智能電表內部構造深度拆解：電表如何智能？

在電力及燃氣等能源領(lǐng)域，具備通信功能并能夠遠程讀取數據的“智能儀表”受到的關(guān)注越來(lái)越高。其原因是，這種儀表有望用于多種用途，如能源使用情況的“可視化”、使用抄表數據提供咨詢(xún)服務(wù)，將來(lái)還有望用于家用設備控制等。

那么，這種智能儀表由哪些部件構成，并由哪些廠(chǎng)商供應主要部件?與智能手機等便攜終端相比，人們幾乎沒(méi)有機會(huì )了解智能儀表的內部構造。因此，為了弄清楚這些內部情況，拆解組決定購買(mǎi)美國的“智能電表”產(chǎn)品，并進(jìn)行內部分析。

此次是在從事過(guò)多款產(chǎn)品拆解調查的Fomalhaut Technology Solutions公司的協(xié)助下進(jìn)行拆解分析的。下面首先以具備有線(xiàn)通信功能的智能儀表為主，分析一下使用部件的廠(chǎng)商名稱(chēng)及部材成本等。

具備以太網(wǎng)通信功能

此次拆解的產(chǎn)品是美國儀表廠(chǎng)商Itron的“Sentinel SS5S2L”(以下稱(chēng)Sentinel)與美國通用電氣的“KV2”，二者均為支持120V～480V電壓的電表，具備以太網(wǎng)或電話(huà)線(xiàn)通信功能(表 1)。此外，為了便于參考，同時(shí)還分析了瑞士蘭吉爾(Landis+Gyr)公司的不具備通信功能的“AXS4”的內部情況，并一起列在下表中。

表1 此次拆解分析的電表

這三款儀表的共同點(diǎn)是，均為電表，而且可使用液晶面板顯示數據。其不同點(diǎn)是，具備通信功能的兩款機型在內部安裝了三塊基板，而不具備通信功能的 AXS4則將主要部件集成在了一塊基板上。而且，AXS4的部材成本推測值最低。拆解時(shí)可以看出，其他兩款機型因嵌入了通信功能，部材成本有所增加。

使用三塊基板

下面我們看一下內部具體構造。首先分析一下安裝在Sentinel內部基板上的MCU等。

Sentinel與其他智能電表一樣采用圓筒形狀，乍看上去就像一個(gè)稍大的罐頭盒。取下外面的塑料殼，并拆除下部的加固部材后，可以看到兩塊安裝有各種部件的基板(圖1)。里面還有一塊基板，該電表共由三塊基板構成。其中一塊是進(jìn)行以太網(wǎng)等通信處理的基板，另一塊是安裝主要MCU的主基板。每塊基板均由樹(shù)脂制成。

圖1 Itron公司的Sentinel

取下外殼并拆掉下部的加固部材后，可以看到兩塊基板。此外，里面還有一塊基板。

負責通信處理的基板上最引人注目的部件是，進(jìn)行以太網(wǎng)信號與串行信號轉換的美國創(chuàng )力(Lantronix)公司的超小型設備服務(wù)器“XPort”(圖 2)。XPort的內部嵌入了可進(jìn)行串行數據及以太網(wǎng)數據轉換處理及網(wǎng)絡(luò )控制處理的電路，可以利用以太網(wǎng)線(xiàn)傳輸信號。位于其周?chē)娜鹚_電子的MCU等估計是進(jìn)行通信處理的。

圖2 以太網(wǎng)信號與串行信號的交換

主要安裝通信處理部分的基板。用來(lái)交換以太網(wǎng)信號與串行信號的創(chuàng )力“Xport”十分引人注目。

還有可能安裝了備用電路

主基板上安裝了多個(gè)MCU(圖3)。特點(diǎn)是采用了多款日本廠(chǎng)商生產(chǎn)的MCU，包括瑞薩電子的16bit產(chǎn)品與NEC電子的產(chǎn)品注1)。此外還有歐美廠(chǎng)商的產(chǎn)品，如美國愛(ài)特梅爾的8bit產(chǎn)品，荷蘭恩智浦半導體的液晶驅動(dòng)器IC等。

注1)本文涉及到的廠(chǎng)商均為電表上市時(shí)的名稱(chēng)，其中包括現已更名的企業(yè)。

圖3 使用瑞薩等公司的MCU

主基板上安裝了瑞薩電子及愛(ài)特梅爾等的MCU。

另一個(gè)特點(diǎn)是具備兩個(gè)相似的電路塊，分別以瑞薩與NEC的MCU為中心，安裝了美國PDI公司的晶體振蕩器以及各種防噪音部件等。對此，Fomalhaut Technology Solutions的主管柏尾南壯指出，“因為是使用壽命長(cháng)達10年的產(chǎn)品，所以使其具備了備用電路職能”。這樣就具備了冗余性，發(fā)生故障時(shí)，能夠利用另一個(gè)電路塊繼續進(jìn)行處理。

日本產(chǎn)品較多的原因

除基板外，電表內部還嵌入了兩個(gè)圓筒形鋰離子充電電池。其形狀并非筆記本電腦等使用的直徑18mm高65mm的“18650”，而是接近5號干電池。使用這種電池之后，當因某種原因斷電時(shí)，電路能夠繼續工作。

此外，還使用了尼吉康的鋁電解電容器等，明顯日本廠(chǎng)商的部件較多。對此，Fomalhaut的柏尾認為，“因為是長(cháng)期使用的工業(yè)設備，所以選擇了長(cháng)期可靠性較高的日本產(chǎn)部件”。據該公司推測，這些基板與構成部件合計后的部材成本為5551.32日元。

電表如何智能：Elster REX2智能電表拆解實(shí)錄

電表是一個(gè)連接到電網(wǎng)的設備，任何公司或者家庭都要用到它，采用的技術(shù)可以追溯到19世紀后期。然而，工程師們最近開(kāi)發(fā)出一種固態(tài)電子式電能表，能夠無(wú)線(xiàn)發(fā)送用電讀數。這種新的電表，消除了人為錯誤，也能更準確地監測其系統。