Sådan integreres trådløs forbindelse i smart-målere

Trådløs forbindelse er afgørende i smart-målere til el-, vand-, gas- og fjernvarme distributionsnetværk, men det er udfordrende og tidskrævende at designe en trådløs transceiver helt fra bunden. Smart-måler applikationer kræver højtydende trådløse løsninger, der opfylder en række internationale standarder, herunder FCC part 15 og part 90 i USA, ETSI EN 300 220 og ETSI EN 303 131 i Europa, ARIB STD T67 og T108 i Japan og SRRC i Kina. De skal understøtte datahastigheder på op til 500 kilobit pr. sekund (kbps). De skal omfatte sikker kryptering og autentificering, være kompakte og fungere i krævende miljøer på op til +85 °C. Mange applikationer kræver en batterilevetid på flere år.

For at imødegå disse udfordringer kan designere vælge mellem Rf-transceiver IC'er eller komplette Rf-transceiver moduler, afhængigt af behovene i smart-meter applikationen. Der findes Rf-transceiver IC'er, som garanterer et RF-forbindelsesbudget på over 140 dB med udgangseffekt på op til +16 dBm, og som understøtter SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN og IEEE 802.15.4g-netværksforbindelser. Der findes RF-moduler, der understøtter Wireless M-Bus-protokolstacken eller flere radiomodulationer som LoRa, (G)FSK, (G)MSK og BPSK med muligheder for adaptiv båndbredde, spredningsfaktor, transmissionseffekt og kodningshastighed for at opfylde forskellige anvendelsesbehov og er i overensstemmelse med en lang række internationale bestemmelser, herunder ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 del 15, 24, 90 og 101 samt ARIB STD-T30, T-67 og T-108. Disse moduler er komplette RF-systemer, der kun har brug for en antenne, og de omfatter sikker kryptering og autentificering samt ultra-lave strømtilstande for at forlænge batterilevetiden.

I denne artikel gennemgår vi de udfordringer, som designere af trådløse smart-målere står over for med hensyn til forbindelsesmuligheder, og der ses på mulige løsninger. Derefter præsenteres en række muligheder, herunder Rf-transceiver IC'er og RF-moduler fra STMicroelectronics, Move-X og Radiocrafts, sammen med designovervejelser i forbindelse med integrering af antennen.

En af de første beslutninger, som designerne står over for, er valget af kommunikationsprotokol. Almindelige valgmuligheder omfatter NFC (Near Field Communications), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi for Internet of Things (Wi-Fi for IoT) og Sub-Gigahertz (SubGHz). Der er fire vigtige faktorer, der skal tages i betragtning:

• Nødvendig datatransmission
• Tilstande med lavt strømforbrug
• Nødvendig transmissionsafstand
• Behov for webadgang

Wi-Fi til IoT kan være det bedste valg til applikationer, der har brug for maksimal dataoverførsel, men det har også de højeste strømkrav. Mens SubGHz kun kræver moderat strøm og giver den maksimale transmissionsrækkevidde, giver andre kommunikationsprotokoller forskellige kompromiser med hensyn til ydeevne (figur 1).

Figur 1: Wi-Fi til IoT har det største gennemløb og strømforbrug, mens SubGHz giver den største rækkevidde med moderate strømkrav. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Mange applikationer til smart-målere kræver flere års batterilevetid, hvilket gør det udfordrende at bruge en teknologi som Wi-Fi til IoT. Heldigvis har disse applikationer også relativt begrænsede krav til datatransmission og kan med fordel anvende NFC-, Bluetooth Smart-, Bluetooth- eller SubGHz-teknologier. Mens NFC har et attraktivt lavt strømforbrug, kan den lige så lave datatransmission og rækkevidde udelukke den fra at komme i betragtning i applikationer til smart-målere.

Desuden er det overordnede design af den smart-måler afgørende for at bestemme strømforbruget. At holde enheden i en tilstand med lavt strømforbrug så længe som muligt og gå ind i en aktiv tilstand i den kortest mulige tid er en nøglefaktor for at forlænge batterilevetiden i trådløse smart-målere. Valget mellem at bruge en modulbaseret eller diskret implementering af RF-kommunikation er en anden faktor for designets succes. Når du træffer denne beslutning, skal du overveje ydeevne, løsningsstørrelse, fleksibilitet i forhold til fodaftryk, certificeringer, time-to-market- og omkostningskrav.

Fordele ved at bruge et RF-modul

Et RF-modul er et komplet kommunikationsundersystem. Det kan omfatte et RF-IC, en oscillator, filtre, effektforstærker og forskellige passive komponenter. Der er ikke behov for RF-ekspertise for at bruge en modulløsning, så designerne kan fokusere på andre aspekter af designet af den smart-måler. Et typisk RF-modul leveres kalibreret og certificeret i henhold til de krævede standarder. Desuden vil modulet indeholde et netværkskoblingskredsløb for at lette integrationen af antennen og minimere signaltab. Antennen kan være intern eller ekstern med modulløsninger.

Moduler er nemme at integrere i designet. Enkelheden i designintegrationen gælder også for fremstillingsprocessen, da der ikke er nogen komplekse diskrete RF-enheder at håndtere, men blot et standard PCB. Modulproducenten har allerede håndteret alle nuancerne i forbindelse med integration af RF-systemer. Ved at bruge et modul reduceres den risiko, der er forbundet med et diskret RF-design, f.eks. med hensyn til at opnå certificeringer, opnå de krævede effektivitets- og overordnede præstationsniveauer og fremskynde markedsføringen.

Fordele ved diskrete IC-implementeringer

Selv om de er mere komplekse, kan diskrete IC-designs give store fordele med hensyn til omkostninger, løsningsstørrelse og formfaktor. Et modul vil i de fleste tilfælde være dyrere end en IC-baseret løsning. I tilfælde, hvor RF-subsystemdesignet anvendes i store mængder, kompenseres de ekstra omkostninger ved at designe den IC-baserede løsning af lavere produktionsomkostninger. Det er også muligt at bruge et fælles RF-subsystem på tværs af flere trådløse smart-måler platforme, hvilket øger de samlede produktionsmængder og reducerer omkostningerne på lang sigt yderligere.

Et diskret IC-baseret design er næsten altid mindre end en modulbaseret løsning. Det kan være en vigtig faktor i applikationer med begrænset plads. Ud over at fylde mindre kan et diskret IC-design lettere formes til at passe ind på den tilgængelige plads.

Sub GHz Rf-transceiver IC

Designere, der har brug for en diskret IC-baseret løsning i SubGHz-båndet, kan henvende sig til S2-LP, en højtydende ultra-laveffekt RF-transceiver IC med et driftstemperaturområde på -40°C til +105°C i en 4 x 4 mm QFN24-pakke (Figur 2). Det grundlæggende design fungerer i de licensfrie ISM-bånd (ISM: Industrial Scientific and Medical) og SRD-båndene (SRD: Short Range Device) på 433, 512, 868 og 920 megahertz (MHz). S2-LP kan eventuelt programmeres til at fungere på andre frekvensbånd, f.eks. 413-479, 452-527, 826-958 og 904-1055 MHz. Der kan implementeres en række forskellige modulationsskemaer, herunder 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK og ASK. S2-LP har et RF-forbindelsesbudget > 140 dB til lange kommunikationsområder og opfylder de lovmæssige krav i USA, Europa, Japan og Kina.

Figur 2: Dette RF-IC er specificeret til drift til +105 °C og er pakket i et 4 x 4 mm QFN24-format. (Billedkilde: STMicroelectronics)

For at forenkle integrationsprocessen ved brug af S2-LP kan designere bruge BALF-SPI2-01D3 ultra-miniature balun med en 50 Ω nominel indgang, som er konjugeret tilpasset S2-LP til 860-930 MHz frekvensdrift. Den integrerer et tilpasningsnetværk og et harmonisk filter og anvender integreret passiv enhedsteknologi (IPD) på et ikke-ledende glassubstrat for at give optimeret RF-ydelse.

Design, der anvender S2-LP og opererer i 868 MHz ISM-båndet, kan udvikles ved hjælp af X-NUCLEO-S2868A2 udvidelseskortet (figur 3). X-NUCLEO-S2868A2 forbindes til STM32 Nucleo-mikrocontrolleren ved hjælp af SPI-forbindelser (Serial Peripheral Interface) og GPIO-ben (General Purpose Input-output). Tilføjelse eller fjernelse af modstande på kortet kan ændre nogle GPIO'er. Desuden er kortet kompatibelt med Arduino UNO R3 og ST morpho-stik.

Figur 3: X-NUCLEO-S2868A2 udvidelseskort kan fremskynde udviklingen af konstruktioner, der anvender 868 MHz ISM-båndet. (Billedkilde: DigiKey)

RF-modul forenkler integrationen

Til applikationer, der kræver hurtig time-to-market og lavt strømforbrug, kan MAMWLE-00 modulet forenkle systemintegrationen. Den bruger et 50 Ohm U.FL-stik til RF-udgangen og har en 48 MHz Arm® Cortex® M4 32-bit RISC-kerne i en 16,5 x 15,5 x 2 mm stor pakke. Dette RF-modul har flere valgmuligheder for driftstilstande med lavt strømforbrug. Den implementerer flere radiomodulationer, herunder LoRa, (G)FSK, (G)MSK og BPSK, med forskellige muligheder for båndbredde, spredningsfaktor (SF), effekt og kodningshastighed (CR) (figur 4). En indbygget hardwareaccelerator til kryptering/dekryptering kan implementere forskellige standarder såsom avanceret krypteringsstandard (AES, både 128 og 256 bit) og PKA-accelerator (PKA) til PKA for Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann eller ECC-kryptografi (Elliptic Curve Cryptography) over Galois-felter.

Figur 4: MAMWLE-00 modulet giver designere mulighed for at vælge mellem strømsparetilstande og forskellige standarder for RF-modulation. (Billedkilde: DigiKey)

M-Bus RF-modul

Ved brug af den trådløse M-Bus-protokol kan designere anvende Radiocrafts RC1180-MBUS RF-transceivermodul, der måler 12,7 x 25,4 x 3,7 mm i en afskærmet, overflademonteret pakke (Figur 5). Dette RF-modul en antennetilslutning med en enkelt pind og en UART-interface tharil konfiguration og seriel kommunikation. Den opfylder Wireless M-Bus specifikationerne S-, T- og R2-tilstande, fungerer i 12 kanaler i frekvensbåndet 868 MHz og er præcertificeret til drift i henhold til de europæiske radioreglementer til licensfri brug.

Figur 5: Den trådløse M-Bus protokol kan implementeres ved hjælp af Radiocrafts RC1180-MBUS RF-transceivermodul (Billedkilde: DigiKey

RC1180-MBUS3-DK sensorkortet med et M-Bus radiomoduludviklingssæt gør det nemt for designere at evaluere det indbyggede sensormodul hurtigt, indstille applikationen og bygge prototyper. Den indeholder to 50 Ω kvartbølge monopole antenner med SMA-hanekoblinger, to USB-kabler og en USB-strømforsyning (Figur 6). Dette udviklingssæt kan være en koncentrator, gateway og/eller modtager til sensorkortet.

Figur 6: Dette M-Bus udviklingskit indeholder to 50 Ω kvartbølge-monopolantenner med SMA-hanekoblinger, to USB-kabler og en USB-strømforsyning (ikke vist). (Billedkilde: DigiKey)

Integration af antenner

Ved tilslutning af en antenne til et RF-modul anbefaler Radiocrafts, at antennen tilsluttes direkte til RF-benet, som er tilpasset til 50 ohm (Ω). Hvis det ikke er muligt at tilslutte antennen til RF-benet, skal PCB-banen mellem RF-benet og antennestikket være en 50 Ω-transmissionslinje. I tilfælde af et to-lags FR4 PCB med en dielektrisk konstant på 4,8 skal bredden af mikrostriptransmissionslinjen være 1,8 gange tykkelsen af printpladen. Transmissionsledningen skal være på oversiden af printpladen med en jordplan i bunden af printpladen. Når der f.eks. anvendes et standard 1,6 mm tykt, to-lags FR4 PCB, skal bredden af mikrostriptransmissionslinjen være 2,88 mm (1,8 x 1,6 mm).

En kvartbølge piskeantenne er den mest enkle implementering og har en impedans på 37 Ω, når den anvendes over en jordplan, og et 50 Ω-tilpasningskredsløb er normalt ikke nødvendigt. Alternativt kan en PCB-antenne fremstilles ved hjælp af en kobberbane, hvor jordplan er fjernet fra PCB's bagside. Der skal være en jordplan på resten af printpladen, optimalt set lige så stor som antennen, så den fungerer som modvægt. Hvis PCB-antennen er kortere end en kvartbølge, skal der tilføjes et 50 Ω tilpasningsnetværk.

Sammenfatning

Når der skal vælges mellem forskellige trådløse protokoller til brug i trådløse smart-målere, skal designerne tage hensyn til flere faktorer, herunder dataoverførsel, strømforbrug, rækkevidde af transmission og behovet for webadgang. Desuden indebærer valget mellem RF-IC'er og moduler afvejninger mellem løsningens størrelse, omkostninger, fleksibilitet, tid til markedsføring, overholdelse af lovgivningen og andre faktorer. Når den passende RF-protokol er blevet identificeret, valget mellem IC'er og moduler er truffet, og det grundlæggende RF-system er designet, er antenneintegration afgørende for at udvikle en vellykket trådløs smart-måler.