Integration drahtloser Vernetzung in intelligente Zähler

Drahtlose Vernetzung ist in intelligenten Zählern (Smart Meter) für Strom-, Wasser-, Gas- und Heizungsnetze unverzichtbar, aber die Entwicklung eines drahtlosen Sende- und Empfangsgeräts von Grund auf ist schwierig und zeitaufwändig. Intelligente Zähleranwendungen erfordern leistungsstarke Funklösungen, die eine Vielzahl internationaler Normen erfüllen, darunter FCC Teil 15 und Teil 90 in den USA, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 in Europa, ARIB STD T67, T108 in Japan und SRRC in China. Sie müssen Datenraten von bis zu 500 Kilobit pro Sekunde (kbit/s) unterstützen. Sie müssen eine sichere Verschlüsselung und Authentifizierung beinhalten, kompakt sein und in anspruchsvollen Umgebungen bis zu +85°C funktionieren. Viele Anwendungen erfordern eine Batterielebensdauer von mehreren Jahren.

Um diese Herausforderungen zu meistern, können Entwickler je nach den Anforderungen der Smart-Meter-Anwendung zwischen HF-Transceiver-ICs oder kompletten HF-Transceiver-Modulen wählen. Es sind HF-Transceiver-ICs erhältlich, die ein HF-Link-Budget von über 140 dB mit einer Ausgangsleistung von bis zu +16 dBm garantieren und die Vernetzung über SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN und IEEE 802.15.4g unterstützen. Es sind HF-Module erhältlich, die den Wireless-M-Bus-Protokollstapel oder mehrere Funkmodulationen wie LoRa, (G)FSK, (G)MSK und BPSK unterstützen; mit Optionen für adaptive Bandbreite, Spreizfaktor, Sendeleistung und Codierrate, um verschiedene Anwendungsanforderungen zu erfüllen, und die mit einer Vielzahl internationaler Vorschriften konform sind, darunter ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 Teil 15, 24, 90, 101 und ARIB STD-T30, T-67 und T-108. Bei diesen Modulen handelt es sich um komplette HF-Systeme, die nur eine Antenne benötigen und über eine sichere Verschlüsselung und Authentifizierung sowie einen Modus zur ultraniedrigen Leistungsaufnahme für eine längere Batterielebensdauer verfügen.

Dieser Artikel befasst sich mit den Herausforderungen, die sich den Entwicklern von drahtlosen intelligenten Zählern in Bezug auf die Vernetzung stellen, und zeigt mögliche Lösungen auf. Anschließend wird eine Reihe von Optionen vorgestellt, darunter HF-Transceiver-ICs und HF-Module von STMicroelectronics, Move-X und Radiocrafts, sowie Designüberlegungen bei der Integration der Antenne.

Eine der ersten Entscheidungen, vor denen die Entwickler stehen, ist die Wahl des Kommunikationsprotokolls. Zur Auswahl stehen unter anderem Nahfeldkommunikation (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi für das Internet der Dinge (Wi-Fi for IoT) und Sub-Gigahertz (SubGHz). Es gibt vier wichtige Faktoren zu berücksichtigen:

• Erforderlicher Datendurchsatz
• Energiesparmodi
• Erforderlicher Sendebereich
• Notwendigkeit eines Internetzugangs

Wi-Fi für IoT kann die beste Wahl für Anwendungen sein, die eine maximale Datenübertragung benötigen, hat aber auch den höchsten Energiebedarf. Während SubGHz nur einen moderaten Stromverbrauch erfordert und die maximale Übertragungsreichweite bietet, bieten andere Kommunikationsprotokolle unterschiedliche Kompromisse in Bezug auf die Performance (Abbildung 1).

Abbildung 1: Wi-Fi für IoT hat den größten Durchsatz und Stromverbrauch, während SubGHz die größte Reichweite bei moderatem Strombedarf bietet. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Viele Anwendungen für intelligente Zähler erfordern eine mehrjährige Batterielebensdauer, was die Verwendung einer Technologie wie Wi-Fi für das IoT schwierig macht. Glücklicherweise haben diese Anwendungen auch relativ geringe Anforderungen an den Datendurchsatz und können von der Verwendung von NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth oder SubGHz-Technologien profitieren. Der Stromverbrauch von NFC ist zwar verlockend niedrig, aber der geringe Datendurchsatz und die geringe Reichweite können dazu führen, dass NFC für Smart-Meter-Anwendungen nicht in Frage kommt.

Darüber hinaus ist das Gesamtdesign des intelligenten Zählers entscheidend für die Bestimmung des Stromverbrauchs. Ein Schlüsselfaktor für die Verlängerung der Batterielebensdauer bei drahtlosen intelligenten Zählern ist es, das Gerät so lange wie möglich in einem stromsparenden Zustand zu halten und es so schnell wie möglich in einen aktiven Zustand zu versetzen. Die Wahl zwischen einer modulbasierten oder einer diskreten Implementierung der Hochfrequenzkommunikation (HF) ist ein weiterer Faktor für den Erfolg des Designs. Bei dieser Entscheidung sollten Sie Performance, Größe der Lösung, Flexibilität des Footprints, Zertifizierungen, Markteinführungszeit und Kostenanforderungen berücksichtigen.

Vorteile der Verwendung eines HF-Moduls

Ein HF-Modul ist ein vollständiges Kommunikationssubsystem. Es kann einen HF-IC, Oszillator, Filter, Leistungsverstärker und verschiedene passive Komponenten enthalten. Für die Verwendung einer Modullösung ist kein HF-Fachwissen erforderlich, so dass sich die Entwickler auf andere Aspekte des Smart-Meter-Designs konzentrieren können. Ein typisches HF-Modul wird nach dem/den erforderlichen Standard(s) kalibriert und zertifiziert geliefert. Darüber hinaus enthält das Modul die Netzwerkanpassungsschaltung, um die Integration der Antenne zu erleichtern und Signalverluste zu minimieren. Die Antenne kann bei Modullösungen intern oder extern angebracht sein.

Module sind einfach in das Design zu integrieren. Die Einfachheit der Design-Integration erstreckt sich auch auf den Herstellungsprozess, da keine komplexen diskreten HF-Bauteile zu handhaben sind, sondern nur ein Standardmodul auf Leiterplattenbasis. Der Modulhersteller hat sich bereits mit allen Nuancen der Integration von HF-Systemen befasst. Die Verwendung eines Moduls verringert die mit einem diskreten HF-Design verbundenen Risiken, wie z. B. die Erlangung von Zertifizierungen, das Erreichen der erforderlichen Effizienz und Gesamtleistung sowie die Verkürzung der Markteinführungszeit.

Vorteile von diskreten IC-Implementierungen

Obwohl sie komplexer sind, können diskrete IC-Designs wichtige Vorteile in Bezug auf Kosten, Lösungsgröße und Formfaktor bieten. Ein Modul wird in den meisten Fällen teurer sein als eine IC-basierte Lösung. In Fällen, in denen das HF-Subsystem in hohen Stückzahlen verwendet wird, werden die zusätzlichen Kosten für den Entwurf der IC-basierten Lösung durch niedrigere Herstellungskosten kompensiert. Es ist auch möglich, ein gemeinsames HF-Subsystem für mehrere drahtlose intelligente Zählerplattformen zu verwenden, was die Gesamtproduktionsmenge erhöht und die langfristigen Kosten weiter senkt.

Ein diskreter IC-basierter Entwurf ist fast immer kleiner als eine modulbasierte Lösung. Dies kann bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot ein wichtiger Faktor sein. Eine diskrete IC-Konstruktion benötigt nicht nur weniger Platz, sondern lässt sich auch leichter an den verfügbaren Raum anpassen.

HF-Transceiver-IC für den SubGHz-Bereich

Entwickler, die eine diskrete IC-basierte Lösung im SubGHz-Band benötigen, können den S2-LP verwenden, einen leistungsfähigen HF-Transceiver-IC mit ultraniedriger Leistungsaufnahme und einem Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +105°C in einem 4 x 4 mm QFN24-Gehäuse (Abbildung 2). Das Basisdesign arbeitet in den lizenzfreien ISM-Bändern (Industrial Scientific and Medical: Industrie, Wissenschaft, Medizin) und den SRD-Bändern (Short Range Device: Nahbereichskomponente) bei 433, 512, 868 und 920 Megahertz (MHz). Optional kann das S2-LP auch für den Betrieb in anderen Frequenzbändern wie 413 bis 479, 452 bis 527, 826 bis 958 und 904 bis 1055 MHz programmiert werden. Es kann eine Vielzahl von Modulationsverfahren implementiert werden, darunter 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK und ASK. Das S2-LP hat ein HF-Link-Budget > 140 dB für große Kommunikationsreichweiten und erfüllt die gesetzlichen Anforderungen in den USA, Europa, Japan und China.

Abbildung 2: Dieser HF-IC ist für den Betrieb bis +105°C spezifiziert und wird in einem 4 x 4 mm großen QFN24-Gehäuse geliefert. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Um den Integrationsprozess bei Verwendung des S2-LP zu vereinfachen, können Entwickler das ultrakleine Symmetrierglied BALF-SPI2-01D3 mit einem Nenneingang von 50 Ω verwenden, der konjugiert an den S2-LP für den Frequenzbetrieb von 860 bis 930 MHz angepasst ist. Er integriert ein Anpassungsnetzwerk und einen Oberwellenfilter und nutzt die IPD-Technologie (Integrated Passive Device: Integrierte Passive Komponente) auf einem nichtleitenden Glassubstrat, um eine optimierte HF-Leistung zu erzielen.

Designs, die den S2-LP verwenden und im 868-MHz-ISM-Band arbeiten, können mit der Erweiterungskarte X-NUCLEO-S2868A2 entwickelt werden (Abbildung 3). Die X-NUCLEO-S2868A2 wird mit dem Nucleo-Mikrocontroller STM32 über serielle Peripherie-Schnittstellen (SPI) und GPIO-Pins (General-Purpose-Input-Output) verbunden. Das Hinzufügen oder Entfernen von Widerständen auf der Platine kann einige GPIOs verändern. Außerdem ist das Board kompatibel mit Arduino-UNO-R3- und ST-Morpho-Anschlüssen.

Abbildung 3: Die Erweiterungskarte X-NUCLEO-S2868A2 kann die Entwicklung von Designs, die das 868-MHz-ISM-Band nutzen, beschleunigen. (Bildquelle: DigiKey)

HF-Modul vereinfacht Integration

Für Anwendungen, die eine schnelle Markteinführung und einen geringen Stromverbrauch erfordern, kann das Modul MAMWLE-00 die Systemintegration vereinfachen. Es verwendet einen 50 Ohm U.FL-Stecker für den HF-Ausgang und hat einen 32 Bit 48MHz-Arm®-Cortex®-M4-RISC-Kern in einem 16,5 x 15,5 x 2 mm großen Gehäuse. Dieses HF-Modul verfügt über mehrere Möglichkeiten des stromsparenden Betriebszustands. Es implementiert mehrere Funkmodulationen, darunter LoRa, (G)FSK, (G)MSK und BPSK, mit verschiedenen Optionen für Bandbreite, Spreizfaktor (SF), Leistung und Kodierrate (CR) (Abbildung 4). Ein eingebetteter Hardware-Verschlüsselungs-/Entschlüsselungsbeschleuniger kann verschiedene Standards implementieren, z. B. Advanced Encryption Standard (AES, 128 und 256 Bit) und Public Key Accelerator (PKA) für PKA für Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann oder Elliptic Curve Cryptography (ECC) über Galoisfelder.

Abbildung 4: Das Modul MAMWLE-00 bietet Entwicklern eine Auswahl an Stromsparmodi und verschiedenen HF-Modulationsstandards. (Bildquelle: DigiKey)

M-Bus-HF-Modul

Bei der Verwendung des drahtlosen M-Bus-Protokolls können Entwickler auf das HF-Transceivermodul RC1180-MBUS von Radiocrafts zurückgreifen, das 12,7 x 25,4 x 3,7 mm groß ist und in einem geschirmten, oberflächenmontierbaren Gehäuse untergebracht ist (Abbildung 5). Dieses HF-Modul verfügt über einen einpoligen Antennenanschluss und eine UART-Schnittstelle zur Konfiguration und seriellen Kommunikation. Es erfüllt die Wireless-M-Bus-Spezifikation für die Modi S, T und R2, arbeitet auf 12 Kanälen im 868-MHz-Frequenzband und ist für den Betrieb gemäß den europäischen Funkvorschriften für den lizenzfreien Einsatz vorzertifiziert.

Abbildung 5: Das drahtlose M-Bus-Protokoll kann mit dem HF-Transceiver-Modul RC1180-MBUS von Radiocrafts implementiert werden (Bildquelle: DigiKey)

Das Sensorboard RC1180-MBUS3-DK mit M-Bus-Funkmodul macht es Entwicklern leicht, das Onboard-Sensormodul schnell zu evaluieren, die Anwendung abzustimmen und Prototypen zu bauen. Es umfasst zwei 50 Ω Viertelwellen-Monopolantennen mit SMA-Steckern, zwei USB-Kabel und ein USB-Netzteil (Abbildung 6). Dieses Entwicklungskit kann ein Konzentrator, ein Gateway und/oder ein Empfänger für das Sensorboard sein.

Abbildung 6: Dieses M-Bus-Entwicklungskit enthält zwei 50 Ω Viertelwellen-Monopolantennen mit SMA-Steckern, zwei USB-Kabel und ein USB-Netzteil (nicht abgebildet). (Bildquelle: DigiKey)

Antennen-Integration

Wenn Sie eine Antenne an ein HF-Modul anschließen, empfiehlt Radiocrafts, die Antenne direkt an den HF-Pin anzuschließen, der auf 50 Ohm (Ω) abgestimmt ist. Wenn es nicht möglich ist, die Antenne mit dem HF-Pin zu verbinden, sollte die Leiterbahn zwischen dem HF-Pin und dem Antennenanschluss eine 50Ω-Übertragungsleitung sein. Im Falle einer zweilagigen FR4-Leiterplatte mit einer Dielektrizitätskonstante von 4,8 sollte die Breite der Mikrostreifenleitung das 1,8-fache der Plattendicke betragen. Die Übertragungsleitung sollte sich auf der Oberseite der Leiterplatte befinden und die Massefläche auf der Unterseite der Leiterplatte. Bei Verwendung einer standardmäßigen 1,6 mm dicken, zweilagigen FR4-Leiterplatte sollte die Breite der Mikrostreifen-Übertragungsleitung beispielsweise 2,88 mm (1,8 x 1,6 mm) betragen.

Eine Viertelwellen-Peitschenantenne ist die einfachste Implementierung und hat eine Impedanz von 37 Ω, wenn sie über einer Grundplatte verwendet wird, und eine 50Ω-Anpassungsschaltung ist normalerweise nicht erforderlich. Alternativ kann eine Platinenantenne mit einer Kupferleiterbahn hergestellt werden, bei der die Massefläche auf der Platinenrückseite entfernt wird. Auf dem Rest der Leiterplatte sollte eine Massefläche vorhanden sein, die im Idealfall so groß ist wie die Antenne, um als Gegengewicht zu dienen. Wenn die Leiterplattenantenne kürzer als eine Viertelwelle ist, sollte ein 50 Ω Anpassungsnetzwerk hinzugefügt werden.

Zusammenfassung

Bei der Auswahl zwischen verschiedenen drahtlosen Protokollen für den Einsatz in drahtlosen intelligenten Zählern müssen Entwickler mehrere Faktoren berücksichtigen, darunter den Datendurchsatz, den Stromverbrauch, die Übertragungsreichweite und den Bedarf an Internetzugang. Darüber hinaus müssen bei der Wahl zwischen HF-ICs und Modulen Kompromisse zwischen Lösungsgröße, Kosten, Flexibilität, Markteinführungszeit, Einhaltung von Vorschriften und anderen Faktoren eingegangen werden. Sobald das geeignete HF-Protokoll identifiziert, die Wahl zwischen ICs und Modulen getroffen und das grundlegende HF-System entworfen wurde, ist die Antennenintegration entscheidend für die Entwicklung eines erfolgreichen drahtlosen intelligenten Zählers.