無線嵌入式模塊簡化了物聯網硬件和軟件設備的開發。選擇和設計通常由性能要求驅動，例如工作范圍、數據速率、安全性以及與其他產品的互操作性。蜂窩 WAN 解決方案為智能計量應用提供了許多優勢，包括較低的通信基礎設施成本。

　　智能計量和智能電網

　　近年來測量儀器的轉變極大地提高了控制工程的質量，通過與各種電子系統的主動接口，可以對數據進行更大的分析和解釋。特別是傳統的機械和機電電能表，例如水和煤氣表，可以用數字計量功能代替。在同一時期，基于互聯網的設備行業也發生了翻天覆地的變化，而且這種變化無所不在：看看大街上的人們如何使用智能手機作為我們感官的延伸。

　　世界各地的能源供應商都在投資新技術以優化現有的智能電網。使用雙向和數字端到端智能基礎設施，公用事業可以實時捕獲能源傳輸和消耗方式的詳細信息。ABI Research 估計，到 2020 年，全球部署的智能電表數量將達到 7.8 億個電力、1.5 億個燃氣和 9000 萬個水。這是一個巨大的市場機會。連接技術將是關鍵選擇。智能電網概念（圖 1）包括一系列技術，如能源生產（可再生能源、分布式發電等）、輸配電、智能測量（住宅、商業和工業）和電動汽車（站管理充電） ）。

　　圖 1：智能電網是一個帶有收集實時信息的智能傳感器的配電網絡。

　　智能電表正在幫助實現電網現代化，提供遠程監控功能，可以更頻繁、更可靠地傳輸有關能源質量和電力的信息。通過實時收集能源消耗信息，智能計量基礎設施允許供應商通過更好地管理其運營來降低成本。同時，智能計量改善預測并降低能耗，簡化微發電監控，監控發電和消耗的能源。智能計量絕對對最終客戶也有好處，可為他們節省能源并提高服務的可靠性。

　　然而，為了確保所有這些好處是真實的，公用事業需要一個安全且現有的雙向通信基礎設施來連接和通信給定位置的各種智能電表。雖然電力線通信 （PLC） 和各種類型的射頻 （RF） 技術歷來用于大規模測量基礎設施，但蜂窩通信現在是首選。移動網絡是理想的，因為它是一個現有且經過驗證的基礎設施，在大多數地區幾乎完全覆蓋。蜂窩技術使公用事業單位能夠以更低的成本遠程、更頻繁地獲取儀表讀數。此外，與其他解決方案相比，蜂窩技術簡化了硬件和軟件部署，并提高了運營效率。今天在很多方面‘ s 智能電表是即插即用的，可以實現更快、更簡單和更便宜的安裝。移動運營商促進與后端管理、計費和遠程云管理系統的集成。這些系統受益于已經支持數百萬臺設備的軟件和平臺，并使用強大的加密、安全連接和安全訪問機制來確保網絡及其客戶數據極其安全。

各種智能電表的實施，例如與用水有關的電表，正值對環境的關注以及對可持續性和效率的討論非常熱門的時候。例如，通過開發蜂窩技術，智能水表和測量基礎設施現在可以在節水方面發揮關鍵作用。更簡單和更便宜的安裝。移動運營商促進與后端管理、計費和遠程云管理系統的集成。這些系統受益于已經支持數百萬臺設備的軟件和平臺，并使用強大的加密、安全連接和安全訪問機制來確保網絡及其客戶數據極其安全。各種智能電表的實施，例如與用水有關的電表，正值對環境的關注以及對可持續性和效率的討論非常熱門的時候。例如，通過開發蜂窩技術，智能水表和測量基礎設施現在可以在節水方面發揮關鍵作用。更簡單和更便宜的安裝。移動運營商促進與后端管理、計費和遠程云管理系統的集成。這些系統受益于已經支持數百萬臺設備的軟件和平臺，并使用強大的加密、安全連接和安全訪問機制來確保網絡及其客戶數據極其安全。

　　蜂窩網絡

　　長期以來，電力供應商一直在使用 WAN 無線解決方案與大量應用中的電表進行通信。今天，蜂窩技術正在成為智能計量和智能電網整體實施的重要組成部分。供應商有兩種主要的 WAN/蜂窩技術選項：第二代 （2G） 和第三代 （3G）。當今大多數移動點對點智能計量基礎設施是全球移動通信系統 （GSM） 網絡的一部分，并使用通用分組無線服務 （GPRS） 數據服務，這是一種低成本的 2G 解決方案。然而，較新的 2G 移動智能測量基礎設施更有可能使用 GPRS 的演進、GSM 演進的增強數據速率 （EDGE）。EDGE 技術提供比 GPRS 更大的帶寬和更快的連接速度，并允許您將多個設備連接到網絡。利用其帶寬和傳輸速度，3G、4G 和后續技術有望在智能計量實施中發揮重要作用。

　　出于成本和容量的原因，供應商傾向于使用 3G 和 4G 網絡，這使得它們對智能計量項目更具吸引力和便利性。因此，電力供應商可能在其計量應用中擁有較寬的可用帶寬，從而為額外的消費者服務提供機會。智能 4G 傳感器的另一個原因是最新的長期演進 （LTE） 版本包括 LTE-M，這是專為機器對機器通信而設計的規范的新部分。LTE-M 標準，如 1 類、M1 和 NB1（也稱為 NB-IoT）針對大量設備、低數據復雜性以及連接到物聯網 （IoT） 的分布式傳感器網絡的低功耗需求進行了優化）。特別是 M1 類別允許 LTE 經濟地支持有效的、廣泛的物聯網設備中的低端應用。一般來說，LTE Cat M1 為數據管理提供更低的延遲和更大的帶寬，而 LTE Cat NB1 提供更高的滲透率和電池壽命。與 GPRS 等技術以及 CDMA 和 UMTS 等其他常規 2G 和 3G 標準相比，兩者都具有這些優勢。

　　高端LTE網絡架構由三個主要部分組成：用戶設備（UE）；先進的 UMTS 地面接入網絡（E-UTRAN）；和演進分組核心（EPC）。E-UTRAN 管理移動設備與高級數據包核心之間的無線電通信。它只有一個組件，即演進基站，稱為 eNodeB 或 eNB。每個 eNB 都是一個基站，用于監視一個或多個小區中的移動設備。與移動設備通信的基站稱為其 eNB 服務。

　　LARA：智能電網中蜂窩連接的認證模塊

　　在使用蜂窩基礎設施進行智能計量時，業界正在努力制定最佳實踐設計指南。通過這些指南，電表生產商可以幫助確保蜂窩智能電表技術提供高性能和長使用壽命。例如，將通信協議構建到模塊而不是電表中，允許供應商升級技術而無需更換電表本身。

　　通過避免將編碼功能放入儀表本身，還可以保留通過軟件更新添加新功能或滿足新功能（例如滿足新的安全標準）的能力。為了提供這種級別的適應性和智能性的通信模塊，它應該具有類似于實時操作系統的處理能力。

　　u-blox 擁有完整的蜂窩通信模塊系列，可以在世界任何地方啟用智能測量系統。該公司致力于通過 ATEX 認證移動產品組合進入智能計量市場，其生產基于 ISO 16785 以保證和滿足行業規范，例如在極端溫度、濕度和振動的環境中工作。

　　LARA-R2 系列包括采用LARA LGA（26.0 x 24.0 毫米，100 針）封裝的 LTE Cat 1 / 3G / 2G 模塊，提供易于集成到超緊湊設計中的外形尺寸。LARA-R2 系列模塊支持多達四個 LTE 頻段、多達兩個 3G UMTS/HSPA 頻段以及多達兩個用于語音和/或數據傳輸的 2G GSM/GPRS 頻段（圖 2）。

　　圖 2：LARA-R2 系列框圖。

　　LARA-R2 系列模塊與 u-blox SARA、LISA 和 TOBY 移動蜂窩系列兼容，便于遷移到高速模塊。由于 LTE 網絡的長期可用性和可擴展性，這些模塊非常適合從 2G 和 3G 切換到 LTE 的應用。這些模塊具有一系列接口選項和集成 IP 堆棧，旨在支持廣泛的數據中心應用。

　　對于可能需要語音功能的安全和監控等系統，LARA-R2 模塊支持 LTE 語音 （VoLTE） 和從 LTE 到 3G 或 2G 的電路交換回退 （CSFB） 以提供音頻服務。這些模塊包括一個 4 線 I 2 S 數字音頻接口（I2S_TXD、I2S_RXD、I2S_CLK、I2S_WA），可以在 PCM 模式（短同步信號）或普通 I 2 S 模式（信號長同步）下使用 AT 命令進行配置） 將數字音頻數據作為音頻編解碼器從/向外部設備傳輸。它們包括 9 個引腳（GPIO1-GPIO5、I2S_TXD、I2S_RXD、I2S_CLK、I2S_WA），可配置為輸入/輸出或提供自定義功能。

　　LARA-R2 模塊在經過 ISO / TS 16949 認證的設施中制造，確保最高的生產標準以及最高的質量和可靠性。每個模塊都根據 ISO16750 進行了全面測試和認證 - 適用于安裝在車輛中的系統。

　　LARA-R2 系列模塊提供兩個射頻接口，用于連接外部天線。用于傳輸和接收 LTE/3G/2G 射頻信號的主要射頻輸入/輸出。第二個射頻輸入僅支持 LTE / 3G Rx 分集配置的 Rx。

　　圖 3：模塊必須通過三個 V CC引腳供電。這些代表模塊電源輸入，它們在內部連接到射頻功率放大器和集成電源管理單元。

　　RF部分由RF收發器、PA、LNA、晶振、濾波器、雙工器和RF開關組成。根據模塊支持的 LTE 接收器分集無線電技術實現雙接收路徑，作為 LTE 類別 1 用戶設備。基帶和電源管理部分由以下主要元素組成：混合信號 ASIC、包含 NAND 閃存和 LPDDR2 RAM 的內存系統、穩壓器和提供時鐘參考的 32.768 kHz 晶體振蕩器。

　　智能計量和蜂窩網絡

　　智能電表之所以“智能”，是因為它能夠將執行計量功能的前端電子電路連接到通信網絡，從而為消費者和公用事業提供商提供測量數據。對于這些活動，儀器必須配備傳感器、通信接口、電源和用于管理整個系統的微控制器。選擇的智能電表類型取決于需要測量的內容：能源、水或燃氣；以及將使用的通信技術。通過將通信網絡外包給移動運營商，公用事業提供商可以顯著降低其智能計量項目的安裝成本和部署時間（圖 4）。

　　圖 4：a） 傳統電能表與 a） 智能電表的簡化框圖。

　　當前的蜂窩覆蓋范圍幾乎無處不在，覆蓋了智能計量基礎設施可尋址人口的約 99%。事實上，大多數地區都被多個蜂窩網絡覆蓋，使公用事業公司能夠根據位置使用最佳可用蜂窩網絡來部署智能電表，同時保持備用網絡功能。在水和天然氣等應用領域單獨采用 LTE 進行智能測量有三個主要市場驅動力：長期使用；頻譜效率，這意味著可以在給定的頻譜上為許多其他智能端點提供服務；和移動網絡運營商的投資。

　　安全是一個快速發展的領域，公用事業供應公司使用的復雜計算機網絡將不得不工作很長時間。對智能電表固件的故障或惡意攻擊可能會導致數百萬臺設備同時停用，從而對網絡造成巨大破壞并影響該國的大部分地區。通過使用入侵檢測系統 （IDS），可以通過實時研究網絡流量來檢測和驗證異常情況。電力公司必須在集中式 IDS、嵌入式 IDS 或專用于單個公用事業需求的 IDS 之間進行選擇。研究人員發現，對于典型的高級測量基礎設施，集中式 IDS 架構在成本效率和安全收益方面具有優勢。另一個考慮因素是儀表和公用事業之間所需的通信水平。在燃氣、水和熱方面，重點主要集中在數據收集和損失監測等需求上，這些要求都沒有智能電表所需的按需管理或電網監測那么密集。

　　移動標準提供了與消費設備的一定程度的互操作性，允許雙向通信，提供與其他外部服務的輕松互連。安全的智能電表必須足夠靈活以應對任何安全威脅。因此，在長期運行過程中識別和處理威脅是確保智能電表安全有效部署的下一步。一個有前途的解決方案包括累積認證內核 （CAK） 和基于計量器的算法，以提供另一層安全性。CAK 可以在 8 位或 32 位微控制器上運行，并且需要最少的內存，使其具備典型智能電表設計的處理能力。

　　結論

　　從傳統供應到基于可再生能源的系統的能源轉變需要對基礎設施進行根本性的改變。特別是，從集中式網絡向分布式架構的轉變極大地增加了對基于 ICT 的管理和控制方法的需求。

　　作為智能電網愿景的一部分，采用蜂窩通信的智能計量實現了強大且安全的解決方案，這是主要電表供應商實現滿足未來期望的一種方式。LARA-R2 系列蜂窩模塊為物聯網設備提供支持，并提供了一種改進智能計量應用的方法。為了利用無線解決方案的安裝成本、性能、快速運行時間和其他優勢，電力供應商和電表制造商應仔細考慮移動技術可以在智能電網中提供最大價值的領域。他們應該確保現代智能計量設計的基本要求和最佳實踐。