Integracja łączności bezprzewodowej z licznikami inteligentnymi

Łączność bezprzewodowa jest niezbędna w licznikach inteligentnych energii elektrycznej, wody, gazu i komunalnych sieciach ciepłowniczych, jednak projektowanie bezprzewodowego nadajniko-odbiornika od podstaw jest skomplikowane i czasochłonne. Zastosowania liczników inteligentnych wymagają wysokowydajnych rozwiązań bezprzewodowych spełniających wiele międzynarodowych norm, takich jak FCC część 15 i część 90 w USA, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 w Europie, ARIB STD T67, T108 w Japonii oraz SRRC w Chinach. Wymaga się od nich obsługi szybkości transmisji danych dochodzących do 500kbps. Muszą one uwzględniać bezpieczne szyfrowanie i uwierzytelnianie, mieć niewielkie rozmiary i działać w trudnych warunkach do +85°C. Wiele zastosowań wymaga kilkuletniego czasu pracy baterii.

W celu sprostania tym wyzwaniom projektanci mogą sięgać po radiowe układy scalone nadajniko-odbiorników lub kompletne radiowe moduły nadawczo-odbiorcze, w zależności od wymagań danego zastosowania licznika inteligentnego. Na rynku dostępne są radiowe układy scalone nadajniko-odbiorników gwarantujące budżet łącza radiowego przekraczający 140dB przy mocy wyjściowej do +16dBm, które obsługują łączność sieciową SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN oraz IEEE 802.15.4g. W sprzedaży występują również moduły radiowe obsługujące stos protokołu Wireless M-Bus czy wiele modulacji radiowych, takich jak LoRa, (G)FSK, (G)MSK i BPSK. Posiadają one opcje adaptacyjnej szerokości pasma, współczynnika rozprzestrzeniania, mocy transmisji i szybkości kodowania, spełniając różne potrzeby zastosowań przy zachowaniu zgodności z wieloma międzynarodowymi przepisami, w tym ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 część 15, 24, 90, 101 i ARIB STD-T30, T-67 oraz T-108. Moduły te są kompletnymi systemami radiowymi wymagającymi jedynie anteny. Posiadają funkcje bezpiecznego szyfrowania i uwierzytelniania oraz tryby ultraniskiej mocy wydłużające czas pracy baterii.

W niniejszym artykule omówiono wyzwania związane z łącznością, przed którymi stoją projektanci bezprzewodowych liczników inteligentnych i przeanalizowano możliwe rozwiązania. Następnie przedstawiono szereg opcji, w tym radiowe układy scalone nadajniko-odbiorników i moduły radiowe firm STMicroelectronics, Move-X oraz Radiocrafts wraz z rozważaniami projektowymi przy integracji anteny.

Jedną z pierwszych decyzji, przed którymi stają projektanci, jest wybór protokołu komunikacyjnego. W tym przypadku popularne opcje to komunikacja bliskiego zasięgu (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi dla Internetu rzeczy (Wi-Fi for IoT) oraz Sub Gigahertz (SubGHz). Istnieją cztery ważne czynniki, które należy wziąć pod uwagę:

• Wymagana przepustowość danych
• Tryby niskiej mocy
• Wymagany zasięg transmisji
• Potrzeba dostępu do sieci Web

Wi-Fi dla IoT może być najlepszym wyborem w zastosowaniach wymagających maksymalnego przesyłu danych, ale charakteryzuje się również najwyższym zapotrzebowaniem na moc. SubGHz wymaga tylko umiarkowanej mocy i zapewnia maksymalny zasięg transmisji, natomiast stosowanie innych protokołów komunikacyjnych wiąże się z określonymi kompromisami dotyczącymi parametrów działania (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Wi-Fi dla Internetu rzeczy (IoT) wykazuje największą przepustowość i pobór mocy, podczas gdy SubGHz oferuje największy zasięg przy umiarkowanym zapotrzebowaniu na moc. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Wiele zastosowań liczników inteligentnych wymaga wieloletniego czasu pracy baterii, co sprawia, że użycie technologii takich jak Wi-Fi dla IoT jest wyzwaniem. Na szczęście te zastosowania mają również stosunkowo ograniczone wymagania dotyczące przepustowości danych, dlatego w ich przypadku wykorzystanie technologii NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth czy SubGHz może być korzystne. Technologia komunikacji bliskiego zasięgu (NFC) charakteryzuje się niskim poborem mocy, jednak jej równie niska przepustowość danych i mały zasięg mogą sprawić, że będzie niepraktyczna w zastosowaniach liczników inteligentnych.

Ponadto ogólna budowa licznika inteligentnego ma kluczowe znaczenie dla określenia poboru mocy. Utrzymywanie urządzenia w stanie niskiego poboru mocy tak długo, jak to możliwe i wchodzenie w stan aktywny przez najkrótszy wymagany czas jest głównym czynnikiem wydłużającym czas pracy baterii w bezprzewodowych licznikach inteligentnych. Wybór między implementacją komunikacji opartej na modułach lub dyskretnej komunikacji radiowej (RF) jest kolejnym czynnikiem decydującym o powodzeniu projektu. Przy podejmowaniu tej decyzji należy uwzględnić wymagania dotyczące parametrów działania, wielkości rozwiązania, elastyczności zajmowanej powierzchni, certyfikatów, czasu wprowadzenia produktu na rynek oraz kosztów.

Korzyści wynikające z zastosowania modułu radiowego (RF)

Moduł radiowy jest kompletnym podsystemem komunikacji. Może zawierać radiowy układ scalony (RF IC), oscylator, filtry, wzmacniacz mocy i różne elementy pasywne. Zastosowanie modułu nie wymaga specjalistycznej wiedzy z zakresu technologii radiowych (RF)j, dzięki czemu projektanci mogą skupić się na innych aspektach konstrukcji licznika inteligentnego. Typowy moduł radiowy jest kalibrowany i certyfikowany zgodnie z wymaganymi normami. Ponadto zawiera obwody dostosowane do sieci, ułatwiające integrację anteny i minimalizujące straty sygnału. W rozwiązaniach modułowych antena może być montowana wewnątrz lub na zewnątrz urządzenia.

Integracja modułów w projekcie jest prosta. Prostota integracji konstrukcji obejmuje przepływy procesu produkcyjnego, ponieważ nie zachodzi konieczność obsługi złożonych radiowych urządzeń dyskretnych, a wyłącznie standardowego modułu opartego na płytce drukowanej (PCB). Producent modułu już poradził sobie ze wszystkimi niuansami integracji systemów radiowych (RF). Zastosowanie modułu zmniejsza ryzyko związane z dyskretnymi konstrukcjami radiowymi dotyczące np. certyfikacji, osiągnięcia wymaganej sprawności i ogólnego poziomu wydajności oraz skrócenia czasu wprowadzenia produktu na rynek.

Zalety implementacji dyskretnych układów scalonych

Chociaż budowa dyskretnych układów scalonych jest bardziej złożona, mogą one oferować istotne korzyści w zakresie kosztów oraz wielkości i kształtu rozwiązania. Cena modułu jest zwykle wyższa niż cena rozwiązania opartego na układzie scalonym. W przypadku zastosowania wielu podsystemów radiowych dodatkowy koszt projektowania rozwiązania opartego na układzie scalonym rekompensują niższe koszty produkcji. Możliwe jest również wykorzystanie wspólnego podsystemu radiowego w wielu platformach bezprzewodowych liczników inteligentnych, co zwiększa ogólną wielkość produkcji i jeszcze bardziej redukuje koszty długoterminowe.

Konstrukcja oparta na dyskretnym układzie scalonym jest prawie zawsze mniejsza niż rozwiązanie modułowe. Może to być istotne w przypadku zastosowań w ograniczonej przestrzeni. Oprócz zajmowania mniejszej powierzchni, budowa dyskretnego układu scalonego może być łatwiej kształtowana w celu zmieszczenia w dostępnej przestrzeni.

Układ scalony nadajniko-odbiornika radiowego dla pasma Sub GHz

Projektanci szukający rozwiązań opartych na dyskretnych układach scalonych w paśmie SubGHz mogą wybrać wydajny układ scalony nadajniko-odbiornika radiowego S2-LP o ultraniskiej mocy, pracujący w zakresie temperatur roboczych od -40°C do +105°C umieszczony w obudowie QFN24 o wymiarach 4 x 4mm (ilustracja 2). Podstawowa konstrukcja pracuje w przemysłowych, naukowych i medycznych (ISM) pasmach nielicencjonowanych oraz w pasmach urządzeń bliskiego zasięgu (SRD) o częstotliwości 433, 512, 868 i 920MHz. Opcjonalnie układ S2-LP może zostać zaprogramowany do pracy w innych pasmach częstotliwości takich jak 413-479, 452-527, 826-958 oraz 904-1055MHz. Można również zastosować różne schematy modulacji, w tym 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK oraz ASK. Układ S2-LP charakteryzuje się budżetem łącza radiowego >140dB dla dużych zasięgów komunikacji oraz spełnia wymagania prawne obowiązujące w Stanach Zjednoczonych, Europie, Japonii i Chinach.

Ilustracja 2: radiowy układ scalony (RF IC) zamknięty w obudowie QFN24 o wymiarach 4 x 4mm jest przeznaczony do pracy w temperaturach do +105°C. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Aby uprościć proces integracji z użyciem układu S2-LP, projektanci mogą wykorzystać ultra-miniaturowy symetryzator BALF-SPI2-01D3 o nominalnym wejściu 50Ω sprzężony z układem S2-LP w zakresie częstotliwości 860-930MHz. Integruje on odpowiedni układ oraz filtr harmonicznych, a także wykorzystuje technologię zintegrowanego urządzenia pasywnego (IPD) na nieprzewodzącym podłożu szklanym w celu zapewnienia optymalnych radiowych parametrów działania.

Konstrukcje wykorzystujące układ S2-LP i działające w paśmie ISM 868MHz mogą być opracowywane przy użyciu płytki rozszerzeń X-NUCLEO-S2868A2 (ilustracja 3). Płytka X-NUCLEO-S2868A2 łączy się z mikrokontrolerem STM32 Nucleo za pomocą połączeń szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI) oraz wtyków wejścia-wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO). Dodanie lub usunięcie rezystorów z płytki może zmienić niektóre wejścia-wyjścia GPIO. Ponadto płytka jest kompatybilna ze złączami ST morpho oraz Arduino UNO R3.

Ilustracja 3: zastosowanie płytki rozszerzeń X-NUCLEO-S2868A2 może przyspieszyć prace rozwojowe nad projektami wykorzystującymi pasmo przemysłowe, naukowe i medyczne (ISM) 868MHz. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Moduł radiowy (RF) upraszcza integrację

W przypadku zastosowań wymagających krótkiego czasu wprowadzenia produktu na rynek i niskiego poboru mocy integrację systemu może uprościć moduł MAMWLE-00. Wykorzystano w nim złącze UFL 50Ohm dla wyjścia radiowego i 32-bitowy rdzeń RISC Arm® Cortex® M4 48MHz zamknięte w obudowie o wymiarach 16,5 x 15,5 x 2mm. Omawiany moduł RF umożliwia wybór kilku stanów pracy z niską mocą. Implementuje on wiele modulacji radiowych, w tym LoRa, (G)FSK, (G)MSK i BPSK, oraz różne opcje szerokości pasma, współczynnika rozprzestrzeniania (SF), mocy i szybkości kodowania (CR) (ilustracja 4). Wbudowany sprzętowy akcelerator szyfrowania-deszyfrowania pozwala implementować różne standardy, np. zaawansowany standard szyfrowania (AES, 128 i 256 bitów) oraz akcelerator klucza publicznego (PKA) dla algorytmu Rivesta-Shamira-Adlemana (RSA), protokołu Diffiego-Hellmana czy kryptografii krzywych eliptycznych (ECC) nad ciałami skończonymi.

Ilustracja 4: moduł MAMWLE-00 daje projektantom możliwość wyboru trybu oszczędzania energii i różnych standardów modulacji radiowej (RF). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Radiowy moduł M-Bus

Korzystając z bezprzewodowego protokołu M-Bus, projektanci mogą stosować radiowe moduły nadawczo-odbiorcze RC1180-MBUS firmy Radiocrafts o wymiarach 12,7 x 25,4 x 3,7mm w ekranowanych obudowach do montażu powierzchniowego (ilustracja 5). Omawiany moduł radiowy jest wyposażony w jednowtykowe złącze antenowe oraz interfejs UART służący do konfiguracji i komunikacji szeregowej. Spełnia on wymagania specyfikacji Wireless M-Bus w trybach S, T i R2, pracuje na 12 kanałach w paśmie częstotliwości 868MHz i jest wstępnie certyfikowany do stosowania zgodnie z europejskimi przepisami radiowymi do użytku bez licencji.

Ilustracja 5: protokół bezprzewodowy M-Bus można zaimplementować za pomocą radiowego modułu nadawczo-odbiorczego RC1180-MBUS firmy Radiocrafts (źródło obrazu: DigiKey

Płytka czujników RC1180-MBUS3-DK z zestawem rozwojowym modułu radiowego M-Bus ułatwia projektantom szybką ewaluację wbudowanego modułu czujnika, dostrojenie do zastosowania i budowę prototypów. Zawiera ona dwie ćwierćfalowe anteny monopolowe 50Ω ze złączami męskimi SMA, dwa kable USB oraz zasilacz USB (ilustracja 6). Wspomniany zestaw rozwojowy może służyć jako koncentrator, brama lub odbiornik dla płytki czujników.

Ilustracja 6: omawiany zestaw rozwojowy M-Bus zawiera dwie ćwierćfalowe anteny monopolowe 50Ω ze złączami męskimi SMA, dwa kable USB oraz zasilacz USB (nie pokazano). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Integracja anteny

Podczas łączenia anteny z modułem radiowym (RF), firma Radiocrafts zaleca podłączanie anteny bezpośrednio do wtyku RF z dopasowaniem 50Ω. Jeśli podłączenie anteny do wtyku RF nie jest możliwe, ścieżka płytki drukowanej pomiędzy wtykiem RF a złączem antenowym powinna być linią przesyłową 50Ω. W przypadku dwuwarstwowej płytki drukowanej FR4 o stałej dielektrycznej 4,8, szerokość mikropaskowej linii przesyłowej powinna być równa 1,8 grubości płytki. Linia przesyłowa powinna znajdować się na górnej stronie płytki drukowanej, a przeciwwaga anteny na spodzie płytki. Na przykład wybierając standardową dwuwarstwową płytkę FR4 o grubości 1,6mm, szerokość mikropaskowej linii przesyłowej powinna wynosić 2,88mm (1,8 x 1,6mm).

Ćwierćfalowa antena biczowa stanowi najprostszą implementację. Posiada impedancję 37Ω, gdy jest stosowana nad przeciwwagą anteny, a dostosowany do niej obwód 50Ω nie jest zwykle potrzebny. Alternatywnie antena PCB może być wykonana przy użyciu miedzianej ścieżki z usuniętą przeciwwagą z tylnej strony płytki drukowanej. Na pozostałej części płytki drukowanej powinna znajdować się przeciwwaga anteny, optymalnie o wielkości anteny. Jeśli antena PCB jest krótsza niż ćwierć fali, należy dodać odpowiedni układ 50Ω.

Podsumowanie

Przy wyborze protokołów bezprzewodowych dla bezprzewodowych inteligentnych liczników projektanci muszą wziąć pod uwagę szereg czynników takich jak przepustowość danych, pobór mocy, zasięg transmisji i potrzebę dostępu do sieci Web. Ponadto wybór pomiędzy układami scalonymi i modułami radiowymi wiąże się między innymi z kompromisem pomiędzy wielkością rozwiązania, kosztami, elastycznością, czasem wprowadzenia produktu na rynek czy zgodnością z przepisami. Po określeniu odpowiedniego protokołu radiowego, wyborze układu scalonego i modułu oraz zaprojektowaniu podstawowego systemu radiowego (RF), kluczowe znaczenie dla opracowania udanego bezprzewodowego licznika inteligentnego ma integracja anteny.