智能电表内部构造深度拆解：电表如何智能？ - 全文

　　在电力及燃气等能源领域，具备通信功能并能够远程读取数据的“智能仪表”受到的关注越来越高。其原因是，这种仪表有望用于多种用途，如能源使用情况的“可视化”、使用抄表数据提供咨询服务，将来还有望用于家用设备控制等。

　　那么，这种智能仪表由哪些部件构成，并由哪些厂商供应主要部件？与智能手机等便携终端相比，人们几乎没有机会了解智能仪表的内部构造。因此，为了弄清楚这些内部情况，拆解组决定购买美国的“智能电表”产品，并进行内部分析。

　　此次是在从事过多款产品拆解调查的Fomalhaut Technology Solutions公司的协助下进行拆解分析的。下面首先以具备有线通信功能的智能仪表为主，分析一下使用部件的厂商名称及部材成本等。

　　具备以太网通信功能

　　此次拆解的产品是美国仪表厂商Itron的“Sentinel SS5S2L”（以下称Sentinel）与美国通用电气的“KV2”，二者均为支持120V～480V电压的电表，具备以太网或电话线通信功能（表 1）。此外，为了便于参考，同时还分析了瑞士兰吉尔（Landis+Gyr）公司的不具备通信功能的“AXS4”的内部情况，并一起列在下表中。

　　

表1 此次拆解分析的电表

　　这三款仪表的共同点是，均为电表，而且可使用液晶面板显示数据。其不同点是，具备通信功能的两款机型在内部安装了三块基板，而不具备通信功能的 AXS4则将主要部件集成在了一块基板上。而且，AXS4的部材成本推测值最低。拆解时可以看出，其他两款机型因嵌入了通信功能，部材成本有所增加。

　　使用三块基板

　　下面我们看一下内部具体构造。首先分析一下安装在Sentinel内部基板上的MCU等。

　　Sentinel与其他智能电表一样采用圆筒形状，乍看上去就像一个稍大的罐头盒。取下外面的塑料壳，并拆除下部的加固部材后，可以看到两块安装有各种部件的基板（图1）。里面还有一块基板，该电表共由三块基板构成。其中一块是进行以太网等通信处理的基板，另一块是安装主要MCU的主基板。每块基板均由树脂制成。

　　

图1 Itron公司的Sentinel

　　取下外壳并拆掉下部的加固部材后，可以看到两块基板。此外，里面还有一块基板。

　　负责通信处理的基板上最引人注目的部件是，进行以太网信号与串行信号转换的美国创力（Lantronix）公司的超小型设备服务器“XPort”（图 2）。XPort的内部嵌入了可进行串行数据及以太网数据转换处理及网络控制处理的电路，可以利用以太网线传输信号。位于其周围的瑞萨电子的MCU等估计是进行通信处理的。

　　

图2 以太网信号与串行信号的交换

　　主要安装通信处理部分的基板。用来交换以太网信号与串行信号的创力“Xport”十分引人注目。

　　还有可能安装了备用电路

　　主基板上安装了多个MCU（图3）。特点是采用了多款日本厂商生产的MCU，包括瑞萨电子的16bit产品与NEC电子的产品注1）。此外还有欧美厂商的产品，如美国爱特梅尔的8bit产品，荷兰恩智浦半导体的液晶驱动器IC等。

　　注1）本文涉及到的厂商均为电表上市时的名称，其中包括现已更名的企业。

　　

图3 使用瑞萨等公司的MCU

　　主基板上安装了瑞萨电子及爱特梅尔等的MCU。

　　另一个特点是具备两个相似的电路块，分别以瑞萨与NEC的MCU为中心，安装了美国PDI公司的晶体振荡器以及各种防噪音部件等。对此，Fomalhaut Technology Solutions的主管柏尾南壮指出，“因为是使用寿命长达10年的产品，所以使其具备了备用电路职能”。这样就具备了冗余性，发生故障时，能够利用另一个电路块继续进行处理。

　　日本产品较多的原因

　　除基板外，电表内部还嵌入了两个圆筒形锂离子充电电池。其形状并非笔记本电脑等使用的直径18mm高65mm的“18650”，而是接近5号干电池。使用这种电池之后，当因某种原因断电时，电路能够继续工作。

　　此外，还使用了尼吉康的铝电解电容器等，明显日本厂商的部件较多。对此，Fomalhaut的柏尾认为，“因为是长期使用的工业设备，所以选择了长期可靠性较高的日本产部件”。据该公司推测，这些基板与构成部件合计后的部材成本为5551.32日元。

　　电表如何智能：Elster REX2智能电表拆解实录

　　电表是一个连接到电网的设备，任何公司或者家庭都要用到它，采用的技术可以追溯到19世纪后期。然而，工程师们最近开发出一种固态电子式电能表，能够无线发送用电读数。这种新的电表，消除了人为错误，也能更准确地监测其系统。

　　这里展示了iFixit网站上对Elster REX2智能仪表的拆解，我们来看看它是由哪些设备构成，揭秘他们的硬件结构。

　　第一步

　　这里介绍先进的电能表：Elster REX2电度表。

　　

　　REX22智能仪表在非编程电表的基础上做得的几项改进：

　　-- 1，000，000次写周期的非易失性内存

　　-- 完整的128位AES加密造就了先进的安全性

　　-- 远程升级

　　-- 支持900兆赫和2.4 GHz ZigBee通信

　　-- 可选：附加通量电容

　　第二步

　　下面的拆解功能由专业人员或认为自己是专业人士的来执行。

　　-- 进入电表内部之前，必须首先拆除安全封条。如图。

　　

　　-- 取出安全密封条后，扭动手腕揭开透明塑料盖。

　　

　　第三步

　　-- 标记类型为R2S 是Elster REX2智能电表。 2S模式经营的额定电压240V，192V到288V，标称频率为60赫兹。

　　

　　-- 智能电表将有一个LAN ID ，基于IP的智能电网的EnergyAxis网络都必须连接到一个LANID。

　　

　　-- Elster 的电表都是用控制路径网运作在902-928 MHz ISM频段的25个渠道。

　　-- 当“控制网络”建立时，Elster REX2能够发现自己和其他电网之间的最佳路径，使重复信号的噪声和重复最少。

　　-- 如果客户对电表作为中继器有所担忧，可以联系Elster公司，要求他们的Elster电表传送功率读数。

　　第四步

　　-- 一个组件的两部分是由四个塑料夹子卡住的。

　　

　　-- 夹子被压紧时，上下两部分“弹开”就可以看到内部结构了。

　　

　　-- 第一眼看到分开的两部分你会为内部组件的简单感到惊讶。

　　第五步

　　-- 当把唯一的一根导线断开后，我们就可以很清楚地看到了智能电表的电源连接。

　　

　　-- 用尖嘴钳夹住用来连接电源和后盖的固定夹，就可以很容易的拆开这部分。

　　

　　-- 轻摇之后就可以将电源连接部分拿出来。

　　第六步

　　-- 极厚的铜导线允许电表串联到主电源上。它们可以承受200安培的电流。

　　

　　-- 有趣的是，电表是靠一个连接导线的黑色环形电流变压器向主板发送功耗信号的。

　　

　　-- 电流互感器就是通过铜导线来测量电流，同时为主板提供电表输出。

　　-- 长的金属压片可以承受电源240V的交流电。

　　

　　第七步

　　-- 令人惊讶的是在整个设备只有一个螺丝，而且很难找到Philips 1。

　　

　　-- 当移除前面几个部分后，主板就可以很容易的拆下来了。

　　

　　第八步

　　

　　位于主板前端的IC包括：

　　-- Teridian公司的71M6531 SoC与微处理器核心，RTC，FLASH和LCD驱动器

　　-- 德州仪器LM2904低功耗双运算放大器

　　-- RMFD RF2172中等功率高效率放大器IC

　　-- 低于1GHz系统单晶片的德州仪器CC1110F32MCU和32kB闪存

　　-- 附近的两个板通道是用来传输从顶部到电路板铜导线的240V交流电，并将蓝色变压器部分降到10v，这里完成了交流电压整流和为主板提供合适直流分量的工作。

　　第九步

　　

　　-- 智能电表的真正创新在于它的继电器电源消费统计与电表读数器是无接触的，这项创新Elster电表是通过向900 MHz ISM频段发送加密信号实现的。

　　-- Elster设计的天线模式能使信号远离办公楼。

　　-- Elster电表在与网络中的其他电表通信时只传递信息。他们产生的辐射量仅为1/4w，远远低于手机辐射。

　　-- Elster设计的电表可以每六个小时传递一次数据，传递时间仅为40毫秒。

　　第十步

　　

　　-- 对智能电表的争议在于额外的无线电频率（RF）信号是否会对人体健康产生影响。

　　-- 一方面，请愿者指出智能电表比起由当今众多设备产生的“电子烟雾”，所产生的射频信号已经是微乎其微。

　　-- 另一方面，反对者似乎不考虑智能电表的运作特点，就指出在长时间内智能电表会产生大量无线电波辐射。

　　-- 因此，如果该设备始终存在，就有可能会引起人们的关注。

　　第十一步

　　-- 最后，我们可以拆除液晶显示屏。

　　

　　-- 正如所见，单色LCD没有任何带状电缆连接到主板。

　　

　　

　　-- 它似乎是通过底部的黑条与主板上的焊盘接触，从而产生图像来运作的。

　　-- 这种液晶连接的方法是很常见的，黑色和粉红色地带被称为“斑马接头”。

　　第十二步

　　

　　-- 通常我们在最后一步会给出一个可修复分数，但我们又会觉得不合适，毕竟，电表表面有一个防篡改安全封条。

　　-- 即便如此，我们还是很高兴地了解到，智能电表不容易易碎的内部组件，这样也可以帮助授权的维修技师解除困惑。
 

更多精彩内容，请继续浏览电子发烧友网《通信测试特刊》8月刊