Hur man integrerar trådlösa anslutningar i smarta mätare

Trådlös uppkoppling är nödvändig i smarta mätare för el-, vatten-, gas- och fjärrvärmenät, men det är svårt och tidskrävande att konstruera en trådlös transceiver från grunden. För smarta mätare krävs högeffektiva trådlösa lösningar som uppfyller en rad olika internationella standarder, inklusive FCC del 15 och del 90 i USA, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 i Europa, ARIB STD T67, T108 i Japan och SRRC i Kina. De måste stödja datahastigheter på upp till 500 kbit/s. De måste innehålla säker kryptering och autentisering, vara kompakta och fungera i krävande miljöer upp till +85 °C. Många tillämpningar kräver en batteritid på flera år.

För att klara dessa utmaningar kan konstruktörer välja mellan RF-transceiverkretsar eller kompletta RF-transceivermoduler, beroende på behoven i den smarta mätartillämpningen. Det finns RF-transceiverkretsar som garanterar en RF-länkbudget på över 140 dB med en utgångseffekt på upp till +16 dBm med stöd för nätverksanslutningar med SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN och IEEE 802.15.4g. Det finns RF-moduler med stöd för protokollet Wireless M-Bus eller flera radiomodulationer som LoRa, (G)FSK, (G)MSK och BPSK, med alternativ för adaptiv bandbredd, spridningsfaktor, sändareffekt och kodningshastighet för att uppfylla olika tillämpningars behov. De uppfyller ett stort antal internationella bestämmelser, bland annat ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 del 15, 24, 90, 101 och ARIB STD-T30, T-67 och T-108. Modulerna är kompletta RF-system som endast behöver en antenn och omfattar säker kryptering och autentisering samt extremt låga strömlägen för utökad batteritid.

Artikeln granskar de anslutningsutmaningar som konstruktörer av trådlösa smarta mätare står inför och möjliga lösningar. Därefter presenteras en rad olika alternativ, inklusive RF-transceiverkretsar och RF-moduler från STMicroelectronics, Move-X och Radiocrafts, tillsammans med konstruktionsöverväganden vid integrering av antennen.

Ett av de första beslut som konstruktörer måste fatta är valet av kommunikationsprotokoll. Vanliga alternativ är NFC (Near Field Communications), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi för IoT och Sub-Gigahertz (SubGHz). Det finns fyra viktiga faktorer att ta hänsyn till:

• Den datagenomströmning som krävs
• Lägen för låg effekt
• Tillräcklig räckvidd för överföring
• Behov av tillgång till webben

Wi-Fi för IoT kan vara det bästa valet för tillämpningar som kräver maximal dataöverföring, men det har även det högsta strömbehovet. SubGHz kräver endast måttlig effekt och ger maximal överföringsräckvidd, men andra kommunikationsprotokoll erbjuder olika typer av kompromisser i fråga om prestanda (figur 1).

Figur 1: Wi-Fi för IoT har störst genomströmning och energiförbrukning, medan SubGHz erbjuder den största räckvidden med måttliga energikrav. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Många tillämpningar för smarta mätare kräver flera års batteritid, vilket gör det svårt att använda en teknik som WiFi för IoT. Lyckligtvis har dessa tillämpningar också relativt begränsade krav på dataöverföring och kan dra nytta av NFC-, Bluetooth Smart-, Bluetooth- eller SubGHz-teknik. Även om NFC har en attraktivt låg energiförbrukning kan den lika låga dataförmågan och räckvidden göra att den inte kommer på fråga i tillämpningar med smarta mätare.

Den smarta mätarens konstruktion är dessutom viktig för att konstatera energiförbrukningen. Att hålla enheten i ett lågeffekttillstånd så länge som möjligt och starta ett aktivt tillstånd under kortast möjliga tid är en nyckelfaktor för att förlänga batteritiden i trådlösa smarta mätare. Valet mellan att använda en modulbaserad eller diskret implementering av radiofrekvenskommunikation (RF) är en annan faktor för att konstruktionen ska bli framgångsrik. När det beslutet fattas måste du ta hänsyn till prestanda, lösningens storlek, flexibilitet i formatet, certifieringar, tid till marknaden och kostnadskrav.

Fördelar med att använda en RF-modul

En RF-modul är ett komplett delsystem för kommunikation. Den kan innehålla en RF-krets, oscillator, filter, effektförstärkare och olika passiva komponenter. Det krävs ingen RF-kompetens för att använda en modullösning, vilket gör att konstruktörerna kan fokusera på andra aspekter av konstruktionen av den smarta mätaren. En typisk RF-modul levereras kalibrerad och certifierad enligt nödvändiga standarder. Modulen kommer dessutom att innehålla anpassningskretsar för nätverket för att underlätta integreringen av antennen och minimera signalförluster. Antennen kan vara intern eller extern med modullösningar.

Moduler är enkla att integrera i konstruktionen. Enkelheten i integrationen av konstruktionen gäller även för tillverkningsprocessen eftersom det inte finns några komplicerade diskreta RF-enheter att hantera, utan bara en kretskortsbaserad standardmodul. Modultillverkaren har redan hanterat alla nyanser av integrering av RF-system. Genom att använda en modul minskas de risker som är förknippade med en diskret RF-konstruktion, t.ex. när det gäller att få certifieringar, uppnå erforderlig effektivitet och övergripande prestandanivåer samt att skynda på tiden till marknaden.

Fördelar med implementationer med diskreta kretsar

Även om de är mer komplicerade kan konstruktioner med diskreta kretsar ge viktiga fördelar när det gäller kostnad, lösningsstorlek och format. En modul är i de flesta fall dyrare än en kretsbaserad lösning. I de fall där RF-delsystemets konstruktion används i stora volymer kompenseras den extra kostnaden för att konstruera den kretsbaserade lösningen av lägre tillverkningskostnader. Det är också möjligt att använda ett gemensamt RF-delsystem för flera plattformar för trådlösa smarta mätare, vilket ökar de totala produktionsvolymerna och minskar de långsiktiga kostnaderna ytterligare.

En konstruktion baserad på diskreta kretsar är nästan alltid mindre än en modulbaserad lösning. Detta kan vara en viktig aspekt i tillämpningar med begränsat utrymme. En konstruktion med diskreta kretsar har inte bara ett mindre format, utan kan även lättare formas för att passa in i det tillgängliga utrymmet.

RF-transceiverkretsar för SubGHz-bandet

Konstruktörer som behöver en diskret kretsbaserad lösning i SubGHz-bandet kan använda sig av S2-LP, en högeffektiv RF-transceiverkrets med extremt låg strömförbrukning och ett driftstemperaturområde från -40 °C till +105 °C, i n 4 x 4 mm QFN24-kapsling (figur 2). Den grundläggande konstruktionen fungerar i de licensfria ISM-banden (Industri, vetenskap och medicin) och SRD-banden (Short Range Device) på 433, 512, 868 och 920 MHz. S2-LP kan även programmeras för att fungera i andra frekvensband, t.ex. 413-479, 452-527, 826-958 och 904-1055 MHz. En mängd olika moduleringsscheman kan implementeras, inklusive 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK och ASK. S2-LP har en RF-länkbudget > 140 dB för långa kommunikationssträckor och uppfyller bestämmelserna i USA, Europa, Japan och Kina.

Figur 2: Denna RF-krets är specificerad för drift upp till +105 °C och finns i en 4 x 4 mm QFN24-kapsling. (Bildkälla: STMicroelectronics)

För att förenkla integrationsprocessen vid användning av S2-LP kan konstruktörer använda symmetreringstransformatorn BALF-SPI2-01D3 i ultraminiatyrmodell med en nominell ingång på 50 Ω som är parmatchad till S2-LP för drift vid 860-930 MHz. Den integrerar ett matchningsnätverk och ett övertonsfilter och använder integrerad passiv enhetsteknik (IPD) på ett icke-ledande glassubstrat för att ge optimal RF-prestanda.

Konstruktioner som använder S2-LP och arbetar i ISM-bandet 868 MHz kan utvecklas med hjälp av expansionskortet X-NUCLEO-S2868A2 (figur 3). X-NUCLEO-S2868A2 ansluts till microcontrollern STM32 med hjälp av SPI-anslutningar (Serial Peripheral Interface) och GPIO-stift (General Purpose Input-Output). Om du lägger till eller tar bort resistorer på kortet kan vissa GPIO:er ändras. Kortet är dessutom kompatibelt med morpho-anslutningarna för Arduino UNO R3 och ST.

Figur 3: Expansionskortet X-NUCLEO-S2868A2 kan påskynda utvecklingen av konstruktioner som använder ISM-bandet 868 MHz. (Bildkälla: DigiKey)

RF-modul förenklar integrationen

För tillämpningar som kräver snabb marknadsintroduktion och låg strömförbrukning kan modulen MAMWLE-00 förenkla systemintegrationen. Den använder en U.FL-kontakt med 50 Ohm för RF-utgången och har en 48 MHz Arm® Cortex® M4 32-bitars RISC-kärna i en kapsling på 16,5 x 15,5 x 2 mm. RF-modulen har flera valmöjligheter för drifttillstånd med låg effekt. Den implementerar flera radiomodulationer, inklusive LoRa, (G)FSK, (G)MSK och BPSK, med olika alternativ för bandbredd, spridningsfaktor (SF), effekt och kodningsfrekvens (CR) (figur 4). En inbyggd hårdvaruaccelerator för kryptering/dekryptering kan implementera olika standarder, t.ex. avancerad krypteringsstandard (AES, både 128 och 256 bitar) och accelerator för offentliga nycklar (PKA) för PKA för Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann eller ECC-kryptografi (Elliptic Curve Cryptography) via Galois-fält.

Figur 4: Modulen MAMWLE-00 ger konstruktörer möjlighet att välja energisparlägen och olika standarder för RF-modulering. (Bildkälla: DigiKey)

M-Bus RF-modul

Om man använder det trådlösa protokollet M-Bus kan konstruktörer vända sig till RF-transceivermodulen RC1180-MBUS från Radiocrafts med måtten 12,7 x 25,4 x 3,7 mm i en skärmad, ytmonterad kapsling (figur 5). RF-modulen har en antennanslutning med ett stift och ett UART-gränssnitt för konfiguration och seriell kommunikation. Den uppfyller specifikationen för Wireless M-Bus för S-, T- och R2-lägen, fungerar i 12 kanaler i frekvensbandet 868 MHz och är förcertifierad för drift enligt de europeiska radioreglerna för licensfri användning.

Figur 5: Det trådlösa protokollet M-Bus kan implementeras med hjälp av RF-transceivermodulen RC1180-MBUS från Radiocrafts (Bildkälla: DigiKey

Sensorkortet RC1180-MBUS3-DK med radiomodul för M-Bus gör det enkelt för konstruktörer att snabbt utvärdera den inbyggda sensormodulen, anpassa applikationen och bygga prototyper. Den innehåller två monopolantenner för kvartsvåg för 50 Ω med SMA-anslutningar, två USB-kablar och en strömförsörjning för USB (figur 6). Utvecklingssatsen kan vara en koncentrator, gateway och/eller mottagare för sensorkortet.

Figur 6: Utvecklingssatsen för M-Bus innehåller två monopolantenner för kvartsvåg för 50 Ω med SMA-anslutningar (hane), två USB-kablar och en strömförsörjning för USB (visas inte). (Bildkälla: DigiKey)

Integrering av antenner

När du ansluter en antenn till en RF-modul rekommenderar Radiocrafts att antennen ansluts direkt till RF-stiftet, som är anpassat för 50 Ω. Om det inte är möjligt att ansluta antennen till RF-stiftet måste kretskortsbanan mellan RF-stiftet och antennkontakten vara en överföringsledare med 50 Ω. I fallet med ett kretskort med två lager och en dielektrisk konstant på 4,8 bör bredden på överföringsledaren vara 1,8 gånger kretskortets tjocklek. Överföringsledaren måste vara placerad på kretskortets ovansida med ett jordplan på kretskortets undersida. Om man exempelvis använder ett standard FR4-kretskort med två lager och en tjocklek på 1,6 mm måste bredden på överföringsledaren vara 2,88 mm (1,8 x 1,6 mm).

En kvartsvågs flexibel antenn är det enklaste alternativet och har en impedans på 37 Ω när den används ovanför ett jordplan, och en matchningskrets för 50 Ω behövs vanligtvis inte. Alternativt kan en kretskortsantenn tillverkas med hjälp av ett kopparspår med jordplanet borttaget från kretskortets baksida. Det bör finnas ett jordplan på resten av kretskortet, optimalt lika stort som antennen för att fungera som en motkraft. Om kretskortsantennen är kortare än en kvartsvåg bör ett matchningsnätverk på 50 Ω läggas till.

Sammanfattning

När konstruktörer väljer mellan olika trådlösa protokoll för användning i trådlösa smarta mätare måste de ta hänsyn till flera faktorer, bland annat datagenomströmning, strömförbrukning, sändningsräckvidd och behovet av webbåtkomst. Dessutom innebär valet mellan RF-kretsar och moduler att man måste göra avvägningar mellan lösningens storlek, kostnad, flexibilitet, tid till marknaden, överensstämmelse med regelverk och andra faktorer. När det lämpliga RF-protokollet har identifierats, valet mellan kretsar och moduler har gjorts och det grundläggande RF-systemet har utformats, är antennintegration avgörande för att utveckla en framgångsrik trådlös smart mätare.