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如何解決智能電表的通信難題?
2016-07-01 08:42:57

智能電表和其他“智能能源”設(shè)備和儀器的通信和連接需求對(duì)設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

讓我們來(lái)了解一下智能電表的通信難題,并了解當(dāng)前設(shè)備是如何解決這些難題的。然后,我們將考慮應(yīng)如何解決這些難題來(lái)提供具有成本效益且能滿(mǎn)足未來(lái)需求的實(shí)用智能電網(wǎng)解決方案。

下圖1顯示了智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的示例,將有助于理解為什么靈活性和多模是新一代智能電表的關(guān)鍵部署屬性。

如何解決智能電表的通信難題?

靈活性和多模:新一代智能電表的關(guān)鍵部署屬性

解決方案基于各種各樣的技術(shù),因地理位置、當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量而異。

HAN(家域網(wǎng))或 BAN(樓域網(wǎng))使用短距離無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)(如 ZigBee、Thread、WiFi和藍(lán)牙)將家電設(shè)備連接到智能電表。它還可以使用PLC(電力線(xiàn)載波)有線(xiàn)技術(shù)。

NAN(鄰域網(wǎng))使用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如蜂窩 M2M(GPRS、3G、LTE MTC、NB-IoT、LPWAN)將每個(gè)電表直接連到基站,并使用云或網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如 PLC 或 802.15.4g 將所有智能電表節(jié)點(diǎn)聚集到 DAP(數(shù)據(jù)聚集點(diǎn)),而該 DAP 將使用蜂窩 M2M(GPRS、3G、LTE MTC)直接連接到基站或通過(guò)以太網(wǎng)直接連接到云。

靈活性

解決方案必須要有足夠的靈活性才能支持上面列出的所有標(biāo)準(zhǔn),其中的部分標(biāo)準(zhǔn)仍在開(kāi)發(fā)中,可能需要現(xiàn)場(chǎng)更新和遠(yuǎn)程升級(jí)。

例如 PLC 技術(shù)已經(jīng)被多家標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化,如 IEEE P1901.2、PRIME(基于電力線(xiàn)的智能電表演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn))和 G3,并且這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均提供多種不同的數(shù)據(jù)速率和頻率帶寬。各個(gè)國(guó)家也都派生了不同的 PLC技術(shù)分支 版本來(lái)針對(duì)自己的電網(wǎng)具體情況進(jìn)行優(yōu)化。

迄今為止,仍然沒(méi)有一個(gè)通用的互操作性標(biāo)準(zhǔn)來(lái)管理智能電網(wǎng)的通信,也可能永遠(yuǎn)都不會(huì)有!

多模

多模也是必備的設(shè)置,因?yàn)榇蠖鄶?shù)使用情況下都要求多個(gè)功能同時(shí)運(yùn)行。歐洲和亞洲城市部署的NAN網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要并發(fā)支持 PLC 和 802.15.4g,因?yàn)橐粋€(gè)節(jié)點(diǎn)可能通過(guò) PLC 連接到一個(gè)節(jié)點(diǎn),同時(shí)通過(guò) 802.15.4g 連接到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

超低功耗

雖然插電智能電表有主電源,但不插電計(jì)量設(shè)備必須要用兩節(jié) AA 電池運(yùn)行 5 到 10 年,這要求空閑和峰值功耗都要進(jìn)行非常仔細(xì)的優(yōu)化。

超低成本

為使智能電表得到快速而廣泛的部署,整個(gè) HAN/NAN 通信模塊的物料 (BOM) 成本應(yīng)在 15 到 20 美元之間。

現(xiàn)有的通信解決方案使用以硬件為中心的調(diào)制解調(diào)器。這種調(diào)制解調(diào)器不能升級(jí)以跟上標(biāo)準(zhǔn)的演變和國(guó)家特定版本的變化,因此不能支持現(xiàn)場(chǎng)更新。

所以多模系統(tǒng)是異構(gòu)的,因?yàn)樗鼈儼姸嗔闵ⅰⅹ?dú)立的基于硬件的調(diào)制解調(diào)器。從能耗、性能、成本和面積的角度來(lái)看,這種異構(gòu)解決方案也不夠完美。另外它們需要的上市時(shí)間也比較長(zhǎng)。

為了使用低成本、低功耗的解決方案解決這些難題,軟件定義調(diào)制解調(diào)器 (SDM) 應(yīng)運(yùn)而生。這些調(diào)制解調(diào)器應(yīng)采用一個(gè)統(tǒng)一的高性能處理器,而這個(gè)處理器可以運(yùn)行多個(gè) PHY 和協(xié)議,并具有真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 來(lái)支持并行任務(wù),同時(shí)最大限度地減少任務(wù)切換和MAC 到 PHY的延遲。

這些靈活通信引擎的核心是可編程的DSP架構(gòu),如 CEVA-XC5 和 CEVA-XC8,因?yàn)橹С侄喾N通信標(biāo)準(zhǔn),所以使開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)軟件定義調(diào)制解調(diào)器而不必額外使用硬件。這樣使架構(gòu)不僅能縮短上市時(shí)間,還能降低風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)樗鼈兡軡M(mǎn)足未來(lái)的需求,可以在產(chǎn)品生命周期內(nèi)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)固件,跟隨標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)。不同國(guó)家的技術(shù)需求,通過(guò)軟件層面的定制即可滿(mǎn)足,這樣的解決方案有更好的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益,能進(jìn)一步減少系統(tǒng)解決方案所需的BOM成本。

下一步:“智能化”并連接其他儀表

為使這些系統(tǒng)更具挑戰(zhàn)性,上圖僅顯示了三分之一的全球智能電表,即插電電表。

事實(shí)上,目前的智能電網(wǎng)主要是關(guān)注智能電表,但下一步就是“智能化”并連接所有其他儀表,包括水表、熱水表和燃?xì)獗怼?/p>

雖然這些其他儀表每天只需用上行鏈路傳輸幾個(gè)字節(jié),并且下行鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更少,但它們的互連卻比電表更有難度,因?yàn)樗鼈儧](méi)有內(nèi)置電源,因此需要能耗非常低的電路連接,可以在電池不另外充電的情況下運(yùn)行 5 到 10 年。另外他們可能安裝在難以到達(dá)的地方,如地下室、地下或水下,這些地方接收無(wú)線(xiàn)信號(hào)可能也有一定難度。因此鏈路的預(yù)算需要非常高,將會(huì)決定技術(shù)的選擇。出于這些原因,只有蜂窩 MTC(Cat-M、NB-IoT)、LPWAN(例如 LoRa、Sigfox、...)和 WiFi 802.11ah 這些技術(shù)可供選擇。

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