Integrace bezdrátové konektivity do inteligentních měřičů

Bezdrátová konektivita je u inteligentních měřičů pro rozvodné sítě elektrické energie, vody, plynu a komunálního vytápění zásadní, ale navrhnout bezdrátový transceiver úplně od nuly je obtížné a časově náročné. Aplikace inteligentních měřičů vyžadují vysoce výkonná bezdrátová řešení, která splňují různé mezinárodní standardy, včetně pravidel FCC část 15 a část 90 v USA, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 v Evropě, ARIB STD T67, T108 v Japonsku a SRRC v Číně. Transceivery musí podporovat přenosovou rychlost až 500 kb/s. Musí obsahovat zabezpečené šifrování a ověřování, musí být kompaktní a fungovat v náročných prostředích až do +85 °C. Mnoho aplikací vyžaduje životnost baterie několik let.

Ke splnění těchto úkolů si mohou konstruktéři v závislosti na potřebách aplikace inteligentního měřiče vybrat z integrovaných obvodů RF transceiverů nebo kompletních modulů RF transceiverů. K dispozici jsou integrované obvody RF transceiverů, které zaručují RF výkonovou bilanci přesahující 140 dB s výstupním výkonem až +16 dBm a které podporují síťové připojení SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN a IEEE 802.15.4g. K dispozici jsou také RF moduly, které podporují sadu protokolů Wireless M-Bus nebo několik rádiových modulací, jako jsou LoRa, (G)FSK, (G)MSK a BPSK, s možnostmi adaptivní šířky pásma, faktoru šíření, vysílacího výkonu a rychlosti kódování ke splnění požadavků různých aplikací. Moduly jsou v souladu s řadou mezinárodních předpisů, včetně ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 část 15, 24, 90, 101 a ARIB STD-T30, T-67 a T-108. Tyto moduly jsou kompletní RF systémy, které potřebují pouze anténu, a obsahují zabezpečené šifrování a ověřování a režimy ultra nízké spotřeby pro delší výdrž baterie.

V tomto článku jsou shrnuty problémy s konektivitou, kterým konstruktéři bezdrátových inteligentních měřičů čelí, a pojednává se zde o možných řešeních. Poté je zde představena řada možností, včetně integrovaných obvodů RF transceiverů a RF modulů od společností STMicroelectronics, Move-X a Radiocrafts spolu s konstrukčními aspekty souvisejícími s integrací antény.

Jedním z prvních rozhodnutí, které před konstruktéry stojí, je výběr komunikačního protokolu. Mezi běžné možnosti patří komunikace v blízkém poli („near field communications“, NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi pro internet věcí („Wi-Fi for IoT“) a Sub Gigahertz (SubGHz). Je třeba zvážit čtyři následující důležité faktory:

• Požadovaná datová propustnost
• Režimy nízké spotřeby
• Požadovaný rozsah přenosu
• Potřeba přístupu na web

Wi-Fi pro internet věcí může být nejlepší volbou pro aplikace, které potřebují maximální přenos dat, ale tato technologie má také nejvyšší požadavky na napájení. Zatímco technologie SubGHz vyžaduje pouze mírné napájení a poskytuje maximální přenosový rozsah, jiné komunikační protokoly nabízejí různé sady kompromisů výkonu (obrázek 1).

Obrázek 1: Technologie Wi-Fi pro internet věcí má největší propustnost a spotřebu energie, zatímco technologie SubGHz nabízí největší dosah s mírnými nároky na napájení. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Mnoho aplikací inteligentních měřičů vyžaduje výdrž baterie několik let, takže použití technologie, jako je Wi-Fi pro internet věcí, je obtížné. Naštěstí mají tyto aplikace také relativně omezené požadavky na datovou propustnost a může pro ně být výhodné použít technologie NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth nebo SubGHz. Zatímco technologie NFC má atraktivně nízkou spotřebu energie, její stejně tak nízká datová propustnost a dosah ji mohou ze zvažování do aplikací inteligentních měřičů vyloučit.

Kromě toho je při určování spotřeby energie zásadní celkový návrh inteligentního měřiče. Klíčovým faktorem při prodloužení výdrže baterie v bezdrátových inteligentních měřičích je co nejdelší udržování zařízení ve stavu nízké spotřeby energie a co nejkratší doba potřebná k přechodu do aktivního stavu. Dalším faktorem úspěchu návrhu je volba mezi implementací komunikace založené na modulech a diskrétní radiofrekvenční (RF) komunikace. Při tomto rozhodování zvažte požadavky na výkon, velikost řešení, flexibilitu půdorysu, certifikace, dobu do uvedení na trh a náklady.

Výhody použití RF modulu

RF modul je kompletní komunikační subsystém. Může obsahovat RF integrovaný obvod, oscilátor, filtry, výkonový zesilovač a různé pasivní součástky. K použití modulového řešení není potřeba žádná odbornost v oblasti RF, což konstruktérům umožňuje soustředit se na jiné aspekty návrhu inteligentního měřiče. Typický RF modul je dodáván kalibrovaný a certifikovaný podle požadovaného standardu nebo standardů. Kromě toho bude modul obsahovat obvody pro přizpůsobení sítě k usnadnění integrace antény a minimalizaci ztráty signálu. Anténa může být s modulovým řešením interní nebo externí.

Moduly se do návrhu snadno integrují. Jednoduchost integrace návrhu se vztahuje i na toky výrobního procesu, protože zde nejsou žádná složitá diskrétní RF zařízení, s nimiž by se dalo manipulovat, pouze modul na bázi standardní desky s plošnými spoji („printed circuit board“, PCB). Výrobce modulů se již vypořádal se všemi nuancemi integrace RF systémů. Použití modulu snižuje riziko spojené s diskrétním RF návrhem, jako je získání certifikací, dosažení požadované úrovně účinnosti a celkového výkonu a urychlení doby do uvedení na trh.

Výhody implementací diskrétních integrovaných obvodů

Přestože jsou návrhy diskrétních integrovaných obvodů složitější, pokud jde o náklady, velikost řešení a tvarový faktor, mohou nabídnout důležité výhody. Modul bude ve většině případů dražší než řešení na bázi integrovaných obvodů. V případech, kdy se návrh RF subsystému používá ve velkých objemech, jsou dodatečné náklady na návrh řešení založeného na integrovaném obvodu kompenzovány nižšími výrobními náklady. Je také možné používat společný RF subsystém napříč více platformami bezdrátových inteligentních měřičů, což zvyšuje celkové objemy výroby a dále snižuje dlouhodobé náklady.

Návrh založený na diskrétním integrovaném obvodu je téměř vždy menší než řešení založené na modulech. To může být v aplikacích s omezeným prostorem důležitým faktorem. Kromě toho, že zabírá menší půdorys, lze návrh diskrétního integrovaného obvodu snadněji tvarovat, aby se vešel do dostupného místa.

Integrovaný obvod RF transceiveru s technologií SubGHz

Konstruktéři, kteří potřebují diskrétní řešení na základě integrovaných obvodů v pásmu SubGHz, mohou využít vysoce výkonný integrovaný obvod RF transceiveru s ultra nízkou spotřebou S2-LP s rozsahem provozních teplot −40 °C až +105 °C v pouzdře QFN24 4 × 4 mm (obrázek 2). Základní provedení funguje v bezlicenčních průmyslových, vědeckých a lékařských pásmech („industrial, scientific, and medical“, ISM) a pásmech zařízení s krátkým dosahem („short range device“, SRD) na 433, 512, 868 a 920 MHz. Volitelně může být zařízení S2-LP naprogramováno tak, aby pracovalo v jiných frekvenčních pásmech, jako například 413–479, 452–527, 826–958 a 904–1 055 MHz. Implementovat lze řadu schémat modulace, včetně 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK a ASK. Zařízení S2-LP má pro dlouhé komunikační rozsahy RF výkonovou bilanci >140 dB a splňuje regulační požadavky ve Spojených státech, Evropě, Japonsku a Číně.

Obrázek 2: Tento integrovaný obvod RF transceiveru je určen pro provoz do +105 °C a dodává se v pouzdře QFN24 4 × 4 mm. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Pro zjednodušení integračního procesu při použití zařízení S2-LP mohou konstruktéři použít ultraminiaturní symetrizační člen BALF-SPI2-01D3 se jmenovitým vstupem 50 Ω, který je se zařízením S2-LP konjugován pro provoz na frekvenci 860–930 MHz. K zajištění optimalizovaného vysokofrekvenčního výkonu integruje odpovídající síťový filtr a filtr harmonických a využívá technologii integrovaného pasivního zařízení („integrated passive device“, IPD) na nevodivém skleněném substrátu.

Návrhy využívající zařízení S2-LP a pracující v pásmu ISM 868 MHz mohou být vyvíjeny pomocí rozšiřující desky X-NUCLEO-S2868A2 (obrázek 3). Deska X-NUCLEO-S2868A2 se připojuje k mikrokontroléru STM32 Nucleo pomocí připojení sériového periferního rozhraní („serial peripheral interface“, SPI) a univerzálních vstupních-výstupních pinů („general purpose input-output“, GPIO). Přidání nebo odebrání rezistorů z desky může některé piny GPIO změnit. Navíc je deska kompatibilní s konektory Arduino UNO R3 a ST morpho.

Obrázek 3: Rozšiřující deska X-NUCLEO-S2868A2 může urychlit vývoj návrhů využívajících pásmo ISM 868 MHz. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

RF modul zjednodušuje integraci

Pro aplikace, které vyžadují rychlou dobu do uvedení na trh a nízkou spotřebu energie, může integraci systému zjednodušit modul MAMWLE-00. Pro RF výstup používá 50ohmový konektor U.FL a má 32bitové jádro Arm® Cortex® M4 RISC 48 MHz v pouzdře 16,5 × 15,5 × 2 mm. Tento RF modul má několik možností provozních stavů s nízkou spotřebou. Implementuje několik rádiových modulací, včetně LoRa, (G)FSK, (G)MSK a BPSK, s různými možnostmi pro šířku pásma, faktor šíření (SF), výkon a rychlost kódování („coding rate“, CR) (obrázek 4). Vestavěný hardwarový akcelerátor šifrování/dešifrování může implementovat různé standardy, jako je pokročilý šifrovací standard (AES, 128 i 256 bitů) a akcelerátor veřejného klíče („public key accelerator“, PKA) pro PKA pro algoritmy Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann nebo šifrování eliptickou křivkou („Elliptic Curve Cryptography“, ECC) nad Galoisovými poli.

Obrázek 4: Modul MAMWLE-00 dává konstruktérům na výběr mezi režimy úspory energie a různými standardy RF modulace. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

RF modul M-Bus

Konstruktéři mohou při využití bezdrátového protokolu M-Bus využít modul RF transceiveru RC1180-MBUS společnosti Radiocrafts, který měří 12,7 × 25,4 × 3,7mm a je ve stíněném pouzdru pro povrchovou montáž (obrázek 5). Tento RF modul má jednopinové anténní připojení a rozhraní UART pro konfiguraci a sériovou komunikaci. Modul vyhovuje specifikaci Wireless M-Bus, režimům S, T a R2, pracuje ve 12 kanálech ve frekvenčním pásmu 868 MHz a je předem certifikován pro provoz podle evropských rádiových předpisů pro bezlicenční použití.

Obrázek 5: Bezdrátový protokol M-Bus lze implementovat pomocí modulu RF transceiveru RC1180-MBUS společnosti Radiocrafts. (Zdroj obrázku: společnosti DigiKey)

Senzorová deska RC1180-MBUS3-DK s vývojovou sadou rádiového modulu M-Bus usnadňuje konstruktérům rychlé vyhodnocení integrovaného senzorového modulu, ladění aplikace a vytváření prototypů. Obsahuje dvě čtvrtvlnné monopólové antény 50 Ω se samčími konektory SMA, dva USB kabely a USB napájecí zdroj (obrázek 6). Tato vývojová sada může být koncentrátor, brána anebo přijímač pro senzorovou desku.

Obrázek 6: Tato vývojová sada M-Bus obsahuje dvě čtvrtvlnné monopólové antény 50 Ω se samčími konektory SMA, dva USB kabely a USB napájecí zdroj (nezobrazeno). (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Integrace antény

Při připojování antény k RF modulu společnost Radiocrafts doporučuje, aby byla anténa připojena přímo k RF pinu, který je přizpůsoben na 50 Ω. Pokud anténu není možné k RF pinu připojit, cestou desky plošných spojů mezi RF pinem a konektorem antény by mělo být 50Ω přenosové vedení. V případě dvouvrstvé desky plošných spojů FR4 s dielektrickou konstantou 4,8 by šířka mikropáskového přenosového vedení měla být 1,8násobkem tloušťky desky. Přenosové vedení by mělo být na horní straně desky plošných spojů a zemnicí plocha na spodní straně desky plošných spojů. Například při použití standardní dvouvrstvé desky plošných spojů FR4 o tloušťce 1,6 mm by měla být šířka mikropáskového přenosového vedení 2,88 mm (1,8 × 1,6 mm).

Nejpřímější implementací je čtvrtvlnná prutová anténa a při použití nad zemnicí plochou má impedanci 37 Ω, 50Ω přizpůsobovací obvod není obvykle potřeba. Alternativně může být anténa desky plošných spojů vyrobena pomocí měděné cesty s odstraněnou zemnicí plochou ze zadní strany desky plošných spojů. Na zbytku desky plošných spojů by měla být zemnicí plocha optimálně stejně velká jako anténa, aby fungovala jako protizávaží. Pokud je anténa desky plošných spojů kratší než čtvrtina vlny, měla by být přidána přizpůsobovací síť 50 Ω.

Shrnutí

Při výběru mezi různými bezdrátovými protokoly pro použití v bezdrátových inteligentních měřičích musí konstruktéři zvážit několik faktorů, včetně datové propustnosti, spotřeby energie, dosahu přenosu a potřeby webového přístupu. Volba mezi RF integrovanými obvody a moduly zahrnuje kromě toho kompromisy mezi velikostí řešení, cenou, flexibilitou, dobou do uvedení na trh, souladem s předpisy a dalšími faktory. Jakmile je identifikován vhodný RF protokol, zvoleno mezi integrovanými obvody a moduly a navržen základní RF systém, je pro vývoj úspěšného bezdrátového inteligentního měřiče rozhodující integrace antény.