Comment intégrer la connectivité sans fil dans les compteurs intelligents

La connectivité sans fil est essentielle dans les compteurs intelligents pour les réseaux de distribution d'électricité, d'eau, de gaz et de chauffage collectif, mais la conception d'un émetteur-récepteur sans fil à partir de zéro est complexe et chronophage. Les applications de compteurs intelligents exigent des solutions sans fil hautes performances répondant à diverses normes internationales, notamment FCC partie 15 et partie 90 aux États-Unis, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 en Europe, ARIB STD T67, T108 au Japon, et SRRC en Chine. Elles doivent supporter des débits de données jusqu'à 500 kilobits par seconde (kbps). Elles doivent inclure un chiffrement et une authentification sécurisés, présenter un format compact et fonctionner en environnements difficiles jusqu'à +85°C. De nombreuses applications exigent une durée de vie des batteries de plusieurs années.

Pour relever ces défis, les concepteurs peuvent choisir des circuits intégrés d'émetteurs-récepteurs RF ou des modules d'émetteurs-récepteurs RF complets, en fonction des besoins de l'application de compteur intelligent. Il existe des circuits intégrés d'émetteurs-récepteurs RF qui garantissent un bilan de liaison RF supérieur à 140 dB avec une puissance de sortie jusqu'à +16 dBm, et qui prennent en charge la connectivité réseau SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN et IEEE 802.15.4g. Les modules RF disponibles prennent en charge la pile de protocoles Wireless M-Bus ou plusieurs modulations radio telles que LoRa, (G)FSK, (G)MSK et BPSK, avec des options de largeur de bande adaptative, de facteur d'étalement, de puissance de transmission et de taux de codage pour répondre aux différents besoins des applications. Ils sont conformes à un grand nombre de réglementations internationales, notamment ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 parties 15, 24, 90, 101, et ARIB STD-T30, T-67 et T-108. Ces modules sont des systèmes RF complets, ne nécessitant qu'une antenne, et ils incluent un chiffrement et une authentification sécurisés, ainsi que des modes ultrabasse consommation pour une durée de vie étendue des batteries.

Cet article passe en revue les défis de connectivité auxquels sont confrontés les concepteurs de compteurs intelligents sans fil et examine les solutions possibles. Il présente ensuite une série d'options, notamment les circuits intégrés d'émetteurs-récepteurs RF et les modules RF de STMicroelectronics, Move-X et Radiocrafts, ainsi que des considérations de conception pour l'intégration de l'antenne.

L'une des premières décisions auxquelles sont confrontés les concepteurs est le choix d'un protocole de communication. Les choix courants incluent les communications en champ proche (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi pour l'Internet des objets (Wi-Fi pour IoT) et Sub-Gigahertz (SubGHz). Quatre facteurs importants doivent être pris en compte :

• Débit de données requis
• Modes basse consommation
• Portée de transmission requise
• Besoin d'un accès Web

Le Wi-Fi pour IoT peut constituer le meilleur choix pour les applications qui ont besoin d'un transfert de données maximum, mais il présente également les besoins en énergie les plus élevés. Alors que SubGHz ne nécessite qu'une puissance modérée et offre une portée de transmission maximale, les autres protocoles de communication offrent des compromis de performances variables (Figure 1).

Figure 1 : Le Wi-Fi pour IoT présente le débit et la consommation d'énergie les plus élevés, tandis que SubGHz offre la portée la plus étendue avec des exigences d'énergie modérées. (Source de l'image : STMicroelectronics)

De nombreuses applications de compteurs intelligents exigent une autonomie batterie de plusieurs années, ce qui rend difficile l'utilisation d'une technologie comme le Wi-Fi pour IoT. Heureusement, ces applications ont également des exigences relativement limitées en matière de débit de données et peuvent bénéficier de l'utilisation des technologies NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth ou SubGHz. Si la consommation d'énergie de la technologie NFC est faible, son débit de données et sa portée, tout aussi faibles, peuvent empêcher son utilisation dans les applications de compteurs intelligents.

En outre, la conception globale du compteur intelligent est essentielle pour déterminer la consommation d'énergie. La capacité à maintenir le dispositif à l'état basse consommation aussi longtemps que possible et à passer à l'état actif pendant la durée la plus courte possible est un facteur clé pour étendre la durée de vie des batteries dans les compteurs intelligents sans fil. Le choix entre l'utilisation d'une implémentation de communications radiofréquences (RF) basée sur des modules ou discrète est un autre facteur de réussite de la conception. Pour prendre cette décision, il faut tenir compte des performances, de la taille de la solution, de la flexibilité de l'empreinte, des certifications, des délais de mise sur le marché et des exigences de coûts.

Avantages de l'utilisation d'un module RF

Un module RF est un sous-système de communication complet. Il peut comprendre un circuit intégré RF, un oscillateur, des filtres, un amplificateur de puissance et divers composants passifs. Aucune expertise RF n'est requise pour utiliser une solution de module, ce qui permet aux concepteurs de se concentrer sur d'autres aspects de la conception du compteur intelligent. Un module RF typique est fourni étalonné et certifié selon la ou les normes requises. De plus, le module inclut le circuit d'adaptation réseau pour faciliter l'intégration de l'antenne et minimiser toute perte de signal. L'antenne peut être interne ou externe avec les solutions de modules.

Les modules sont simples à intégrer dans la conception. La simplicité d'intégration dans la conception s'étend aux flux de processus de fabrication puisqu'il n'y a pas de dispositifs RF discrets complexes à manipuler, mais seulement un module standard basé sur une carte à circuit imprimé (PCB). Le fabricant de modules a déjà géré toutes les nuances d'intégration des systèmes RF. L'utilisation d'un module réduit les risques associés à une conception RF discrète, tels que : obtenir les certifications, atteindre les niveaux requis de rendement et de performances globales, et accélérer la mise sur le marché.

Avantages de l'utilisation de circuits intégrés discrets

Bien qu'elles soient plus complexes, les conceptions de circuits intégrés discrets peuvent offrir des avantages importants en termes de coûts, de taille de solution et de facteur de forme. Dans la plupart des cas, un module sera plus cher qu'une solution basée sur un circuit intégré. Dans les cas où la conception de sous-système RF est utilisée à hauts volumes, le coût supplémentaire de conception de la solution basée sur un circuit intégré est compensé par des coûts de fabrication plus faibles. Il est également possible d'utiliser un sous-système RF commun sur plusieurs plateformes de compteurs intelligents sans fil, ce qui permet d'augmenter les volumes de production globaux et de réduire davantage les coûts à long terme.

Une conception basée sur un circuit intégré discret est presque toujours plus petite qu'une solution basée sur un module. Cela peut être une considération importante dans les applications où l'espace est limité. Une conception de circuit intégré discret occupe non seulement moins d'espace, mais peut être également adaptée plus facilement à l'espace disponible.

Circuit intégré d'émetteur-récepteur RF sub-gHz

Les concepteurs qui ont besoin d'une solution basée sur un circuit intégré discret dans la bande SubGHz peuvent se tourner vers le S2-LP, un circuit intégré d'émetteur-récepteur RF ultrabasse consommation, hautes performances avec une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +105°C, dans un boîtier QFN24 de 4 mm x 4 mm (Figure 2). La conception de base fonctionne dans les bandes sans licence industrielle, scientifique et médicale (ISM) et dans les bandes des dispositifs à courte portée (SRD) à 433, 512, 868 et 920 mégahertz (MHz). En option, le S2-LP peut être programmé pour fonctionner sur d'autres bandes de fréquences telles que 413-479, 452-527, 826-958 et 904-1055 MHz. Divers schémas de modulation peuvent être mis en œuvre, y compris 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK et ASK. Le S2-LP présente un bilan de liaison RF > 140 dB pour les longues distances de communication et répond aux exigences réglementaires en vigueur aux États-Unis, en Europe, au Japon et en Chine.

Figure 2 : Ce circuit intégré RF est spécifié pour un fonctionnement à +105°C et est fourni en boîtier QFN24 de 4 mm x 4 mm. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Pour simplifier le processus d'intégration lors de l'utilisation du S2-LP, les concepteurs peuvent utiliser le symétriseur ultraminiature BALF-SPI2-01D3 avec une entrée nominale de 50 Ω qui est adaptée de manière conjuguée au S2-LP pour un fonctionnement à une fréquence de 860 - 930 MHz. Il intègre un réseau d'adaptation et un filtre d'harmoniques, et utilise la technologie de dispositif passif intégré (IPD) sur un substrat en verre non conducteur pour fournir des performances RF optimisées.

Les conceptions utilisant le S2-LP et fonctionnant dans la bande ISM de 868 MHz peuvent être développées à l'aide de la carte d'extension X-NUCLEO-S2868A2 (Figure 3). La carte X-NUCLEO-S2868A2 se raccorde au microcontrôleur STM32 Nucleo via des connexions d'interface périphérique série (SPI) et des broches entrée-sortie à usage général (GPIO). L'ajout ou le retrait de résistances sur la carte peut modifier certaines GPIO. En outre, la carte est compatible avec les connecteurs Arduino UNO R3 et ST morpho.

Figure 3 : La carte d'extension X-NUCLEO-S2868A2 permet d'accélérer le développement de conceptions utilisant la bande ISM de 868 MHz. (Source de l'image : DigiKey)

Le module RF simplifie l'intégration

Pour les applications qui nécessitent une commercialisation rapide et une faible consommation d'énergie, le module MAMWLE-00 peut simplifier l'intégration système. Il utilise un connecteur U.FL de 50 Ω pour la sortie RF et il est doté d'un cœur RISC 32 bits Arm® Cortex®-M4 de 48 MHz dans un boîtier de 16,5 mm x 15,5 mm x 2 mm. Ce module RF offre plusieurs choix d'états de fonctionnement basse consommation. Il met en œuvre plusieurs modulations radio, notamment LoRa, (G)FSK, (G)MSK et BPSK, avec différentes options pour la bande passante, le facteur d'étalement (SF), la puissance et le taux de codage (CR) (Figure 4). Un accélérateur de chiffrement/déchiffrement matériel embarqué peut implémenter diverses normes telles que la norme de chiffrement avancé (AES, 128 et 256 bits) et l'accélérateur de clés publiques (PKA) pour la cryptographie Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann ou à courbe elliptique (ECC) sur des champs de Galois.

Figure 4 : Le module MAMWLE-00 permet aux concepteurs de choisir des modes d'économie d'énergie et diverses normes de modulation RF. (Source de l'image : DigiKey)

Module RF M-Bus

Lorsqu'ils utilisent le protocole Wireless M-Bus, les concepteurs peuvent se tourner vers le module d'émetteur-récepteur RF RC1180-MBUS de Radiocrafts, qui mesure 12,7 mm x 25,4 mm x 3,7 mm dans un boîtier blindé à montage en surface (Figure 5). Ce module RF présente une connexion d'antenne à une broche et une interface UART pour la configuration et les communications série. Il est conforme aux modes S, T et R2 de la spécification Wireless M-Bus, fonctionne sur 12 canaux dans la bande de fréquences de 868 MHz et est pré-certifié pour fonctionner dans le cadre des réglementations radio européennes pour une utilisation sans licence.

Figure 5 : Le protocole Wireless M-Bus peut être mis en œuvre en utilisant le module d'émetteur-récepteur RF RC1180-MBUS de Radiocrafts. (Source de l'image : DigiKey)

Le kit de développement de carte de capteur RC1180-MBUS3-DK avec module radio M-Bus permet aux concepteurs d'évaluer rapidement le module de capteur embarqué, de régler l'application et de construire des prototypes. Il inclut deux antennes unipolaires quart d'onde 50 Ω avec connecteurs mâles SMA, deux câbles USB et une alimentation USB (Figure 6). Ce kit de développement peut être un concentrateur, une passerelle et/ou un récepteur pour la carte de capteur.

Figure 6 : Ce kit de développement M-Bus inclut deux antennes unipolaires quart d'onde 50 Ω avec connecteurs SMA mâles, deux câbles USB et une alimentation USB (non illustrée). (Source de l'image : DigiKey)

Intégration des antennes

Lors de la connexion d'une antenne à un module RF, Radiocrafts recommande de connecter l'antenne directement à la broche RF, qui est adaptée à 50 Ω. S'il n'est pas possible de connecter l'antenne à la broche RF, la piste de circuit imprimé entre la broche RF et le connecteur d'antenne doit être une ligne de transmission de 50 Ω. Dans le cas d'une carte à circuit imprimé FR4 à deux couches avec une constante diélectrique de 4,8, la largeur de la ligne de transmission microruban doit être égale à 1,8 fois l'épaisseur de la carte. La ligne de transmission doit se trouver sur la face supérieure du circuit imprimé avec un plan de masse sur la face inférieure du circuit imprimé. Par exemple, si vous utilisez un circuit imprimé FR4 à deux couches de 1,6 mm d'épaisseur standard, la largeur de la ligne de transmission microruban doit être de 2,88 mm (1,8 mm x 1,6 mm).

Une antenne fouet quart d'onde est la mise en œuvre la plus simple et présente une impédance de 37 Ω lorsqu'elle est utilisée au-dessus d'un plan de masse, et un circuit d'adaptation de 50 Ω n'est généralement pas nécessaire. Il est également possible de fabriquer une antenne de circuit imprimé en utilisant une piste en cuivre, avec le plan de masse retiré de la face arrière du circuit imprimé. Il doit y avoir un plan de masse sur le reste du circuit imprimé, idéalement aussi grand que l'antenne pour agir comme un contrepoids. Si l'antenne de circuit imprimé est plus courte qu'un quart d'onde, un réseau d'adaptation de 50 Ω doit être ajouté.

Résumé

Lors de la sélection entre différents protocoles sans fil pour les compteurs intelligents sans fil, les concepteurs doivent tenir compte de plusieurs facteurs, notamment le débit de données, la consommation d'énergie, la portée de transmission et la nécessité d'un accès Web. De plus, le choix entre circuits intégrés et modules RF implique des compromis entre la taille de la solution, le coût, la flexibilité, le délai de mise sur le marché, la conformité réglementaire et d'autres facteurs. Une fois le protocole RF approprié identifié, le choix entre circuits intégrés et modules effectué, et le système RF de base conçu, l'intégration de l'antenne est essentielle pour développer un compteur intelligent sans fil performant.