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    2022 華南展招展書
    現場儀表

    迎接智能儀表的設計挑戰

      2022年03月11日  

      智能儀表是通過某種通信網絡記錄和報告公用事業服務的使用消耗的電子設備,例如電、氣、水以及供暖/制冷等。在本白皮書中,我們將探討智能計量的基礎知識以及伴隨的一些好處和挑戰。

    簡介

      智能儀表可以免除公用事業單位手動抄表或提供估算賬單的需要,因此可顯著降低成本并提高客戶滿意度,同時可提供下文中即將提到的其他好處。與自動抄表相關的第一批專利是在20世紀70年代提交的,但直到世紀之交之后,才真正在各種智能儀表上開始部署。在過去十年左右的時間里,包括瑞典在內的幾個國家基本上已將所有電力客戶轉移到智能儀表上了。

    自動抄表(AMR)和高級計量基礎設施(AMI)

      第一批部署的智能儀表僅采用單向傳輸通信,今天仍然有很多。這種自動抄表(AMR)最初是通過步行或車載移動抄表器完成的。但隨后,許多公用事業單位實現了帶有街區收集器或聚合器的全自動無線或有線網絡,這有助于將許多儀表連接到某種廣域網(WAN),例如蜂窩網絡,因此可以將每月、每周或每小時的儀表使用消耗數據回報到公用事業單位的計費系統。

      高級計量基礎設施(AMI)是雙向通信網絡的代名詞,它不僅可以實現遠程抄表,還可以控制儀表和其他設備。AMI使得公用事業單位能夠執行諸如連接或斷開客戶、監控和預測電力變化等操作,從而控制配電和發電設備響應需求,實現所謂的“智能電網”。AMI還可用于實現無線(OTA)軟件更新,例如,實施新的通信協議或彌補新發現的安全漏洞。

    智能計量設備

      智能儀表可用于測量所有不同類型公用事業的消耗量:電、燃氣、水以及供暖/制冷等。最初,用于公用事業的儀表使用機械式計量(測量),但今天幾乎所有新的智能儀表設計都是非機械式、全電子的設計,這些儀表通常被稱為靜態儀表。從機械儀表到電子(靜態)儀表的轉變與向智能儀表的轉變同步進行。事實上,中國的一些儀表供應商使用“智能儀表”一詞來指代任何類型的電子儀表,甚至是那些不具備通信能力的儀表。

      幾乎所有新的智能儀表設計都是非機械式、全電子的設計,這些儀表通常被稱為靜態儀表。

      電表

      電表測量流入建筑物或房屋的交流電流。住宅電表通常是單相的,但商業安裝以及一些北歐國家(如德國和丹麥)的許多家庭,可能需要專門的三相供電電表。傳統的機電式電表具有機械刻度盤,用于計算金屬盤的轉數,該金屬盤通過電磁感應以與流過電表的電能成正比的速度旋轉。

      然而,智能電表是完全電子化的,使用電流互感器(CT)、分流電阻器,有時也使用羅戈夫斯基線圈或霍爾效應傳感器來測量流過電表的電流。除了電流,電表還需要持續測量線電壓,以計算消耗的電量。最初,CT在智能電表中非常常見,而現在有各種基于微控制器的專用設備實現,并且特別針對此類電表進行了優化。

      CT在大電流下容易飽和,也容易受到強磁場的干擾,因此基于CT的電表由于CT精度問題不再受到新設計的青睞。

      燃氣表、水表和熱量表

      燃氣表、水表和熱量(或冷量)表都是傳統的機械流量計,但與電表不同的是,這些儀表有許多“智能”實現,它們繼續使用相同的機械計量原理。這些儀表可以使用各種旋轉葉輪或活塞來測量流量。燃氣表也可以使用隔膜和波紋管來實現,這些隔膜和波紋管在充滿氣體時膨脹,在排出氣體時收縮,使用曲柄產生旋轉運動來轉動機械刻度盤。

      在一些地區,許多智能燃氣表都是通過在機械隔膜表上簡單地增加一個電子模塊來實現的。該燃氣表模塊可以讀取機械刻度盤,然后通過無線通信網絡將讀數傳輸到燃氣公用事業單位。這種智能儀表改造是可以在現場對已部署的表進行的,也可以在工廠中對全新的表進行改造。這些改裝模塊通常使用某種光學編碼器(例如格雷碼)來讀取機械刻度盤。

      同樣,許多智能水表可使用機械計量原理,使用光學、磁性或電感式電子傳感器來測量旋轉,從而測量流量。然而,為了提高準確性和可靠性,大多數新流量計設計都是“靜態”或完全電子化。許多靜態流量計使用超聲波原理,測量超聲波脈沖在上行和下行傳播所需的時間差,以推斷氣體、水或其他液體的流速。此外,還有一些使用電磁流量傳感的水表的有效實現,其在管道上施加電磁場,感應出與導電液體(例如水)流速成正比的電壓。

      大多數讀者可能熟悉電表、氣表和水表,但熱量(或冷量)表不太常見。熱量表使用在有集中供暖系統的區域,集中在熱電廠產生熱水,然后通過管道輸送,為家庭供暖。熱量表測量流入家中的熱水量,以及進出建筑物時的水溫。它們通常類似于水表,但增加了溫度傳感器,通常采用相同類型的計量方法(機械或超聲波),但水流量的動態范圍可能比水表要小很多。

      熱量成本分配器

      熱量成本分配器(HCA)是另一種許多讀者可能不熟悉的設備。這些設備用于多租戶住宅和商業建筑,以測量每個散熱器的熱量輸出,從而實現共享供暖系統的公平成本分配。通過這種方式,個人租戶支付的賬單與他們對供暖系統的使用量成正比,而不是不公平的統一費率。

      在包括德國在內的許多歐洲國家,熱量成本分配器的使用是強制性的。HCA具有鼓勵節能的額外好處。如果租戶為他們的暖氣支付統一費率,他們沒有動力調低暖氣(或者如果他們不在時關掉暖氣),他們可能簡單地打開一扇窗戶來降溫。

      最初,非電子HCA使用蒸發量的原理來測量散熱器的使用情況,但今天的電子HCA有兩個溫度傳感器,一個記錄散熱器的溫度,另一個記錄房間的環境溫度。這兩項測量使HCA能夠計算散熱器使用的熱量。

      通信設備

      為了滿足“智能”的最低定義,所有這些儀表都需要一種將使用消耗量反饋給公用事業提供商(或在熱成本分配器的情況下反饋給房東)的方法。這通常是通過無線射頻(RF)通信實現的,盡管一些電表部署使用電力線通信(PLC)通過電線發送數據,但由于干擾和其他網絡問題,這種方法似乎不再受歡迎。還有一些短距離、有線通信協議(例如M-Bus),這種協議常在許多儀表(通常是水表或熱量表)位于同一地點(例如高層公寓樓的地下室)時使用。

      街區或多租戶建筑物中的無線儀表通常與某種本地收集器、聚合器或邊界路由器通信,這些路由器還具有廣域網(WAN)連接以完成與公用事業后臺計費系統的通信連接。這種WAN連接通常是無線的,通常是蜂窩網絡(例如3G/4G/LTE等),還有Silicon Labs公司的長距離、低功耗Wi-SUN無線通信等LPWAN解決方案,但也可以是某種有線或光纖連接。

      通常,每個收集器都會提供數十甚至數百米的場域網(FAN)接入。對于一些公用事業企業來說,找到一個合適的位置并為收集器供電可能是一個挑戰,但這對電力供應商來說不是問題,因為他們在街區內就擁有便利的變電站和配電變壓器。另外,采用無線連接的方式收集數據還會遇到信號遮擋的挑戰,同時全球各地可供選用的頻點不用,因此波長更長的Sub-GHz連接的有效性更高,比如中國市場中的470-510MHz頻段,這也是業內諸如Silicon Labs等領先企業的高射頻性能Sub-GHz物聯網芯片長盛不衰的原因。

      家用顯示器

      家用顯示器(IHD)是我們應該提及的最后一種智能計量設備。這些設備與家中的智能儀表有直接無線連接,通常使用Zigbee網狀網絡。IHD顯示累積和瞬時的公用事業使用費率(例如本月迄今為止的燃氣使用量為35美元,當前用電量為每小時0.63美元等)。

      家用顯示器在英國的家庭中很常見,它們是智能能源部署中智能儀表的一部分,其中所有電表和氣表都能夠連接到基于Zigbee的家庭局域網(HAN)。它們也可以從北美的一些公用事業公司獲得,該區域部署的許多電表也內置了Zigbee HAN功能。

    通信技術

      場域網(FAN)

      正如我們之前提到的,智能儀表部署中使用了許多不同類型的通信技術。典型安裝中通常使用具有星型或網狀拓撲的sub-GHz場域網(FAN)——用于工業、科學和醫療(ISM)免授權的頻率上運行的專有協議。許多專有協議可能基于IEEE 802.15.4g物理層標準,許多AMI設備供應商正在調整他們的產品以兼容無線智能泛在網絡(Wi-SUN)聯盟采用的標準。

      無線儀表總線(wM-Bus,EN 13737)是另一種ISM頻段FAN技術,它在許多歐洲國家非常常見用于公用事業儀表和熱量成本分配器。WIZE聯盟(由法國GRDF和SUEZ支持)建立在wM-Bus的基礎上,以開發和推廣用于水表和燃氣表的169MHz ISM頻段LPWAN技術。

      智能儀表部署中使用了許多不同類型的通信技術。

      一些AMI供應商(例如Sensus,現在是Xylem的一部分,和丹麥的Kamstrup)甚至在某些國家擁有頻譜許可證,允許他們以比ISM頻段允許的更高功率進行傳輸,這使得他們能夠為其公用事業客戶提供更遠距離的授權頻段網絡。

      低功耗廣域網(LPWAN)

      出于對場域儀表網絡連接到廣域網所需的街區聚合器的定位和供電的考慮,某些儀表供應商支持的一些公用事業公司正在使用直接內置WAN功能的儀表設備。這可能包括使用2G、3G或4G蜂窩技術的機器對機器(M2M)連接。直到最近,大多數M2M蜂窩解決方案通常還都過于昂貴且過于耗電而無法廣泛使用,并且通常僅在絕對必要的情況下才會使用。

      然而,隨著3GPP第13版(NB-IoT,又名LTE Cat NB1)中新的窄帶物聯網標準開始在正確的方向降低功率和成本,使得授權頻段蜂窩WAN解決方案也越來越適合智能計量應用。除了窄帶物聯網之外,還有許多競爭性的免授權頻段(ISM)低功耗廣域網(LPWAN)技術正在爭奪公用事業企業、儀表供應商和其他智慧城市和物聯網應用的關注,包括Wi-SUN、LoRaWAN、Sigfox、Weightless和Telensa。

      目前,公用事業行業中關于LPWAN與FAN連接的辯論很多。然而,對于大多數電力公司,無論是市政還是投資者所有,大多數智能計量部署迄今為止似乎都朝著FAN方向發展。但是在諸如供水等其他垂直市場中,采用NB-IoT或者長距離、低功耗的Wi-SUN等LPWAN技術的案例也越來越常見,Silicon Labs的Wi-SUN芯片也已被客戶裝入各種智能計量儀表中,并應用于全球多個市場。

      智能計量通信的問題在于——它不是,也可能永遠不會是一刀切的方案。即使電力公司已投資建立自己的AMI場域網,它也幾乎肯定需要使用替代通信技術(例如蜂窩)連接到一些偏遠客戶。這是許多儀表設計采用模塊化設計的原因之一,通信部分與儀表的計量部分分開。通常,每個部分都在自己的電路板上,通信部分通常具有模塊化外形,以便公用事業技術人員能夠輕松進行現場安裝和更換。而認證則是大多數儀表設計中將計量和通信分開的另一個原因。

      計量有非常嚴格的認證要求(以確保準確性),雖然大多數無線通信系統的認證要求也存在,但它們是由完全不同的組織認證的。此外,雖然智能儀表的計量部分不太可能永遠需要進行軟件更新,但不斷變化的通信要求,或者更不幸地發現新的安全漏洞,很可能需要確保將軟件更新部署到通信子系統。當然,手動去部署此類軟件的更新會非常昂貴,因此現在都希望在智能儀表中包含部署OTA更新的能力。至少,OTA需要支持將程序內存(通常是閃存)的容量增加一倍,并具備適當的安全功能,以防止在設備上安裝未經授權的軟件更新。

      因此,雖然當今大多數儀表都有兩個獨立的子系統,一個用于計量,一個用于通信,每個子系統都有自己的MCU,但如果將這兩個子系統組合成一個,似乎在成本和功率方面都有好處。將它們合并在一起可以利用一種較新的無線SoC器件,該器件集成了完整的無線收發器,通常是雙頻段sub-GHz和2.4GHz,并具有強大的MCU和外圍設備。

      不幸的是,迄今為止,目前幾乎沒有這樣的單芯片電表設計實例。這主要是由于前文提及的無線電通信的模塊化需求。我們預計第一個使用單無線SoC的儀表將是熱量成本分配器,因為它們幾乎總是使用wM-Bus通信,并且有簡單的計量需求,但簡單的燃氣表和水表也有可能使用類似的單無線SoC設計。

      家庭局域網(HAN)(Zigbee等)

      在許多智能計量部署中,重要的第三類通信網絡是家庭局域網或HAN。Zigbee聯盟與電力研究所(EPRI)和其他機構合作,開發了其2.4 GHz ISM頻段IEEE 802.15.4網狀網絡規范的智能能源配置文件。智能儀表現在正在北美和英國部署,其中包括符合智能能源標準的Zigbee無線電。

      在英國,Zigbee無線電在智能計量設備技術規范(SMETS)中被指定為英國智能能源計劃中使用的所有家用設備必要的HAN,該計劃的既定目標是在2020年底將5000萬個智能電表和燃氣表部署到2300萬個英國家庭。在英國的部署中每個智能電表和燃氣表中都有一個Zigbee無線電,也包括家庭顯示器,以及將每個家庭的HAN連接到WAN的通信中心。

      SMETS的目標(第一代SMETS1設備尚未實現)是英國四十多家能源電力和天然氣零售商中的每一家都將使用可互操作的設備,使客戶無需更換計量表即可輕松切換能源供應商設備。除了能夠輕松切換供應商之外,SMETS2還增加了對868MHz Zigbee無線電的支持,以解決某些位置2.4GHz無線電傳播可能遇到困難的問題。

      雖然英國的智能儀表僅使用Zigbee HAN通信,但北美智能電表部署通常包括Zigbee無線電和更典型的sub-GHz FAN無線電。奇怪的是,據傳聞的報道表明,盡管經常部署支持Zigbee 的電表,但如今幾乎沒有北美公用事業供應商啟用這種HAN功能。

      Zigbee并不是唯一使用的HAN技術,在日本,電力公司采用了一種名為ECHONET的Wi-SUN HAN技術,東京電力公司(TEPCO)將其稱為Route B。

      Wi-Fi、藍牙和Z-Wave?

      雖然智能儀表使用各種不同的無線網絡技術,但值得注意的是三個眾所周知的標準(幾乎)完全沒有在AMI網絡中使用:Wi-Fi、藍牙和Z-Wave。Wi-Fi沒有使用可能是因為對于目前電池供電的電表來說功耗太高,也許更重要的是公用事業企業不想依賴客戶的Wi-Fi網絡。未來可能通過新的低功耗Wi-Fi實現來解決供電問題,這表明有朝一日可能會在智能儀表中看到一些Wi-Fi的使用。

      可以想象藍牙向客戶的智能手機提供消耗信息的應用場景,但即使使用新的低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy)產品,功耗和成本也可能令人望而卻步。此外,對于這個應用場景來說,藍牙并不是真正必要的,因為客戶可以通過服務提供商提供的門戶網站,甚至智能手機應用程序,在他們的設備上獲得相同的信息。

      一個更有趣的應用場景可能是使用低功耗藍牙使公用事業技術人員能夠對電表進行配置和維護。目前,一些儀表使用紅外數據協會(IrDA)通信或近場通信(NFC)提供此功能。低功耗藍牙可用于為儀表提供更好的維護接口,并且可以在標準智能手機上實現,不需要專門的IrDA設備。

      此外,將低功耗藍牙功能添加到具有Zigbee 2.4GHz無線電儀表中可能會相對便宜些,特別是如果Zigbee是使用最新一代支持多協議的無線SoC之一實現的,例如Silicon Labs Mighty Gecko系列。

      Z-Wave是另外一種廣受歡迎的物聯網協議,但目前還沒有廣泛進入智能計量領域,其常見的應用場景包括智能家居、酒店、多用戶單元樓(MDU)和智能照明等,全球已經有上億臺智能設備采用了該通信協議。其特點包括由協議固有的S2高安全性、長傳輸距離和低功耗功能,可以實現電池壽命長達10年等。如市場上全新的Z-Wave 800 SoC使用了Silicon Labs屢獲殊榮的Wireless Gecko第二代無線SoC平臺,為開發人員提供了可用于網狀網絡的Z-Wave Mesh模式,以及更遠通訊距離的Z-Wave Long Range模式,覆蓋距離可長達2.4公里。

      多協議無線通信的影響

      多協議無線連接的一個有趣用例是由公用事業的技術人員啟用基于移動設備的儀表配置和管理。在這種情況下,儀表將同時支持公用事業單位所需的FAN或LPWAN協議和低功耗藍牙。通過啟用同步藍牙通信,儀表功能得到增強,技術人員現在可以使用移動應用程序直接設置儀表、收集計量信息并在現場執行維護。這些新功能簡化了日常任務,并有可能為公用事業企業節省成本。如果儀表使用了多協議芯片或SoC(例如Wireless Gecko),那么為儀表添加低功耗藍牙連接的成本是相對較低的。

      智能儀表市場規模

      電表是目前使用最廣泛的智能儀表類型,一些國家,如西班牙、意大利,甚至中國,已經接近飽和點,幾乎每個家庭都安裝了智能電表。據估計,全球每年大約安裝1億個新的智能電表,但由于某些市場的飽和,這個數字可能會緩慢下降。然而,隨著電力公司更新其先進計量基礎設施網絡以增加更多的智能電網功能,新的電表部署可能會以類似的速度繼續進行。

      據估計,全球每年大約安裝1億個新的智能電表。

      智能電網將實施諸如需求響應等措施,使電力供應幾乎可以瞬間響應需求變化,甚至可以預測此類變化,前提是如果家用恒溫器等設備在實際工作之前可以通知公用事業單位打開或關閉供暖或供冷設備。與簡單的消耗報告相比,這種先進的智能電網功能需要更高的數據速率和更低的通信延遲。出于這個原因,最新一代的電表往往比其他類型的電表具有更強大的通信能力。

      即使智能電表的部署率可能會下降,但智能燃氣表和水表的安裝率肯定會增加。許多燃氣和自來水公司尚未完成向其客戶推出智能儀表的工作,這為智能儀表供應商發展業務創造了機會。雖然2017年這兩種儀表的年出貨量可能低于1500萬,但未來五年的年出貨量可能會翻倍。

      全球熱量成本分配器的出貨量可能在2000萬個單元范圍內(+/-50%),并且在可預見的未來,這個市場似乎將持平,因為市場可能已經接近飽和,并且大多數新出貨量用于更換裝置,這通常每8-12年需要替換一次,主要是由于需要更換電池而引起的。

      儀表電子設備的供電和設計

      高數據速率、低延遲的通信可能很昂貴,需要無線電來實現高級調制方案,例如正交頻分復用(OFDM),這不僅需要昂貴的設備,而且比低數據速率的實施需要更多的功率。幸運的是,功耗通常不是問題,因為電表有自己的電源(也可能由備用電池補充,使電表能夠提供停電通知和監控)。

      但是,其他智能儀表沒有這種內置電源,燃氣表、水表和熱量表以及熱量成本分配器幾乎都是由電池供電。對于這些電池供電的儀表,必須最大限度地減少電子設備的功耗,以最大限度地延長電池壽命。幸運的是,特殊的電池化學物質,例如鋰亞硫酰氯(“LTC”,LiSOCl2),只要電子設備在此之前不會耗盡電池電量,就可以使用長達20年。

      公用事業公司通常不希望他們的客戶更換儀表中的電池,并且派遣技術人員更換儀表電池(或更可能是整個儀表)的成本很高,因此這些儀表的電池壽命必須在10-20年。然而,中國的一些燃氣公司在其室內儀表中使用標準的消費型AA尺寸電池,并要求客戶大約每12-18個月更換一次電池,以確保其燃氣供應的連續性(即無電池,無燃氣)。

      由于需要最大限度地延長電池壽命,智能儀表電子設計人員在選擇用于其設計的元器件時非常重視功耗,并且通常愿意在功耗較低的設備上花費更多的錢,因為替代方案是花更多的錢購買更大的電池。優秀的設計人員還意識到功耗不僅僅是查看數據表規范,例如無線電接收功率或CPU睡眠電流。如果數據速率較低,或者容易受到干擾,可能需要多次傳輸重試,則低功率無線電可能不會降低功耗。

      類似地,與具有直接存儲器訪問方案的MCU(在CPU保持休眠狀態下支持外設捕獲和數據存儲)相比,如果具有低睡眠電流的MCU在每次需要記錄傳感器輸入時都必須完全喚醒,則實際上可能會消耗更多的電量。在延長電池壽命方面,投資在更先進的電源管理電路會帶來巨大收益,尤其是在優化智能儀表系統各個部分的電壓方面。

      例如,LTC電池的標稱電壓為3.6V,但無線電功率放大器(PA)可能不需要超過3.3V,同時CPU內核可能在1.0V下運行最高效,而帶有CPU的MCU上的模擬外設需要1.8V電源才能在規格范圍之內運行。所有這些不同的電壓都可以使用低成本的低壓降(LDO)穩壓器提供,但代價是浪費電池容量,尤其是在1.8V和1.0V電源的情況下,它們能夠使用更高效的開關降壓穩壓器來生成,理想情況下,除了無源組件之外,所有組件都可以完全集成到MCU上。

      智能計量生態系統和商業模式

      智能計量生態系統和商業模式可以像智能計量中使用的產品和技術一樣多樣化。部署智能儀表的公用事業單位通常由當地市政當局、國家所有,或者它們可以是投資者擁有的公司的一部分。這些公司可能為他們的客戶提供單一的公用事業服務,也可能是提供電、氣、水或熱的任意組合的多服務提供商。

      為了實現智能計量,公用事業企業不僅需要購買儀表,還需要有網絡基礎設施,以使這些儀表能夠進行通信。他們還需要實施后臺儀表數據管理(MDM)系統和軟件,以向消費者提供每月的賬單。公用事業企業可能會購買或租賃運營其業務所需的這些類型的系統。

      許多AMI供應商為其客戶提供構建和租賃網絡的選項,MDM供應商也是如此。幾家供應商為其客戶提供一站式服務,提供實施智能計量所需的一切,其中一些供應商正在為其客戶提供計量即服務(MaaS)業務模型。這使得公用事業企業可以通過提供公用事業服務和管理其家庭和企業客戶群來專注于他們最擅長的事情,而儀表和AMI設備供應商則負責管理儀表、網絡和所有儀表數據。

      除了計量和通信設備制造商以及MDM系統提供商之外,還有其他生態系統參與者需要了解。例如,政府監管機構推動對儀表的要求和規定。政府還嚴格監管通信、銷售頻譜許可證,并經常規定如何使用免許可的頻段。

      電氣和電子工程師協會(IEEE)和互聯網工程任務組(IETF)等標準機構是定義基本通信要求的關鍵,Wi-SUN聯盟等機構通過定義如何使用IEEE和IETF標準來補充這一點以鼓勵多供應商通信互操作性的方式。還有一些組織在應用程序級別定義數據互操作性,例如負責設備語言消息規范(DLMS)和能源計量配套規范(COSEM)的DLMS用戶協會。

      總結

      智能儀表的世界以多樣性為主,目前全球有200多家智能設備供應商。有多種儀表設備類型可供使用,使用種類繁多的計量和通信技術。在智能計量領域,沒有任何技術、標準或公司會完全占據主導地位。

      盡管FAN無線儀表總線在歐洲得到廣泛采用,并且在北美和亞洲的一些重要部署可能會符合Wi-SUN標準,但一些公用事業企業希望完全避免使用FAN,并將LPWAN功能直接放入他們的儀表中。計量設備供應商需要能夠為FAN、HAN和LPWAN構建支持廣泛通信技術的產品,但他們還需要具備計量和低功耗設計技術方面的專業知識。

      無論選擇何種無線協議,多協議連接都是降低設計成本、增強產品功能和改善最終用戶體驗的可行選擇。成功設計實施的回報是巨大的,當前部署量已超過1億個單元。迄今為止,沒有一家供應商在全球范圍內擁有接近10%的市場份額,這為全球許多智能儀表供應商公司在未來提供了巨大的機會。

    (作者:Silicon Labs)

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