Hoe draadloze connectiviteit te integreren in slimme meters

Draadloze connectiviteit is essentieel in slimme meters voor elektriciteits-, water-, gas- en stadsverwarmingsdistributienetwerken, maar het ontwerpen van een draadloze transceiver vanaf nul is uitdagend en tijdrovend. Slimme metertoepassingen vereisen draadloze oplossingen met hoge prestaties die voldoen aan een verscheidenheid van internationale normen, waaronder FCC deel 15 en deel 90 in de VS, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 in Europa, ARIB STD T67, T108 in Japan en SRRC in China. Zij moeten datasnelheden tot 500 kilobits per seconde (kbps) ondersteunen. Zij moeten veilige encryptie en authenticatie omvatten, compact zijn en functioneren in veeleisende omgevingen tot +85 °C. Veel toepassingen vereisen een batterijlevensduur van enkele jaren.

Om deze uitdagingen aan te gaan, kunnen ontwerpers kiezen tussen RF-zendontvanger-IC's of complete RF-zendontvangermodules, afhankelijk van de behoeften van de slimme metertoepassing. Er zijn RF-zendontvanger-IC's beschikbaar die een RF link budget garanderen van meer dan 140 dB met een uitgangsvermogen tot +16 dBm en die SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN, en IEEE 802.15.4g netwerkconnectiviteit ondersteunen. Er zijn RF-modules beschikbaar die de Wireless M-Bus protocol stack of meerdere radiomodulaties ondersteunen, zoals LoRa, (G)FSK, (G)MSK en BPSK; met opties voor adaptieve bandbreedte, spreidingsfactor, zendvermogen en coderingssnelheid om te voldoen aan diverse toepassingsbehoeften en die voldoen aan een groot aantal internationale voorschriften, waaronder ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 deel 15, 24, 90, 101 en de ARIB STD-T30, T-67, en T-108. Deze modules zijn complete RF-systemen, die alleen een antenne nodig hebben, en zijn voorzien van veilige encryptie en authenticatie, en ultralage energiemodi voor een langere levensduur van de batterij.

Dit artikel geeft een overzicht van de connectiviteitsuitdagingen waarmee ontwerpers van draadloze slimme meters worden geconfronteerd en bekijkt mogelijke oplossingen. Vervolgens wordt een reeks opties gepresenteerd, waaronder RF-zendontvanger-IC's en RF-modules van STMicroelectronics, Move-X, en Radiocrafts, samen met ontwerpoverwegingen bij de integratie van de antenne.

Een van de eerste beslissingen die ontwerpers moeten nemen is de keuze van een communicatieprotocol. Bekende keuzemogelijkheden zijn "near field communications" (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi voor het internet der dingen (Wi-Fi for IoT) en Sub Gigahertz (SubGHz). Er zijn vier belangrijke factoren om te overwegen:

• Vereiste gegevensdoorvoer
• Modi met laag stroomverbruik
• Vereist zendbereik
• Behoefte aan webtoegang

Wi-Fi voor IoT kan de beste keuze zijn voor toepassingen die een maximale gegevensoverdracht vereisen, maar heeft ook de hoogste stroomvereisten. Terwijl SubGHz slechts een matig vermogen vergt en een maximaal zendbereik biedt, bieden andere communicatieprotocollen uiteenlopende prestatiekenmerken (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Wi-Fi voor IoT heeft de grootste doorvoer en het hoogste stroomverbruik, terwijl SubGHz het grootste bereik biedt met een matig stroomverbruik. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Veel slimme metertoepassingen vereisen een batterijlevensduur van meerdere jaren, waardoor het gebruik van een technologie als Wi-Fi voor het IoT een uitdaging vormt. Gelukkig hebben deze toepassingen ook relatief beperkte gegevensdoorvoervereisten en kunnen zij baat hebben bij het gebruik van NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth, of SubGHz-technologieën. NFC heeft weliswaar een aantrekkelijk laag stroomverbruik, maar de even lage gegevensdoorvoer en het even lage bereik kunnen ertoe leiden dat NFC niet in aanmerking komt voor toepassingen met slimme meters.

Bovendien is het algemene ontwerp van de slimme meter van vitaal belang voor het bepalen van het stroomverbruik. Om de levensduur van de batterij van draadloze slimme meters te verlengen, is het van cruciaal belang dat het apparaat zo lang mogelijk in een energiezuinige toestand wordt gehouden en zo kort mogelijk in een actieve toestand wordt gebracht. De keuze tussen het gebruik van een modulegebaseerde of een discrete radiofrequentie (RF) communicatie-implementatie is een andere factor in het succes van het ontwerp. Bij het nemen van die beslissing moet rekening worden gehouden met prestaties, omvang van de oplossing, voetafdrukflexibiliteit, certificeringen, time-to-market en kostenvereisten.

Voordelen van het gebruik van een RF-module

Een RF-module is een compleet communicatiesubsysteem. Het kan een RF IC, oscillator, filters, vermogenversterker en diverse passieve componenten omvatten. Er is geen RF-expertise nodig om een moduleoplossing te gebruiken, zodat ontwerpers zich kunnen concentreren op andere aspecten van het ontwerp van de slimme meter. Een typische RF-module wordt gekalibreerd en gecertificeerd volgens de vereiste norm(en) geleverd. Bovendien zal de module de netwerkaanpassingsschakelingen omvatten om de integratie van de antenne te vergemakkelijken en signaalverlies te minimaliseren. De antenne kan intern of extern zijn met module-oplossingen.

Modules zijn eenvoudig in het ontwerp te integreren. De eenvoud van de ontwerpintegratie strekt zich uit tot de fabricagestromen, aangezien er geen complexe discrete RF-apparaten hoeven te worden verwerkt, maar alleen een standaardmodule op basis van een printplaat (PCB). De modulebouwer heeft reeds alle nuances van de integratie van RF-systemen behandeld. Het gebruik van een module vermindert de risico's die verbonden zijn aan een discreet RF-ontwerp, zoals het verkrijgen van certificeringen, het bereiken van de vereiste efficiëntie en algemene prestatieniveaus, en het versnellen van de time-to-market.

Voordelen van discrete IC-implementaties

Hoewel zij complexer zijn, kunnen discrete IC-ontwerpen belangrijke voordelen bieden in termen van kosten, omvang van de oplossing en vormfactor. Een module zal in de meeste gevallen duurder zijn dan een IC-gebaseerde oplossing. In gevallen waarin het RF-subsysteem in grote hoeveelheden wordt gebruikt, worden de extra kosten voor het ontwerpen van de IC-gebaseerde oplossing gecompenseerd door lagere fabricagekosten. Het is ook mogelijk om een gemeenschappelijk RF-subsysteem te gebruiken voor meerdere draadloze slimme meterplatforms, waardoor de totale productievolumes toenemen en de kosten op lange termijn verder dalen.

Een ontwerp op basis van discrete IC's is bijna altijd kleiner dan een oplossing op basis van modules. Dat kan een belangrijke overweging zijn bij toepassingen met beperkte ruimte. Een discreet IC-ontwerp neemt niet alleen minder ruimte in, maar kan ook gemakkelijker in de beschikbare ruimte worden geplaatst.

Sub GHz RF-zendontvanger-IC

Ontwerpers die een oplossing op basis van een discreet IC in de SubGHz-band nodig hebben, kunnen zich wenden tot de S2-LP, een krachtig RF-zendontvang IC met ultralaag vermogen en een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +105 °C, in een 4 x 4 mm QFN24-pakket (Afbeelding 2). Het basisontwerp werkt in de industrieel-wetenschappelijke en medische (ISM) vergunningsvrije banden en de banden voor korteafstandsapparatuur (SRD) op 433, 512, 868 en 920 Megahertz (MHz). Optioneel kan de S2-LP worden geprogrammeerd om te werken op andere frequentiebanden, zoals 413-479, 452-527, 826-958, en 904-1055 MHz. Een verscheidenheid van modulatieschema's kan worden geïmplementeerd, waaronder 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK, en ASK. De S2-LP heeft een RF link budget > 140 dB voor lange communicatiebereiken en voldoet aan de wettelijke vereisten in de Verenigde Staten, Europa, Japan en China.

Afbeelding 2: Dit RF-IC is gespecificeerd voor gebruik tot +105 °C en is verpakt in een 4 x 4 mm QFN24. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Om het integratieproces bij gebruik van de S2-LP te vereenvoudigen, kunnen ontwerpers gebruik maken van de BALF-SPI2-01D3 ultra-miniatuur balun met een 50 Ω nominale ingang die conjugaat gematcht is met de S2-LP voor 860 - 930 MHz frequentiebedrijf. Hij integreert een aanpassingsnetwerk en een harmonischenfilter en maakt gebruik van IPD-technologie (Integrated Passive Device) op een niet-geleidend glassubstraat om optimale RF-prestaties te leveren.

Ontwerpen die gebruik maken van de S2-LP en werken in de 868 MHz ISM-band kunnen worden ontwikkeld met behulp van het uitbreidingsbord X-NUCLEO-S2868A2 (Afbeelding 3). De X-NUCLEO-S2868A2 wordt aangesloten op de STM32 Nucleo-microcontroller met behulp van SPI-aansluitingen (Serial Peripheral Interface) en GPIO-pinnen (General Purpose Input-Output). Het toevoegen of verwijderen van weerstanden op de printplaat kan sommige GPIO's veranderen. Bovendien is het bord compatibel met Arduino UNO R3- en ST morpho-connectors.

Afbeelding 3: Het uitbreidingsbord X-NUCLEO-S2868A2 kan de ontwikkeling van ontwerpen die gebruik maken van de 868 MHz ISM-band versnellen. (Bron afbeelding: DigiKey)

RF-module vereenvoudigt integratie

Voor toepassingen die een snelle time-to-market en een laag stroomverbruik vereisen, kan de MAMWLE-00-module de systeemintegratie vereenvoudigen. Hij maakt gebruik van een 50 Ohm U.FL-connector voor de RF-uitgang en heeft een 48 MHz Arm® Cortex® M4 32-bit RISC-kern in een behuizing van 16,5 x 15,5 x 2 mm. Deze RF-module heeft verschillende keuzemogelijkheden voor laag-vermogen bedrijfstoestanden. Hij implementeert meerdere radiomodulaties, waaronder LoRa, (G)FSK, (G)MSK en BPSK, met verschillende opties voor bandbreedte, spreidingsfactor (SF), vermogen en codeersnelheid (CR) (Afbeelding 4). Een ingebedde hardwareversneller voor encryptie/decryptie kan diverse normen implementeren, zoals geavanceerde encryptiestandaard (AES, zowel 128 als 256 bits) en openbare-sleutelversneller (PKA) voor PKA voor Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann, of Elliptic Curve Cryptography (ECC) over Galois-velden.

Afbeelding 4: De MAMWLE-00-module biedt ontwerpers keuzemogelijkheden voor energiebesparende modi en diverse RF-modulatienormen. (Bron afbeelding: DigiKey)

M-Bus RF-module

Met het draadloze M-Bus protocol kunnen ontwerpers een beroep doen op Radiocrafts RC1180-MBUS RF zendontvangermodule die 12,7 x 25,4 x 3,7 mm meet in een afgeschermde opbouwverpakking (Afbeelding 5). Deze RF-module heeft een één-pins antenneaansluiting en een UART-interface voor configuratie en seriële communicatie. Hij voldoet aan de Wireless M-Bus-specificatie S-, T-, en R2-modes, werkt in 12 kanalen in de 868 MHz frequentieband, en is vooraf gecertificeerd voor gebruik volgens de Europese radioreglementen voor vergunningsvrij gebruik.

Afbeelding 5: Het draadloze M-Bus-protocol kan worden geïmplementeerd met Radiocrafts' RC1180-MBUS RF zendontvangermodule (Bron afbeelding: DigiKey

Het RC1180-MBUS3-DK-sensorbord met een M-Bus radiomodule-ontwikkelingskit maakt het eenvoudig voor ontwerpers om snel de ingebouwde sensormodule te evalueren, de toepassing af te stellen en prototypes te bouwen. Het omvat twee 50 Ω kwartgolf monopoolantennes met SMA male connectors, twee USB-kabels, en een USB-voeding (Afbeelding 6). Deze ontwikkelingskit kan een concentrator, gateway en/of ontvanger voor het sensorbord zijn.

Afbeelding 6: Deze M-Bus-ontwikkelingskit bevat twee 50 Ω kwartgolf monopoolantennes met SMA male connectors, twee USB-kabels, en een USB-voeding (niet afgebeeld). (Bron afbeelding: DigiKey)

Antenne-integratie

Bij het aansluiten van een antenne op een RF-module, raadt Radiocrafts aan de antenne rechtstreeks op de RF-pen aan te sluiten, die is afgestemd op 50 Ohm (Ω). Als het niet mogelijk is de antenne op de RF-pen aan te sluiten, moet het printspoor tussen de RF-pen en de antenneconnector een transmissielijn van 50 Ω zijn. In het geval van een tweelagige FR4 printplaat met een diëlektrische constante van 4,8 moet de breedte van de microstriptransmissielijn 1,8 maal de dikte van het bord zijn. De transmissielijn moet zich aan de bovenzijde van de print bevinden, met een massavlak aan de onderzijde van het bord. Bijvoorbeeld, bij gebruik van een standaard 1,6 mm dikke, tweelagige FR4-bord, moet de breedte van de microstriptransmissielijn 2,88 mm zijn (1,8 x 1,6 mm).

Een kwartgolvige sprietantenne is de meest eenvoudige uitvoering en heeft een impedantie van 37 Ω bij gebruik boven een massaplaat, en een 50 Ω bijpassingscircuit is gewoonlijk niet nodig. Als alternatief kan een PCB-antenne worden vervaardigd met behulp van een koperspoor waarbij de massaplaat aan de achterzijde van de PCB is verwijderd. Op de rest van het bord moet een massaplaat zitten, optimaal even groot als de antenne om als tegengewicht te dienen. Indien de PCB-antenne korter is dan een kwart golf, moet een 50 Ω bijpassingsnetwerk worden toegevoegd.

Samenvatting

Bij de keuze tussen verschillende draadloze protocollen voor gebruik in draadloze slimme meters moeten ontwerpers rekening houden met verschillende factoren, waaronder de gegevensdoorvoer, het stroomverbruik, het zendbereik en de behoefte aan internettoegang. Bovendien moet bij de keuze tussen RF IC's en modules een afweging worden gemaakt tussen de omvang van de oplossing, de kosten, de flexibiliteit, de tijd die nodig is om een product op de markt te brengen, de naleving van de regelgeving en andere factoren. Zodra het juiste RF-protocol is vastgesteld, de keuze tussen IC's en modules is gemaakt en het RF-basissysteem is ontworpen, is antenne-integratie van cruciaal belang voor de ontwikkeling van een succesvolle draadloze slimme meter.