智能表计的创新应用、市场方向及技术难题与措施

智能表计是智慧城市的典型应用。目前，水、气、电、热表广泛应用于城市居民生活、工矿企业生产中。由于应用环境比较复杂，计量不准确，数据更新不及时，造成非常严重的浪费，同时也非常不方便，传统表计已经不适应社会的发展，因此逐步向智能表计过渡。智能表计除具备基本的测量功能外，还可以对漏水，偷电，管道异常等进行监测上报。随着技术的进步和智能化改造，智能表计行业踏上了数字化变革的新赛道。

一、智能表计市场应用增长

当前5G、大数据、人工智能和工业互联网等领域为主题的新型基础设施加速实施，物联网成为下一代信息产业发展的制高点和经济增长的驱动力。当前智能表计市场发展非常抢眼，在水、气、电、热表计中，产品覆盖率已经超越传统表计。其中，智能电表的覆盖率达95%以上，智能水表则在50%以上，智能燃气表也在60%以上。智能表计在物联网的赋能下，由传统机械表转向智能表，并且在住宅建筑、商业和工业等领域已经得到大力推广应用，呈现快速增长趋势。

国民技术方案开发部执行总监赵永刚表示，随着表计产品使用年限到期，将持续进行更新换代，预计再经过一次的换代，智能表计的市场覆盖率接近于全部。

目前城市建设都在向智慧城市，AIoT的大方向发展，水、电、气、热作为不可或缺的基础生活元素也在向智能化方向发展。而用于计量的表计也由传统的机械表快速地向具备通信能力的智能水热气表转变。我国智能表计市场正步入高速发展期。

二、智能电网时代，智能表计的创新应用

近几年来，国家陆续出台政策扶植智能电网的发展，加速了智能表计市场的快速增长。物联网的发展下，电网逐渐智能化，对于表计的数据收集、管理等有了很大的提升。

在智能电表应用领域，国民技术N32家族MCU助力客户实现了许多应用创新，如电表协议转换模块。此应用方案使用N32G455芯片的三路USART分别实现RS485、无线模块数据、RS232数据交换；芯片高速的运算能力支持多种电表协议规约解析，还能实时传输不同电表参数和进行数据转换，并同时处理8块电表数据上传和电表状态控制。电表协议转换模块使用工业级MCU控制芯片，主频高，集成度高，安全性高，能保护用户数据和算法安全，防抄袭，而且方案的扩展性强，数据业务广、采集精准，可适用于各种智能电表管理。

上海复旦微电子集团股份有限公司（简称“复旦微电”）作为智能燃气表MCU的主要供应商之一，和行业里主要客户均有合作。目前FM33G0系列、FM33LG0系列已经在智能燃气表产品上大规模应用。复旦微电技术市场经理王鹏表示，这几年物联网智能燃气表发展迅速，其中远传方式以NB-IoT和LoRa为主。计量方面，除了传统的膜式计量，超声波计量以其更高的计量精度已经成为大口径商业表的发展趋势。

值得注意的是，近场通信（NFC）在表计中有许多应用场景，如传统的预付费非接卡表用的就是NFC读写器和标签。意法半导体作为RFID和NFC技术的先行者之一，提供了广泛的HF RFID/NFC产品，覆盖了所有NFC应用的需求，有丰富的生态系统支持。ST25DV作为一款ST NFC的明星产品，可以为智能表计提供更加丰富的功能。

据意法半导体MMS市场及应用部产品市场经理王鹏飞介绍，ST25DV可以用于表计产品的参数配置和校准，替代传统的红外功能，帮助表计生产厂家在生产流程中更加顺利地进行校表和个性化设置，甚至在不开箱、不开机的状况下快速进行参数设定和改写；同时还可以通过NFC无线接口进行产品的信息追踪以及身份的认证。

其次，ST25DV有利于运营和维护，同时为终端客户带来便利。表计的运营和维护人员可通过智能NFC手机便捷地读取表计运行数据、故障检修的数据，通过手机上报云端获取故障原因，获取处理建议等信息。用户可以使用智能NFC手机触碰ST25DV，快速访问网页，登录付费系统查询付费或者注册保修。除此之外，表计装备ST25DV后无需额外的物理开窗和物理接口，可以提高表计产品的密封性和可靠性。

三、国产低功耗MCU的优化与突破

随着国产MCU发展快速，已经在多个领域得到市场认可，并开始迅速攀升。相对于国外品牌，国产MCU在整个MCU市场占用率较低，不到10%的份额。不过国产MCU在消费电子、智能卡、智能仪表、物联网等领域，具有与国外品牌的竞争优势，其中国产MCU在智能表计已经成为市场主流。

2016年，复旦微电推出了第一款适用于智能水热表的低功耗MCU产品FM3316，掀起了智能水表MCU的国产化热潮。之后随着NB-IoT和LoRa水表的快速发展，复旦微电又推出了多款适合智能水表行业应用的FM33LC0系列，在容量、外设、性能方面做了大幅度提升，已经覆盖了所有智能表型应用需求，尤其是在NB物联网表型中广泛应用。复旦微电技术市场经理宋吉鹤表示：“随着对智能水热表计量精确度要求的提高，超声波计量方式越来越得到市场的认可。复旦微电紧跟市场的需求，深入调研，将给客户提供更多产品选择。”

不得不说的是，智能表计行业对低功耗的要求极其苛刻，尤其是在智能水气表产品。MCU是系统中的主控单元，不但需要有超低功耗能力，还要有灵活的功耗管理方式，协调外围电路达到最佳整机功耗。据小华半导体市场部总监梁少峰介绍，小华半导体的超低功耗MCU产品具有超低待机功耗、快速唤醒时间、高效动态能耗的功耗特性，目前出货国内第一。正是因为技术领先行业以及可靠性品质优异，其超低功耗MCU产品已得到智能表计市场的快速认可，目前在水表市场中占有主导地位，在气表市场中也成为主流选择。

​另外，国民技术面向智能表计推出了N32L4系列低功耗MCU，这款芯片基于ARM Cortex-M4F系列32位处理器内核，内置嵌入式高速闪存、低功耗电源管理，集成数模混合电路，并内置密码算法硬件加速引擎以及安全单元，产品兼具安全、高集成度、低功耗等特点。

在智能表计的发展过程中，无线、传感器和MCU的技术发展将发挥着极大的推动作用。目前，随着国产MCU的优化和突破，其低功耗MCU在智能表计市场中成为重要的选择。其中超低功耗、更高性能、更高集成、符合市场需求等特性将盘踞整个智能表计MCU业态。

四、智能表计相关的技术难题与措施

基于智能表计的应用特点，整个行业对MCU的品质和性能要求很高。MCU是系统中的主控单元，不但需要有超低功耗特性，还要有灵活的功耗管理方式，在高集成度的前提下要降低成本，同时要兼顾高稳定、高可靠、高安全等特性。

​针对以上技术难题，国民技术推出面向智能表计的MCU集成了丰富的功能组件和接口资源，只需少量外围器件即可工作，大大提升集成度的同时兼顾性价比；其超低功耗性能达到国际领先水平，进一步降低MCU动态和静态能耗，并且在低功耗模式下快速且智能唤醒MCU，兼备高性能特性；工作温度可在-40-105℃范围内，内置时钟安全系统、独立看门狗，具有高抗ESD、高抗射频干扰等优势，实现表计在长期恶劣工作环境下的持续稳定运行；在安全方面，国民技术提供完整的“芯-端-云”系统级安全物联网表计解决方案，能保障无线远传表计本地、云端和通信数据的安全性。

此外，意法半导体在ST25的产品线上也提供全套的生态系统服务，包括基于STM32的开发套件，DISCOVERY以及NUCLEO的开发板，以及FW和SW的源代码支持，还有天线的设计，原理图，layout的源文件以及设计支持。另外PC端软件和手持设备的app代码都是源码开放的。王鹏飞表示：“ST还提供线上培训以及不定期的线下培训，帮助工程师更快地上手，加快客户项目的研发速度。”

​五、智能表计的市场方向

智能表计是物联网市场的先行者。在新基建、智慧城市的推动下，智能表计产品覆盖率已经远超传统表计。随着持续的更新换代，智能表计的市场覆盖率很快接近于100%份额。梁少峰表示：“MCU是赋能智能表计的核心芯片。小华半导体将持续深耕超低功耗产品，紧跟技术发展，深挖行业需求，提供更多符合智能表计需求的MCU产品。”

赵永刚认为：“未来智能表计将越来越趋向于实时性，高精度，低功耗的方向发展，这也是国民技术在智能表计行业的布局方向。”据悉，为了在低功耗、实时性和高精度之间取得更好的平衡，公司推出了超低功耗的N32L4系列MCU。未来国民技术将在智能表计MCU上会进一步深耕，布局更低功耗和功能更加丰富的智能表计MCU产品，为行业带来更加优质、可靠的产品及方案。

ST的NFC技术在非接触式、无源接入、便捷配对、本地接入等一系列功能上都有增值作用。借助于这些特性，可以使表计更可靠、更智能。“我们相信随着带NFC功能手机的普及，NFC将会越来越受欢迎。ST拥有广泛的产品组合并将继续投入和开发NFC技术，推出更多高性能产品，以满足表计市场日益增长的需求。”王鹏飞表示。

作为MCU、NB-IoT与NFC技术赋能下的表计行业，将在智能城市建设中，发挥举足轻重的作用。城市基础设施的智能化改造，是智能城市升级建设的根本。在此基础上，由5G赋能下的移动终端，将在城市物联网化的过程中，快速实现场景的升级。

六、结语

总之，虽然智能表计行业渗透率还比较低，但是受益于政策、市场、技术等利好因素，当前智能表计行业正迎来更新换代的转型升级期，且这一速度正在加速。目前智能表计的前沿研究仍在市场需求之前，未来发展存在更多创新机会。智慧城市的建设和政策的引导，不仅为NB-IoT、NFC等技术的发展提供了商业应用环境，同时也为表计行业的转型升级提供了视角背书和政策催化剂。未来，智能表计结合物联网推进，智能便捷、精准可靠、安全节能的产品将会涌向市场，并且加速替代传统表计。

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审核编辑：汤梓红