NB-IoT技术在智能表计的应用方案

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。

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。

NB-IoT技术的优势，已经有目共睹，NB-IoT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NB-IoT技术应用成熟且发展最迅速的应用场景。

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EN 16314认证；智能热量表的JJF1434-2013热量表(热能表)认证等。

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(MICROCHIP/ATMEL)、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(MICROCHIP/ATMEL)、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

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、Cirrus Logic、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AVR XMEGA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Armv8-M TrustZone® 架构的NuMicro® M2351/ M2354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、μS级高速唤醒、μA/MHz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。

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Design In、Design Win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。

审核编辑：汤梓红