Langattomien yhteyksien integrointi älykkäisiin mittareihin

Langattomat yhteydet ovat välttämättömiä sähkön, veden, kaasun ja kaukolämmön jakeluverkkojen älykkäissä mittareissa, mutta langattoman lähetinvastaanottimen suunnittelu alusta alkaen on haastavaa ja vie paljon aikaa. Älykkäät mittarisovellukset vaativat korkeatehoisia langattomia ratkaisuja, jotka täyttävät sellaisia kansainvälisiä standardeja kuten Yhdysvalloissa FCC:n kohdat 15 ja 90, Euroopassa ETSI EN 300 220 ja ETSI EN 303 131, Japanissa ARIB STD T67 ja T108 sekä Kiinassa SRRC. Niiden on tuettava jopa 500 kbps:n (kilobittiä sekunnissa) tiedonsiirtonopeutta. Niiden on tarjottava luotettava salaus ja todennus, kompakti koko ja niiden on toimittava haastavissa ympäristöissä jopa +85 °C:n lämpötilassa. Monissa sovelluksissa vaaditaan useiden vuosien akku- tai paristokestoa.

Näihin haasteisiin vastaamiseksi suunnittelijat voivat käyttää RF-lähetinvastaanotinta mikropiirillä tai kokonaista RF-lähetinvastaanotinmoduulia älymittarisovelluksen tarpeiden mukaan. Saatavana on RF-lähetin-vastaanotin-mikropiirejä, jotka takaavat yli 140 dB:n RF-linkkibudjetin ja jopa +16 dBm:n lähtötehon ja jotka tukevat verkkoyhteyksiä SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN ja IEEE 802.15.4g. Saatavana on RF-moduuleja, jotka tukevat langatonta M-Bus-protokollapinoa sekä erilaisia radiomodulointitapoja kuten: LoRa, (G)FSK, (G)MSK ja BPSK. Ne voivat tarjota adaptiivisen kaistanleveyden, levityskertoimen, lähetystehon ja koodausnopeuden erilaisten sovellustarpeiden mukaan ja ne täyttävät lukuisten kansainvälisten säädösten vaatimukset, mukaan lukien ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 kohdat 15, 24, 90, 101 sekä ARIB STD-T30, T-67 ja T-108. Nämä moduulit tarjoavat täydellisen RF-järjestelmän ja ne tarvitsevat vain antennin. Ne tarjoavat luotettavan salauksen ja todennuksen sekä erittäin alhaisen virrankulutuksen tilat, jotka pidentävät akun tai pariston kestoa.

Tässä artikkelissa tarkastellaan verkkoyhteyteen liittyviä haasteita, joita langattomien älymittareiden suunnittelijat kohtaavat, ja sekä mahdollisia ratkaisuja niihin. Sen jälkeen artikkelissa esitetään erilaisia vaihtoehtoja, mukaan lukien RF-lähetin-vastaanotin-mikropiirit ja RF-moduulit valmistajilta STMicroelectronics, Move-X ja Radiocrafts, sekä antennin integrointia koskevia ohjeita.

Yksi suunnittelijoiden ensimmäisistä päätöksistä on viestintäprotokollan valinta. Tavallisiin vaihtoehtoihin kuuluvat NFC (Near Field Communications), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi esineiden Internetiä varten (IoT-Wi-Fi) sekä Sub Gigahertz (SubGHz). On neljä tärkeää tekijää, jotka on otettava huomioon:

• vaadittu tiedonsiirtonopeus
• virransäästötilat
• vaadittu tiedonsiirtoetäisyys
• verkkoyhteyden tarve.

IoT-Wi-Fi voi olla paras vaihtoehto sovelluksissa, joissa vaaditaan korkeinta mahdollista tiedonsiirtonopeutta, mutta se myös vaatii eniten tehoa. SubGHz vaatii vain vähän tehoa ja tarjoaa pisimmän tiedonsiirtoetäisyyden, kun taas muut tiedonsiirtoprotokollat tarjoavat erilaisia kompromisseja suorituskyvyn suhteen (kuva 1).

Kuva 1: IoT-Wi-Fi tarjoaa korkeimman tiedonsiirtonopeuden ja kuluttaa eniten tehoa, kun taas SubGHz tarjoaa pisimmän tiedonsiirtoetäisyyden alhaisilla tehovaatimuksilla. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Monet älymittarisovellukset vaativat useiden vuosien akku- tai paristokestoa, mikä tekee sellaisten teknologioiden kuten IoT-Wi-Fi käytöstä haastavaa. Onneksi näillä sovelluksilla on myös suhteellisen rajalliset tiedonsiirtovaatimukset, ja niissä voidaan käyttää NFC-, Bluetooth Smart-, Bluetooth- sekä SubGHz-tekniikoita. Vaikka NFC:n alhainen virrankulutus tekisikin siitä houkuttelevan, sen alhainen tiedonsiirtonopeus ja kantama voivat estää sen käytön älykkäissä mittarisovelluksissa.

Lisäksi älykkään mittarin kaikkia osatekijöitä on tarkasteltava energiankulutuksen määrittämisessä. Laitteen pitäminen virransäästötilassa mahdollisimman pitkään ja siirtyminen aktiiviseen tilaan mahdollisimman lyhyeksi ajaksi on keskeinen tekijä langattomien älymittareiden akku- ja paristokeston pidentämisessä. Toinen suunnittelun onnistumiseen vaikuttava valinta on se, käytetäänkö moduulipohjaista vai erilliskomponenteista muodostuvaa RF-radiotaajuustoteutusta. Kun tätä päätöstä tehdään, on otettava huomioon suorituskyky, lopullinen koko, kokovaatimusten joustavuus, sertifioinnit, markkinoille tuloaika ja kustannusvaatimukset.

RF-moduulin käytöstä saatavat edut

RF-moduuli on täydellinen viestintäosajärjestelmä. Se voi sisältää RF-mikropiirin, oskillaattorin, suodattimia, tehovahvistimen ja erilaisia passiivisia komponentteja. Moduuliratkaisun käyttäminen ei vaadi RF-osaamista, joten suunnittelijat voivat keskittyä muihin älymittarin suunnittelun osa-alueisiin. Tyypillinen RF-moduuli toimitetaan kalibroituna ja sertifioituna vaadittujen standardien mukaisesti. Lisäksi moduuli sisältää verkon sovituspiirin, joka helpottaa antennin integrointia ja minimoi signaalihäviöt. Moduuliratkaisuissa voidaan käyttää sisäistä tai ulkoista antennia.

Moduulit on helppo integroida ratkaisuun. Integroinnin yksinkertaisuus näkyy myös valmistusprosessissa, koska moduulit eivät vaadi kompleksisten RF-erilliskomponenttien käsittelyä, vaan kyseessä on vain tavallinen piirilevypohjainen moduuli. Moduulivalmistaja on jo hoitanut kaikki RF-järjestelmien integrointiin liittyvät yksityiskohdat. Moduulin käyttö vähentää erilliskomponentteja käyttävään RF-ratkaisuun liittyviä riskejä, kuten sertifikaattien saamista, vaaditun tehokkuuden ja kokonaissuorituskyvyn saavuttamista ja se nopeuttaa markkinoille saattamista.

Diskreettejä mikropiirejä käyttävien toteutusten edut

Vaikka diskreettejä mikropiirejä käyttävät ratkaisut ovatkin kompleksisempia, ne voivat tarjota merkittäviä kustannus- ja kokoetuja. Moduuli on useimmissa tapauksissa kalliimpi kuin mikropiiripohjainen ratkaisu. Jos RF-osajärjestelmän valmistusmäärä on korkea, mikropiiripohjaisen ratkaisun suunnittelusta syntyvät lisäkustannukset kompensoituvat alhaisemmilla valmistuskustannuksilla. On myös mahdollista käyttää yhteistä RF-osajärjestelmää useissa langattomissa älymittareissa, mikä lisää kokonaistuotantomääriä ja laskee entisestään pitkän aikavälin kustannuksia.

Diskreetteihin mikropiireihin perustuva ratkaisu on lähes aina pienempi kuin moduulipohjainen ratkaisu. Tämä voi olla tärkeä tekijä tilarajoitteisissa sovelluksissa. Sen lisäksi, että diskreettejä mikropiirejä käyttävä ratkaisu vie vähemmän tilaa, sen muoto voidaan helpommin sovittaa käytettävissä olevan tilan mukaan.

SubGHz RF-lähetin-vastaanotin-mikropiiri

Kun suunnittelijat tarvitsevat diskreettiä mikropiiripohjaista ratkaisua SubGHz-kaistalla, he voivat käyttää S2-LP-komponenttia, joka on erittäin suorituskykyinen ja erittäin vähävirtainen RF-lähetin-vastaanotin-mikropiiri käyttölämpötila-alueella -40 °C ... +105 °C ja joka käyttää 4 x 4 mm:n QFN24-koteloa (kuva 2). Perusratkaisu käyttää lisenssivapaita ISM (Industrial Scientific and Medical) -taajuuskaistoja sekä SRD (Short Range Device) -kaistoja taajuuksilla 433, 512, 868 ja 920 megahertsiä (MHz). S2-LP voidaan haluttaessa konfiguroida käyttämään myös toisia taajuuskaistoja, kuten 413–479, 452–527, 826–958 tai 904–1055 MHz. Mahdollisia koodijärjestelmiä ovat mm. 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK ja ASK. S2-LP tarjoaa > 140 dB:n RF-linkkibudjetin pitkiä kommunikointietäisyyksiä varten ja se täyttää Yhdysvaltojen, Euroopan, Japanin ja Kiinan lainsäädännölliset vaatimukset.

Kuva 2: Tämän RF-mikropiirin käyttölämpötilaluokitus on jopa +105 °C ja se käyttää 4 x 4 mm:n QFN24-koteloa. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Suunnittelijat voivat yksinkertaistaa S2-LP-piirin integrointiprosessia käyttämällä erittäin pienikokoista BALF-SPI2-01D3-symmetrointimuuntajaa 50 Ω:n nimellisellä tuloimpedanssilla, joka on konjugaattisovitettu S2-LP-piirille taajuusalueella 860–930 MHz. Se sisältää sovituspiirin ja harmonisen suodattimen ja siinä käytetään IPD (Integrated Passive Device) -teknologiaa ei-johtavalla lasisubstraatilla optimoidun RF-suorituskyvyn tarjoamiseksi.

S2-LP-piiriä ja 868 MHz:n ISM-taajuuskaistaa käyttävien ratkaisujen kehityksessä voidaan käyttää X-NUCLEO-S2868A2-laajennuskorttia (kuva 3). X-NUCLEO-S2868A2 kytketään STM32 Nucleo -mikrokontrolleriin käyttäen SPI (Serial Peripheral Interface) -liitäntää ja GPIO (General Purpose Input-Output) -nastoja. Vastuksien lisääminen kortille tai niiden poistaminen voi muuttaa joitain GPIO-linjoja. Kortti on lisäksi yhteensopiva Arduino UNO R3- ja ST morpho-liittimien kanssa.

Kuva 3: X-NUCLEO-S2868A2-laajennuskortti voi nopeuttaa 868 MHz:n ISM-taajuuskaistaa käyttävien ratkaisuiden kehittämistä. (Kuvan lähde: DigiKey)

RF-moduuli yksinkertaistaa integrointia

MAMWLE-00-moduuli voi yksinkertaistaa järjestelmäintegraatiota sovelluksissa, jotka edellyttävät nopeaa markkinoille tuloaikaa ja pientä virrankulutusta. Se käyttää 50 Ohmin U.FL-liitintä RF-tulolle ja sisältää 48 MHz:n Arm® Cortex® M4 32 bitin RISC-ytimen 16,5 x 15,5 x 2 mm:n kotelossa. Tämä RF-moduuli tarjoaa useita vaihtoehtoja virransäästötilaa varten. Se tarjoaa useita radiomodulointeja, mukaan lukien LoRa, (G)FSK, (G)MSK ja BPSK, sekä erilaisia kaistanleveys-, SF- (Spreading Factor), teho- ja CR (Coding Rate) -vaihtoehtoja (kuva 4). Sulautettu laitteistopohjainen salaus/purkukiihdytin tarjoaa erilaisia standardeja, kuten 128- tai 256-bittinen AES (Advanced Encryption Standard) ja PKA (Public Key Accelerator) / RSA (Rivest-Shamir-Adleman), Diffie-Hellmann ja ECC (Elliptic Curve Cryptography) Galois-kentillä.

Kuva 4: MAMWLE-00-moduuli tarjoaa suunnittelijoille erilaisia vaihtoehtoja virransäästötiloja varten ja tukee useita RF-modulaatiostandardeja. (Kuvan lähde: DigiKey)

M-Bus RF-moduuli

Suunnittelijat voivat käyttää langattoman M-Bus-protokollan kanssa Radiocraftsin RC1180-MBUS RF-lähetin-vastaanotin-moduulia, jonka mitat ovat 12,7 x 25,4 x 3,7 mm suojatussa pintaliitoskotelossa (kuva 5). Tämä RF-moduuli tarjoaa yhden nastan antenniliitännän ja UART-liitännän konfigurointia ja sarjaliikennettä varten. Se tarjoaa langattoman M-Bus-spesifikaation tilat S, T ja R2, sekä 12 kanavaa 868 MHz:n taajuuskaistalla. Piiri on esisertifioitu käytettäväksi Euroopan radiosäädösten mukaisesti lisenssivapaata käyttöä varten.

Kuva 5: Langaton M-Bus-protokolla voidaan toteuttaa käyttämällä Radiocraftsin RC1180-MBUS RF-lähetin-vastaanotin-moduulia (kuvan lähde: DigiKey

RC1180-MBUS3-DK-anturikortin ja M-Bus-radiomoduulikehityssarjan avulla suunnittelijat voivat nopeasti evaluoida kortilla sijaitsevaa anturimoduulia, säätää sovellusta ja rakentaa prototyyppejä. Se sisältää kaksi 50 Ω:n neljännesaalto-monopoliantennia SMA-urosliittimillä, kaksi USB-kaapelia sekä USB-virtalähteen (kuva 6). Tämä kehityssarja voi toimia keskittäjänä, yhdyskäytävänä ja/tai vastaanottimena anturikorttia varten.

Kuva 6: Tämä M-Bus-kehityssarja sisältää kaksi 50 Ω:n neljännesaalto-monopoliantennia SMA-urosliittimillä, kaksi USB-kaapelia sekä USB-virtalähteen (ei kuvassa). (Kuvan lähde: DigiKey)

Antennien integrointi

Kun antenni kytketään RF-moduuliin, Radiocrafts suosittelee, että antenni kytketään suoraan RF-nastaan, joka on sovitettu 50 ohmin (Ω) mukaan. Jos antennia ei ole mahdollista liittää RF-nastaan, RF-nastan ja antenniliittimen välisen piirilevyjohtimen tulisi olla 50 Ω:n siirtojohto. Käytettäessä kaksikerroksista FR4-piirilevyä, jonka dielektrinen vakio on 4,8, mikroliuskajohdon leveyden tulisi olla 1,8 kertaa levyn paksuus. Siirtojohdon tulisi olla piirilevyn yläpuolella ja maatason piirilevyn alapuolella. Käytettäessä esimerkiksi tavallista 1,6 mm paksua kaksikerroksista FR4-piirilevyä, mikroliuskajohdon leveyden tulisi olla 2,88 mm (1,8 x 1,6 mm).

Neljännesaallon piiska-antenni on suoraviivaisin toteutus ja sen impedanssi on 37 Ω, kun se on maatason yläpuolella. 50 Ω:n sovituspiiriä ei tavallisesti tarvita. Piirilevyantenni voidaan muodostaa myös käyttämällä kuparijohdinta ilman maatasoa piirilevyn takapuolella. Maatason tulisi sijaita muualla piirilevyllä, ja sen tulisi mielellään olla yhtä suuri kuin antenni, jolloin se toimii sille vastapainona. Jos piirilevyantenni on lyhyempi kuin neljännesaalto, siihen tulisi lisätä 50 Ω:n sovituspiiri.

Yhteenveto

Valittaessa langatonta protokolaa langattomien älymittareihin suunnittelijoiden on otettava huomioon useita tekijöitä, kuten tiedonsiirtonopeus, virrankulutus, tiedonsiirtoetäisyys ja verkkoyhteyden tarve. Lisäksi RF-piirien ja -moduulien valintaan liittyy kompromisseja loppukoon, kustannusten, joustavuuden, markkinoille tuloajan, noudatettavien säännösten ja muiden tekijöiden välillä. Kun sopiva RF-protokolla on identifioitu, mikropiirit ja moduulit on valittu ja RF-perusjärjestelmä on suunniteltu, antennin integrointi on kriittinen tekijä onnistuneen langattoman älymittarin kehittämisessä.