双向通信智能电表推动智能联网世界

  　随着个人和产业以创新性的方式来使用联网设备和网络，构成“物联网”的设备数量持续快速增长。机器到机器（M2M）通信具有无限的可能性，对于正在兴起的智能能源来说是一个比较突出的技术领域。随着家庭电表、个人设备和电器开始相互连接，将形成一个更大的和更加全面的环境，有利于人们做出更加明智的能源消费决策。把家庭与本地互联网中的联网设备连接到智能电网，可以实现业主与电力公司之间的双向通信，这样的情景正在日益成为现实。

　　据市场调研公司IHS预测指出，到2016年年底，全球智能电表的安装量将翻番，推动通信电表达到35%左右的渗透率。IHS表示，截止到2011年年底，在全球已安装的14.3亿台电表中，带有“智能”通信功能的电表占比不到18%。而且这些电表包括老式的单向先进抄表系统（AMR）和带有通用分组无线业务（GPRS）功能的商业与工业电表，以及可提供双向通信的住宅用智能电表。

　　

　　据IHS公司，从2012年到2014年，全球智能电表出货量将保持稳定，并且依赖中国、巴西和印度等发展中经济体。随着欧洲智能电表项目的投入运行，全球智能电表出货量将在2015年出现强劲增长。IHS公司表示，预计各种固定网络技术的电表将在全球各地安装，从比较简单的RS485有线型电表到下一代智能双向PLC-OFDM电表。其中，中国目前被视为“高级电表唯一的一个重要市场”，2011年智能电表出货量达4，000万个左右。

　　IMS Research公司的首席分析师Markides评论道：“未来五年，多数发达国家和正在进行工业化的发展中国家，其智能电表市场将蓬勃发展。不论是为了节省劳动力成本，配合其它智能电网计划，还是为了降低非技术性损耗，全球各地的电力企业都在加快采用智能电表。”

　　本文将全面介绍Smart Energy Profile 2.0（SEP），这是智能能源市场中新出现的一个标准，由ZigBee联盟（ZigBee Alliance）开发。如果对SEP 2.0有一些基本的了解，软件开发者就能更好地选择适合智能能源应用开发的嵌入软件。

　　物联网的一个新前沿

　　物联网是非常流行的概念，描绘出一副激动人心的未来图景：冰箱可以自己检查储藏了哪些食品，在你快要下班时通过邮件给你发送一份食品采购清单；你的住宅把室温调整到最佳水平，准备迎接你；烤箱预热食物，为晚餐做准备。内嵌功能强大的处理器、传感器和无线连接性的器件快速增长，给设备带来更多的功能及更高的智能，引领我们走向智能联网世界。

　　这些技术的一个应用是改善能源消费，也称为“智能能源”。智能能源的概念，就是在家庭内部控制能源使用，以及利用联网设备、网络和智能电网从家庭外部控制能源使用，目标是优化能源生产、分配和使用。家庭网络与电网之间的双向通信，为改善该应用的可靠性与稳定性创造了条件。

　　智能电网与智能家庭（智能电器，网关等等）以及智能表（电表，煤气表，水表）是智能能源生态系统中的关键要素。智能家电通常是那些消费者每天都要接触的设备。让这些设备能够彼此通信，而且消费者可以对其加以控制，将带来极大的便利。有一些产品（智能恒温器、智能开关、智能冰箱等等），目前已经具备一定程度的智能和无线连接性。有些比较先进的电器具有内置Web服务器，可以与联网家庭中的其它设备互动。智能电表是这些家庭（和办公室）的网关，收集和测量资源使用情况，然后与智能电网分享其中的部分或者全部信息。随后智能电网再根据这些信息采取必要措施，比如负荷调整、削峰，甚至是需求方面的管理。

　　智能能源设备，除了要执行自身的标准功能以外，还必须能够与本地网络中的其它智能能源设备进行通信，能发送和接收相关信息（计费、使用量、提醒等等）。数据的交换不仅可以改善整体效率和容错，而且可以优化能源消耗情况。智能电表收集使用量数据并发送给能源提供商，并使得消费者能够监控和管理自己的能源消费。换句话说，使用量数据从消费者流向能源提供商，同时，计价数据则从能源提供商流向消费者。这种双向信息流动使得消费者可以自主管理能源消费。这种双向的实时通信，使能源提供商能够改善计划工作和能源销售。

　　对智能能源设计进行标准化

　　随着多家制造商在设计智能能源系统，在一个网络中的所有设备应该能够互操作，这点变得日益明显。ZigBee联盟正在制订一个名为“Smart Energy Profile 2.0（SEP 2.0）”的标准，以帮助规范对智能能源生态系统的许多环节的要求，包括设备通信、连接性和信息共享等。

　　SEP 2.0指导设备之间如何相互通信。它定义了可以控制的各种设备属性，这些属性（也被称为“资源”）分成逻辑组一起运行，执行SEP 2.0的各种功能（被称为“指令集”）。例如，抄表系统或计费系统都是专用指令集。智能电表等设备执行一个或多个指令集，提供用量统计和趋势等增值服务。能源提供商或者消费者可以利用这些费用统计与趋势，分别加强对服务或者使用情况的管理。

　　指令集及其在设备中的资源可以通过HTTP URL访问。这些设备利用mDNS和DNS-SD等技术，动态地寻找网络中的相关服务，然后自行注册，进一步访问其它资源来执行SEP 2.0功能。为了创造真正的可以互操作的联网智能能源设备生态系统，必须使用基于TCP/UDP和IP的网络技术。设备支持安全特性非常重要，因为外围网络可能带来安全隐患，而且更重要的是，设备还向能源网络提供访问权限。由于许多智能设备提供连续的、可靠的和实时的数据，所以他们必须“永远在线”和“保持连接”，这要求所有智能能源设备自身必须节能。最后，他们也必须支持有线及无线联网。

　　多数现有家用电器不支持M2M的先进功能，因此要把许多不同的功能整合到一个单一设备之中，意味着要进行大幅度的和代价高昂的硬件升级，这将导致材料费用和成本上涨。制造商必须权衡提供支持智能能源的电器所带来的好处，以及随之而来的额外成本。

　　将来，家电厂商将拥有更多的选择，可以找到具有成本效益的解决方案来设计支持通知能源的家电。这些家用电器可以选择系统芯片（SoC）硬件，因其功能、外形尺寸、软件支持和成本之间可以实现适当的平衡。32位微控制器（MCU）兼具处理能力、内存和连接性，也是一个有力的候选者。当前一代的微控制器，比如飞思卡尔Kinetis、意法半导体STM32或德州仪器Stellaris（ARM Cortex-M内核），以非常具有竞争力的价格提供众多特点和功能。选择合适的硬件只是一个开端，软件选择才是决定产品差异化的要素。

　　SEP 2.0标准提出的软件技术要求包括：一个支持UDP的多功能TCP/IP堆栈；具有mDNS和DNS-SD等动态服务发现能力的IPv6服务；支持GET、PUT、POST和DELETE等简单指令的HTTP执行。SEP 2.0也要求支持SSL/TLS等安全标准，以及几种现代互联网技术，比如RESTful架构、XML和EXI编码。Linux就广泛支持这些软件，但不幸的是，使用RAM为96K至128K的微控制器，把Linux排除在外了。而自己开发这样的技术需要大笔资金和大量时间，这促使人们可能在这些设备中采用实时操作系统（RTOS）。

　　

　　图2：一个可以支持多种外设的硬件设计例子，采用Nucleus RTOS这样的实时操作系统，提供SEP 2.0所要求的所有服务。

　　RTOS不仅速度快和效率高，而且稳定可靠，他们通常包括一个广泛的网络堆栈、支持使用SSL或TLS等安全技术，而且肯定会符合对占位面积的严格限制以及这些设备对于内存的其它要求。Mentor Graphics公司推出的Nucleus RTOS这是这样一种解决方案。Nucleus是一种得到广泛采用的可以扩展的RTOS，符合所有智能电网设备的要求。它既有稳固的实时性能，也有集成的电源管理服务。这样的RTOS可以入驻内存局促的MCU，同时仍能提供联网的智能电网设备所要求的大多数功能。

　　结论

　　预计智能电网技术将迅速得到采纳，因此设计出把材料成本控制在最低水平的联网设备，将是制造商面临的重大挑战。为了开发出符合SEP 2.0标准的一款设备，自己开展软件设计可能并不可行，因为需要满足大量的功能要求，而且自己需要投入大量的开发精力。而另一个极端，即采用一种通用操作系统，则需对硬件资源进行大幅升级，这将带来不可接受的成本增长。设备制造商在选择软件设计与硬件平台时，必须做出正确的平衡。采用一种提供全面联网支持（有线和无线）、可扩展的、节能的、实时操作系统，配以现在市场上有售的一款32位MCU，是最接近满足上述这些要求的一种方案。根据这种设计模式，设计师将大大缩短产品上市时间，同时仍能实现全部智能电网应用的目标。
本文作者：Srinath Balaraman，Anil Khanna， Mentor Graphics公司