Pro inteligentní měřiče jsou vhodné RF transceivery, u kterých součet zisků a ztrát radiofrekvenční cesty (RF link budget) překročí 140 dB a jejich výkon dosahuje až +16 dBm. Navíc by transceivery měly podporovat síťové připojení SIGFOX, Wireless M-Bus, 6LowPAN a IEEE 802.15.4g. Inteligentní měřiče by měli být v souladu s mezinárodními předpisy ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 část 15, 24 , 90, 101 a ARIB STD-T30, T-67 a T-108.

Tento článek popíše problémy s konektivitou, které se vyskytují pávě v inteligentních měřičích a představí integrované RF transceivery a RF moduly od STMicroelectronics , Move-X a Radiocrafts.

Jedním z prvních rozhodnutí je výběr komunikačního protokolu. Nejčastěji se rozhoduje mezi NFC, Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi a SubGHz. Při volbě protokolu je nutné vzít v potaz následující čtyři faktory:

• Požadovaná datová rychlost
• Spotřeba energie
• Požadovaný dosah přenosu
• Potřeba přístupu na web

Wi-Fi je nejlepší volbou pro aplikace, které potřebují maximální přenosovou rychlost, ale je energeticky nejvíce náročné. Zatímco SubGHz je energeticky nenáročné, ale je schopen komunikovat na velké vzdálenosti. Ostatní komunikační protokoly nabízejí kompromisy jednotlivých vlastností (obrázek 1).

Obrázek 1: Wi-Fi for IoT má největší propustnost dat, ale také největší spotřebu energie, zatímco SubGHz nabízí největší dosah se střední spotřebou energie. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Inteligentní měřiče vyžadují mnohaletou životnost baterie, takže použití Wi-Fi není vhodné. Naštěstí měřiče mají nízké požadavky na datovou propustnost a proto jsou pro ně vhodné technologie NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth nebo SubGHz. NFC má velmi nízkou spotřebu energie, nízkou datovou propustnost, ale krátký dosah. Právě krátký dosah vylučuje NFC z úvahy využití v inteligentních měřičích.

Udržování měřiče ve stavu nízké spotřeby energie co nejdéle a přechod do aktivního stavu po co nejkratší potřebnou dobu je klíčovým faktorem pro prodloužení životnosti baterie. Volba mezi použitím modulové nebo diskrétní radiofrekvenčního řešení je dalším faktorem úspěšného návrhu. Při tomto rozhodování je nutné zvážit výkon, velikost řešení, flexibilitu, požadované certifikace a dobu uvedení na trh včetně nákladů.

Výhody použití RF modulu

RF modul je kompletní komunikační subsystém, který obsahuje RF integrovaný obvod, oscilátor, filtry, výkonový zesilovač a různé pasivní součástky. K použití modulu není potřeba žádná odbornost v oblasti RF, a to umožňuje soustředit se na aplikační část inteligentního měřiče. Typický RF modul je dodáván kalibrovaný a certifikovaný podle požadovaného standardu. Kromě toho modul obsahuje přizpůsobovací síťové obvody pro usnadnění integrace antény a minimalizaci ztráty signálu. Anténa může být interní nebo externí s modulovým řešením.

Moduly se snadno integrují do systému. Jelikož nejsou nutné externí diskrétní součástky, ve výrobním procesu se jedná jen o zapájení modulu do PCB. Použití modulu snižuje riziko spojené s diskrétním RF designem, jako je získání příslušných certifikací, dosažení požadované úrovně účinnosti a celkového výkonu a urychlení doby uvedení na trh.

Výhody diskrétního řešení

Přestože je diskrétní řešení složitější, může nabídnout důležité výhody, pokud jde o velikost a tvarový faktor. Je také možné používat společný RF subsystém napříč platformami bezdrátových inteligentních měřičů, a to ve velkoobjemové výrobě snižuje náklady. Diskrétní návrh založený na integrovaném obvodu je téměř vždy menší než modulové řešení. To může být důležitým faktorem v aplikacích s omezeným prostorem. Kromě toho, že zabírá menší prostor na desce, lze diskrétní řešení snadněji tvarovat, aby se vešlo do daného prostoru.

Sub GHz RF transceiver

Pro diskrétní řešení v pásmu SubGHz lze použít výkonný nízkoenergetický RF transceiver S2-LP s rozsahem provozních teplot -40 °C až +105 °C, který je umístěn v pouzdře QFN24 o velikosti v 4 x 4 mm (obrázek 2).

Transceiver pracuje v bezlicenčních pásmech ISM a pásmech s krátkým dosahem SRD, a to na 433, 512, 868 a 920 MHz. S2-LP lze naprogramovat tak, aby pracoval i v jiných frekvenčních pásmech, jako je 413-479, 452-527, 826-958 a 904-1055 MHz. Je možné použít různá modulační schémata a to 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK a ASK. Součet zisků a ztrát radiofrekvenční cesty (RF link budget) transceiveru S2-LP přesahuje hodnotu 140 dB a splňuje regulační požadavky ve Spojených státech, Evropě, Japonsku a Číně.

Obrázek 2: Transceiver S2-LP je určen pro provoz do +105 °C a je umístěn v pouzdře QFN24 o velikosti  4 x 4 mm. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Pro transceiver S2-LP je vhodné použít miniaturní balun ( symetrizační člen z angl. balanced-unbalanced ) BALF-SPI2-01D3 s nominálním vstupem 50 Ω. Součástí balunu je odpovídající síťový a harmonický filtr, který využívá technologii integrovaného pasivního zařízení (IPD) na nevodivém skleněném substrátu pro zajištění optimalizovaného vysokofrekvenčního výkonu.

Obvody s S2-LP pracující v pásmu 868 MHz mohou být vyvinuty pomocí desky X-NUCLEO-S2868A2 (obrázek 3). X-NUCLEO-S2868A2 se připojuje k mikrokontroleru STM32 Nucleo pomocí SPI a pinů GPIO. Přidáním nebo odebráním rezistorů z desky lze změnit konfiguraci některých GPIO. Navíc je deska kompatibilní s Arduino UNO R3 a ST morpho konektory.

Obrázek 3: Rozšiřující deska X-NUCLEO-S2868A2 je určena pro vývoj aplikací v pásmu 868 MHz ISM. (Zdroj obrázku: Digi-Key)

RF modul zjednodušuje integraci

Pro aplikace, které vyžadují rychlé uvedení na trh a nízkou spotřebu energie, je tu modul MAMWLE-00. Modul pro RF výstup používá 50 Ohm U.FL konektor a obsahuje 32bitové RISC jádro Arm Cortex M4 pracující na frekvenci 48 MHz. Tento RF modul má několik možností provozních stavů s nízkou spotřebou. Nabízí rádiové modulace LoRa, (G)FSK, (G)MSK a BPSK, s různými možnostmi šířky pásma, faktorem šíření (SF), výkonem a rychlosti kódování (CR) (obrázek 4).

Vestavěný hardwarový akcelerátor šifrování/dešifrování umožňuje implementovat pokročilý šifrovací standard AES, 128 i 256 bitů. Dále je k dispozici akcelerátor veřejného klíče (PKA) pro Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann nebo eliptické křivky (ECC - Eliptic Curve Cryptography).

Obrázek 4: Modul MAMWLE-00 nabízí několik režimů pro úsporu energie a podporuje různé standardy RF modulace. (Zdroj obrázku: Digi-Key)

RF modul M-Bus

Pro bezdrátový protokol M-Bus lze využít modul RC1180-MBUS od Radiocrafts, který měří 12,7 x 25,4 x 3,7 mm a je umístěn do stíněného pouzdra (obrázek 5). Tento RF modul má jednopinové připojení antény a rozhraní UART pro konfiguraci a sériovou komunikaci. Splňuje Wireless M-Bus režimy  S, T a R2, pracuje ve 12 kanálech ve frekvenčním pásmu 868 MHz a je předem certifikován pro provoz podle evropských rádiových předpisů pro bezlicenční použití.

Obrázek 5: Bezdrátový protokol M-Bus lze implementovat pomocí modulu RC1180-MBUS od Radiocrafts (Zdroj obrázku: Digi-Key

K dispozici je vývojová sada RC1180-MBUS3-DK, která obsahuje dvě čtvrtvlnné antény s připojením pomocí SMA konektory, dva USB kabely a USB napájecí zdroj (obrázek 6). Tato vývojová sada může sloužit jako koncentrátor, brána nebo přijímač pro senzorovou desku.

Obrázek 6: Tato vývojová sada M-Bus obsahuje dvě čtvrtvlnné monopólové antény 50 Ω s konektory SMA, dva kabely USB a napájecí zdroj USB (není zobrazen). (Zdroj obrázku: Digi-Key)

Integrace antény

Radiocrafts doporučuje, aby byla anténa připojena přímo k RF pinu, který je přizpůsoben na hodnotu 50 Ω. Pokud není možné připojit anténu k RF pinu, trasa mezi RF pinem a konektorem antény by měla mít hodnotu taktéž 50 Ω. V případě dvouvrstvého PCB FR4 s dielektrickou konstantou 4,8 by šířka mikropáskového přenosového vedení měla mít 1,8násobek tloušťky desky. Přenosové vedení by mělo být na horní straně PCB a zemnicí plocha na straně spodní. Například při použití standardní dvouvrstvé desky FR4 o tloušťce 1,6 mm by měla být šířka mikropáskového přenosového vedení 2,88 mm (1,8 x 1,6 mm).

Alternativně může být PCB anténa vyrobena pomocí měděné stopy v místě, kde zemní plocha je odstraněna na zadní straně PCB. Na zbytku PCB by měla být zemnící plocha optimálně velká jako anténa, aby fungovala jako protiváha. Pokud je PCB anténa kratší než čtvrtvlna, měl by být přidán odpovídající přizpůsobovací obvod 50 Ω.

Závěr

Při výběru mezi bezdrátovými protokoly pro inteligentní měřiče je nutné zvážit několik faktorů jako je datová propustnost, spotřeba energie, dosah a potřeba webového přístupu. Volba mezi diskrétním řešením s RF obvodem a kompletním modulem zahrnuje kompromisy mezi velikostí řešení, cenou, flexibilitou, dobou uvedení na trh a dodržováním příslušných předpisů. Jakmile je identifikován vhodný RF protokol dalším úkolem je výběr a integrace antény.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.