Vezeték nélküli összeköttetés beépítése az intelligens fogyasztásmérőkbe

A villamosenergia-, víz-, gáz- és távfűtési elosztóhálózatok intelligens fogyasztásmérői esetében alapvető fontosságú a vezeték nélküli összeköttetés, de a vezeték nélküli adó-vevők nulláról történő megtervezése komoly feladatot jelent, ráadásul időigényes is. Az intelligens fogyasztásmérők olyan nagy teljesítményű vezeték nélküli megoldásokat igényelnek, amelyek megfelelnek számos nemzetközi szabványnak, beleértve az Amerikai Egyesült Államokban az FCC 15. és 90. részét, Európában az ETSI EN 300 220 és ETSI EN 303 131, Japánban az ARIB STD T67 és T108 szabványt, valamint Kínában az SRRC előírást. Emellett támogatniuk kell akár még az 500 kilobit/másodperc (kb/s) adatátviteli sebességet is. Biztonságos titkosítással és hitelesítéssel ellátottnak és kis méretűnek kell lenniük, és akár +85 °C-os környezetben is működniük kell. Számos készülék esetében több éves akkumulátor-üzemidőre van szükség.

Az ezeknek a kihívásoknak való megfelelés érdekében a tervezők az intelligens fogyasztásmérőkkel szemben támasztott követelményektől függően rádió adó-vevő integrált áramkörök (IC-k) vagy teljes rádió adó-vevő modulok beszerezhető választékából válogathatnak. Lehet kapni olyan rádió adó-vevő IC-ket, amelyek 140 dB feletti rádiófrekvenciás vételi jelerősséget garantálnak akár +16 dBm kimeneti teljesítménnyel, és támogatják a SIGFOX™, a vezeték nélküli M-Bus, a 6LowPAN és az IEEE 802.15.4g hálózati kapcsolatokat. A beszerezhető rádiómodulok támogatják a vezeték nélküli M-Bus protokollcsomagot, illetve többféle rádiós modulációt, amilyen például a LoRa, a (G)FSK, a (G)MSK és a BPSK. A különböző felhasználási igények kielégítése érdekében lehetőség van az alkalmazkodó sávszélesség, a szórási tényező, az átviteli teljesítmény és a kódolási sebesség beállítására, és megfelelnek a nemzetközi előírások széles körének, beleértve az ETSI EN 300 220, EN 300 113 és EN 301 166 szabványt, az FCC CFR 47. rész 15., 24., 90. és 101. pontját, valamint az ARIB STD-T30, T-67 és T-108 szabványt. Ezek a modulok komplett rádiókészülékek, amelyeknek csak egy antennára van szükségük, és biztonságos titkosítást és hitelesítést, valamint a hosszabb akkumulátor-üzemidő érdekében rendkívül kis fogyasztású üzemmódokat kínálnak.

Ez a cikk áttekinti a vezeték nélküli intelligens fogyasztásmérők tervezői előtt álló, az összeköttetéssel kapcsolatos feladatokat, és megvizsgálja a lehetséges megoldásokat. Ezután számos lehetőséget mutat be, beleértve az STMicroelectronics, a Move-X és a Radiocrafts rádió adó-vevő IC-it és rádiómoduljait, valamint az antennával való összeépítéssel kapcsolatos tervezési szempontokat.

Az egyik első döntés, amellyel a tervezők szembesülnek, a kommunikációs protokoll kiválasztása. Az általános választási lehetőségek közé tartozik a közeli rádiókommunikáció (NFC), a Bluetooth, a Bluetooth Smart, a Wi-Fi for IoT (a dolgok internetéhez kifejlesztett wifi) és – mint a neve is mutatja – az 1 GHz alatti frekvenciákon működő Sub Gigahertz (SubGHz) protokoll. Négy fontos tényezőt kell figyelembe venni:

• Szükséges adatátviteli teljesítmény
• Kis fogyasztású üzemmódok
• Szükséges átviteli tartomány
• Az internetes hozzáférés szükségessége

Az olyan felhasználási területeken, ahol sok adatátvitelre van szükség, és nagy az energiaigényük is, a Wi-Fi for IoT lehet a legjobb választás. Miközben a SubGHz csak mérsékelt áramellátást igényel, és mellette nagy átviteli tartományt tesz lehetővé, a többi kommunikációs protokoll esetében különböző teljesítménybeli kompromisszumokra kell számítani (1. ábra).

1. ábra: A Wi-Fi for IoT protokollnak a legnagyobb az adatátviteli teljesítménye, de az energiafogyasztása is, míg a SubGHz a legnagyobb átviteli tartományt kínálja mérsékelt energiaigény mellett (kép: STMicroelectronics)

Számos intelligens fogyasztásmérő többéves akkumulátor-üzemidőt igényel, ami miatt komoly gondot jelent az olyan technikák használata, mint a Wi-Fi for IoT. Szerencsére ezeknek a készülékeknek egyúttal viszonylag korlátozottak az adatátviteli követelményei, és előnyös lehet az NFC, a Bluetooth Smart, a Bluetooth vagy a SubGHz technika használata. Bár az NFC vonzóan kis fogyasztású, kicsi az adatátviteli teljesítménye és a hatótávolsága is, ezért az intelligens fogyasztásmérők esetében nem jöhet számításba.

Ezenkívül az intelligens fogyasztásmérő általános kialakítása is létfontosságú a fogyasztás meghatározásában. A vezeték nélküli intelligens fogyasztásmérők akkumulátor-üzemidejének meghosszabbításában kulcsfontosságú tényező, hogy a készüléket a lehető legtovább kis fogyasztású állapotban tartsuk, és a lehető legrövidebb ideig működjön aktív állapotban. A modulalapú és az önálló (vagy más néven diszkrét) IC-kkel megvalósított rádiókommunikációs megoldások közötti választás a megoldás sikerének másik fontos tényezője. A döntés meghozatalakor vegye figyelembe a teljesítményt, a megoldás méretét, a helyigény rugalmas módosíthatóságát, a tanúsítványokat, a piacra kerülési időt és a költségigényeket.

A rádiómodulok használatának előnyei

A rádiómodul egy teljes kommunikációs alrendszert alkot. Tartalmazhat rádió-IC-t, oszcillátort, szűrőket, teljesítményerősítőt és különböző passzív alkatrészeket. A modulalapú megoldás használatához nincs szükség rádiós szakértelemre, így a tervezők az intelligens fogyasztásmérő tervezésének más szempontjaira összpontosíthatnak. A rádiómodulok jellemzően a szükséges szabvány(ok)nak megfelelően kalibrálva és a szükséges tanúsítással ellátva szerezhetők be. Ezenkívül a modul tartalmazza a hálózatillesztő áramkört, hogy megkönnyítse az antennával való összeépítést, és minimálisra csökkentse a jelveszteséget. A modulalapú megoldásokhoz használható belső vagy külső antenna.

A modulokat egyszerű beépíteni a készülékbe. A készülék összeépítésének egyszerűsége kiterjed a gyártási folyamatokra is, mivel nem diszkrét alkatrészekből összeállított bonyolult rádióberendezéseket kell kezelni, csak egy nyomtatott áramköri lapra (nyák) épülő szokványos modult. A modul gyártója már megoldotta a rádiófrekvenciás rendszerek összeépítésének minden finomságát. A modulok használata csökkenti a diszkrét alkatrészekből épített rádióberendezések tervezésével járó kockázatokat, amilyen például a tanúsítványok megszerzése, a szükséges hatásfok és az egész rendszerre vonatkozó teljesítményszintek elérése, valamint a piacra kerülési idő felgyorsítása.

Az önálló IC-vel kialakított készülékek előnyei

Bár az önálló IC-k bonyolultabbak, a használatuk jelentős előnyöket kínál a költségek, a megoldás mérete és a kártyaméret tekintetében. A rádiómodul a legtöbb esetben drágábbra jön ki, mint egy IC-alapú megoldás. Azokban az esetekben, amikor a rádiós alrendszerből nagyobb mennyiségre van szükség, az önálló IC-re épülő megoldás tervezésének többletköltségét kiegyenlítik az alacsonyabb gyártási költségek. Arra is van mód, hogy több vezeték nélküli intelligens fogyasztásmérő platform közös rádiós alrendszert használjon, ami növeli a teljes gyártási mennyiséget, és tovább csökkenti a hosszú távú költségeket.

Az önálló IC-re épülő készülékek szinte mindig kisebbek, mint a modulalapú megoldások. Ez a helyszűkében lévő készülékek esetén akár fontos szempont is lehet. Amellett, hogy kisebb alapterületet foglal el, az önálló IC-s kialakítás könnyebben alakítható a rendelkezésre álló helyhez.

SubGHz-es rádió adó-vevő IC

Azok a tervezők, akiknek önálló (diszkrét) IC-re épülő megoldásra van szükségük a SubGHz (1 GHz alattii) frekvenciasávban, használhatják az S2-LP jelű eszközt, amely egy nagy teljesítményű, rendkívül kis fogyasztású rádió adó-vevő IC, –40 °C és +105 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartománnyal, 4 mm × 4 mm-es QFN24 tokban (2. ábra). Az alapkonstrukció az ipari, tudományos és gyógyászati (ISM) berendezéseknek fenntartott engedélymentes frekvenciasávokban és a kis hatótávolságú (SRD) eszközöknek fenntartott frekvenciasávokban, 433 MHz-es, 512 MHz-es, 868 MHz-es és 920 MHz-es frekvencián működik. Az S2-LP emellett más frekvenciasávokban, például a 413–479 MHz, a 452–527 MHz, a 826–958 MHz és a 904–1055 MHz közötti frekvenciasávban való működésre is programozható. Különböző modulációs sémák valósíthatók meg vele, többek közt a 2(G)FSK, a 4(G)FSK, az OOK és az ASK modulációs séma is. Az S2-LP rádiófrekvenciás vételi jelerőssége nagy kommunikációs hatótávolságok esetén > 140 dB, ami megfelel az Amerikai Egyesült Államok, Európa, Japán és Kína szabályozási követelményeinek.

2. ábra: Ez a rádió-IC +105 °C-ig történő működésre van tervezve, és 4 mm × 4 mm-es QFN24 tokozásban kapható (kép: STMicroelectronics)

Az S2-LP IC-hez az összeépítési folyamat egyszerűsítése érdekében a tervezők használhatják az 50 Ω névleges bemeneti impedanciájú BALF-SPI2-01D3 szuperminiatűr baluntranszformátort, amely konjugált illesztéssel illeszkedik az S2-LP IC-hez a 860–930 MHz-es frekvenciasávban való működéshez. A baluntranszformátor tartalmaz egy hálózatillesztő és felharmonikusszűrő egységet, és az optimális rádiófrekvenciás teljesítmény elérése érdekében nem vezető üveg hordozóanyagra (üvegszubsztrát) integrált passzív eszközös (IPD) kialakítású.

Az S2-LP-t használó és a 868 MHz-es ISM-sávban működő eszközök fejlesztését segíti az X-NUCLEO-S2868A2 bővítőkártya (3. ábra). Az X-NUCLEO-S2868A2 soros perifériás illesztőfelületi (SPI) csatlakozók és általános célú be- és kimeneti (GPIO) érintkezők segítségével kapcsolódik az STM32 Nucleo mikrovezérlőhöz. Néhány GPIO megváltoztatható, ha ellenállásokkal egészíti ki a kártyát, vagy ellenállásokat távolít el arról. Ezenkívül a kártya kompatibilis az Arduino UNO R3 és az ST morpho csatlakozókkal.

3. ábra: Az X-NUCLEO-S2868A2 bővítőkártya felgyorsíthatja a 868 MHz-es ISM-sávot használó eszközök fejlesztését (kép: DigiKey)

A rádiómodul egyszerűsíti az összeépítést

A gyors piacra kerülést igénylő, kis fogyasztású készülékek esetében a MAMWLE-00 modul leegyszerűsítheti a rendszer összeépítését. Rádiófrekvenciás kimenetként 50 Ω-os U.FL csatlakozót használ, és egy 48 MHz-es ARM® Cortex® M4 32 bites RISC processzormagot tartalmaz, 16,5 mm × 15,5 mm × 2 mm-es tokozásban. Ennél a rádiómodulnál többféle kis fogyasztású üzemállapot közül is választhat. A modul többféle rádiós modulációt valósít meg, beleértve a LoRa, a (G)FSK, a (G)MSK és a BPSK modulációt, különböző lehetőségekkel a sávszélesség-, szórásitényező- (SF), teljesítmény- és kódolásisebesség- (CR) beállítására (4. ábra). A beágyazott hardveres titkosítás- és visszafejtés-gyorsítóval különböző titkosítási szabványok valósíthatók meg, többek közt az AES (fejlett titkosítási szabvány, a 128 és a 256 bites változat is) titkosítás és a PKA (nyilvánoskulcs-gyorsító) titkosításgyorsító a PKA for Rivest-Shamir-Adleman (RSA), a Diffie-Hellmann és az ECC over Galois fields (Galois-mezőkkel megvalósított elliptikus görbéjű) titkosításhoz.

4. ábra: A MAMWLE-00 modul energiatakarékos üzemmódok és különböző rádiós modulációs szabványok választékát kínálja a tervezőknek (kép: DigiKey)

Az M-Bus rádiómodul

Az M-Bus vezeték nélküli protokollt használva a tervezők választhatják a Radiocrafts RC1180-MBUS rádió adó-vevő modulját, amely 12,7 mm × 25,4 mm × 3,7 mm méretű, és felületszerelt árnyékolt tokozásban kapható (5. ábra). Ez a rádiómodul egy egytüskés antennacsatlakozóval és egy UART-illesztőfelülettel van ellátva a beállításhoz és a soros kommunikációhoz. A modul használható a vezeték nélküli M-Bus szabvány S, T és R2 üzemmódjaival, 12 csatornán működik a 868 MHz-es frekvenciasávban, és előzetes tanúsítványt kapott az engedély nélküli használatra vonatkozó európai rádiószabályozás szerinti működésre.

5. ábra: Az M-Bus vezeték nélküli protokoll megvalósítható például a Radiocrafts RC1180-MBUS rádió adó-vevő moduljával (kép: DigiKey

Az M-Bus rádiómodullal ellátott fejlesztőkészlettel kiegészített RC1180-MBUS3-DK érzékelőkártya megkönnyíti a tervezők számára a belső érzékelőmodul gyors értékelését, a készülék behangolását és a prototípusok elkészítését. A fejlesztőkészlet két 50 Ω impedanciájú negyedhullámú monopolantennát tartalmaz SMA dugaszos csatlakozóval, valamint két USB-kábelt és egy USB-s tápegységet (6. ábra). Ezzel a fejlesztőkészlettel kialakítható koncentrátor, átjáró vagy vevő az érzékelőkártyához.

6. ábra: Ez az M-Bus fejlesztőkészlet két 50 Ω impedanciájú negyedhullámú monopolantennát tartalmaz SMA dugaszos csatlakozóval, valamint két USB-kábelt és egy USB-s tápegységet (ez utóbbi nem látható az ábrán) (kép: DigiKey)

Összeépítés az antennával

Ha antennát csatlakoztat egy rádiómodulhoz, a Radiocrafts azt ajánlja, hogy az antennát közvetlenül a rádiófrekvenciás csatlakozóhoz csatlakoztassa, amely 50 Ω-os impedanciaillesztéssel van ellátva. Ha az antennát nem lehet a rádiófrekvenciás csatlakozóhoz csatlakoztatni, akkor a nyomtatott áramköri lapon lévő, a rádiófrekvenciás csatlakozó és az antennacsatlakozó közötti vezetőcsíkot 50 Ω-os tápvonalként kell kialakítani. Egy kétrétegű FR4 nyomtatott áramköri lap esetében, amelynek a dielektromos állandója 4,8, a mikroszalag-tápvonal szélességének az áramköri lap vastagsága 1,8-szorosának kell lennie. A tápvonalnak a nyomtatott áramköri lap felső oldalán kell lennie, a földelőfelületnek pedig a nyomtatott áramköri lap alsó részén. Például egy szokványos, 1,6 mm vastag, kétrétegű FR4 nyomtatott áramköri lap használata esetén a mikroszalag-tápvonalnak 2,88 mm szélesnek kell lennie (1,8 × 1,6 mm).

A negyedhullámú ostorantenna a legegyszerűbb megoldás, földelőfelület felett használva 37 Ω az impedanciája, és általában nincs szükség hozzá 50 Ω-os illesztőáramkörre. Alternatív megoldásként kialakítható antenna a nyomtatott áramköri lapon a réz vezetőcsíkból, a nyomtatott áramköri lap hátoldaláról eltávolítva a földelőfelületet. A nyomtatott áramköri lap többi részén lennie kell földelőfelületnek, amely optimális esetben akkora, mint az antenna, hogy ellensúlyként szolgáljon. Ha a nyomtatott áramköri lapon kialakított antenna rövidebb egy negyed hullámnál, akkor szükség van egy 50 Ω-os illesztőhálózatra is.

Összegzés

A vezeték nélküli intelligens fogyasztásmérőkben való használatra szánt különböző vezeték nélküli protokollok közötti választás során a tervezőknek számos tényezőt kell figyelembe venniük, beleértve az adatátviteli teljesítményt, a fogyasztást, az átviteli tartományt és az internet-hozzáférés szükségességét is. Ezenkívül a rádió IC-k és rádiómodulok közötti választás során át kell gondolni a megoldás mérete, költsége, rugalmassága, piacra kerülési ideje, az előírásoknak való megfelelés és egyéb tényezők közötti kompromisszumokat is. A megfelelő rádiófrekvenciás protokoll kiválasztása, az IC-k és a modulok közötti választás, valamint a rádiós alaprendszer megtervezése után az antennával való összeépítés is kritikus fontosságú a jó minőségű vezeték nélküli intelligens fogyasztásmérő kifejlesztéséhez.