Slik integrerer du trådløs konnektivitet i smartmålere

Trådløs konnektivitet er avgjørende i smartmålere for elektrisitet, vann, gass og distribusjonsnettverk for samfunnsoppvarming, men det er utfordrende og tidkrevende å konstruere en trådløs transceiver fra bunnen av. Smartmålerkonstruksjoner krever kraftige trådløse løsninger som oppfyller en rekke internasjonale standarder, deriblant FCC del 15 og del 90 i USA, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 i Europa, ARIB STD T67, T108 i Japan og SRRC i Kina. De må støtte datahastigheter på opptil 500 kilobit per sekund (kb/s). De må inkludere sikker kryptering og autentisering, være kompakte og fungere i utfordrende miljøer med temperaturer på opptil +85 °C. Mange konstruksjoner krever en batterilevetid på flere år.

For å møte disse utfordringene kan konstruktører velge mellom RF-transceiver-IC-er eller komplette RF-transceivermoduler, avhengig av behovene til smartmålerkonstruksjonen. RF-transceiver-IC-er som garanterer et RF-lenkebudsjett på over 140 dB med en utgangseffekt opptil +16 dBm er tilgjengelige, og disse støtter Sigfox™-, Wireless M-Bus-, 6LowPAN- og IEEE 802.15.4g-nettverkskonnektivitet. RF-moduler som støtter den trådløse Wireless M-Bus-protokollstakken eller flere radiomodulasjoner er tilgjengelige, slik som: LoRa, (G)FSK, (G)MSK og BPSK, med alternativer for adaptiv båndbredde, spredningsfaktor, overføringseffekt og kodingshastighet for å møte ulike konstruksjonsbehov og som er i samsvar med en rekke internasjonale forskrifter, inkludert ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 del 15, 24, 90, 101 og ARIB STD-T30, T-67 og T-108. Disse modulene er komplette RF-systemer som kun trenger en antenne, og kommer med sikker kryptering og autentisering, i tillegg til svært lave strømstyrker som gir utvidet batterilevetid.

Denne artikkelen gjennomgår utfordringene forbundet med konnektivitet som utviklere av trådløse smartmålere står overfor, og ser på mulige løsninger. Deretter presenterer den en rekke alternativer, deriblant RF transceiver-IC-er og RF-moduler fra STMicroelectronics, Move-X og Radiocrafts, i tillegg til konstruksjonshensyn som må tas ved integrering av antennen.

En av de første beslutningene som konstruktører står overfor, er valget av kommunikasjonsprotokoll. Vanlige valg inkluderer nærfeltkommunikasjon (NFC – near field communications), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi for tingenes Internett (Wi-Fi for IoT) og Sub Gigahertz (SubGHz). Det er fire viktige faktorer å ta i betraktning:

• Nødvendig datagjennomstrømning
• Laveffektmoduser (lavt energiforbruk)
• Nødvendig overføringsrekkevidde
• Behov for nettilgang

Wi-Fi for IoT kan være det beste valget for konstruksjoner som trenger maksimal dataoverføring, men har også de høyeste strømkravene. Selv om SubGHz kun krever moderate strømmengder og leverer maksimal overføringsrekkevidde, tilbyr andre kommunikasjonsprotokoller varierende sett med ytelseskompromisser (figur 1).

Figur 1: Wi-Fi for IoT har størst gjennomstrømning og strømforbruk, mens SubGHz tilbyr den mest utvidede rekkevidden med moderate strømbehov. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Mange smartmålerkonstruksjoner krever flere års batterilevetid, noe som gjør det utfordrende å bruke en teknologi som Wi-Fi for IoT. Heldigvis har disse konstruksjonene også relativt begrensede datagjennomstrømningskrav, og de kan dra nytte av å bruke NFC-, Bluetooth Smart-, Bluetooth- eller SubGHz-teknologiene. Selv om NFC har et lavt strømforbruk som er attraktivt, kan den like lave datagjennomstrømningen og rekkevidden eliminere den som et alternativ i smartmålerkonstruksjoner.

I tillegg er den generelle konstruksjonen til smartmåleren avgjørende for å fastsette strømforbruket. Å holde enheten i en strømfattig tilstand så lenge som mulig samt få den inn i en aktiv tilstand på kortest mulig tid, er en viktig faktor når det gjelder å forlenge batterilevetiden i trådløse smartmålere. Valget mellom å bruke en modulbasert eller frittstående (diskret) RF-kommunikasjonsimplementering (RF – radiofrekvens) er en annen faktor for konstruksjonens suksess. Når du tar denne beslutningen, må du ta i betraktning krav til ytelse, løsningsstørrelse, formatfleksibilitet, sertifiseringer, tiden det tar å få produktet ut å markedet og kostnader.

Fordeler med å bruke en RF-modul

En RF-modul er et komplett kommunikasjonsundersystem. Den kan inkludere en RF-IC, oscillator, filtre, effektforsterker og diverse passive komponenter. Det er ikke nødvendig med noen RF-kompetanse for å bruke en modulløsning, noe som gjør det mulig for konstruktører å fokusere på andre aspekter av smartmålerkonstruksjonen. En typisk RF-modul kommer kalibrert og sertifisert i henhold til de påkrevde standardene. I tillegg kommer modulen med kretsene for nettverkssamsvaring (network matching circuitry) som forenkler integreringen av antennen og minimerer signaltap. Antennen kan være intern eller ekstern med modulløsninger.

Moduler er enkle å integrere i konstruksjonen. Enkelheten som er forbundet med konstruksjonsintegrering, strekker seg til produksjonens prosessflyter siden det ikke er noen komplekse frittstående RF-enheter å håndtere, kun en standard kretskortbasert modul. Modulprodusenten har allerede håndtert alle nyansene rundt integreringen av RF-systemer. Å bruke en modul reduserer risikoen forbundet med en frittstående RF-konstruksjon, for eksempel å få sertifiseringer, oppnå påkrevd virkningsgrad og generelle ytelsesnivåer og fremskynde tiden det tar å få produktet ut på markedet.

Fordeler med frittstående IC-implementeringer

Selv om de er mer komplekse, kan frittstående IC-konstruksjoner levere viktige fordeler når det gjelder kostnader, løsningsstørrelse og format. En modul vil i de fleste tilfeller være dyrere enn en IC-basert løsning. I tilfeller der RF-undersystemkonstruksjonen brukes i store volum, vil merkostnadene forbundet med å konstruere den IC-baserte løsningen kompenseres av lavere produksjonskostnader. Det er også mulig å bruke et felles RF-undersystem på tvers av flere trådløse smartmålerplattformer, noe som øker de samlede produksjonsvolumene og ytterligere reduserer de langsiktige kostnadene.

En frittstående IC-basert konstruksjon er nesten alltid mindre enn en modulbasert løsning. Det kan være en viktig faktor i konstruksjoner med begrenset plass. I tillegg til å ha et mindre format, kan en frittstående IC-konstruksjon være enklere å forme slik at den kan passe i den tilgjengelige plassen.

Sub GHz RF-transceiver-IC

Konstruktører som trenger en frittstående IC-basert løsning i SubGHz-båndet kan bruke S2-LP, en kraftig RF-transceiver-IC med svært lavt strømforbruk, med et driftstemperaturområde på mellom –40 °C og +105 °C, i en QFN24-kapsling på 4 x 4 mm (figur 2). Den grunnleggende konstruksjonen fungerer i de industrielle, vitenskapelige og medisinske (ISM) lisensfrie båndene og kortdistanseenhetens (SRD – short range device) bånd på 433, 512, 868 og 920 megahertz (MHz). S2-LP kan alternativt programmeres til å fungere på andre frekvensbånd som 413–479, 452–527, 826–958 og 904–1055 MHz. En rekke modulasjonsmetoder kan implementeres, deriblant 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK og ASK. S2-LP har et RF-lenkebudsjett på > 140 dB for lange kommunikasjonsrekkevidder og oppfyller forskriftsmessige krav i USA, Europa, Japan og Kina.

Figur 2: Denne RF IC-en er spesifisert for drift i opptil +105 °C og er innkapslet i en 4 x 4 mm QFN24. (Bildekilde: STMicroelectronics)

For å forenkle integrasjonsprosessen når S2-LP brukes, kan konstruktører bruke ultra-miniatyr-balunen BALF-SPI2-01D3 med en 50 Ω nominell inngang som er samsvarende forent med S2-LP for frekvensdrift på 860–930 MHz. Den integrerer et samsvarende nettverk og filter for harmoniske oversvingninger og bruker integrert passiv enhet-teknologi (IPD – integrated passive device) på et ikke-ledende glassubstrat for å gi optimalisert RF-ytelse.

Konstruksjoner som bruker S2-LP og som fungerer i 868 MHz ISM-båndet, kan utvikles ved å bruke utvidelseskortet X-NUCLEO-S2868A2 (figur 3). X-NUCLEO-S2868A2 kobles til STM32 Nucleo-mikrokontrolleren via serielle periferigrensesnittilkoblinger (SPI – serial peripheral interface) og GPIO-pinner (GPIO – general purpose input-output). Legge til eller fjerne motstander fra kortet kan endre noen GPIO-er. I tillegg er kortet kompatibelt med Arduino UNO R3- og ST morpho-kontakter.

Figur 3: Utvidelseskortet X-NUCLEO-S2868A2 kan fremskynde utviklingen av konstruksjoner ved å bruke 868 MHz ISM-båndet. (Bildekilde: DigiKey)

RF-modul forenkler integrasjon

For konstruksjoner som må være i stand til å raskt komme ut på markedet og krever lavt strømforbruk, kan MAMWLE-00-modulen forenkle systemintegrasjonen. Den bruker en 50-ohms U.FL-kontakt for RF-utgangen og har en 48 MHz Arm® Cortex® M4 32-biters RISC-kjerne i en kapsling på 16,5 x 15,5 x 2 mm. Denne RF-modulen har flere driftstilstander med lavt strømforbruk å velge mellom. Den implementerer flere radiomodulasjoner, deriblant LoRa, (G)FSK, (G)MSK og BPSK, med forskjellige alternativer for båndbredde, spredningsfaktor (SF), effekt og kodingshastighet (CR – coding rate) (figur 4). En innebygd maskinvarebasert krypterings-/dekrypteringsakselerator kan implementere forskjellige standarder, for eksempel AES (AES – advanced encryption standard, både 128 og 256 bits) og offentlig nøkkelakselerator (PKA – public key accelerator) for PKA for Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann eller Elliptic Curve Cryptography (ECC) over Galois-felt.

Figur 4: MAMWLE-00-modulen gir konstruktører valg for strømsparingsmoduser og ulike RF-modulasjonsstandarder. (Bildekilde: DigiKey)

M-Bus RF-modul

Ved å bruke den trådløse M-Bus-protokollen kan konstruktører bruke Radiocrafts sin RC1180-MBUS RF-transceivermodul, som måler 12,7 x 25,4 x 3,7 mm, i en skjermet overflatemontert kapsling (figur 5). Denne RF-modulen har en antenneforbindelse med én pinne og et UART-grensesnitt for konfigurering og seriellkommunikasjon. Den oppfyller S-, T- og R2-modusene i henhold til Wireless M-Bus-spesifikasjonene, opererer over 12 kanaler i 868 MHz-frekvensbåndet og er forhåndssertifisert for drift i henhold til de europeiske radioforskriftene for lisensfri bruk.

Figur 5: Den trådløse M-Bus-protokollen kan implementeres ved å bruke Radiocrafts sin RC1180-MBUS RF-transceivermodul (Bildekilde: DigiKey

RC1180-MBUS3-DK-sensorkortet med et utviklingssett for M-Bus-radiomodulen gjør det enkelt for konstruktører å raskt evaluere den integrerte sensormodulen, justere konstruksjonen og bygge prototyper. Den inkluderer to 50 Ω enpolede kvartbølgeantenner med SMA-hannkontakter, to USB-kabler og en USB-strømforsyning (Figur 6). Dette utviklingssettet kan være en konsentrator, gateway og/eller mottaker for sensorkortet.

Figur 6: Dette M-Bus-utviklingssettet inkluderer to 50 Ω enpolede kvartbølgeantenner med SMA-hannkontakter, to USB-kabler og en USB-strømforsyning (ikke vist). (Bildekilde: DigiKey)

Antenneintegrasjon

Når du kobler en antenne til en RF-modul, anbefaler Radiocrafts at antennen kobles direkte til RF-pinnen, som er samsvart til 50 ohm (Ω). Hvis det ikke er mulig å koble antennen til RF-pinnen, bør kretskortbanen mellom RF-pinnen og antennekontakten være en overføringslinje på 50 Ω. Når det gjelder tolags FR4-kretskort med en dielektrisk konstant på 4,8, bør bredden til mikrobåndlederens overføringslinje være 1,8 ganger tykkelsen til kortet. Overføringslinjen skal være på oversiden av kretskortet, med et jordplan på bunnen av kretskortet. For eksempel, når et 1,6 mm tykt standard to-lags FR4-kretskort brukes, bør bredden på mikrobåndlederens overføringslinje være 2,88 mm (1,8 x 1,6 mm).

En kvartbølge-piskantenne er den enkleste implementasjonen, og den har en 37 Ω impedans når den brukes over et jordplan, og en 50 Ω samsvarende krets er vanligvis ikke nødvendig. Alternativt kan en kretskortantenne produseres ved å bruke en kobberbane der jordplanet er fjernet fra kretskortets bakside. Det bør være et jordplan på resten av kretskortet, optimalt like stort som antennen for å fungere som en motvekt. Hvis kretskortantennen er kortere enn en kvartbølge, bør et 50 Ω samsvarende nettverk legges til.

Sammendrag

Når du velger mellom ulike trådløse protokoller for bruk i trådløse smartmålere, må konstruktører ta hensyn til flere faktorer, for eksempel datagjennomstrømning, strømforbruk, overføringsrekkevidde og behovet for nettilgang. I tillegg innebærer valget mellom RF IC-er og moduler kompromisser mellom løsningens størrelse, kostnader, fleksibilitet, tiden det tar å få produktet ut på markedet, samsvar med forskrifter og andre faktorer. Når den aktuelle RF-protokollen har blitt identifisert, valget mellom IC-er og moduler er tatt og det grunnleggende RF-systemet har blitt konstruert, er antenneintegrasjon avgjørende for å utvikle en velfungerende trådløs smartmåler.