Cum se integrează conectivitatea wireless în contoarele inteligente

Conectivitatea wireless este esențială în cazul contoarelor inteligente pentru rețelele de distribuție a energiei electrice, a apei, a gazului și a încălzirii comunitare, dar proiectarea unui emițător-receptor wireless de la zero este dificilă și necesită mult timp. Aplicațiile de contorizare inteligentă necesită soluții wireless de înaltă performanță care să respecte o varietate de standarde internaționale, inclusiv FCC partea 15 și partea 90 în SUA, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 în Europa, ARIB STD T67, T108 în Japonia și SRRC în China. Acestea trebuie să accepte viteze de transfer al datelor de până la 500 kilobiți pe secundă (kbps). Trebuie să includă criptare și autentificare securizată, să fie compacte și să funcționeze în medii solicitante, de până la +85 °C. Multe aplicații necesită o durată de viață a bateriei de câțiva ani.

Pentru a face față acestor provocări, proiectanții pot alege între circuite integrate de emisie-recepție RF sau module complete de emisie-recepție RF, în funcție de cerințele aplicației pentru contoare inteligente. Sunt disponibile circuite integrate de emisie-recepție RF care garantează un buget de legătură RF de peste 140 dB, cu o putere de ieșire de până la +16 dBm și care acceptă conectivitate de rețea SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN și IEEE 802.15.4g. Sunt disponibile module RF care acceptă stiva de protocoale Wireless M-Bus sau mai multe modulații radio, cum ar fi: LoRa, (G)FSK, (G)MSK și BPSK; cu opțiuni pentru lățimea de bandă adaptabilă, factorul de dispersie, puterea de transmisie și rata de codare pentru a satisface diversele nevoi ale aplicațiilor și sunt conforme cu o gamă largă de reglementări internaționale, inclusiv ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 part 15, 24, 90, 101 și ARIB STD-T30, T-67, și T-108. Aceste module sunt sisteme RF complete, ce necesită doar o antenă, și includ criptare și autentificare securizată, precum și moduri de putere foarte redusă pentru o durată de viață extinsă a bateriei.

Acest articol trece în revistă provocările legate de conectivitate cu care se confruntă proiectanții de contoare inteligente wireless și analizează posibilele soluții. Apoi, prezintă o gamă de opțiuni, inclusiv circuite integrate de emisie-recepție RF și module RF de la STMicroelectronics, Move-X și Radiocrafts, precum și considerentele de proiectare pentru integrarea antenei.

Una dintre primele decizii cu care se confruntă proiectanții este selectarea unui protocol de comunicații. Printre alegerile comune se numără comunicațiile în câmp apropiat (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi pentru Internetul lucrurilor (Wi-Fi for IoT) și Sub Gigahertz (SubGHz). Există patru factori importanți care trebuie luați în considerare:

• Capacitatea necesară de transfer al datelor
• Modurile de putere redusă
• Domeniul de transmisie necesar
• Nevoia de acces la internet

Wi-Fi pentru IoT poate fi cea mai bună alegere pentru aplicațiile care au nevoie de un transfer maxim de date, dar are și cele mai mari cerințe de energie. În timp ce SubGHz necesită doar energie moderată și oferă o rază maximă de transmisie, alte protocoale de comunicații oferă diferite seturi de compromisuri privind performanța (Figura 1).

Figura 1: Wi-Fi pentru IoT are cea mai mare capacitate de transfer și cel mai mare consum de energie, în timp ce SubGHz oferă cea mai extinsă rază de acțiune cu cerințe moderate de energie. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Multe aplicații pentru contoare inteligente necesită baterii cu o durată de viață de mai mulți ani, ceea ce face dificilă utilizarea unei tehnologii precum Wi-Fi pentru IoT. Din fericire, aceste aplicații au și cerințe relativ limitate în ceea ce privește capacitatea de transfer al datelor și pot beneficia de utilizarea tehnologiilor NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth sau SubGHz. În timp ce NFC are un consum de energie atractiv și scăzut, capacitatea de transfer al datelor și raza de acțiune la fel de scăzute îl pot elimina din gama de aplicații pentru contoare inteligente.

În plus, designul general al contorului inteligent este esențial pentru determinarea consumului de energie. Menținerea dispozitivului într-o stare cu consum redus de energie cât mai mult timp posibil și intrarea într-o stare activă pentru cel mai scurt timp necesar este un factor cheie în prelungirea duratei de viață a bateriei în cazul contoarelor inteligente wireless. Alegerea între utilizarea unei implementări a comunicațiilor de radiofrecvență (RF) bazate pe module sau discrete este un alt factor de succes al proiectului. Atunci când luați această decizie, luați în considerare performanța, dimensiunea soluției, flexibilitatea amprentei, certificările, timpul de lansare pe piață și cerințele privind costul.

Avantajele utilizării unui modul RF

Un modul RF este un subsistem de comunicații complet. Acesta poate include un circuit integrat RF, un oscilator, filtre, un amplificator de putere și diverse componente pasive. Nu este nevoie de cunoștințe vaste despre radiofrecvență pentru a utiliza o soluție modulară, ceea ce permite proiectanților să se concentreze asupra altor aspecte ale proiectării contorului inteligent. Un modul RF tipic ajunge la destinație calibrat și certificat în conformitate cu standardele necesare. În plus, modulul va include circuitele de adaptare a rețelei pentru a facilita integrarea antenei și pentru a minimiza orice pierdere de semnal. Antena poate fi internă sau externă cu soluții modulare.

Modulele sunt ușor de integrat în proiect. Simplitatea integrării în proiect se extinde și la fluxurile procesului de fabricație, deoarece nu trebuie să se manipuleze dispozitive RF discrete complexe, ci doar un modul standard bazat pe plăci de circuite imprimate (PCB). Producătorul de module s-a ocupat deja de toate nuanțele legate de integrarea sistemelor RF. Utilizarea unui modul reduce riscurile asociate cu un proiect RF discret, cum ar fi obținerea de certificări, atingerea eficienței necesare și a nivelurilor de performanță generală și accelerarea timpului de lansare pe piață.

Avantajele implementărilor de circuite integrate discrete

Deși sunt mai complexe, proiectele de circuite integrate discrete pot oferi beneficii importante în ceea ce privește costul, dimensiunea soluției și factorul de formă. În majoritatea cazurilor, un modul va fi mai scump decât o soluție bazată pe circuite integrate. În cazurile în care proiectarea subsistemului RF este utilizată în volume mari, costul suplimentar al proiectării soluției bazate pe circuite integrate este compensat de costurile de fabricație mai mici. De asemenea, se poate utiliza un subsistem RF comun pentru mai multe platforme de contoare inteligente wireless, ceea ce sporește volumul total de producție și reduce și mai mult costurile pe termen lung.

Un proiect bazat pe un circuit integrat discret este aproape întotdeauna mai mic decât o soluție bazată pe module. Acest lucru poate fi un aspect important în cazul aplicațiilor cu spațiu limitat. Pe lângă faptul că are o amprentă mai mică, un proiect cu circuit integrat discret poate fi modelat mai ușor pentru a se potrivi în spațiul disponibil.

Circuit integrat de emisie-recepție RF Sub GHz

Proiectanții care au nevoie de o soluție bazată pe un circuit integrat discret în banda SubGHz pot utiliza S2-LP, un circuit integrat de emisie-recepție RF de înaltă performanță și foarte mică putere, cu o gamă de temperaturi de funcționare de la -40 °C la +105 °C, într-o capsulă QFN24 de 4 x 4 mm (Figura 2). Proiectul de bază funcționează în benzile fără licență pentru aplicații industriale, științifice și medicale (ISM) și în benzile pentru dispozitive cu rază scurtă de acțiune (SRD) la 433, 512, 868 și 920 Megahertzi (MHz). Opțional, S2-LP poate fi programat să funcționeze în alte benzi de frecvență, cum ar fi 413-479, 452-527, 826-958 și 904-1055 MHz. Se poate implementa o varietate de scheme de modulație, inclusiv 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK și ASK. S2-LP are un buget de legătură RF > 140 dB pentru distanțe lungi de comunicare și îndeplinește cerințele de reglementare din Statele Unite, Europa, Japonia și China.

Figura 2: acest circuit integrat RF este specificat pentru funcționare la +105 °C și este capsulat într-un QFN24 de 4 x 4 mm. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Pentru a simplifica procesul de integrare atunci când se utilizează S2-LP, proiectanții pot utiliza dispozitivul balun ultra-miniatural BALF-SPI2-01D3 cu o intrare nominală de 50 Ω care este potrivit conjugat cu S2-LP pentru funcționarea la frecvențe de 860 - 930 MHz. Acesta integrează o rețea corespondentă și un filtru de armonici și utilizează tehnologia dispozitivelor pasive integrate (IPD) pe un substrat de sticlă neconductoare pentru a oferi performanțe RF optimizate.

Proiectele care utilizează S2-LP și care funcționează în banda ISM de 868 MHz pot fi dezvoltate cu ajutorul plăcii de expansiune X-NUCLEO-S2868A2 (Figura 3). X-NUCLEO-S2868A2 se conectează la microcontrolerul STM32 Nucleo folosind conexiuni de interfață periferică serială (SPI) și pini de intrare-ieșire de uz general (GPIO). Adăugarea sau eliminarea rezistoarelor de pe placă poate modifica unele GPIO-uri. În plus, placa este compatibilă cu conectorii Arduino UNO R3 și cu ST morpho.

Figura 3: placa de expansiune X-NUCLEO-S2868A2 poate accelera dezvoltarea de proiecte care utilizează banda ISM de 868 MHz. (Sursa imaginii: DigiKey)

Modulul RF simplifică integrarea

Pentru aplicațiile care necesită un timp rapid de lansare pe piață și un consum redus de energie, modulul MAMWLE-00 poate simplifica integrarea în sistem. Acesta utilizează un conector U.FL de 50 ohmi pentru ieșirea RF și are un nucleu RISC Arm® Cortex® M4 pe 32 de biți de 48 MHz într-un pachet de 16,5 x 15,5 x 2 mm. Acest modul RF are mai multe opțiuni de funcționare cu consum redus de energie. Acesta implementează mai multe modulații radio, inclusiv LoRa, (G)FSK, (G)MSK și BPSK, cu diferite opțiuni pentru lățimea de bandă, factorul de dispersie (SF), puterea și rata de codare (CR) (Figura 4). Un accelerator de criptare/decriptare hardware încorporat poate implementa diverse standarde, cum ar fi standardul de criptare avansată (AES, atât pe 128, cât și pe 256 biți) și acceleratorul de chei publice (PKA) pentru PKA pentru Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann sau criptografia cu curbă eliptică (ECC) pe câmpuri Galois.

Figura 4: modulul MAMWLE-00 oferă proiectanților posibilitatea de a alege între modurile de economisire a energiei și diverse standarde de modulație RF. (Sursa imaginii: DigiKey)

Modulul RF M-Bus

Prin utilizarea protocolului wireless M-Bus, proiectanții pot utiliza modulul de emisie-recepție RF RC1180-MBUS de la Radiocrafts, care măsoară 12,7 x 25,4 x 3,7 mm într-o capsulă ecranată montată pe suprafață (Figura 5). Acest modul RF are o conexiune de antenă cu un singur pin și o interfață UART pentru configurare și comunicații seriale. Acesta respectă specificațiile M-Bus wireless S, T și R2, funcționează pe 12 canale în banda de frecvență de 868 MHz și este precertificat pentru funcționare în conformitate cu reglementările europene privind radiocomunicațiile pentru utilizare fără licență.

Figura 5: protocolul wireless M-Bus poate fi implementat cu ajutorul modulului de emisie-recepție RF RC1180-MBUS de la Radiocrafts (Sursa imaginii: DigiKey)

Placa de senzori RC1180-MBUS3-DK cu un kit de dezvoltare a unui modul radio M-Bus permite proiectanților să evalueze rapid modulul de senzori încorporat, să regleze aplicația și să construiască prototipuri. Aceasta include două antene monopolare cu sfert de undă de 50 Ω cu conectori SMA tip tată, două cabluri USB și o sursă de alimentare USB (Figura 6). Acest kit de dezvoltare poate fi un concentrator, un gateway și/sau un receptor pentru placa de senzori.

Figura 6: acest kit de dezvoltare M-Bus include două antene monopolare cu sfert de undă de 50 Ω cu conectori SMA tip tată, două cabluri USB și o sursă de alimentare USB (nu este prezentată). (Sursa imaginii: DigiKey)

Integrarea antenei

Atunci când conectați o antenă la un modul RF, Radiocrafts recomandă ca antena să fie conectată direct la pinul RF, care este adaptat la 50 ohmi (Ω). Dacă nu este posibilă conectarea antenei la pinul RF, traseul PCB între pinul RF și conectorul de antenă trebuie să fie o linie de transmisie de 50 Ω. În cazul unui PCB FR4 cu două straturi cu o constantă dielectrică de 4,8, lățimea liniei de transmisie microstrip ar trebui să fie de 1,8 ori mai mare decât grosimea plăcii. Linia de transmisie ar trebui să se afle pe partea superioară a PCB-ului, cu un plan de masă pe partea inferioară a PCB-ului. De exemplu, atunci când se utilizează un PCB FR4 standard cu grosimea de 1,6 mm, cu două straturi, lățimea liniei de transmisie microstrip ar trebui să fie de 2,88 mm (1,8 x 1,6 mm).

O antenă-vergea cu un sfert de undă este cea mai simplă implementare și are o impedanță de 37 Ω atunci când este utilizată deasupra unui plan de masă, iar un circuit de adaptare de 50 Ω nu este, de obicei, necesar. Alternativ, o antenă PCB poate fi fabricată folosind un traseu de cupru cu planul de masă îndepărtat de pe partea din spate a PCB-ului. Ar trebui să existe un plan de masă pe restul PCB-ului, în mod ideal la fel de mare ca și antena, pentru a acționa ca o contragreutate. În cazul în care antena PCB este mai scurtă decât un sfert de undă, trebuie adăugată o rețea de adaptare de 50 Ω.

Rezumat

Atunci când aleg între diverse protocoale wireless pentru utilizarea în contoare inteligente wireless, proiectanții trebuie să ia în considerare mai mulți factori, inclusiv capacitatea de transfer al datelor, consumul de energie, raza de transmisie și necesitatea accesului la internet. În plus, alegerea între circuite integrate RF și module implică compromisuri între dimensiunea soluției, cost, flexibilitate, timp de lansare pe piață, conformitate cu reglementările și alți factori. După ce s-a identificat protocolul RF adecvat, s-a făcut alegerea între circuite integrate și module și a fost proiectat sistemul RF de bază, integrarea antenei este esențială pentru dezvoltarea unui contor inteligent wireless de succes.