聊聊身邊的嵌入式，智能電表

1. 科技帶來光明

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，這個科學巨人于 26 年后發(fā)表了相對論。時間真是漫長，100 多年后，文明的燈光終于照進我們的小村落。中國像蘇醒的巨人，進入飛速發(fā)展的時代，過去很多人們不敢想的情景，現在已進入我們日常的生活。昏黃搖曳的煤油燈，已經成了遙遠的回憶?？萍?，悄然滲透進我們生活的角角落落。

就拿家庭用電來說，我們應該記得最早的機械式轉盤電表，抄表員用手電筒挨家挨戶地抄表然后回去算好電費，再把單子貼到各家門上。之后進步了一些，我們可以用一個 IC 卡到銀行買電，然后回家往電表里一插就行了。而現在呢，不管我們在什么地方，在手機上動動手指頭就一切都搞定了。

那這是怎么實現的，今天我們來看一下電表內部的秘密吧。

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。我們國家標準規(guī)定紅色為火線 L(Live wire)，藍色為零線 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，只有在紅色的火線上試電筆會亮，在零線和地線上是不亮的。

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右下角是斷路器，當負載電流過大，或火線零線電流不平衡時，它會認為可能發(fā)生了漏電，斷路器會馬上斷開以切斷電源。再有一種情況是欠費了，電表的斷電控制引線會觸發(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費，同時具有其它一些輔助功能。我們的看看都有哪些能力：

計量功能，正向有功，反向有功，分時計量，錯峰

測量，電壓，電流，功率

費控，本地費控，遠程費控，斷電

監(jiān)測及事件記錄，開蓋，斷電，購電

計時功能

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

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3. 主要芯片和模塊

這是一個電表內部的主要模塊，現在逐漸出現外圍模塊集成到 MCU 的傾向：

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Metering

計量模塊，負責電壓，電流，功率等的測量，這部分因為是連接到強電的，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 軟件的設計。早期以 8 位機為主，現在采用 CortexM0 是一個趨勢，而且一般會集成 SPI，UART(7816)，LCD Driver, RTC 等外圍模塊。主要廠家有瑞薩，復旦微電子，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，深圳秋田等。

PLC

青島鼎信占據了大部分市場份額。

RTC

國家標準要求 RTC 具有溫度補償功能，在 -25～ +60℃的溫度范圍內精度一天不超過 1 秒，在室溫（23℃）時鐘精度±0.5s/d。同時時鐘需具備日歷功能，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在有集成在 MCU 中的高精度帶溫補的 RTC。

ESAM

ESAM（Embedded Secure Access Module）在設備中主要實現數據的安全存儲，雙向加密，身份認證，存取權限控制等功能。電表廠是沒有設置 ESAM 模塊的權限的，它的設置由運行管理部門進行。這個芯片由南瑞智芯微提供。

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4. 產品標準和市場

國家智能電表產品的標準主要由國家電網下屬的中國電力科學研究院、各省電力公司、國網電力科學研究院、國網信息通信有限公司等起草。最近幾年，國網提出了基于 IR46 標準的雙芯電能表方案，一個芯片主要負責計量，完成的功能包括計量，電量數據存儲，RTC 計時等，計量芯獨立運行，法制認證，不允許軟件升級。另一個芯片負責管理，包括智能電卡接口，ESAM，顯示，存儲器，負控管理和對外通信等功能。

智能電表的使用量非常大，一年采購量有幾千萬只，廠家之間的競爭激烈程度可想而知。2015 年招標有 120 余家企業(yè)參與投標，到現在剩下 80 多家了。大部分市場被國網下屬的許繼，魯能，南瑞等巨頭瓜分，威勝，炬華，三星，東方電子等也占據了比較穩(wěn)定的市場份額。

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