介紹
對於隱藏在車庫、地下室、或是其它不易看見位置的電表，我們都相當的熟悉。我們可能只有去看過這些電表一或兩次，為的是要將最新的讀數以電話通知水電公司，而非任由其估算。拜科技之賜，在這些不起眼的電表內，一場沉默的革新正在發生當中。
圖1所示為最早於19世紀後期所開發的傳統機電式電表的範例，它具有一組轉盤以及機械式的計數器顯示錶。這種電表透過計算該轉盤的旋轉圈數來計量電能，金屬轉盤的旋轉速度與所用電能成一定比例。轉盤周圍的線圈通過施加一個與暫態電流和電壓成比例的渦電流和推力轉動轉盤，它利用一個永久磁鐵在轉盤上施加阻力，以在斷電後使之停止旋轉。
圖1．機電式電表
在電表發展的里程碑就是以固態電子式電表（solid-state electronic meter）取代機電式電表。電子式電表利用諸如來自於ADI公司或其他供應商所提供經過高度整合的零件來量測電能。這些元件會透過高解析度的sigma-delta類比數位轉換器（ADC），將即時的電壓與電流予以數位化。計算電壓與電流的產品會以瓦特（watt）來表示即時功率。再將時間予以整合之後則可以顯示所使用的電量，此通常會以每小時千瓦（kWh）來表示。電能的資料會顯示於液晶顯示螢幕（LCD）中，如圖2所示。
圖2．固態電子式電表
電子式電表具有多項優點。除了量測即時功率之外，這些電表也可以量測其它的參數，像是功率因數（power factor）以及無效功率（reactive power）等。在特定期間之內的資料可以被加以量測與儲存，讓電力公司可以依據每日不同時段的使用量提出價格計畫。這將使聰明的消費者可以在較低成本的離峰時段使用主要的耗電裝置，像是洗衣機與烘乾機等，進而達到省錢的目的；而電力公司則能夠因為尖峰時段所需負載較低，進而避免了新發電廠的興建。電子式電表不會受到外部磁鐵或是電表本身的方向所影響，因此比起機電式電表更不易遭到竄改；同時也相當的可靠。
ADI在從機電式電表轉換至電子式電表這方面，一直都扮演著關鍵性的角色，截至目前為止已經銷售了超過2億2千5百萬個電能量測IC。根據IMS Research的資料，2007年所銷售的電表有75 ％是電子式電表，而非機電式電表。
電子式電表開發出新的可能性
一但電表的資料能夠以電子形式取得，就能夠實現與電表之間的通訊，使電表可以利用自動讀錶（AMR）功能，透過通訊連結進行遠端存取資料。電表生產廠商已經開發出不同的系統架構的遠端讀取方式：概括分為近距離無線抄表系統(walk-by)、車載無線抄表系統(drive-by)、或是連網型抄錶系統等。圖3中所示為車載無線抄表系統。
圖3．車載抄表器
在這個情況中，水電公司會送出一部具有內建無線資料蒐集器的車輛。這部車輛會從鄰近區域駛過，並且有效率的蒐集電表資料。相較於近距離無線抄表系統，車載無線抄表系統可以使水電公司員工一天能夠讀取的電表數量提高至5倍，而相較於人工抄錶時則可以提高超過10倍以上。在網路系統當中，電表資料會被送入固定式的資料蒐集器當中，而這些蒐集器通常會放置於街道末端或是鄰近區域的電線桿上。這些資料則會透過寬頻或是蜂巢式骨幹傳送至水電公司
從AMR到AMI
一開始，以AMR系統取代人工抄錶的作法只被認為是一種降低勞工成本的方法，但是隨著業界開始認知到AMR能夠讓水電公司很方便的提供更高階的好處與服務(像是即時給定價格以便提升至更好的能源效率、錯誤偵測的立即回報、以及用於規範網路內部使用狀況之更精確的資料等)時，一切就開始改變了。
有時候會以先進讀錶基礎架構（AMI）取代AMR，藉以凸顯其從簡單遠端抄錶的區別。AMI連網抄錶系統的實現，所應用的技術範圍可以從衛星一直到低成本的無線電。有兩種舉足輕重的新興技術，分別是採用無須授權的工業、科學、醫療用（ISM）波段的RF(無線電)以及電力線載波（PLC）。
RF技術採用低電力低成本的無線電，以無線方式發送電表的資訊，而PLC所採用的則是其自身的電力線。ADI已經針對這兩種技術開發其解決方案，以ADF 7xxx短距離發射接收器8家族因應ISM波段RF的領域，以及以Blackfin®處理器9為基礎的SALEM®家族來因應PLC領域。
這些技術都各自有其優缺點。RF技術，特別是對於水和瓦斯電表而言，會漸漸成為主要的選擇，此乃是因為靠近水或瓦斯電力總管線安全性方面的考量。水錶因為往往都是埋在地面下，因而增加了複雜度。對於電表來說，兩種方法的結合被認為是最適當的，而在北美地區較偏好RF，歐洲地區則較偏好電力線。
在美國，有少數的房屋依舊受到單一變壓器的約束，而這使得PLC的使用較缺少經濟性。在某些執行情況中，電力公司會利用混合方式來佈署AMI，以電力線在電表與資料蒐集器之間進行通訊，以RF在電表與其它屋內電表或是裝置之間進行通訊。有個有趣的Google Maps網頁會將全世界的AMR / AMI佈署10以及現場測試情況標示出來，顯示最新的相關資訊。
設計AMR / AMI電表中的RF電路
電表通常位於擁有越來越多無線設備的房屋內部或周邊，確保可靠的無線電通信是一大挑戰，這就要求RF電路必須具備高性能，以抑制無線LAN等設備發出的較強信號的干擾， RF輸入端可能接收低至1微伏以下的信號，並進行解碼。
良好的無線電敏感度也是必要的，因為其將會轉譯成較長的信號傳輸範圍。請記得，電表可能會被設置於地下室，甚至可能更糟的是埋設在地下，然而它卻需要與數個街區之外電線桿上的無線電設備，或者是與街上的水電公司車輛進行通訊。敏感度越低，接收用的無線電設備就必須越靠近，以便將訊息正確的解碼。對於行動式的drive-by系統而言，這僅代表說車輛必須開得更靠近你的房屋，但是固定式的網路基礎架構則必須使用更小的蜂巢單元以及相對應更大量的資料蒐集器。因此高敏感度可以使網路式基礎架構的成本最小化。
低功率消耗在以電池供電的瓦斯錶與水錶中是相當重要的。電表供應商常會試著降低能源電表中的功率消耗，因為這使得他們可以將相同的設計套用在水錶或是瓦斯錶當中。此外，為了要能夠在無需授權之頻譜波段當中運作，這些電表與讀取器所採用的通訊協定都必須要與運行所在國家的無線電發射規範相容。在全球有著數個無需授權的波段，最為常用的幾種就是900 MHz、2.4 GHz、以及 5.8 GHz。
大多數的電表生產廠商都選用900 MHz波段來做為電表與電表之間，以及電表與資料蒐集器之間的連結。針對特定的電力需求，在這些頻率下的無線電設備比起同質性的2.4 GHz技術來說具有較佳的通訊範圍，因而對於特定的基地台或是資料蒐集器能夠擁有更為寬廣的蜂巢涵蓋範圍。
不過從水電公司的角度來看，使用該頻率波段的缺點就是缺乏可用的標準。針對以電池供電的瓦斯錶與水錶，sub-GHz波段顯然是最佳的技術選擇，而對於這種不同生產廠商系統間的交互溝通，予以標準化的需求也日益升高。
從有線M-Bus使用者群組所發展出來的無線M-Bus，就是一個針對在電表之間以及電表與資料蒐集器之間進行通訊標準的範例。M-Bus 11目前是詳述於EN 13757中之EN European Normative標準的一部分。無線M-Bus通訊協定則詳述於EN 13757-4改編版當中。其它對於900 MHz標準化的制定也都在進行當中。圖4當中所示的ADF 7020 發射接收器，就是以讀錶功能為考量所設計之900 MHz無線電元件的範例。該元件也適用於必須相容於無線M-Bus標準的系統。
圖4．ADF 7020的功能方塊圖
經過完全整合的ADF 7020低功耗無線電發射接收器可以在無需授權的ISM波段(中國地區為433 MHz，歐洲地區為868 MHz，北美地區為915 MHz)下運作。該元件將完整的發射與接收RF區塊以及類比和數位波段加以整合。要完成一組適用於具有AMR功能的公用電表無線電卡，通常需要的是ADF 7020、一組天線、少量的外部被動元件、以及一組用以執行通訊協定的簡單微控制器，如圖5所示。
圖5．具有AMR功能的公用電表
ADF 7020擁有一組超低功率的8位元RISC核心，用以執行部份的低階通訊功能，並因而得以顯著的紓解外部微控制器的負擔。這可以消除許多情況下針對特定通訊目的獨立微控制器的需求。ADF 7020具有超過70 dB的阻斷性能，所代表的是即便在不需要的波段外信號比所需信號高出了70dB之多的情況下，所需信號仍然能夠被偵測到並予以正確的解碼。相鄰通道的拒斥接近40 dB，敏感度依據資料速率而定，最低可達–120 dBm。這比具有最佳性能的ZigBee®解決方案14還要低20 dB以上。
HAN家庭區域網路
隨著具有通訊功能的電表快速的普及至許多家庭中，水電公司以及能源管理者都在探索未來他們可以如何利用此技術，藉以使能源的保護與認知獲得改善。利用此概念(有時候也被稱作智慧型電網（smart grid）)，水電公司可以藉由能夠徹底延伸至客戶家中的網路，主動的管理傳輸負載。
這樣的服務可以提供即時性的價格資訊，使消費者能夠調整能源的使用量。例如在熱浪來襲時的尖峰負載時段，水電公司會傳送訊息到家中，告訴家裡面的人們下個小時的價格將會提高，並且鼓勵他們關掉用電裝置。這需要有一組屋內的顯示器，讓傳送的訊息得以顯示。更進一步，水電公司可以透過電表和你家裡面的裝置進行通訊，例如啟動恆溫調節器或是關閉水池幫浦等。這種系統需要在電表與家庭裝置之間進行通訊，因此有時候也稱為家庭區域網路（HAN）。900 MHz的無線電元件像是ADF 702x以及ZigBee等無線電元件，在此領域中都深獲青睞。
大多數的業界相關人士都瞭解到，一個與先進電表基礎架構連結，能夠完整運作的家庭區域網路需要數年的建構，然而這種系統的優點所代表的是許多公司可以主動參與現今家庭區域網路解決方案的開發。圖6中所示為對家庭區域網路的圖說。
圖6．家庭區域網路
AMI以及智慧型電網都被認為是具有潛力的關鍵性技術，能夠改善能源的效率，對於節能減碳的目標具有極大的助益。ADI致力於提供創新又具有能源效率的元件，藉以推動這個市場，並且成為未來改善能源效率以及推動能源保護的一份子。
參考資料
1.www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE5166/products/product.html
2.www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE5566/products/product.html
3. www.analog.com/ADE7166
4.www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE7566/products/product.html
5.www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE7751/products/product.html
6.www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/products/overview/CU_over_analog_ICs_meter__energy-sensitive_world/resources/fca.html?ref=ASC961
7. IMS Research Report 2008
8. www.analog.com/en/rfif-components/short-range-transceivers/products/index.html
9. www.analog.com/en/embedded-processing-dsp/blackfin/content/index.html
10.http://maps.google.com/maps/ms?ie=UTF8&hl=en&msa=0&msid=115519311058367534348.0000011362ac6d7d21187&om=1&ll=43.325178,-4.21875&spn=90,-33.046875&source=embed
11. www.m-bus.com
12. www.analog.com/ADF7020
13.www.analog.com/en/instrumentation-solutions/electronic-energy-meter-lcd-display/applications/index.html
14. www.zigbee.org/en/index.as
關於作者
Austin Harney在1999年於愛爾蘭的都柏林大學取得工程學士學位，畢業後即進入ADI公司。他目前是位於Limerick的 ISM波段無線產品線應用工程師。可以透過電子郵件autin.harney@analog.com與Austin聯繫。
對於隱藏在車庫、地下室、或是其它不易看見位置的電表，我們都相當的熟悉。我們可能只有去看過這些電表一或兩次，為的是要將最新的讀數以電話通知水電公司，而非任由其估算。拜科技之賜，在這些不起眼的電表內，一場沉默的革新正在發生當中。
圖1所示為最早於19世紀後期所開發的傳統機電式電表的範例，它具有一組轉盤以及機械式的計數器顯示錶。這種電表透過計算該轉盤的旋轉圈數來計量電能，金屬轉盤的旋轉速度與所用電能成一定比例。轉盤周圍的線圈通過施加一個與暫態電流和電壓成比例的渦電流和推力轉動轉盤，它利用一個永久磁鐵在轉盤上施加阻力，以在斷電後使之停止旋轉。
圖1．機電式電表
在電表發展的里程碑就是以固態電子式電表（solid-state electronic meter）取代機電式電表。電子式電表利用諸如來自於ADI公司或其他供應商所提供經過高度整合的零件來量測電能。這些元件會透過高解析度的sigma-delta類比數位轉換器（ADC），將即時的電壓與電流予以數位化。計算電壓與電流的產品會以瓦特（watt）來表示即時功率。再將時間予以整合之後則可以顯示所使用的電量，此通常會以每小時千瓦（kWh）來表示。電能的資料會顯示於液晶顯示螢幕（LCD）中，如圖2所示。
圖2．固態電子式電表
電子式電表具有多項優點。除了量測即時功率之外，這些電表也可以量測其它的參數，像是功率因數（power factor）以及無效功率（reactive power）等。在特定期間之內的資料可以被加以量測與儲存，讓電力公司可以依據每日不同時段的使用量提出價格計畫。這將使聰明的消費者可以在較低成本的離峰時段使用主要的耗電裝置，像是洗衣機與烘乾機等，進而達到省錢的目的；而電力公司則能夠因為尖峰時段所需負載較低，進而避免了新發電廠的興建。電子式電表不會受到外部磁鐵或是電表本身的方向所影響，因此比起機電式電表更不易遭到竄改；同時也相當的可靠。
ADI在從機電式電表轉換至電子式電表這方面，一直都扮演著關鍵性的角色，截至目前為止已經銷售了超過2億2千5百萬個電能量測IC。根據IMS Research的資料，2007年所銷售的電表有75 ％是電子式電表，而非機電式電表。
電子式電表開發出新的可能性
一但電表的資料能夠以電子形式取得，就能夠實現與電表之間的通訊，使電表可以利用自動讀錶（AMR）功能，透過通訊連結進行遠端存取資料。電表生產廠商已經開發出不同的系統架構的遠端讀取方式：概括分為近距離無線抄表系統(walk-by)、車載無線抄表系統(drive-by)、或是連網型抄錶系統等。圖3中所示為車載無線抄表系統。
圖3．車載抄表器
在這個情況中，水電公司會送出一部具有內建無線資料蒐集器的車輛。這部車輛會從鄰近區域駛過，並且有效率的蒐集電表資料。相較於近距離無線抄表系統，車載無線抄表系統可以使水電公司員工一天能夠讀取的電表數量提高至5倍，而相較於人工抄錶時則可以提高超過10倍以上。在網路系統當中，電表資料會被送入固定式的資料蒐集器當中，而這些蒐集器通常會放置於街道末端或是鄰近區域的電線桿上。這些資料則會透過寬頻或是蜂巢式骨幹傳送至水電公司
從AMR到AMI
一開始，以AMR系統取代人工抄錶的作法只被認為是一種降低勞工成本的方法，但是隨著業界開始認知到AMR能夠讓水電公司很方便的提供更高階的好處與服務(像是即時給定價格以便提升至更好的能源效率、錯誤偵測的立即回報、以及用於規範網路內部使用狀況之更精確的資料等)時，一切就開始改變了。
有時候會以先進讀錶基礎架構（AMI）取代AMR，藉以凸顯其從簡單遠端抄錶的區別。AMI連網抄錶系統的實現，所應用的技術範圍可以從衛星一直到低成本的無線電。有兩種舉足輕重的新興技術，分別是採用無須授權的工業、科學、醫療用（ISM）波段的RF(無線電)以及電力線載波（PLC）。
RF技術採用低電力低成本的無線電，以無線方式發送電表的資訊，而PLC所採用的則是其自身的電力線。ADI已經針對這兩種技術開發其解決方案，以ADF 7xxx短距離發射接收器8家族因應ISM波段RF的領域，以及以Blackfin®處理器9為基礎的SALEM®家族來因應PLC領域。
這些技術都各自有其優缺點。RF技術，特別是對於水和瓦斯電表而言，會漸漸成為主要的選擇，此乃是因為靠近水或瓦斯電力總管線安全性方面的考量。水錶因為往往都是埋在地面下，因而增加了複雜度。對於電表來說，兩種方法的結合被認為是最適當的，而在北美地區較偏好RF，歐洲地區則較偏好電力線。
在美國，有少數的房屋依舊受到單一變壓器的約束，而這使得PLC的使用較缺少經濟性。在某些執行情況中，電力公司會利用混合方式來佈署AMI，以電力線在電表與資料蒐集器之間進行通訊，以RF在電表與其它屋內電表或是裝置之間進行通訊。有個有趣的Google Maps網頁會將全世界的AMR / AMI佈署10以及現場測試情況標示出來，顯示最新的相關資訊。
設計AMR / AMI電表中的RF電路
電表通常位於擁有越來越多無線設備的房屋內部或周邊，確保可靠的無線電通信是一大挑戰，這就要求RF電路必須具備高性能，以抑制無線LAN等設備發出的較強信號的干擾， RF輸入端可能接收低至1微伏以下的信號，並進行解碼。
良好的無線電敏感度也是必要的，因為其將會轉譯成較長的信號傳輸範圍。請記得，電表可能會被設置於地下室，甚至可能更糟的是埋設在地下，然而它卻需要與數個街區之外電線桿上的無線電設備，或者是與街上的水電公司車輛進行通訊。敏感度越低，接收用的無線電設備就必須越靠近，以便將訊息正確的解碼。對於行動式的drive-by系統而言，這僅代表說車輛必須開得更靠近你的房屋，但是固定式的網路基礎架構則必須使用更小的蜂巢單元以及相對應更大量的資料蒐集器。因此高敏感度可以使網路式基礎架構的成本最小化。
低功率消耗在以電池供電的瓦斯錶與水錶中是相當重要的。電表供應商常會試著降低能源電表中的功率消耗，因為這使得他們可以將相同的設計套用在水錶或是瓦斯錶當中。此外，為了要能夠在無需授權之頻譜波段當中運作，這些電表與讀取器所採用的通訊協定都必須要與運行所在國家的無線電發射規範相容。在全球有著數個無需授權的波段，最為常用的幾種就是900 MHz、2.4 GHz、以及 5.8 GHz。
大多數的電表生產廠商都選用900 MHz波段來做為電表與電表之間，以及電表與資料蒐集器之間的連結。針對特定的電力需求，在這些頻率下的無線電設備比起同質性的2.4 GHz技術來說具有較佳的通訊範圍，因而對於特定的基地台或是資料蒐集器能夠擁有更為寬廣的蜂巢涵蓋範圍。
不過從水電公司的角度來看，使用該頻率波段的缺點就是缺乏可用的標準。針對以電池供電的瓦斯錶與水錶，sub-GHz波段顯然是最佳的技術選擇，而對於這種不同生產廠商系統間的交互溝通，予以標準化的需求也日益升高。
從有線M-Bus使用者群組所發展出來的無線M-Bus，就是一個針對在電表之間以及電表與資料蒐集器之間進行通訊標準的範例。M-Bus 11目前是詳述於EN 13757中之EN European Normative標準的一部分。無線M-Bus通訊協定則詳述於EN 13757-4改編版當中。其它對於900 MHz標準化的制定也都在進行當中。圖4當中所示的ADF 7020 發射接收器，就是以讀錶功能為考量所設計之900 MHz無線電元件的範例。該元件也適用於必須相容於無線M-Bus標準的系統。
圖4．ADF 7020的功能方塊圖
經過完全整合的ADF 7020低功耗無線電發射接收器可以在無需授權的ISM波段(中國地區為433 MHz，歐洲地區為868 MHz，北美地區為915 MHz)下運作。該元件將完整的發射與接收RF區塊以及類比和數位波段加以整合。要完成一組適用於具有AMR功能的公用電表無線電卡，通常需要的是ADF 7020、一組天線、少量的外部被動元件、以及一組用以執行通訊協定的簡單微控制器，如圖5所示。
圖5．具有AMR功能的公用電表
ADF 7020擁有一組超低功率的8位元RISC核心，用以執行部份的低階通訊功能，並因而得以顯著的紓解外部微控制器的負擔。這可以消除許多情況下針對特定通訊目的獨立微控制器的需求。ADF 7020具有超過70 dB的阻斷性能，所代表的是即便在不需要的波段外信號比所需信號高出了70dB之多的情況下，所需信號仍然能夠被偵測到並予以正確的解碼。相鄰通道的拒斥接近40 dB，敏感度依據資料速率而定，最低可達–120 dBm。這比具有最佳性能的ZigBee®解決方案14還要低20 dB以上。
HAN家庭區域網路
隨著具有通訊功能的電表快速的普及至許多家庭中，水電公司以及能源管理者都在探索未來他們可以如何利用此技術，藉以使能源的保護與認知獲得改善。利用此概念(有時候也被稱作智慧型電網（smart grid）)，水電公司可以藉由能夠徹底延伸至客戶家中的網路，主動的管理傳輸負載。
這樣的服務可以提供即時性的價格資訊，使消費者能夠調整能源的使用量。例如在熱浪來襲時的尖峰負載時段，水電公司會傳送訊息到家中，告訴家裡面的人們下個小時的價格將會提高，並且鼓勵他們關掉用電裝置。這需要有一組屋內的顯示器，讓傳送的訊息得以顯示。更進一步，水電公司可以透過電表和你家裡面的裝置進行通訊，例如啟動恆溫調節器或是關閉水池幫浦等。這種系統需要在電表與家庭裝置之間進行通訊，因此有時候也稱為家庭區域網路（HAN）。900 MHz的無線電元件像是ADF 702x以及ZigBee等無線電元件，在此領域中都深獲青睞。
大多數的業界相關人士都瞭解到，一個與先進電表基礎架構連結，能夠完整運作的家庭區域網路需要數年的建構，然而這種系統的優點所代表的是許多公司可以主動參與現今家庭區域網路解決方案的開發。圖6中所示為對家庭區域網路的圖說。
圖6．家庭區域網路
AMI以及智慧型電網都被認為是具有潛力的關鍵性技術，能夠改善能源的效率，對於節能減碳的目標具有極大的助益。ADI致力於提供創新又具有能源效率的元件，藉以推動這個市場，並且成為未來改善能源效率以及推動能源保護的一份子。
參考資料
1.www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE5166/products/product.html
2.www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE5566/products/product.html
3. www.analog.com/ADE7166
4.www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE7566/products/product.html
5.www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE7751/products/product.html
6.www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/products/overview/CU_over_analog_ICs_meter__energy-sensitive_world/resources/fca.html?ref=ASC961
7. IMS Research Report 2008
8. www.analog.com/en/rfif-components/short-range-transceivers/products/index.html
9. www.analog.com/en/embedded-processing-dsp/blackfin/content/index.html
10.http://maps.google.com/maps/ms?ie=UTF8&hl=en&msa=0&msid=115519311058367534348.0000011362ac6d7d21187&om=1&ll=43.325178,-4.21875&spn=90,-33.046875&source=embed
11. www.m-bus.com
12. www.analog.com/ADF7020
13.www.analog.com/en/instrumentation-solutions/electronic-energy-meter-lcd-display/applications/index.html
14. www.zigbee.org/en/index.as
關於作者
Austin Harney在1999年於愛爾蘭的都柏林大學取得工程學士學位，畢業後即進入ADI公司。他目前是位於Limerick的 ISM波段無線產品線應用工程師。可以透過電子郵件autin.harney@analog.com與Austin聯繫。
