數(shù)。

　　第四步

　　-- 一個(gè)組件的兩部分是由四個(gè)塑料夾子卡住的。

　　-- 夾子被壓緊時(shí)，上下兩部分“彈開”就可以看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)了。

　　-- 第一眼看到分開的兩部分你會(huì)為內(nèi)部組件的簡單感到驚訝。

　　第五步

　　-- 當(dāng)把唯一的一根導(dǎo)線斷開后，我們就可以很清楚地看到了智能電表的電源連接。

　　-- 用尖嘴鉗夾住用來連接電源和后蓋的固定夾，就可以很容易的拆開這部分。

　　-- 輕搖之后就可以將電源連接部分拿出來。

　　第六步

　　-- 極厚的銅導(dǎo)線允許電表串聯(lián)到主電源上。它們可以承受200安培的電流。

　　-- 有趣的是，電表是靠一個(gè)連接導(dǎo)線的黑色環(huán)形電流變壓器向主板發(fā)送功耗信號(hào)的。

　　-- 電流互感器就是通過銅導(dǎo)線來測量電流，同時(shí)為主板提供電表輸出。

　　-- 長的金屬壓片可以承受電源240V的交流電。

　　第七步

　　-- 令人驚訝的是在整個(gè)設(shè)備只有一個(gè)螺絲，而且很難找到Philips 1。

　　-- 當(dāng)移除前面幾個(gè)部分后，主板就可以很容易的拆下來了。

　　第八步

　　位于主板前端的IC包括：

　　-- Teridian公司的71M6531 SoC與微處理器核心，RTC，F(xiàn)LASH和LCD驅(qū)動(dòng)器

　　-- 德州儀器LM2904低功耗雙運(yùn)算放大器

　　-- RMFD RF2172中等功率高效率放大器IC

　　-- 低于1GHz系統(tǒng)單晶片的德州儀器CC1110F32MCU和32kB閃存

　　-- 附近的兩個(gè)板通道是用來傳輸從頂部到電路板銅導(dǎo)線的240V交流電，并將藍(lán)色變壓器部分降到10v，這里完成了交流電壓整流和為主板提供合適直流分量的工作。

　　第九步

　　-- 智能電表的真正創(chuàng)新在于它的繼電器電源消費(fèi)統(tǒng)計(jì)與電表讀數(shù)器是無接觸的，這項(xiàng)創(chuàng)新Elster電表是通過向900 MHz ISM頻段發(fā)送加密信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。

　　-- Elster設(shè)計(jì)的天線模式能使信號(hào)遠(yuǎn)離辦公樓。

　　-- Elster電表在與網(wǎng)絡(luò)中的其他電表通信時(shí)只傳遞信息。他們產(chǎn)生的輻射量僅為1/4w，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于手機(jī)輻射。

　　-- Elster設(shè)計(jì)的電表可以每六個(gè)小時(shí)傳遞一次數(shù)據(jù)，傳遞時(shí)間僅為40毫秒。

　　第十步

　　-- 對(duì)智能電表的爭議在于額外的無線電頻率（RF）信號(hào)是否會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響。

　　-- 一方面，請(qǐng)?jiān)刚咧赋鲋悄茈姳肀绕鹩僧?dāng)今眾多設(shè)備產(chǎn)生的“電子煙霧”，所產(chǎn)生的射頻信號(hào)已經(jīng)是微乎其微。

　　-- 另一方面，反對(duì)者似乎不考慮智能電表的運(yùn)作特點(diǎn)，就指出在長時(shí)間內(nèi)智能電表會(huì)產(chǎn)生大量無線電波輻射。

　　-- 因此，如果該設(shè)備始終存在，就有可能會(huì)引起人們的關(guān)注。

　　第十一步

　　-- 最后，我們可以拆除液晶顯示屏。

　　-- 正如所見，單色LCD沒有任何帶狀電纜連接到主板。

　　-- 它似乎是通過底部的黑條與主板上的焊盤接觸，從而產(chǎn)生圖像來運(yùn)作的。

　　-- 這種液晶連接的方法是很常見的，黑色和粉紅色地帶被稱為“斑馬接頭”。

　　第十二步

　　-- 通常我們?cè)谧詈笠徊綍?huì)給出一個(gè)可修復(fù)分?jǐn)?shù)，但我們又會(huì)覺得不合適，畢竟，電表表面有一個(gè)防篡改安全封條。

　　-- 即便如此，我們還是很高興地了解到，智能電表不容易易碎的內(nèi)部組件，這樣也可以幫助授權(quán)的維修技師解除困惑。
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