電力公司正指望以智慧電表來大幅降低營運成本並減少消費者帳單上的費用。但是,現有智慧電表連接技術的性能和靈活性有限,而廣泛部署專有解決方案會嚴重限制互通性,並將讓電力公司陷入在安裝和維護成本都很高的利基型通訊技術之中。

因此,智慧電表產業需要一種可以利用規模經濟降低部署和營運成本的標準化解決方案。DLMS/COSEM (DLMS)是電表資料交換的國際標準,也是目前最受業界青睞接受的標準,發展前景良好。發揮DLMS潛力的主要障礙在於將DLMS電表連接到後端電力基礎設施的通訊技術缺乏融合性(convergence)。不過,由於DLMS是以開放式系統互連(Open Systems Interconnection,OSI)模型為基礎,因而能夠採用各種通訊媒體,其中包括蜂巢式物聯網,這是一種基於強大、成熟並且高度安全的LTE (4G)網路的無線技術。

蜂巢式物聯網提供了一個真正的機會,可從全球性的角度將智慧電表計量連接到雲端的連接技術標準化,可惜其底層技術非常複雜,會讓沒有經驗的人士望而生畏。現在,在芬蘭智慧電表專業廠商Gurux和Nordic Semiconductor的合作之下,可望簡化經由蜂巢式物聯網實現DLMS智慧電表通訊的開發工作。在Nordic的協助下,Gurux開發出一款以Nordic 的nRF9160 SiP為基礎的開放式原始碼(open source)概念驗證(PoC)智慧電表,它可直接解決使用蜂巢式物聯網讀取智慧電表時通常會面臨到的工程挑戰。

配置原型

針對要能與DLMS電表一起使用所設計的概念驗證(PoC),包含了四個元素:將nRF9160 DK連接到電表的電纜(透過光學探針或直接序列埠連接);已載入了Gurux MQTT橋接範例的nRF9160 DK;以及MQTT Broker和基於GXDLMSDirector (可輕鬆安裝在PC上進行產品展示)的用戶端應用程式。

針對原型配置PoC的工作十分簡單直接。首先,工程師使用Gurux所提供的範例對nRF9160 DK進行程式設計,如此便可實現MQTT橋接,然後透過電纜將它連接到智慧電表。之後再使用GXDLMSDirector選擇電表製造商並設置MQTT參數。然後PoC可以使用MQTT Broker透過LTE-M連結發送資料,並接收從雲端用戶端應用程式送回的資訊。

儘管PoC主要是為DLMS所設計的,但它可以支援LTE-M鏈路上的其他智慧電表替代協定。該PoC還可以當作原型網路介面卡(NIC)來使用。NIC是為電表帶來連接能力的插入板(plug-in board)。由於導入了模組化功能,使得電表可通過轉換NIC來支援不同類型的連接,這種架構十分受到歡迎。nRF9160可以管理連接和邊緣處理,使NIC不需要額外的微控制器,從而實現單晶片架構設計。

透過試驗電表資料收集介面,開發人員可以將nRF9160 DK配置成可適用於大多數電表的NIC來運作。由於DK上的軟體發展簡單(部分可歸因於應用處理器和數據機已整合在同一晶片組之上),構建原型NIC就相對簡單直接。

NB-IoT選項

此一PoC目前是採用LTE-M蜂巢式物聯網,因其支援低延遲性能和高資料速率,而這兩者是最具挑戰性的計量應用所需要的性能。但是,對於許多應用而言,替代蜂巢式物聯網技術的NB-IoT就十分令人滿意。對於延遲和覆蓋範圍都很重要的高級電表,納入可支援兩種蜂巢式物聯網版本的解決方案是一種合理的設計構想,從而以單一的設計覆蓋最廣泛的應用範圍。

居此一PoC核心的Nordic nRF9160 SiP可以使用由板載Arm Cortex-M33處理器所觸發的簡單AT指令,而在LTE-M和NB-IoT之間自動切換,這使得工程師可以輕鬆修改PoC來自動最佳化智慧電表的無線連接。透過在LTE-M和NB-IoT之間進行切換,建立最適合特定營運環境的連接,可以解決大多數蜂巢式IoT連接所面臨的挑戰。