聊聊身邊的嵌入式，智能電表

1. 科技帶來(lái)光明

1879 年 10 月，清光緒 5 年，愛迪生發(fā)明電燈。也是在這一年，愛因斯坦出生了，這個(gè)科學(xué)巨人于 26 年后發(fā)表了相對(duì)論。時(shí)間真是漫長(zhǎng)，100 多年后，文明的燈光終于照進(jìn)我們的小村落。中國(guó)像蘇醒的巨人，進(jìn)入飛速發(fā)展的時(shí)代，過去很多人們不敢想的情景，現(xiàn)在已進(jìn)入我們?nèi)粘５纳?。昏黃搖曳的煤油燈，已經(jīng)成了遙遠(yuǎn)的回憶?？萍迹娜粷B透進(jìn)我們生活的角角落落。

就拿家庭用電來(lái)說，我們應(yīng)該記得最早的機(jī)械式轉(zhuǎn)盤電表，抄表員用手電筒挨家挨戶地抄表然后回去算好電費(fèi)，再把單子貼到各家門上。之后進(jìn)步了一些，我們可以用一個(gè) IC 卡到銀行買電，然后回家往電表里一插就行了。而現(xiàn)在呢，不管我們?cè)谑裁吹胤?，在手機(jī)上動(dòng)動(dòng)手指頭就一切都搞定了。

那這是怎么實(shí)現(xiàn)的，今天我們來(lái)看一下電表內(nèi)部的秘密吧。

2. 配電箱和電表

在單元門里，我們都能找到下面這種配電箱，它把電分到各戶的電表，然后拉入自家的房間。我們國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定紅色為火線 L(Live wire)，藍(lán)色為零線 N(Neutral wire)，黃綠條紋的是地線(Earth)，又叫 PE(Protective Earth)。我們可以看到左下角的地線端子排，配電箱的金屬外殼是和它連在一起的，PE 最終是就近連到建筑物外面的接地樁的。如果用試電筆去測(cè)，只有在紅色的火線上試電筆會(huì)亮，在零線和地線上是不亮的。

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右下角是斷路器，當(dāng)負(fù)載電流過大，或火線零線電流不平衡時(shí)，它會(huì)認(rèn)為可能發(fā)生了漏電，斷路器會(huì)馬上斷開以切斷電源。再有一種情況是欠費(fèi)了，電表的斷電控制引線會(huì)觸發(fā)斷路器斷開。

下面我們就要看一看核心部分電表了。電表的首要功能就是計(jì)費(fèi)，同時(shí)具有其它一些輔助功能。我們的看看都有哪些能力：

計(jì)量功能，正向有功，反向有功，分時(shí)計(jì)量，錯(cuò)峰

測(cè)量，電壓，電流，功率

費(fèi)控，本地費(fèi)控，遠(yuǎn)程費(fèi)控，斷電

監(jiān)測(cè)及事件記錄，開蓋，斷電，購(gòu)電

計(jì)時(shí)功能

還有一個(gè)特別重要的功能，就是現(xiàn)在普遍采用的遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電表，可以和遠(yuǎn)程的控制中心進(jìn)行通訊。秘密就藏在電表下部的這個(gè)位置，圖中紅框中是一個(gè)可以打開的蓋子，里面安裝通訊模塊。通訊方式可以選載波、無(wú)線、微功率無(wú)線、光纖等。其中 PLC(Power Line Carrier)載波通訊是使用最廣的一種方式，它通過把信號(hào)調(diào)制到 220V 交流信號(hào)線上進(jìn)行通信，因而不像 RS485，光纖等需要額外布線，也不像無(wú)線通信在建筑物中穿透力不強(qiáng)。但它也有一個(gè)限制，就是通信速率不高，而且不能跨變壓器。一般在一個(gè)小區(qū)會(huì)安裝一個(gè)集中器收集負(fù)責(zé)本地通訊，集中器和遠(yuǎn)程通過 GPRS 或有線方式通信。

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3. 主要芯片和模塊

這是一個(gè)電表內(nèi)部的主要模塊，現(xiàn)在逐漸出現(xiàn)外圍模塊集成到 MCU 的傾向：

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Metering

計(jì)量模塊，負(fù)責(zé)電壓，電流，功率等的測(cè)量，這部分因?yàn)槭沁B接到強(qiáng)電的，所以它和 MCU 之間的通信用光耦隔離以增加安全性。廠家有銳能微，鉅泉光電，上海貝嶺，CirrusLogic 等。

MCU

電表廠家的主要工作集中在 MCU 軟件的設(shè)計(jì)。早期以 8 位機(jī)為主，現(xiàn)在采用 CortexM0 是一個(gè)趨勢(shì)，而且一般會(huì)集成 SPI，UART(7816)，LCD Driver, RTC 等外圍模塊。主要廠家有瑞薩，復(fù)旦微電子，炬全光電等。

LCD

主要為 FSTN(Formulated Super Twisted Nematic)型，工作溫度范圍為 -25℃～+80℃，或 HTN(High Twist nematic)型，工作溫度范圍為 -40℃～+70℃，白底黑字帶夜光。廠家有青島萊科達(dá)，深圳秋田等。

PLC

青島鼎信占據(jù)了大部分市場(chǎng)份額。

RTC

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求 RTC 具有溫度補(bǔ)償功能，在 -25～ +60℃的溫度范圍內(nèi)精度一天不超過 1 秒，在室溫（23℃）時(shí)鐘精度±0.5s/d。同時(shí)時(shí)鐘需具備日歷功能，斷電后在備用電池供電情況下還要能工作 5 年。最早采用比較多的有精工的 8025T 等?，F(xiàn)在有集成在 MCU 中的高精度帶溫補(bǔ)的 RTC。

ESAM

ESAM（Embedded Secure Access Module）在設(shè)備中主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)，雙向加密，身份認(rèn)證，存取權(quán)限控制等功能。電表廠是沒有設(shè)置 ESAM 模塊的權(quán)限的，它的設(shè)置由運(yùn)行管理部門進(jìn)行。這個(gè)芯片由南瑞智芯微提供。

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4. 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)

國(guó)家智能電表產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)主要由國(guó)家電網(wǎng)下屬的中國(guó)電力科學(xué)研究院、各省電力公司、國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院、國(guó)網(wǎng)信息通信有限公司等起草。最近幾年，國(guó)網(wǎng)提出了基于 IR46 標(biāo)準(zhǔn)的雙芯電能表方案，一個(gè)芯片主要負(fù)責(zé)計(jì)量，完成的功能包括計(jì)量，電量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，RTC 計(jì)時(shí)等，計(jì)量芯獨(dú)立運(yùn)行，法制認(rèn)證，不允許軟件升級(jí)。另一個(gè)芯片負(fù)責(zé)管理，包括智能電卡接口，ESAM，顯示，存儲(chǔ)器，負(fù)控管理和對(duì)外通信等功能。

智能電表的使用量非常大，一年采購(gòu)量有幾千萬(wàn)只，廠家之間的競(jìng)爭(zhēng)激烈程度可想而知。2015 年招標(biāo)有 120 余家企業(yè)參與投標(biāo)，到現(xiàn)在剩下 80 多家了。大部分市場(chǎng)被國(guó)網(wǎng)下屬的許繼，魯能，南瑞等巨頭瓜分，威勝，炬華，三星，東方電子等也占據(jù)了比較穩(wěn)定的市場(chǎng)份額。

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