智能能源的商業(yè)驅(qū)動(dòng)力很容易理解;估計(jì)節(jié)省1千瓦時(shí)電力的成本約為1.7美分，而生產(chǎn)1千瓦時(shí)的成本現(xiàn)在被認(rèn)為是10美分左右。不管你看這些數(shù)字，都可以節(jié)省開支。立法也發(fā)揮了作用，因?yàn)榭释灰暈檫M(jìn)步的政府正在實(shí)施智能能源的要求，供應(yīng)商必須遵守這些要求。

公用事業(yè)公司有義務(wù)安裝和維護(hù)智能能源網(wǎng)絡(luò)這一事實(shí)意味著他們最初會(huì)明顯產(chǎn)生成本，可能是因?yàn)樗麄儠?huì)在以后獲得收益。然而，如果供應(yīng)商要看到這些潛在的好處，智能電表的成本和功能必須既低又全面。

這給半導(dǎo)體制造商施加壓力或創(chuàng)造機(jī)會(huì)，以制造出正確的解決方案，而且這些解決方案越來越多地基于MCU，但具有針對(duì)這個(gè)快速發(fā)展的市場的非常具體的功能。

在您的網(wǎng)絡(luò)中

智能電網(wǎng)的關(guān)鍵在于創(chuàng)建不是一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)，而是創(chuàng)建一系列規(guī)模越來越大的網(wǎng)絡(luò)，以滿足所有需要的設(shè)備受到監(jiān)控。這產(chǎn)生了諸如歸屬區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（HAN）和鄰域區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（NAN）之類的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，其又成為局域網(wǎng)（LAN）和/或廣域網(wǎng)（WAN）。

在每個(gè)點(diǎn)上，協(xié)議和物理接口可能會(huì)有所不同，因此在每個(gè)階段保持安全性，性能和數(shù)據(jù)完整性要求設(shè)備能夠理解這些要求并能夠在這些限制范圍內(nèi)工作。

圖1：飛思卡爾提供針對(duì)智能電網(wǎng)特定領(lǐng)域的各種MCU。

圖1顯示了飛思卡爾對(duì)家庭能源管理系統(tǒng)的建議，這將具有許多功能，包括從智能電表和其他內(nèi)部設(shè)備收集實(shí)時(shí)能耗;向用戶提供有關(guān)如何在本地使用能源的反饋;允許用戶控制其他本地連接的設(shè)備;并提供寬帶連接的無處不在的鏈接。雖然系統(tǒng)的核心是基于處理器，但無線接口將由MKW20等設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

這款支持無線功能的MCU內(nèi)置ARM Cortex-M4核心，耦合具有完全兼容的802.15.4收發(fā)器，可在2.4 GHz頻率ISM頻段中的16個(gè)可選通道之一上運(yùn)行（圖2）。

圖2：集成RF收發(fā)器的MCU，如飛思卡爾的MKW20系列，預(yù)計(jì)將在智能電網(wǎng)中有很高的需求。

類似的MCU，基于8位8051內(nèi)核，可從Silicon Labs獲得。據(jù)Silicon Labs稱，Si106x/108x系列適用于智能計(jì)量應(yīng)用，特別是在電池供電的情況下，因?yàn)樵撓盗锌梢栽趩蝹€(gè)電池上運(yùn)行20年。這可能對(duì)預(yù)期構(gòu)成HAN一部分的設(shè)備非常有用，如下所述。

集成

預(yù)計(jì)儀表有多種形狀和尺寸，不僅如此監(jiān)測能源的使用，但幾乎任何效用，或其影響。當(dāng)然，典型的公用設(shè)施是天然氣和水，因此流量計(jì)將構(gòu)成HAN的很大一部分。使用像Si106xx/8xx這樣的東西可以與另一個(gè)專用于計(jì)量功能的MCU一起工作，但當(dāng)然有些制造商可能希望將所有這些功能合并到一個(gè)設(shè)備中。

對(duì)于某些MCU，這可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，但Atmel已經(jīng)開發(fā)出專門針對(duì)該應(yīng)用領(lǐng)域的解決方案：SAM4C系列。這些是被描述為用于智能能源應(yīng)用的SoC的MCU，并且不難看出原因。首先，該系列中的器件集成了兩個(gè)ARM Cortex-M4內(nèi)核;一個(gè)（描述為應(yīng)用程序或主核心）是運(yùn)行在120 MHz的Cortex-M4，具有存儲(chǔ)器保護(hù)單元和DSP指令。第二個(gè)（稱為協(xié)處理器，旨在運(yùn)行計(jì)量功能）是Cortex-M4F，具有單精度浮點(diǎn)單元（FPU）。圖3顯示了采用雙核架構(gòu)的SAM4C系列的框圖。

圖3：Atmel的SAM4C系列提供雙ARM Cortex-M4內(nèi)核，可將應(yīng)用程序代碼與通信和安全性相結(jié)合。

支持高性能AES 128到256加密，具有TRNG（真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器），基于安全散列算法的公鑰加速器和完整性檢查模塊（SHA1，SHA224，SHA256）。它還提供多達(dá)四個(gè)物理防篡改檢測I/O，帶有時(shí)間戳和立即清除通用備份寄存器。這些功能允許SAM4C系列在單個(gè)設(shè)備中集成應(yīng)用層，通信層和安全功能。

智能能源應(yīng)用中對(duì)安全性的需求顯然很高，而且正是在這里，一些制造商正在推動(dòng)技術(shù)提供新的創(chuàng)新解決方案，如下所述。

窺探

現(xiàn)在，許多MCU都提供符合3DES，AES，RSA和ECC等標(biāo)準(zhǔn)的片上加密技術(shù)，并且已經(jīng)在ZigBee，Wi-Fi和藍(lán)牙等協(xié)議中使用。密碼學(xué)的硬件加速也變得越來越普遍，特別是在針對(duì)智能能源領(lǐng)域的MCU中。運(yùn)行加密算法的一個(gè)組成部分是安全密鑰存儲(chǔ)，德州儀器的基于Ferroelectric RAM（FRAM）的MSP430器件可能特別受關(guān)注。

與閃存不同，F(xiàn)RAM不需要充電泵，這有兩個(gè)好處;首先，這意味著MCU需要更少的功率來讀/寫內(nèi)存，因此在電池供電的應(yīng)用中更經(jīng)常這樣做。對(duì)于智能設(shè)備，智能流量計(jì)或智能熱量表，這將為電池更換之間的服務(wù)時(shí)間提供顯著優(yōu)勢。但從安全的角度來看，或許更重要的是，由于不需要電荷泵，因此在存儲(chǔ)密鑰之前不會(huì)發(fā)生“告密”電源尖峰。正是這個(gè)簽名，不需要的窺探者將尋找以獲取密鑰。

MSP430F6系列在安全敏感型應(yīng)用中的另一個(gè)好處是，即使在此過程中斷電，它也能完成FRAM寫入。它通過集成片上電容器來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該電容器可存儲(chǔ)足夠的功率以完成整個(gè)過程。這與基于閃存或EEPROM的設(shè)備形成對(duì)比，后者必須在過程中發(fā)生電源故障時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的副本。顯然，從安全的角度來看，避免這種情況會(huì)更好，F(xiàn)RAM提供了這種優(yōu)勢。

結(jié)論

智能電網(wǎng)和智能計(jì)量行業(yè)自然受到IEC 62056等標(biāo)準(zhǔn)的支配，涵蓋了公認(rèn)的規(guī)范，如DLMS（設(shè)備語言消息規(guī)范）和COSEM（伴隨規(guī)范）。能量計(jì)量），以及包括ZigBee，藍(lán)牙和Wi-Fi的協(xié)議（更不用說Thread，Weightless和其他現(xiàn)在出現(xiàn)的）。支持這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，同時(shí)仍然提供一定程度的差異化，是半導(dǎo)體供應(yīng)商留在這個(gè)市場并繼續(xù)開發(fā)創(chuàng)新和有利解決方案的關(guān)鍵。幸運(yùn)的是，這個(gè)行業(yè)充滿了創(chuàng)新，智能家居，物聯(lián)網(wǎng)甚至工業(yè)4.0的承諾都在拉近距離。這一新景觀將確保所有人的供應(yīng)安全，并在降低能源成本方面發(fā)揮重要作用，在所有情況下都可以發(fā)揮作用。

圖4：飛思卡爾的智能電網(wǎng)和計(jì)量解決方案概述。