LARA-R2系列蜂窝模块在智能计量方面的应用

无线嵌入式模块简化了物联网硬件和软件设备的开发。选择和设计通常由性能要求驱动，例如操作范围，数据速率，安全性以及与其他产品的互操作性。蜂窝广域网解决方案为智能计量应用提供了许多优势，包括降低通信基础设施成本。

智能计量和智能电网

近年来测量仪器的转型大大提高了质量在控制工程中，通过与各种电子系统的有效接口，可以对数据进行更大的分析和解释。特别是，传统的机械和机电能量计，例如水和气体，可以用数字计量能力代替。在类似的时期，基于互联网的设备行业也发生了巨大的变化，这种变化无处不在：只是观察街上的人们如何使用智能手机作为我们感官的延伸。

世界各地的能源供应商正在投资新技术以优化现有的智能电网。通过使用双向和数字端到端智能基础设施，公用事业公司可以捕获实时传输和消耗能源的详细信息。 ABI Research估计，到2020年，全球部署的智能电表数量将达到7.8亿电力，1.5亿用于天然气，9000万用于水。这是一个巨大的市场机会。连接技术将是关键选择。智能电网概念（图1）包括一系列技术，如能源生产（可再生能源，分布式发电源等），输配电，智能测量（住宅，商业和工业）和电动汽车（车站管理充电） ）。

图1：智能电网是一个带有智能传感器的配电网络，可以收集实时信息。

智能电表正在帮助实现电网现代化，提供远程监控功能。更频繁，更可靠地传递有关能源质量和电力的信息。通过实时收集能耗信息，智能计量基础设施允许供应商通过更好地管理其运营来降低成本。与此同时，智能计量可改善预测并降低能耗，简化微型发电监控，并监控生成和消耗的能源。智能计量对于最终客户来说无疑也是一种好处，可以为他们提供节能和更高的服务可靠性。

为确保所有这些优势都是真实的，公用事业需要安全且现有的双向通信基础设施连接并与给定位置中存在的各种智能仪表通信。虽然电力线通信（PLC）和各种类型的射频（RF）技术历来用于大规模测量基础设施，但蜂窝通信现在是优选的选择。移动网络是理想的，因为它是一个现有的，经过验证的基础设施，在大多数地区几乎完全覆盖。蜂窝技术使公用事业公司能够更频繁地远程获取仪表读数，并且成本更低。此外，与其他解决方案相比，蜂窝技术简化了硬件和软件部署，并提高了运营效率。在许多方面，今天的智能电表是即插即用的，允许更快，更简单和更便宜的安装。移动运营商促进与后端管理，计费和远程云管理系统的集成。这些系统受益于已经支持数百万台设备的软件和平台，并使用强大的加密，安全连接和安全访问机制来保持网络及其客户数据的安全。各种智能电表的实施，例如与用水有关的电表，是在对环境的关注以及对可持续性和效率的讨论非常热门的时候出现的。例如，通过开发蜂窝技术，智能水表和测量基础设施现在可以在节约用水方面发挥关键作用。

蜂窝网络

电力供应商长期以来一直在使用WAN无线解决方案在大量应用程序中与仪表通信。如今，蜂窝技术正在成为整个智能计量和智能电网实施的重要组成部分。供应商有两种主要的WAN/蜂窝技术选择：第二代（2G）和第三代（3G）。今天的大多数移动点对点智能计量基础设施是全球移动通信系统（GSM）网络的一部分，并使用通用分组无线服务（GPRS）数据服务，这是一种低成本的2G解决方案。然而，较新的2G移动智能测量基础设施更有可能使用GPRS的演进，增强GSM演进的数据速率（EDGE）。 EDGE技术提供比GPRS更多的带宽和更快的连接速度，并允许您将多个设备连接到网络。利用其带宽和传输速度，3G，4G及更新技术有望在智能计量实施中发挥重要作用。

出于成本和容量的原因，供应商倾向于使用3G和4G网络，使其对智能计量项目更具吸引力和便利性。因此，电力供应商可能在其计量应用中具有可用的宽带宽，从而为其他消费者服务提供了机会。智能4G传感器的另一个原因是最新的长期演进（LTE）版本包括LTE-M，这是为机器对机器通信设计的新规范。类别1，M1和NB1（也称为NB-IoT）等LTE-M标准针对大量设备进行了优化，数据复杂度低，以及连接到物联网（IoT）的分布式传感器网络的低功耗需求。特别是M1类别允许LTE在各种物联网设备中经济地支持有效的低端应用。通常，LTE Cat M1为数据管理提供更低的延迟和更大的带宽，而LTE Cat NB1提供更高的穿透力和电池寿命。与GPRS和其他常规2G和3G标准（如CDMA和UMTS）相比，两者都具有这些优势。

高端LTE网络架构由三个主要组成部分组成：用户设备（UE）;先进的UMTS地面接入网（E-UTRAN）;和演进分组核心（EPC）。 E-UTRAN管理移动设备和高级分组的核心之间的无线电通信。它只有一个组件，即演进基站，称为eNodeB或eNB。每个eNB是监视一个或多个小区中的移动设备的基站。与移动设备通信的基站称为其eNB服务。

LARA：智能电网中蜂窝连接的认证模块

行业正在努力制定指南使用蜂窝基础设施进行智能计量时的最佳实践设计。通过这些指导原则，仪表生产商可以帮助确保蜂窝智能计量技术提供高性能和长使用寿命。例如，将通信协议构建到模块而不是仪表中，允许供应商升级技术而无需更换仪表本身。

通过避免将编码功能放入仪表本身，也可以通过软件更新保留添加新功能或满足新功能（如满足新的安全标准）的能力。为了使通信模块能够提供这种级别的适应性和智能，它应该具有类似于实时操作系统的处理能力。

u-blox拥有完整系列的蜂窝通信模块，可以在世界任何地方实现智能测量系统。该公司致力于智能计量市场，拥有经过认证的ATEX移动产品组合，其生产基于ISO 16785，以保证和满足行业细节，例如在极端温度，湿度和振动的环境中工作。

LARA-R2系列包括采用LARA LGA（26.0 x 24.0 mm，100引脚）封装的LTE Cat 1/3G/2G模块，可提供易于集成到超紧凑设计中的外形。 LARA-R2系列模块最多支持4个LTE频段，最多2个3G UMTS/HSPA频段，以及最多2个2G GSM/GPRS频段，用于语音和/或数据传输（图2）。

图2：LARA-R2系列框图。

LARA-R2系列模块与u-blox SARA，LISA和TOBY移动蜂窝系列兼容，便于迁移到高速模块。由于LTE网络的长期可用性和可扩展性，这些模块非常适合从2G和3G切换到LTE的应用。这些模块具有一系列接口选项和集成的IP堆栈，旨在支持各种数据中心应用。

对于可能需要语音功能的安全和监控等系统，LARA-R2模块支持从LTE到3G或2G的LTE语音（VoLTE）和电路交换回退（CSFB），用于提供音频服务。这些模块包括一个4线I 2 S数字音频接口（I2S_TXD，I2S_RXD，I2S_CLK，I2S_WA），可以在PCM模式下配置AT命令（短同步信号），或者在正常模式下配置 2 S模式（信号长同步），用于将数字音频数据作为音频编解码器从/向外部设备传输。它们包括9个引脚（GPIO1-GPIO5，I2S_TXD，I2S_RXD，I2S_CLK，I2S_WA），可配置为输入/输出或提供自定义功能。

LARA-R2模块采用ISO/TS 16949制造经过认证的设施，确保最高的生产标准和最高的质量和可靠性。对于安装在车辆中的系统，每个模块都经过全面测试和认证，符合ISO16750标准。

LARA-R2系列模块提供两个RF接口，用于连接外部天线。用于发送和接收LTE/3G/2G RF信号的主要RF输入/输出。第二个RF输入仅支持Rx，用于LTE/3G Rx分集配置。

图3：必须通过三个VCC引脚提供模块。这些代表模块电源输入，内部连接到RF功率放大器和集成电源管理单元。

RF部分由RF收发器，PA，LNA，晶体振荡器，滤波器组成，双工器和RF开关。根据作为LTE类别1用户设备的模块支持的LTE接收器分集无线电技术来实现双接收路径。基带和电源管理部分由以下主要元件组成：混合信号ASIC，包括NAND闪存和LPDDR2 RAM的存储器系统，稳压器和用于提供时钟参考的32.768 kHz晶体振荡器。

< h2>智能计量和蜂窝网络

智能电表“智能”的原因是能够将执行计量功能的前端电子电路连接到生成测量数据的通信网络可供消费者和公用事业提供商使用。对于这些活动，仪器必须配备传感器，通信接口，电源和微控制器，以便管理整个系统。选择的智能电表类型取决于需要测量的内容：能源，水或天然气;以及将要使用的通信技术。通过将通信网络外包给移动运营商，公用事业提供商可以大大降低其智能计量项目的安装成本和部署时间（图4）。

图4：a）传统电能表与ab）智能电表相比的简化框图。

目前的蜂窝覆盖范围几乎无处不在，覆盖智能计量基础设施中约99％的可寻址人口。事实上，大多数区域都被多个蜂窝网络覆盖，使公用事业部门能够根据位置使用最佳可用蜂窝网络来部署智能电表，同时保持备份网络功能。在水和天然气等应用领域中，单独采用LTE进行智能测量有三个主要的市场驱动因素：长期使用;频谱效率，这意味着可以在给定的频谱上提供许多其他智能终端;移动网络运营商的投资。

安全是一个快速发展的环境，公用事业供应公司使用的复杂计算机网络必须长期运作。智能电表固件的故障或恶意攻击可能导致数百万设备同时停用，从而对网络造成巨大破坏并影响该国大部分地区。通过使用入侵检测系统（IDS），可以通过实时研究网络流量来检测和验证异常。电力公用事业公司必须在集中式IDS，嵌入式IDS或专用于个人公用事业需求的IDS之间进行选择。研究人员发现，对于典型的高级测量基础架构，集中式IDS架构在成本效率和安全性方面具有优势。另一个考虑因素是仪表和公用设施之间所需的通信水平。就天然气，水和热而言，重点主要集中在数据收集和损耗监测等要求上，这些要求不如按需管理或智能电能计量所需的电网监控强烈。

移动标准提供与消费者设备的一定程度的互操作性，允许双向通信，提供与其他外部服务的轻松互连。安全的智能电表必须足够灵活，以应对任何安全威胁。因此，在长期运行期间识别和处理威胁是确保安全有效地部署智能电表的下一步。一个有前途的解决方案包括累积证明内核（CAK）和基于仪表的算法，以提供另一层安全性。 CAK可以在8位或32位微控制器上运行，并且需要最少的内存，使其处于典型智能电表设计的处理能力之内。

结论

能量转换来自传统的基于可再生能源的系统供应需要对基础设施进行根本性改变。特别是，从集中式网络向分布式架构的过渡极大地增加了对基于ICT的管理和控制方法的需求。

智能电网通信作为智能电网愿景的一部分实现智能计量，安全解决方案，是主要电表供应商实现满足未来期望的实施方式的一种方式。 LARA-R2系列蜂窝模块为物联网设备提供支持，并提供改进智能计量应用的方法。为了利用无线解决方案的安装成本，性能，快速运行时间和其他优势，电源供应商和电表制造商应该仔细考虑移动技术在智能电网中可以提供最大价值的领域。他们应该确保现代智能计量设计的基本要求和最佳实践。