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NB-IoT技術在智能表計的應用方案

拍明芯城 ? 來源:拍明芯城 ? 作者:拍明芯城 ? 2022-06-10 14:00 ? 次閱讀

水表、燃氣表、熱量表和電表是家家戶戶幾乎在用的計量器具,也是國家重點管理的計量器具。這些計量器具我們可以統稱為表計,傳統的表計產品需人工挨家挨戶的抄表,統計和月結的周期就拉得特別長,現在隨著技術和產品的更新換代,家家戶戶用上了聯網表計,支付寶或微信就可以線上繳費了,這就是智能物聯AIoT的落地場景之一。智能水表、智能燃氣表、智能熱量表、智能電表的出現,完美解決抄表難、收費難、監管難、繳費難等問題。

AIoT是下一代ICT產業發展的制高點和經濟增長的驅動力。在水、氣、電、熱表計中,智能化產品覆蓋率已經超越傳統表計。據儀表網數據,我國四大表計產品智能化水平差異較大,其中,智能電表的滲透率最高,超過90%;智能燃氣表滲透率約 50%,仍有一半市場被傳統膜式燃氣表所占據;智能水表下游水務公司客戶分散,當前滲透率較低,約30%;智能熱量表市場主要集中于黑龍江、吉林、遼寧等北方15個供暖地區,季節性明顯,滲透率也較低。

NB-IoT技術的優勢,已經有目共睹,NB-IoT智能表計的應用,是物聯網、智慧城市組件中不可或缺的場景。滲透度較低的智能燃氣表和智能水表,是當前NB-IoT技術應用成熟且發展最迅速的應用場景。

既然是計量器具,與車規芯片類似,除了需要通過計量器具國家標準,還需通過專業認證,例如智能電表的R46電能表認證;智能燃氣表的EN 16314認證;智能熱量表的JJF1434-2013熱量表(熱能表)認證等。

搜集了一些智能表計的資料整理分析,我們按元器件的產品分類看:

主控芯片:藍碧石半導體(LAPIS)、德州儀器(TI)、意法半導體(ST)、微芯/愛特梅爾(MICROCHIP/ATMEL)、瑞薩(RENESAS)、復微(FMSH);

載波芯片或模塊:貝嶺(BELLING)、鼎信通訊(TOPSCOMM)、芯瓏電子(NTW);

計量芯片:銳能微(RENERGY);

分立器件:星海(STARSEA)、永盛(WS);

阻容感:三和(SAMWHA)、國之航(GUOZHIHANG);

繼電器:宏發(HONGFA);

變壓器:航天微(ASMMC);

驅動芯片羅姆(ROHM);

模擬開關芯片:德州儀器(TI)、恩智浦(NXP);

電池:昊誠電池(HCB)、億緯鋰能(EVE)、Tekcell、帥福得(SAFT)、Ultralife;

光耦東芝(TOSHIBA);

濾波器:魯光(LGE);

通信芯片/模塊:移遠(QUECTEL)、萬高(VANGO)、NORDIC;

存儲芯片:微芯/愛特梅爾(MICROCHIP/ATMEL)、華邦(WINBOND)、旺宏(MXIC);

電源芯片:華昕(HSMC)、杰華特(JOULWATT);

晶振:凱擎東光(KOAN);

互感器:貝塔(BELTA)。

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圖5、部分智能表計產品的部分BOM

智能電表是配電網絡的基本組成部分。除了監測能耗外,智能電表還能收集有關供電質量的數據。例如,它能測量無功電能、總諧波失真、諧波成分、電壓浪涌和瞬變是否存在以及頻率的變化,所有這些都是電網狀態的指標。圖6中的框圖顯示了單相系統和三相系統電表的主要組成部分。

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圖6、單相和三相智能電表框圖(圖源:ADI

在智能電表中,基本電力質量是從電壓和電流測量獲得的。這些測量結果由一個特殊的模擬前端(AFE)處理并提供給微控制器,微控制器顯示結果或將其提供給通信節點以進行遠程傳輸。完整結構還包括一個電源管理單元。

電表的一個關鍵方面是電流測量。在電壓測量中,測量結果與標稱值可能只有很小的偏差,但電流測量不同,電流具有非常寬的動態范圍,從幾毫安到數百安,整個范圍內都必須以盡可能高的精度進行測量。使用簡單的電阻分壓器(較少情況下使用變壓器)就可以進行電壓測量,但用于讀取電流的傳感器則有很多種類。一般使用以下四種傳感器:分流器、電流互感器(CT)、霍爾效應傳感器和羅氏線圈。這些傳感器各有其優缺點。

分流器 電流互感器(CT) 霍爾效應傳感器 羅氏線圈
成本 十分低
測量范圈內線性表演 十分好 一般 十分好
高電流測量能力 十分差 十分好
能量消耗
直流—高電流飽和問題
隨溫度改變的輸出變化 十分低
直流偏移問題
飽和度和滯后問題
低成本
重量輕
靈活的尺寸和形狀

搭配傳感器必須有計量芯片,國外原廠有亞德諾、恩智浦、SAMES、瑞薩/艾迪悌、Cirrus Logic、微芯等,國內則有銳能微、鉅泉光電、貝嶺、復微、芯易德、合力為、萬高、昊昱等。在單、三相計量芯片市場,鉅泉光電和上海貝嶺一同占據了絕大部分市場份額,其中鉅泉光電在三相計量芯片領域出貨量常年穩居第一,在單相計量芯片領域排名第二。

基于智能電表的場景要求,主控芯片的超低功耗是必須的。這里有恩智浦/飛思卡爾的S08GW系列、S08LL系列,意法半導體的STM8L、STM32L系列,德州儀器的MSP430AFE2xx及MSP430FE47X2系列,Atmel運用picoPower技術的tinyAVR、megaAVR和AVR XMEGA系列,瑞薩電子RL78低功耗16位MCU產品系列。

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圖8、智能電表元器件組成(圖源:TI)

國內有眾多MCU廠商針對智能表計芯片布局,例如有將計量芯片集成在主控內的,例如貝嶺的IR46計量芯片+計量 MCU一體集成的計量芯SoC;新唐智能電表解決方案是采用基于Armv8-M TrustZone? 架構的NuMicro? M2351/ M2354微控制器;鉅泉光電憑借高算力32位MCU產品直接切入市場,不斷占據德州儀器、矽力杰和瑞薩電子的市場空間,占有率逐步攀升至第一位;復微是國內較早起步進入智能電表專用MCU芯片設計企業,其MCU芯片累計出貨超過5億顆;矽力杰的智能電表MCU來自買來的美信Maxim智慧電表及能源監控芯片業務;小華半導體的超低功耗MCU在智能水表領域已經擁有30%左右的市場占有率,優勢在于nA級超低待機功耗、μS級高速喚醒、μA/MHz級高能效比;中國移動旗下芯異科技自有的MCU主控芯片、NB模組和安全芯片,研發了高精度、低成本、超低功耗的無磁水表解決方案;國家電網旗下子公司北京智芯微也有推出自研MCU產品;物奇的WQ3021電量計量與通信SoC芯片;國民技術針對表計應用開發的N32L4xx低功耗系列MCU,可廣泛應用于智能水表、智能燃氣表等對功耗和安全非常敏感的場景。

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圖9、國民技術的智能表計方案

國內的載波芯片/模組原廠有海思、智芯微、東軟載波、創耀、曉程、貝嶺、濎通芯、力合微、鉅泉光電、瑞斯康、思凌科、慧信、北京中宸、深圳智微、芯云科技、江蘇米特、航天中電、矽久、四季豆、前景無憂、鼎信通訊、芯瓏電子、飛利信、深圳中創、溢美四方、愿景科技等。

智能表計智能化的關鍵還仰賴于無線通訊模塊,國內的模組原廠有芯翼、移芯通信、桑銳、云程、廣和通、匯頂、涂鴉智能、中移物聯、龍尚、四信、吾愛易達、移柯通信、智聯安等。

智能燃氣表的測量傳感器主要是用氣體傳感器或超聲波傳感器,智能熱量表的測量傳感器通常用溫度傳感器,智能水表的測量傳感器則可用電磁傳感器和超聲波傳感器。

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智能物聯AIoT萬億規模級的龐大市場,智能表計是長尾市場之一,筆者在網上搜集和整理資料的過程中,明顯感覺芯片和方案資料相對較少,所以研發選型和設計相對就更難。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺,過去數年已積累了物聯網芯片的優勢貨源。我們聚焦服務元器件長尾客戶群,讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片,在Design In、Design Win和流通中更高效,幫助工程師的方案選型、試樣及采購,為電子產業供需略盡綿薄之力。

審核編輯:湯梓紅

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