智能表計(jì)是智慧城市的典型應(yīng)用。目前,水、氣、電、熱表廣泛應(yīng)用于城市居民生活、工礦企業(yè)生產(chǎn)中。由于應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜,計(jì)量不準(zhǔn)確,數(shù)據(jù)更新不及時,造成非常嚴(yán)重的浪費(fèi),同時也非常不方便,傳統(tǒng)表計(jì)已經(jīng)不適應(yīng)社會的發(fā)展,因此逐步向智能表計(jì)過渡。智能表計(jì)除具備基本的測量功能外,還可以對漏水,偷電,管道異常等進(jìn)行監(jiān)測上報(bào)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和智能化改造,智能表計(jì)行業(yè)踏上了數(shù)字化變革的新賽道。
智能表計(jì)市場應(yīng)用增長
當(dāng)前5G、大數(shù)據(jù)、人工智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域?yàn)橹黝}的新型基礎(chǔ)設(shè)施加速實(shí)施,物聯(lián)網(wǎng)成為下一代信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)增長的驅(qū)動力。當(dāng)前智能表計(jì)市場發(fā)展非常搶眼,在水、氣、電、熱表計(jì)中,產(chǎn)品覆蓋率已經(jīng)超越傳統(tǒng)表計(jì)。其中,智能電表的覆蓋率達(dá)95%以上,智能水表則在50%以上,智能燃?xì)獗硪苍?0%以上。智能表計(jì)在物聯(lián)網(wǎng)的賦能下,由傳統(tǒng)機(jī)械表轉(zhuǎn)向智能表,并且在住宅建筑、商業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到大力推廣應(yīng)用,呈現(xiàn)快速增長趨勢。
國民技術(shù)方案開發(fā)部執(zhí)行總監(jiān)趙永剛表示,隨著表計(jì)產(chǎn)品使用年限到期,將持續(xù)進(jìn)行更新?lián)Q代,預(yù)計(jì)再經(jīng)過一次的換代,智能表計(jì)的市場覆蓋率接近于全部。
目前城市建設(shè)都在向智慧城市,AIoT的大方向發(fā)展,水、電、氣、熱作為不可或缺的基礎(chǔ)生活元素也在向智能化方向發(fā)展。而用于計(jì)量的表計(jì)也由傳統(tǒng)的機(jī)械表快速的向具備通信能力的智能水熱氣表轉(zhuǎn)變。我國智能表計(jì)市場正步入高速發(fā)展期。
智能電網(wǎng)時代,智能表計(jì)的創(chuàng)新應(yīng)用
近幾年來,國家陸續(xù)出臺政策扶植智能電網(wǎng)的發(fā)展,加速了智能表計(jì)市場的快速增長。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展下,電網(wǎng)逐漸智能化,對于表計(jì)的數(shù)據(jù)收集、管理等有了很大的提升。
在智能電表應(yīng)用領(lǐng)域,國民技術(shù)N32家族MCU助力客戶實(shí)現(xiàn)了許多應(yīng)用創(chuàng)新,如電表協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。此應(yīng)用方案使用N32G455芯片的三路USART分別實(shí)現(xiàn)RS485、無線模塊數(shù)據(jù)、RS232數(shù)據(jù)交換;芯片高速的運(yùn)算能力支持多種電表協(xié)議規(guī)約解析,還能實(shí)時傳輸不同電表參數(shù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,并同時處理8塊電表數(shù)據(jù)上傳和電表狀態(tài)控制。電表協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊使用工業(yè)級MCU控制芯片,主頻高,集成度高,安全性高,能保護(hù)用戶數(shù)據(jù)和算法安全,防抄襲,而且方案的擴(kuò)展性強(qiáng),數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)廣、采集精準(zhǔn),可適用于各種智能電表管理。
上海復(fù)旦微電子集團(tuán)股份有限公司(簡稱“復(fù)旦微電”)作為智能燃?xì)獗鞰CU的主要供應(yīng)商之一,和行業(yè)里主要客戶均有合作。目前FM33G0系列、FM33LG0系列已經(jīng)在智能燃?xì)獗懋a(chǎn)品上大規(guī)模應(yīng)用。復(fù)旦微電技術(shù)市場經(jīng)理王鵬表示,這幾年物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗戆l(fā)展迅速,其中遠(yuǎn)傳方式以NB-IoT和LoRa為主。計(jì)量方面,除了傳統(tǒng)的膜式計(jì)量,超聲波計(jì)量以其更高的計(jì)量精度已經(jīng)成為大口徑商業(yè)表的發(fā)展趨勢。
值得注意的是,近場通信(NFC)在表計(jì)中有許多應(yīng)用場景,如傳統(tǒng)的預(yù)付費(fèi)非接卡表用的就是NFC讀寫器和標(biāo)簽。意法半導(dǎo)體作為RFID和NFC技術(shù)的先行者之一,提供了廣泛的HF RFID/NFC產(chǎn)品,覆蓋了所有NFC應(yīng)用的需求,有豐富的生態(tài)系統(tǒng)支持。ST25DV作為一款ST NFC的明星產(chǎn)品,可以為智能表計(jì)提供更加豐富的功能。
據(jù)意法半導(dǎo)體MMS市場及應(yīng)用部產(chǎn)品市場經(jīng)理王鵬飛介紹,ST25DV可以用于表計(jì)產(chǎn)品的參數(shù)配置和校準(zhǔn),替代傳統(tǒng)的紅外功能,幫助表計(jì)生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)流程中更加順利地進(jìn)行校表和個性化設(shè)置,甚至在不開箱、不開機(jī)的狀況下快速進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和改寫;同時還可以通過NFC無線接口進(jìn)行產(chǎn)品的信息追蹤以及身份的認(rèn)證。
其次,ST25DV有利于運(yùn)營和維護(hù),同時為終端客戶帶來便利。表計(jì)的運(yùn)營和維護(hù)人員可通過智能NFC手機(jī)便捷的讀取表計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障檢修的數(shù)據(jù),通過手機(jī)上報(bào)云端獲取故障原因,獲取處理建議等信息。用戶可以使用智能NFC手機(jī)觸碰ST25DV,快速訪問網(wǎng)頁,登錄付費(fèi)系統(tǒng)查詢付費(fèi)或者注冊保修。除此之外,表計(jì)裝備ST25DV后無需額外的物理開窗和物理接口,可以提高表計(jì)產(chǎn)品的密封性和可靠性。
國產(chǎn)低功耗MCU的優(yōu)化與突破
隨著國產(chǎn)MCU發(fā)展快速,已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到市場認(rèn)可,并開始迅速攀升。相對于國外品牌,國產(chǎn)MCU在整個MCU市場占用率較低,不到10%的份額。不過國產(chǎn)MCU在消費(fèi)電子、智能卡、智能儀表、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域,具有與國外品牌的競爭優(yōu)勢,其中國產(chǎn)MCU在智能表計(jì)已經(jīng)成為市場主流。
2016年,復(fù)旦微電推出了第一款適用于智能水熱表的低功耗MCU產(chǎn)品FM3316,掀起了智能水表MCU的國產(chǎn)化熱潮。之后隨著NB-IoT和LoRa水表的快速發(fā)展,復(fù)旦微電又推出了多款適合智能水表行業(yè)應(yīng)用的FM33LC0系列,在容量、外設(shè)、性能方面做了大幅度提升,已經(jīng)覆蓋了所有智能表型應(yīng)用需求,尤其是在NB物聯(lián)網(wǎng)表型中廣泛應(yīng)用。復(fù)旦微電技術(shù)市場經(jīng)理宋吉鶴表示:“隨著對智能水熱表計(jì)量精確度要求的提高,超聲波計(jì)量方式越來越得到市場的認(rèn)可。復(fù)旦微電緊跟市場的需求,深入調(diào)研,將給客戶提供更多產(chǎn)品選擇?!?/p>
不得不說的是,智能表計(jì)行業(yè)對低功耗的要求極其苛刻,尤其是在智能水氣表產(chǎn)品。MCU是系統(tǒng)中的主控單元,不但需要有超低功耗能力,還要有靈活的功耗管理方式,協(xié)調(diào)外圍電路達(dá)到最佳整機(jī)功耗。據(jù)小華半導(dǎo)體市場部總監(jiān)梁少峰介紹,小華半導(dǎo)體的超低功耗MCU產(chǎn)品具有超低待機(jī)功耗、快速喚醒時間、高效動態(tài)能耗的功耗特性,目前出貨國內(nèi)第一。正是因?yàn)榧夹g(shù)領(lǐng)先行業(yè)以及可靠性品質(zhì)優(yōu)異,其超低功耗MCU產(chǎn)品已得到智能表計(jì)市場的快速認(rèn)可,目前在水表市場中占有主導(dǎo)地位,在氣表市場中也成為主流選擇。
另外,國民技術(shù)面向智能表計(jì)推出了N32L4系列低功耗MCU,這款芯片基于ARM Cortex-M4F系列32位處理器內(nèi)核,內(nèi)置嵌入式高速閃存、低功耗電源管理,集成數(shù)?;旌想娐?,并內(nèi)置密碼算法硬件加速引擎以及安全單元,產(chǎn)品兼具安全、高集成度、低功耗等特點(diǎn)。
在智能表計(jì)的發(fā)展過程中,無線、傳感器和MCU的技術(shù)發(fā)展將發(fā)揮著極大的推動作用。目前,隨著國產(chǎn)MCU的優(yōu)化和突破,其低功耗MCU在智能表計(jì)市場中成為重要的選擇。其中超低功耗、更高性能、更高集成、符合市場需求等特性將盤踞整個智能表計(jì)MCU業(yè)態(tài)。
智能表計(jì)相關(guān)的技術(shù)難題與措施
基于智能表計(jì)的應(yīng)用特點(diǎn),整個行業(yè)對MCU的品質(zhì)和性能要求很高。MCU是系統(tǒng)中的主控單元,不但需要有超低功耗特性,還要有靈活的功耗管理方式,在高集成度的前提下要降低成本,同時要兼顧高穩(wěn)定、高可靠、高安全等特性。
針對以上技術(shù)難題,國民技術(shù)推出面向智能表計(jì)的MCU集成了豐富的功能組件和接口資源,只需少量外圍器件即可工作,大大提升集成度的同時兼顧性價(jià)比;其超低功耗性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平,進(jìn)一步降低MCU動態(tài)和靜態(tài)能耗,并且在低功耗模式下快速且智能喚醒MCU,兼?zhèn)涓咝阅芴匦?;工作溫度可?40-105℃范圍內(nèi),內(nèi)置時鐘安全系統(tǒng)、獨(dú)立看門狗,具有高抗ESD、高抗射頻干擾等優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)表計(jì)在長期惡劣工作環(huán)境下的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行;在安全方面,國民技術(shù)提供完整的“芯-端-云”系統(tǒng)級安全物聯(lián)網(wǎng)表計(jì)解決方案,能保障無線遠(yuǎn)傳表計(jì)本地、云端和通信數(shù)據(jù)的安全性。
此外,意法半導(dǎo)體在ST25的產(chǎn)品線上也提供全套的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),包括基于STM32的開發(fā)套件,DISCOVERY以及NUCLEO的開發(fā)板,以及FW和SW的源代碼支持,還有天線的設(shè)計(jì),原理圖,layout的源文件以及設(shè)計(jì)支持。另外PC端軟件和手持設(shè)備的app代碼都是源碼開放的。王鵬飛表示:“ST還提供線上培訓(xùn)以及不定期的線下培訓(xùn),幫助工程師更快的上手,加快客戶項(xiàng)目的研發(fā)速度?!?/p>
智能表計(jì)的市場方向
智能表計(jì)是物聯(lián)網(wǎng)市場的先行者。在新基建、智慧城市的推動下,智能表計(jì)產(chǎn)品覆蓋率已經(jīng)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)表計(jì)。隨著持續(xù)的更新?lián)Q代,智能表計(jì)的市場覆蓋率很快接近于全部份額。梁少峰表示:“MCU是賦能智能表計(jì)的核心芯片。小華半導(dǎo)體將持續(xù)深耕超低功耗產(chǎn)品,緊跟技術(shù)發(fā)展,深挖行業(yè)需求,提供更多符合智能表計(jì)需求的MCU產(chǎn)品?!?/p>
趙永剛認(rèn)為:“未來智能表計(jì)將越來越趨向于實(shí)時性,高精度,低功耗的方向發(fā)展,這也是國民技術(shù)在智能表計(jì)行業(yè)的布局方向?!睋?jù)悉,為了在低功耗、實(shí)時性和高精度之間取得更好的平衡,公司推出了超低功耗的N32L4系列MCU。未來國民技術(shù)將在智能表計(jì)MCU上會進(jìn)一步深耕,布局更低功耗和功能更加豐富的智能表計(jì)MCU產(chǎn)品,為行業(yè)帶來更加優(yōu)質(zhì)、可靠的產(chǎn)品及方案。
ST的NFC技術(shù)在非接觸式、無源接入、便捷配對、本地接入等一系列功能上都有增值作用。借助于這些特性,可以使表計(jì)更可靠、更智能。“我們相信隨著帶NFC功能手機(jī)的普及,NFC將會越來越受歡迎。ST擁有廣泛的產(chǎn)品組合并將繼續(xù)投入和開發(fā)NFC技術(shù),推出更多高性能產(chǎn)品,以滿足表計(jì)市場日益增長的需求?!蓖貔i飛表示。
作為MCU、NB-IoT與NFC技術(shù)賦能下的表計(jì)行業(yè),將在智能城市建設(shè)中,發(fā)揮舉足輕重的作用。城市基礎(chǔ)設(shè)施的智能化改造,是智能城市升級建設(shè)的根本。在此基礎(chǔ)上,由5G賦能下的移動終端,將在城市物聯(lián)網(wǎng)化的過程中,快速實(shí)現(xiàn)場景的升級。
結(jié)語
總之,雖然智能表計(jì)行業(yè)滲透率還比較低,但是受益于政策、市場、技術(shù)等利好因素,當(dāng)前智能表計(jì)行業(yè)正迎來更新?lián)Q代的轉(zhuǎn)型升級期,且這一速度正在加速。目前智能表計(jì)的前沿研究仍在市場需求之前,未來發(fā)展存在更多創(chuàng)新機(jī)會。智慧城市的建設(shè)和政策的引導(dǎo),不僅為NB-IoT、NFC等技術(shù)的發(fā)展提供了商業(yè)應(yīng)用環(huán)境,同時也為表計(jì)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了視角背書和政策催化劑。未來,智能表計(jì)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)推進(jìn),智能便捷、精準(zhǔn)可靠、安全節(jié)能的產(chǎn)品將會涌向市場,并且加速替代傳統(tǒng)表計(jì)。