Come integrare la connettività wireless negli smart meter

La connettività wireless è essenziale negli smart meter per le reti di distribuzione dell'elettricità, dell'acqua, del gas e del riscaldamento alle comunità, ma la progettazione da zero di un transceiver wireless è impegnativa e richiede molto tempo. Le applicazioni di smart meter richiedono soluzioni wireless ad alte prestazioni che soddisfino una serie di standard internazionali, tra cui FCC parte 15 e parte 90 negli Stati Uniti, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 in Europa, ARIB STD T67, T108 in Giappone e SRRC in Cina. Devono supportare velocità di trasmissione dati fino a 500 kbps, includere crittografia e autenticazione sicure, essere compatti e funzionare in ambienti difficili, fino a +85 °C. Molte applicazioni richiedono una batteria della durata di diversi anni.

Per affrontare queste sfide, i progettisti possono scegliere tra transceiver RF in CI o moduli completi di transceiver RF, a seconda delle esigenze dell'applicazione smart meter. Sono disponibili transceiver RF in CI che garantiscono un bilancio di collegamento RF superiore a 140 dB con potenza di uscita fino a +16 dBm e che supportano la connettività di rete SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN e IEEE 802.15.4g. Sono disponibili moduli RF che supportano lo stack di protocollo Wireless M-Bus o diverse modulazioni radio come LoRa, (G)FSK, (G)MSK e BPSK; con varie opzioni per larghezza di banda adattiva, fattore di divisione, potenza di trasmissione e velocità di codifica per soddisfare le varie esigenze applicative e conformi a una vasta gamma di normative internazionali, tra cui ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 parte 15, 24, 90, 101 e ARIB STD-T30, T-67 e T-108. Questi moduli sono sistemi RF completi, richiedono soltanto un'antenna e includono crittografia e autenticazione sicure e una modalità a bassissimo consumo per una maggiore durata della batteria.

Questo articolo esamina le sfide di connettività che i progettisti di smart meter wireless devono affrontare ed esamina le possibili soluzioni. Presenta quindi una serie di opzioni, tra cui i transceiver RF in CI e i moduli RF di STMicroelectronics, Move-X e Radiocrafts, oltre a considerazioni di progettazione per l'integrazione dell'antenna.

Una delle prime decisioni che i progettisti devono prendere è la scelta del protocollo di comunicazione. Le scelte più comuni includono NFC (Near Field Communication), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi per Internet delle cose (Wi-Fi per IoT) e Sub Gigahertz (sub-GHz). Sono quattro i fattori importanti da considerare:

• Velocità di trasmissione dati richiesta
• Modalità a bassa potenza
• Portata di trasmissione richiesta
• Necessità di accesso al Web

Wi-Fi per IoT può essere la scelta migliore per le applicazioni che richiedono il massimo trasferimento di dati, ma ha anche i requisiti energetici più elevati. Mentre sub-GHz richiede solo una potenza moderata e offre la massima portata di trasmissione, altri protocolli di comunicazione offrono diversi compromessi in termini di prestazioni (Figura 1).

Figura 1: Wi-Fi per IoT ha il throughput e il consumo energetico più elevati, mentre sub-GHz offre il campo d'azione più esteso con requisiti energetici moderati. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Molte applicazioni di smart meter richiedono una durata della batteria pluriennale e ciò rende difficile l'utilizzo di una tecnologia come Wi-Fi per IoT. Fortunatamente, queste applicazioni hanno anche requisiti di velocità di trasmissione dei dati relativamente limitati e possono trarre vantaggio dall'uso di tecnologie NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth o sub-GHz. Sebbene l'NFC abbia un consumo energetico interessante, la sua portata e il suo throughput di dati altrettanto bassi possono escluderlo dalle applicazioni di smart meter.

Inoltre, il design complessivo dello smart meter è fondamentale per determinare il consumo energetico. Mantenere il dispositivo in uno stato di bassa potenza il più a lungo possibile ed entrare in uno stato attivo per il minor tempo necessario è un fattore chiave per estendere la durata della batteria negli smart meter wireless. La scelta di un'implementazione di comunicazione a radiofrequenza (RF) basata su moduli o discreta è un altro fattore che può determinare il successo del progetto. Nel prendere questa decisione, è necessario considerare le prestazioni, le dimensioni della soluzione, la flessibilità dell'ingombro, le certificazioni, il time-to-market e i requisiti di costo.

Vantaggi dell'utilizzo di un modulo RF

Un modulo RF è un sottosistema di comunicazione completo. Può includere un CI RF, un oscillatore, filtri, un amplificatore di potenza e vari componenti passivi. L'utilizzo di una soluzione a moduli non richiede competenze in materia di radiofrequenza, consentendo ai progettisti di concentrarsi su altri aspetti del progetto dello smart meter. Un tipico modulo RF è fornito calibrato e certificato ai sensi degli standard richiesti. Inoltre, il modulo includerà il circuito di adattamento della rete per facilitare l'integrazione dell'antenna e ridurre al minimo le perdite di segnale. L'antenna può essere interna o esterna nelle soluzioni a moduli.

I moduli sono semplici da integrare nel progetto. La semplicità dell'integrazione del progetto si estende ai flussi del processo di produzione, poiché non è necessario gestire complessi dispositivi RF discreti, ma solo un modulo standard basato su scheda a circuiti stampati (PCB). Il produttore di moduli ha già considerato tutti gli aspetti legati all'integrazione dei sistemi RF. L'uso di un modulo riduce i rischi associati a un progetto RF discreto, come l'ottenimento delle certificazioni, il raggiungimento dei livelli di efficienza e di prestazioni complessive richiesti e l'accelerazione del time-to-market.

Vantaggi delle implementazioni di CI discreti

Sebbene siano più complessi, i progetti di CI discreti possono offrire importanti vantaggi in termini di costi, dimensioni della soluzione e fattore di forma. Nella maggior parte dei casi, un modulo sarà più costoso di una soluzione basata su CI. Nei casi in cui il progetto del sottosistema RF è utilizzato in volumi elevati, il costo aggiuntivo della progettazione della soluzione basata su CI è compensato da costi di produzione inferiori. È inoltre possibile utilizzare un sottosistema RF comune per più piattaforme di smart meter wireless, aumentando i volumi di produzione complessivi e riducendo ulteriormente i costi nel lungo termine.

Un progetto basato su CI discreti è quasi sempre più piccolo di una soluzione basata su moduli. Questo può essere un fattore importante nelle applicazioni con vincoli di spazio. Oltre all'ingombro minore, un progetto di CI discreto può essere modellato più facilmente per adattarsi allo spazio disponibile.

Transceiver RF in CI sub-GHz

I progettisti che necessitano di una soluzione basata su CI discreti nella banda sub-GHz possono rivolgersi a S2-LP, un transceiver RF in CI a bassissima potenza e ad alte prestazioni con un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 °C e +105 °C, in un contenitore QFN24 da 4 x 4 mm (Figura 2). Il progetto di base funziona nelle bande ISM (Industrial, Scientific, Medical) senza licenza e nelle bande per dispositivi a corto raggio (SRD) di 433, 512, 868 e 920 MHz. A scelta, S2-LP può essere programmato per funzionare in altre bande di frequenza, come 413-479, 452-527, 826-958 e 904-1055 MHz. È possibile implementare diversi schemi di modulazione, tra cui 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK e ASK. S2-LP ha un bilancio di collegamento RF >140 dB per lunghe distanze di comunicazione e soddisfa i requisiti normativi vigenti in Stati Uniti, Europa, Giappone e Cina.

Figura 2: Questo CI RF è specificato per il funzionamento fino a +105 °C ed è confezionato in un QFN24 da 4 x 4 mm. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Per semplificare il processo di integrazione quando si utilizza S2-LP, i progettisti possono utilizzare il balun ultra-miniaturizzato BALF-SPI2-01D3 con un ingresso nominale di 50 Ω che si abbina a S2-LP per il funzionamento a 860 - 930 MHz. Integra una rete di adattamento e un filtro per le armoniche e utilizza la tecnologia dei dispositivi passivi integrati (IPD) su un substrato di vetro non conduttivo per fornire prestazioni RF ottimizzate.

Per i progetti che utilizzano S2-LP nella banda ISM a 868 MHz si può ricorrere alla scheda di espansione X-NUCLEO-S2868A2 (Figura 3). X-NUCLEO-S2868A2 si collega al microcontroller STM32 Nucleo mediante connessioni di interfaccia periferica seriale (SPI) e pin di ingresso/uscita per uso generale (GPIO). L'aggiunta o la rimozione di resistori dalla scheda può modificare alcuni GPIO. Inoltre, la scheda è compatibile con Arduino UNO R3 e con i connettori ST Morpho.

Figura 3: La scheda di espansione X-NUCLEO-S2868A2 può accelerare lo sviluppo di progetti che utilizzano la banda ISM da 868 MHz. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Un modulo RF semplifica l'integrazione

Per le applicazioni che richiedono un rapido time-to-market e un basso consumo energetico, il modulo MAMWLE-00 può semplificare l'integrazione del sistema. Utilizza un connettore U.FL da 50 ohm per l'uscita RF e dispone di un core RISC Arm® Cortex® M4 a 32 bit da 48 MHz in un contenitore di 16,5 x 15,5 x 2 mm. Questo modulo RF ha diverse possibilità di scelta tra gli stati di funzionamento a basso consumo. Implementa diverse modulazioni radio, tra cui LoRa, (G)FSK, (G)MSK e BPSK, con diverse opzioni per larghezza di banda, fattore di divisione (SF), potenza e velocità di codifica (CR) (Figura 4). Un acceleratore di crittografia/decrittografia hardware incorporato può implementare vari standard come lo standard di crittografia avanzata (AES, sia a 128 che a 256 bit) e l'acceleratore di chiave pubblica (PKA) per PKA per Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann o crittografia a curva ellittica (ECC) su campi di Galois.

Figura 4: Il modulo MAMWLE-00 offre ai progettisti la possibilità di scegliere tra modalità di risparmio energetico e vari standard di modulazione RF. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Modulo RF M-Bus

Utilizzando il protocollo wireless M-Bus, i progettisti possono rivolgersi al modulo transceiver RF RC1180-MBUS di Radiocrafts, che misura 12,7 x 25,4 x 3,7 mm in un contenitore schermato a montaggio superficiale (Figura 5). Questo modulo RF presenta una connessione per antenna a un pin e un'interfaccia UART per la configurazione e le comunicazioni seriali. È conforme alle specifiche Wireless M-Bus nelle modalità S, T e R2, funziona su 12 canali nella banda di frequenza di 868 MHz ed è pre-certificato per il funzionamento secondo le normative radio europee per l'uso senza licenza.

Figura 5: Il protocollo wireless M-Bus può essere implementato utilizzando il moduli transceiver RF RC1180-MBUS di Radiocrafts (Immagine per gentile concessione di DigiKey

La scheda sensori RC1180-MBUS3-DK con un kit di sviluppo per modulo radio M-Bus consente ai progettisti di valutare rapidamente il modulo sensore integrato, di mettere a punto l'applicazione e di realizzare prototipi. Include due antenne a monopolo a quarto d'onda da 50 Ω con connettori SMA maschi, due cavi USB e un alimentatore USB (Figura 6). Questo kit di sviluppo può essere un concentratore, un gateway e/o un ricevitore per la scheda sensori.

Figura 6: Questo kit di sviluppo M-Bus comprende due antenne a monopolo a quarto d'onda da 50 Ω con connettori SMA maschi, due cavi USB e un alimentatore USB (non illustrato). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Integrazione dell'antenna

Quando si collega un'antenna a un modulo RF, Radiocrafts consiglia di collegarla direttamente al pin RF, abbinato a 50 Ω. Se non è possibile collegare l'antenna al pin RF, la traccia della PCB tra il pin RF e il connettore dell'antenna deve essere una linea di trasmissione da 50 Ω. Nel caso di una PCB FR4 a due strati con una costante dielettrica di 4,8, la larghezza della linea di trasmissione a microstriscia deve essere pari a 1,8 volte lo spessore della scheda. La linea di trasmissione deve trovarsi sul lato superiore della PCB con un piano di massa sul lato inferiore. Ad esempio, se si utilizza una PCB FR4 standard a due strati di 1,6 mm di spessore, la larghezza della linea di trasmissione a microstriscia deve essere di 2,88 mm (1,8 x 1,6 mm).

Un'antenna a frusta a quarto d'onda è l'implementazione più semplice e ha un'impedenza di 37 Ω quando viene utilizzata sopra un piano di massa; di solito non richiede un circuito di adattamento da 50 Ω. In alternativa, è possibile fabbricare un'antenna su PCB utilizzando una traccia di rame con il piano di massa rimosso dal lato posteriore della PCB. Sul resto della PCB deve essere presente un piano di massa, possibilmente grande quanto l'antenna, che funga da contrappeso. Se l'antenna PCB è più corta di un quarto d'onda, è necessario aggiungere una rete di adattamento da 50 Ω.

Conclusione

Nella scelta tra i vari protocolli wireless da utilizzare in smart meter wireless, i progettisti devono considerare diversi fattori, tra cui il throughput dei dati, il consumo energetico, la portata di trasmissione e la necessità di accesso al Web. Inoltre, la scelta tra CI RF e moduli comporta compromessi tra dimensioni della soluzione, costo, flessibilità, time-to-market, conformità alle normative e altri fattori. Una volta identificato il protocollo RF appropriato, la scelta tra CI e moduli e la progettazione del sistema RF di base, l'integrazione dell'antenna è fondamentale per lo sviluppo di uno smart meter wireless.