AIoT之智能表计方案浅析

　　水表、燃气表、热量表和电表是家家户户几乎在用的计量器具，也是国家重点管理的计量器具。这些计量器具我们可以统称为表计，传统的表计产品需人工挨家挨户的抄表，统计和月结的周期就拉得特别长，现在随着技术和产品的更新换代，家家户户用上了联网表计，支付宝或微信就可以线上缴费了，这就是智能物联AIoT的落地场景之一。智能水表、智能燃气表、智能热量表、智能电表的出现，完美解决抄表难、收费难、监管难、缴费难等问题。
　　图1、智能表计产品（图源：国信证券）
　　AIoT是下一代ICT产业发展的制高点和经济增长的驱动力。在水、气、电、热表计中，智能化产品覆盖率已经超越传统表计。据仪表网数据，我国四大表计产品智能化水平差异较大，其中，智能电表的渗透率最高，超过90；智能燃气表渗透率约50，仍有一半市场被传统膜式燃气表所占据；智能水表下游水务公司客户分散，当前渗透率较低，约30；智能热量表市场主要集中于黑龙江、吉林、辽宁等北方15个供暖地区，季节性明显，渗透率也较低。
　　图2、WMIOT智能表计（图源：仪表网）
　　NBIoT技术的优势，已经有目共睹，NBIoT智能表计的应用，是物联网、智慧城市组件中不可或缺的场景。渗透度较低的智能燃气表和智能水表，是当前NBIoT技术应用成熟且发展最迅速的应用场景。
　　图3、智能燃气表计系统
　　既然是计量器具，与车规芯片类似，除了需要通过计量器具国家标准，还需通过专业认证，例如智能电表的R46电能表认证；智能燃气表的EN16314认证；智能热量表的JJF14342013热量表（热能表）认证等。
　　图3、深燃的NBIoT智能燃气表
　　图4、中国电信的NBIoT智能水表
　　搜集了一些智能表计的资料整理分析，我们按元器件的产品分类看：
　　主控芯片：蓝碧石半导体（LAPIS）、德州仪器（TI）、意法半导体（ST）、微芯爱特梅尔（MICROCHIPATMEL）、瑞萨（RENESAS）、复微（FMSH）；
　　载波芯片或模块：贝岭（BELLING）、鼎信通讯（TOPSCOMM）、芯珑电子（NTW）；
　　计量芯片：锐能微（RENERGY）；
　　分立器件：星海（STARSEA）、永盛（WS）；
　　阻容感：三和（SAMWHA）、国之航（GUOZHIHANG）；
　　继电器：宏发（HONGFA）；
　　变压器：航天微（ASMMC）；
　　驱动芯片：罗姆（ROHM）；
　　模拟开关芯片：德州仪器（TI）、恩智浦（NXP）；
　　电池：昊诚电池（HCB）、亿纬锂能（EVE）、Tekcell、帅福得（SAFT）、Ultralife；
　　光耦：东芝（TOSHIBA）；
　　滤波器：鲁光（LGE）；
　　通信芯片模块：移远（QUECTEL）、万高（VANGO）、NORDIC；
　　存储芯片：微芯爱特梅尔（MICROCHIPATMEL）、华邦（WINBOND）、旺宏（MXIC）；
　　电源芯片：华昕（HSMC）、杰华特（JOULWATT）；
　　晶振：凯擎东光（KOAN）；
　　互感器：贝塔（BELTA）。
　　图5、部分智能表计产品的部分BOM
　　智能电表是配电网络的基本组成部分。除了监测能耗外，智能电表还能收集有关供电质量的数据。例如，它能测量无功电能、总谐波失真、谐波成分、电压浪涌和瞬变是否存在以及频率的变化，所有这些都是电网状态的指标。图6中的框图显示了单相系统和三相系统电表的主要组成部分。
　　图6、单相和三相智能电表框图（图源：ADI）
　　在智能电表中，基本电力质量是从电压和电流测量获得的。这些测量结果由一个特殊的模拟前端（AFE）处理并提供给微控制器，微控制器显示结果或将其提供给通信节点以进行远程传输。完整结构还包括一个电源管理单元。
　　电表的一个关键方面是电流测量。在电压测量中，测量结果与标称值可能只有很小的偏差，但电流测量不同，电流具有非常宽的动态范围，从几毫安到数百安，整个范围内都必须以尽可能高的精度进行测量。使用简单的电阻分压器（较少情况下使用变压器）就可以进行电压测量，但用于读取电流的传感器则有很多种类。一般使用以下四种传感器：分流器、电流互感器（CT）、霍尔效应传感器和罗氏线圈。这些传感器各有其优缺点。
　　分流器
　　电流互感器（CT）
　　霍尔效应传感器
　　罗氏线圈
　　成本
　　十分低
　　中
　　高
　　低
　　测量范圈内线性表演
　　十分好
　　一般
　　差
　　十分好
　　高电流测量能力
　　十分差
　　好
　　好
　　十分好
　　能量消耗
　　高
　　低
　　中
　　低
　　直流高电流饱和问题
　　否
　　是
　　是
　　否
　　随温度改变的输出变化
　　中
　　低
　　高
　　十分低
　　直流偏移问题
　　是
　　否
　　是
　　否
　　饱和度和滞后问题
　　否
　　是
　　是
　　否
　　低成本
　　是
　　否
　　否
　　是
　　重量轻
　　中
　　重
　　中
　　轻
　　灵活的尺寸和形状
　　否
　　否
　　否
　　是
　　图7、四种传感器的对比（图源：得捷）
　　搭配传感器必须有计量芯片，国外原厂有亚德诺、恩智浦、SAMES、瑞萨艾迪悌、CirrusLogic、微芯等，国内则有锐能微、钜泉光电、贝岭、复微、芯易德、合力为、万高、昊昱等。在单、三相计量芯片市场，钜泉光电和上海贝岭一同占据了绝大部分市场份额，其中钜泉光电在三相计量芯片领域出货量常年稳居第一，在单相计量芯片领域排名第二。
　　基于智能电表的场景要求，主控芯片的超低功耗是必须的。这里有恩智浦飞思卡尔的S08GW系列、S08LL系列，意法半导体的STM8L、STM32L系列，德州仪器的MSP430AFE2xx及MSP430FE47X2系列，Atmel运用picoPower技术的tinyAVR、megaAVR和AVRXMEGA系列，瑞萨电子RL78低功耗16位MCU产品系列。
　　图8、智能电表元器件组成（图源：TI）
　　国内有众多MCU厂商针对智能表计芯片布局，例如有将计量芯片集成在主控内的，例如贝岭的IR46计量芯片计量MCU一体集成的计量芯SoC；新唐智能电表解决方案是采用基于Armv8MTrustZone架构的NuMicroM2351M2354微控制器；钜泉光电凭借高算力32位MCU产品直接切入市场，不断占据德州仪器、矽力杰和瑞萨电子的市场空间，占有率逐步攀升至第一位；复微是国内较早起步进入智能电表专用MCU芯片设计企业，其MCU芯片累计出货超过5亿颗；矽力杰的智能电表MCU来自买来的美信Maxim智慧电表及能源监控芯片业务；小华半导体的超低功耗MCU在智能水表领域已经拥有30左右的市场占有率，优势在于nA级超低待机功耗、S级高速唤醒、AMHz级高能效比；中国移动旗下芯异科技自有的MCU主控芯片、NB模组和安全芯片，研发了高精度、低成本、超低功耗的无磁水表解决方案；国家电网旗下子公司北京智芯微也有推出自研MCU产品；物奇的WQ3021电量计量与通信SoC芯片；国民技术针对表计应用开发的N32L4xx低功耗系列MCU，可广泛应用于智能水表、智能燃气表等对功耗和安全非常敏感的场景。
　　图9、国民技术的智能表计方案
　　国内的载波芯片模组原厂有海思、智芯微、东软载波、创耀、晓程、贝岭、濎通芯、力合微、钜泉光电、瑞斯康、思凌科、慧信、北京中宸、深圳智微、芯云科技、江苏米特、航天中电、矽久、四季豆、前景无忧、鼎信通讯、芯珑电子、飞利信、深圳中创、溢美四方、愿景科技等。
　　智能表计智能化的关键还仰赖于无线通讯模块，国内的模组原厂有芯翼、移芯通信、桑锐、云程、广和通、汇顶、涂鸦智能、中移物联、龙尚、四信、吾爱易达、移柯通信、智联安等。
　　智能燃气表的测量传感器主要是用气体传感器或超声波传感器，智能热量表的测量传感器通常用温度传感器，智能水表的测量传感器则可用电磁传感器和超声波传感器。
　　No。品牌型号产品分类应用1多维（DOWAY）TMR1302开关传感器智能水表2艾迈斯（AMS）TDCGP30超声波流量传感器智能水表3奥拉（AURA）AU2001无磁传感器芯片智能水表4奥迪威（AUDIOWELL）US0078流量传感器智能水表5睿感（SCIOSENSE）AS6040超声波传感器智能燃气表6睿感（SCIOSENSE）TDCGP30超声波传感器智能水表、智能热量表7ISTAGPT1000温度传感器智能热量表8OMEGAPT1000温度传感器智能热量表9浩渡（HAODU）PT1000温度传感器智能热量表10铂电（BDRTD）PT1000温度传感器智能热量表11霍尼韦尔（HONEYWELL）SL353LT霍尔磁传感器智能电表12伟佳（WEIJIA）互感器智能电表13艾为（AWINIC）AW8650X霍尔传感器智能电表
　　智能物联AIoT万亿规模级的庞大市场，智能表计是长尾市场之一，笔者在网上搜集和整理资料的过程中，明显感觉芯片和方案资料相对较少，所以研发选型和设计相对就更难。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台，过去数年已积累了物联网芯片的优势货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群，让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片，在DesignIn、DesignWin和流通中更高效，帮助工程师的方案选型、试样及采购，为电子产业供需略尽绵薄之力。
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