一文詳解無(wú)線智能計(jì)量技術(shù)

簡(jiǎn)介

技術(shù)的進(jìn)步使人們淘汰了機(jī)械和機(jī)電式的水、電、氣表，取而代之的是具備高級(jí)功能的數(shù)字儀表。擁有這些新工具后，用戶將擺脫被動(dòng)消極的角色，變得更加積極主動(dòng)，每個(gè)人都能控制自己的消費(fèi)習(xí)慣并制定各自的資源節(jié)約策略。這里的關(guān)鍵詞是“通信”二字。利用新的技術(shù)，公用事業(yè)公司和用戶便能實(shí)現(xiàn)相互溝通，進(jìn)而開(kāi)創(chuàng)基礎(chǔ)資源智能化利用的新局面。

智能儀表

使用智能儀表具有諸多優(yōu)勢(shì)。公用事業(yè)公司能夠從自動(dòng)化數(shù)據(jù)收集中受益，避免了人工抄表帶來(lái)的人為差錯(cuò)，并最終降低人工成本。此外，靜態(tài)數(shù)據(jù)收集變得更加容易，因而能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)容量規(guī)劃，并充分利用配送網(wǎng)。

利用診斷和瞬時(shí)故障檢測(cè)功能，還可以開(kāi)展預(yù)見(jiàn)性維護(hù)，構(gòu)建更高效、更可靠的配送網(wǎng)。此外，公用事業(yè)公司還可以提供更多服務(wù)，例如根據(jù)一天中的不同時(shí)間段進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)。某些能源使用行為可以推遲到服務(wù)成本較低的時(shí)間段，這樣既能讓用戶節(jié)省資金，又能讓公用事業(yè)公司有效管理峰值需求。

智能儀表連接到家庭網(wǎng)絡(luò)之后，便能提供關(guān)于消費(fèi)習(xí)慣的實(shí)用信息，這樣就能了解某個(gè)洗衣循環(huán)的能耗、澆灌花園所需的用水量、每日供暖所需的用氣量等等。多項(xiàng)研究表明，僅憑加強(qiáng)節(jié)能意識(shí)一項(xiàng)，就能節(jié)省20%或更多的能源。消費(fèi)者如果有機(jī)會(huì)通過(guò)減少能源使用來(lái)節(jié)省資金，并獲得可降低能耗的技術(shù)，他們?cè)敢獠扇⌒袆?dòng)，并因此實(shí)現(xiàn)高達(dá)50%的能源節(jié)約效益。

圖1. 智能儀表框圖

智能儀表能夠減少用戶一端所耗用的基礎(chǔ)資源，降低公用事業(yè)公司一端的損耗，最終有助于實(shí)現(xiàn)“減少碳排放、讓地球更環(huán)?！钡哪繕?biāo)。

智能儀表的結(jié)構(gòu)

智能儀表的總體框圖如圖1所示。根據(jù)、水、電、氣計(jì)量等具體應(yīng)用，可以包含一個(gè)或多個(gè)與前端電子裝置連接的傳感器、電源，以及相關(guān)的電源管理電路、通信節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)管理微控制器。

可以使用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的計(jì)量系統(tǒng)，然而，其中兩種技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位，即無(wú)線短程（SRD）和電力線通信（PLC）。PLC作為免費(fèi)提供的電力線載波，特別適用于電能計(jì)量；對(duì)于水、氣計(jì)量，由于缺少適用的電力線載波，SRD成為當(dāng)仁不讓的選擇。此外，水表和氣表采用電池供電，因此功耗是一個(gè)至關(guān)重要的因素。

為了在功耗和通信范圍之間達(dá)成最佳平衡，北美的儀表設(shè)計(jì)師選擇sub-GHz頻段（如915 MHz）的無(wú)線電，而在歐洲，目標(biāo)頻段為868 MHz和433 MHz，同時(shí)169 MHz頻段也日益受到關(guān)注。此外，大多數(shù)儀表制造商紛紛考慮2.4 GHz全球免費(fèi)頻段；然而，在給定功耗下，這些頻率的無(wú)線電通信距離短于sub-GHz無(wú)線電。水表和氣表由于安裝在惡劣的環(huán)境中進(jìn)行RF傳播（如地下室和地下坑洞），因此獲得較寬的通信范圍至關(guān)重要。

水計(jì)量—Smart Metering開(kāi)發(fā)的MultiReader系統(tǒng)無(wú)線短程傳輸技術(shù)的進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了對(duì)配水網(wǎng)的監(jiān)控。過(guò)去，監(jiān)控用水情況依靠的是數(shù)學(xué)模型，以及在配水網(wǎng)的輸入端和用戶接口進(jìn)行零星的測(cè)量。如今，有了適用的硬件，便能執(zhí)行同步多次測(cè)量，進(jìn)而能夠妥善管理配水網(wǎng)。

該儀表實(shí)現(xiàn)了AMR（自動(dòng)抄表），不僅能夠用于計(jì)費(fèi)，還能檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的損耗。由于可以在輸入端和輸出端進(jìn)行同步而頻繁的測(cè)量，公用事業(yè)公司得以執(zhí)行每月、每周，甚至是每天的水量預(yù)算。如此一來(lái)，就能更輕松地監(jiān)控由于故障或非法用水造成的網(wǎng)絡(luò)損耗。公用事業(yè)公司還可以為客戶提供更多的服務(wù)，例如通過(guò)監(jiān)控夜間或非高峰時(shí)段的使用情況來(lái)檢測(cè)用戶網(wǎng)絡(luò)中的損耗。

通過(guò)電池供電式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水資源監(jiān)控是一項(xiàng)棘手的任務(wù)。儀表需要在惡劣的環(huán)境中連續(xù)工作多年，甚至長(zhǎng)達(dá)10年或15年，而且電能來(lái)源也非常有限。帶外干擾信號(hào)（如無(wú)線電和電視廣播、GSM基站）或帶內(nèi)干擾信號(hào)（如遙控）會(huì)帶來(lái)電磁干擾，降低接收機(jī)的靈敏度，有時(shí)還會(huì)造成接收機(jī)本身的阻塞。另外，天氣條件和金屬物體（如排水管和停泊的車輛）也會(huì)影響天線性能和無(wú)線電波傳播。較高的濕度和熱循環(huán)則會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力或影響電池性能。

上述因素都會(huì)影響系統(tǒng)的總體可靠性，并使維護(hù)成本難以保持低水平。

從上述工作條件明顯可以看出，設(shè)備應(yīng)具備極高的靈敏度、穩(wěn)定的抗干擾能力以及較低的功耗。Smart Metering對(duì)一系列短程設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比分析，最終決定選擇ADI公司的ADF702x系列無(wú)線收發(fā)器，因?yàn)樵撓盗?a target="_blank">產(chǎn)品在滿足上述嚴(yán)苛要求方面具有冠絕市場(chǎng)的表現(xiàn)。

MultiReader系統(tǒng)

Smart Metering開(kāi)發(fā)了基于ADF702x系列的MultiReader系統(tǒng)（圖2），以滿足公用事業(yè)公司的水資源監(jiān)控需求。該系統(tǒng)由水表MultiReader-C、中繼器MultiReader-R和集中器MultiReader – G組成。

MultiReader-C是一個(gè)電池供電計(jì)數(shù)器，最多可連接三個(gè)脈沖發(fā)射極器件。該儀表可提供實(shí)時(shí)用水情況、根據(jù)固定日歷存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，以及應(yīng)用特定算法處理的測(cè)量數(shù)據(jù)。上述功能實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)服務(wù)，例如不同位置的同步測(cè)量、按規(guī)定時(shí)間間隔提供耗水?dāng)?shù)據(jù)，以及報(bào)告其他有價(jià)值的信息，如回流、計(jì)數(shù)器關(guān)閉和最終用戶損耗等等。

圖2. MultiReader系統(tǒng)

MultiReader-R是一個(gè)電池供電中繼器，通常安裝在電線桿上，用于擴(kuò)展單個(gè)儀表的通信范圍。該中繼器能與儀表、其他中繼器以及集中器實(shí)現(xiàn)通信。

MultiReader-G收集來(lái)自儀表的數(shù)據(jù)，并能夠通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)與中央交換局實(shí)現(xiàn)通信。

要對(duì)可靠的無(wú)線水計(jì)量網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安裝和維護(hù)，需要具備硬件、軟件和系統(tǒng)管理能力，而Smart Metering已在長(zhǎng)期實(shí)踐中發(fā)展了這種能力。

圖3所示為MultiReader-C單元裝置，其中每個(gè)單元與三個(gè)脈沖發(fā)射極器件相連。圖4所示為安裝在電線桿上的中繼器。

圖 3. MultiReader-C三個(gè)輸入單元

圖4. MultiReader-R中繼器

ADI的ISM頻段收發(fā)器技術(shù)

ADI的SRD收發(fā)器可以覆蓋75 MHz至1 GHz的頻段。最受歡迎的器件包括ADF7020中頻收發(fā)器（100 kHz至200kHz，數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)200 kbps）、ADF7021窄帶收發(fā)器（9 kHz至25 kHz，數(shù)據(jù)速率最高可32 kbps）及其衍生產(chǎn)品。靈活性是這些器件的主要特性之一。為了在性能和功耗之間達(dá)成最佳平衡，可以對(duì)多種參數(shù)進(jìn)行編程。這些收發(fā)器提供了ASK、FSK、OOK、GFSK、MSK調(diào)制方案、-16 dBm至+13 dBm范圍內(nèi)的可編程輸出功率，以及許多適用于低噪聲前置放大器（LNA）的編程選項(xiàng)，可在靈敏度、線性度和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。差分LNA輸入級(jí)、功率放大器（PA）斜坡控制以及高斯和升余弦數(shù)據(jù)濾波均可保證器件在復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常工作。

同一系列中的ADF7023嵌入了一個(gè)8位通信處理器，以提供數(shù)據(jù)包處理、無(wú)線電控制和智能喚醒模式功能。該通信處理器通過(guò)集成一個(gè)典型通信協(xié)議堆棧的低層，減輕了配套處理器的處理負(fù)擔(dān)。