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。
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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。
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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
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