Pokud jde o Evropu, toto desetiletí (rok 2011 a dále) a oblast „inteligentních“ měřidel (Smart Meter), máme před sebou nadějné vyhlídky. Není se ostatně ani čemu divit, když si uvědomíme, že v souvislosti s vodou, teplem, plynem či elektřinou a jejich měřidly se dříve či později budeme přesouvat od mechanických řešení k hybridním, tj. mechanickým + elektronickým, nebo dokonce plně elektronickým systémům.

S ohledem na směrnice EU 2020 roste počet zemí, nařizujících používání „inteligentních“ měřidel, kterými se snaží podporovat snížení celkové spotřeby energií a to jak v soukromé tak i průmyslové sféře. V několika příštích letech budou ve Španělsku nebo také ve Francii nahrazeny milióny elektroměrů „inteligentními“ měřidly, přičemž se dále zapracují systémy PLC (Power-line Communication) spolu s vysokofrekvenčním rozhraním pro obousměrnou komunikaci. Další země jako např. Itálie nebo Spojené království se v současnosti zase věnují zavádění „chytrých“ plynoměrů, přičemž již začaly nebo zanedlouho začnou hromadně nasazovat „inteligentní“ plynoměry s vysokofrekvenčním rozhraním.

Díky rychlému pokroku v oblasti polovodičových technologií lze nyní úspěšně realizovat všechny typy „inteligentních“ měřidel. Levná MCU s četnými analogovými perifériemi (např. MCU MSP430 nebo Stellaris Cortex-M3 od TI) ve spojení s vyspělou vysokofrekvenční technologií (např. CC1101 nebo CC430 od TI) zajišťují inženýrům stavební prvky pro ucelená řešení „chytrých“ měřidel, přičemž nabízí podpůrné funkce jak pro samotné měření tak i vysokofrekvenční komunikaci plynoměrů, vodoměrů, elektroměrů nebo také měřidel spotřeby tepla. Technické požadavky pro všechny typy měřidel nebudou nijak zvláštní:

• Nízká cena,
• extrémně malá vlastní spotřeba (dáno bateriovým provozem, tedy kromě elektroměrů),
• přesné měření a
• podpora různých komunikačních rozhraní (např. IrDA, drátové nebo bezdrátové).

Pravděpodobně nejvýznamnějším rysem nových, „chytrých“ elektronických měřidel se stává jejich schopnost vzájemné komunikace, která bude nutným předpokladem pro zavedení dalších služeb typu flexibilních tarifů či monitorování spotřeby v reálném čase. S takovým přístupem pak můžeme omezit výkonovou spotřebu a nabídnout tak odběratelům výrazné úspory, příp. dále zavést pohodlné odečty na dálku včetně řízení v době špičkového zatížení. Široká dostupnost levných, CMOSových vysokofrekvenčních transceiverů spolu s různými RF protokoly (ZigBee nebo WMBus, ať zmíníme alespoň některé) podporují využití rozsáhlých AMI řešení, spojujících dohromady měřidla, opakovače a také sběrná zařízení pro získaná data.

Výhody nové technologie měřidel spatřujeme na obou stranách: Koncový odběratel si může v reálném čase prohlížet dostupná data přímo na počítači nebo na vestavěné zobrazovací jednotce přímo u sebe doma a rychle reagovat na vzniklou situaci, např. snížit vlastní odběr v závislosti na aktuálním tarifu.

Přednosti takového řešení rovněž spočívají v nižších nákladech na instalaci, servis nebo vyčítání údajů o množství spotřebovaného plynu, vody, tepla či elektřiny, stejně jako v zavádění přídavných služeb, např. přímého ovládání koncových spotřebičů (tepelná čerpadla, mrazničky nebo pračky) v souvislosti se špičkovými odběry v síti.

Evropské normy EN13757-3/4/5 a standard WMBus

V současné době přicházíme do styku s vysokým počtem RF standardů. Nabízí se proto zcela pochopitelná otázka: Který z nich se bude nejlépe hodit pro nejrůznější měřicí aplikace? Na to s největší pravděpodobností neexistuje jednoduchá odpověď, ale např. v Německu nebo v Nizozemí byl pro bezdrátové vyčítání údajů z měřidel zvolen standard WMBus (dle specifikací OMS [12] a NTA8130 [13]).

WMBus je rozšířením docela populárního evropského standardu M-Bus („drátová“ verze, norma EN13757-2), přičemž ve skutečnosti podporuje vrstvu PHY bezdrátového KNX (Konnex), shodného s režimem S v rámci WMBus. V tomto článku se nyní zaměříme na implementaci rozhraní WMBus. V případě měřidel a souvisejících aplikací přitom využijeme produkty společnosti TI.

EN13757-4 je v případě WMBus nejdůležitějším dokumentem, protože definuje způsob komunikace mezi „měřidlem“ a „dalšími prvky“ v síti, konkrétně jako RF komunikaci typu point-to-point v pásmu SRD 868 MHz až 870 MHz. Za zmínku rovněž stojí alternativní nasazení pásma 433 MHz, pokud tomu ovšem nebudou bránit místní předpisy. Rovněž očekáváme, že pro Evropu nově dostupné pásmo 169 MHz (viz ETSI30220-1 v2.3.1) bude přidáno v rámci nadcházejících aktualizací EN13757-x, takže u zmíněných měřidel získáme ještě lepší rozsah a také nižší spotřebu. Současná 13757-4 definuje tři základní provozní režimy, S, T a R (viz obr. 1):

Obr. 1: Jednotlivé režimy pro WMBus (dle EN13757-4:2005)

V Nizozemí a také Německu se rozhodli pro režim T, kvůli nižší dosahované spotřebě ve srovnání se zbylými módy S a R. V režimu T pak přijímací část buď chybí (režim T1) nebo je většinou vypnuta (režim T2) aby tak šetřila bateriový zdroj.

V případě režimu S využíváme nižší přenosové rychlosti než tomu bylo v módu T a proto také vykazujeme menší provozní účinnost s ohledem na bateriové napájení. V režimu R zase bude přijímač neustále aktivní, přičemž očekává „probouzecí“ signál prostřednictvím dlouhé sekvence, takže se v souvislosti s bateriově napájenými systémy jeví jako velmi nehospodárný.

Skupina OMS (aliance většího počtu společností, věnujících se měření) pak v Německu použila normu EN13757 jako základ, přičemž definovala další tři dokumenty [12], které detailně pokrývají ucelenou síťovou architekturu pro plynoměry, vodoměry nebo měřiče spotřeby tepla a také alokátory v souvislosti s teplem a jeho cenou.

Protože budeme v rámci standardu Wireless MBus pracovat v pásmu ISM (868 MHz až 870 MHz), měly by použité součásti dále vyhovovat předpisům ETSI EN 300220 a CEPT/ERC/REC 70-03. Dokument ETSI se věnuje otázkám harmonických kmitočtů a souvisejícímu vyzařování, maximálnímu výkonu vysílače, omezení pracovního cyklu nebo, ať uvedeme ještě jeden příklad, požadavkům na krátkodobé výkony. CEPT/REC 70-03 zase definuje omezení pracovního cyklu (např. 0,1 %) s ohledem na dobu „zapnuto“ a „vypnuto“ (např. max. 5 přenosů o délce 0,72 s za jednu hodinu).

Nejdůležitější RF parametry pro WMBus a vysokofrekvenční relace v režimech S a T nalezneme na obr. 2 a obr. 3:

Obr. 2: Vf parametry pro režim S

Obr. 3: Vf parametry pro režim T

Pro kódování dat v případě WMBus využíváme buď kód Manchester (poloviční rychlost dat v případě vf přenosu a režimu S) nebo speciální „3 ze 6“ s 2/3 datové rychlosti pro linku, provozovanou v režimu T. Jinými slovy, použitelná rychlost přenosu dat v režimu S činí 16 384 bps, přičemž v režimu T to bude 66 667 bps. Také zde definujeme krátké a dlouhé, úvodní synchronizační skupiny (rozdílný počet po sobě jdoucích změn „01“ před vysláním synchronizačního wordu). Krátkou využijeme pro režimy S1m, S2 a T2.

Především pro režim S standard definuje:

• N x (01) 00011101 10100101 10 (kde N>= 279 nebo N>=15) pro dlouhé a krátké preambule, závěrečná 18bitová sekvence reprezentuje SyncWord.

V režimu T bude povinná sekvence bitů vypadat takto:

• N x (01) 0000111101 (kde N>=19) pro preambuli, závěrečná 10bitová sekvence reprezentuje SyncWord.

WMBus, RF transceivery a otázka vrstvy PHY

Podrobnější seznámení s výsledky tabulek na obr. 2 a 3 naznačuje, že některé technické požadavky mohou znamenat docela závažné problémy. Největší obtíže pak bude zřejmě vnášet požadavek na změnu přenosové rychlosti ±10 % v režimu T. S tím si mohou poradit pouze vyhrazené struktury v RF demodulátoru, což ovšem na současném trhu s vysokofrekvenčními transceivery znamená určitý problém. Další potíž spočívá v docela neobvyklém SyncWordu s délkou 10 nebo 18 bitů. HW aktuálně dostupných vysokofrekvenčních obvodů dále zpravidla nepodporuje chráněné kódování typu „3 ze 6“ ani speciální formát paketu FT3 (dle definice IEC60870-5-1) s podporou vícenásobných zpráv uvnitř jediného datového rámce. Protože však takové požadavky dokážeme docela dobře zapracovat v SW, nemusí představovat zásadní problém. Dobrou zprávou pro všechny výrobce měřicích systémů se zaměřením na řešení s WMBus je to, že Texas Instruments (TI) již několik let nabízí svůj levný, ale zároveň dostatečně výkonný RF transceiver CC1101. Obvod CC1101 je jedním z velmi malého počtu RF transceiverů, které splňují požadavek na změnu přenosové rychlosti ±10 % při současném využití svých číslicových prvků, zapracovaných přímo na čipu, jako například detekce SyncWordu, obnovy dat (bit, byte) nebo ukládání dat do RX FIFO (64 byte), čímž výrazně usnadňuje práci MCU a navíc snižuje spotřebu.

Téměř všechny další, konkurenční RF struktury musí pracovat v „sériovém“ nebo také někdy nazývaném „transparentním“ režimu PLL, takže pro MCU zajistí pouhý bitový stream. Samotnou jednotku MCU pak musíme vybavit docela složitým kódem (FW) pro obnovu hodin a dat, rozpoznání SyncWordu a také detekci příslušných datových bajtů. Naproti tomu s obvody CC1101 a jejich vestavěnou podporou paketů lze všechny tyto úkoly jednoduše vyřešit hardwarovou cestou a následně pak jen „probouzet“ MCU, bude – li zachycen a detekován platný SyncWord (tj. platná hlavička datového paketu). V bateriově napájených aplikacích typu plynoměrů, vodoměrů nebo měřičů spotřeby tepla a také alokátorů v souvislosti s teplem a jeho cenou zajistíme s obvody CC1101 a jejich vestavěnou podporou datových paketů značné výkonové úspory a tudíž i delší provozuschopnost bez nutnosti výměny bateriového zdroje.

Změna přenosové rychlosti ±10 % v režimu T

Výkon spolu s flexibilitou struktur CC1101 podporuje interní RF demodulátor se schopností změny přenosové rychlosti v rozsahu až do ±12,5 %, takže s přehledem splníme požadavek na ±10 % v případě WMBus. Využijeme – li optimalizovaného nastavení registru (viz také AN067 [1]), můžeme zajistit potřebné vlastnosti pro moduly WMBus, kompatibilní s třídou 1.

SyncWord: 10 nebo 18 bitů

Obvod CC1101 a také všechny SoC od TI, jako např. rodina CC430 nebo CC111x, uvnitř obsahují PE (Packet Engine) pro hardwarovou detekci SyncWordu. Pouze tehdy, obdržíme – li platný SyncWord, zapíšeme data do 64 bajtů dlouhého, vestavěného RX FIFO.

Bude – li použit SyncWord s délkou 18 bitů, struktura CC1101 detekuje posledních 16 bitů, na které pak spouští. V případě kratší varianty SyncWordu o délce 10 bitů bude zase šest posledních bitů preambule (010101) použito k vytvoření 16bitového SyncWordu pro PE (Packet Engine).

Kódování: „3 ze 6“ a Manchester

Jakmile SyncWord nebude kódován jako Manchester, bude muset obvod CC1101 běžet v režimu NRZ, jen aby mohlo docházet k detekci a použití příslušné rutiny k ukládání dat do RX FIFO.

Dekódování dat (Manchester nebo „3 ze 6“) poté přebírá MCU a to díky využití look – up tabulek nebo operací, při kterých dochází k řazení bitů. Příklad C kódu jak pro kódování tak pro dekódování přístupu „3 ze 6“ předkládá [1].

Rozhraní WMBus a rozšířené možnosti měřidel

Technické parametry obvodu CC1101 od TI umožňují realizaci RF modulů s nejvyšší výkonnostní třídou dle EN13757-4 (citlivost RX lepší než -100 dBm @ PER = 20 % v režimu T).

Pro ještě větší RF výkony se často doporučuje přidání externího LNA nebo také PA, jako například obvodu CC1190 od TI. Jediný blok PA + LNA pak může za přispění vestavěného LNA zlepšit citlivost RX zhruba o 6 dBm a posílit s integrovaným PA výkon TX až na +27 dBm.

Stavební prvky modulu WMBus jsme si tedy popsali. Jak ale může vývojář vše zapracovat do stávajících měřidel?

Jak můžeme vidět na blokovém diagramu plynoměru (obr. 4), nemusí se jednat o nic komplikovaného: Máme zde rozhraní mezi RF modulem (WMBus) a MCU (modrý blok), které ve většině případů zajišťuje jednoduchý UART nebo někdy také SPI – v závislosti na WMBus a jeho SW.

Obr. 4: Blokový diagram plynoměru s MSP430 a možností RF rozhraní

RF řešení WMBus, třebaže zde vidíme WAN (Wide Area Network; CC11xx nebo CC430), může rovněž sloužit jako HAN (Home Area Network; např. náhrada RF modulu ZigBee).

Navrhujeme – li aplikaci s WMBus, bude naše první, základní rozhodnutí spočívat v otázce umístění stacku pro WMBus, tj. zda poběží na hlavním MCU, určeném pro měření nebo na dalších MCU, příp. také SoC v rámci RF periférií pro WMBus. Přestože sloučení stacku pro RF komunikaci s funkcemi měření může znít pro společnou jednotku MCU velmi lákavě, ve většině případů to platit nebude, byť by se na první pohled mohlo zdát, že se nám zároveň podaří snížit i cenu. Pro takové tvrzení máme hned několik důvodů:

• 1) Certifikace metrologického prvku spolu se stackem pro WMBus bude znemožňovat další změny v otázce RF a příslušného SW / HW (v opačném případě učiníme certifikaci neplatnou).
• 2) Jak měření tak i samotná RF komunikace patří k časově náročným úlohám, takže se někdy můžeme dostat do potíží, budeme – li chtít na MCU souběžně provozovat oba úkoly.
• 3) Možnosti v otázce snižování ceny, resp. vyšších výkonů jak pro MCU tak i pro RF komunikaci budou přísně omezeny. Pokud tedy máme dvě samostatná řešení (MCU a RF), získáme při hledání optimálních polovodičů pro konkrétní úlohu mnohem více flexibility.

Z těchto důvodů pak mnoho zákazníků dává přednost samostatné měřicí i komunikační části a těží tak z výrazně vyšší míry flexibility při výběru struktur MCU či RF s ohledem na nezávislou optimalizaci poměru cena / výkon. A co více, bude mnohem jednodušší modernizovat s pinově kompatibilními prvky jen MCU či vf část než kompletně přestavět HW platformu s vestavěnou podporou vf komunikace.

Implementace modulu WMBus nebo embedded sub – systému?

Pojďme nyní prozkoumat samotné funkce rozhraní pro WMBus a také různé, dostupné možnosti pro správnou implementaci.

Obr. 5: TI a tři možnosti řešení pro WMBus

Obr. 5 v zásadě zachycuje dvě alternativy pro implementaci modulu WMBus:

• 1) 2čipové řešení (MCU + RF obvod)
• 2) 1čipové řešení SoC (integrováno MCU + RF)

TI aktuálně nabízí celou řadu obvodů a to pro obě varianty: Např. 100 derivátů MCU MSP430 pro 2čipová řešení může tyto minimální požadavky pokrýt s min. 16 KB Flash, 1 KB RAM a jedním rozhraním SPI. A co více, máme zde nové SoC s jádrem MSP430 a RF transceiverem s HW šifrováním AES-128 (rodina CC430); 7 obvodů (viz obrázek níže) rovněž splňuje zmíněné požadavky (jen F5133 s 8 K Flash vykazuje nedostatečnou velikost paměti Flash pro běh stacku WMBus).

Obr. 6: Rodina obvodů CC430 (všechny mají HW šifrovací jednotku pro AES-128 a také vestavěný RF transceiver, založený na CC1101)

Pro zákazníky, kteří upřednostňují využití jádra 8051, příp. vyhlíží integrované USB rozhraní a stále vyžadují HW kódování AES-128 pak TI nabízí hned několik struktur SoC (CC1110 a CC1111), kde na prvcích s větší pamětí Flash také „rozběhneme“ WMBus stack.

HW architektura RF modulu pro WMBus

Podívejme se na blokový diagram modulu WMBus. První možností je 2čipové řešení (oddělené součástky na pozici MCU a RF) s volitelnými prvky LNA + PA (obr. 7):

Obr. 7: Blokový diagram 2čipového RF modulu pro WMBus s volitelnými strukturami PA + LNA

Díky zapracování transceiveru CC1101 spolu s HW jednotkou, určenou pro kódování a dekódování (AES-128) a také jádru MCU MSP430 s extrémně nízkou spotřebou může nyní TI nabízet zbrusu novou rodinu CC430 s budičem pro LCD a velmi přesným blokem ADC12.

Obr. 8: Blokový diagram 1čipového (SoC) RF modulu pro WMBus s volitelnou strukturou PA + LNA

Pochopitelně, v závislosti na preferencích koncového uživatele mohou být obvody CC430 nahrazeny levnou rodinou CC111x. Následující tabulka zachycuje a porovnává klady i zápory každé z architektur:

Obr. 9: Porovnání základních vlastností

Dokončení příště.