Integracja łączności bezprzewodowej z licznikami inteligentnymi

Łączność bezprzewodowa jest niezbędna w inteligentnych licznikach energii elektrycznej, wody, gazu i komunalnych sieciach ciepłowniczych, jednak projektowanie bezprzewodowego nadajniko-odbiornika od podstaw jest skomplikowane i czasochłonne. Zastosowania liczników inteligentnych wymagają wysokowydajnych rozwiązań bezprzewodowych, spełniających wiele międzynarodowych norm, takich jak FCC część 15 i część 90 w USA, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 w Europie, ARIB STD T67, T108 w Japonii oraz SRRC w Chinach. Wymaga się od nich obsługi szybkości transmisji danych dochodzących do 500kbps. Muszą one uwzględniać bezpieczne szyfrowanie i uwierzytelnianie, mieć niewielkie rozmiary i działać w trudnych warunkach do +85°C. Wiele zastosowań wymaga kilkuletniego czasu pracy baterii.

W celu sprostania tym wyzwaniom projektanci mogą sięgać po radiowe układy scalone nadajniko-odbiorników lub kompletne radiowe moduły nadawczo-odbiorcze, w zależności od wymagań danego zastosowania licznika inteligentnego. Na rynku dostępne są radiowe układy scalone nadajniko-odbiorników, gwarantujące budżet łącza radiowego przekraczający 140dB przy mocy wyjściowej do +16dBm, które obsługują łączność sieciową SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN oraz IEEE 802.15.4g. W sprzedaży występują również moduły radiowe obsługujące stos protokołu Wireless M-Bus czy wiele modulacji radiowych, takich jak LoRa, (G)FSK, (G)MSK i BPSK. Posiadają one opcje adaptacyjnej szerokości pasma, współczynnika rozprzestrzeniania, mocy transmisji i szybkości kodowania, spełniając różne potrzeby zastosowań przy zachowaniu zgodności z wieloma międzynarodowymi przepisami, w tym ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 część 15, 24, 90, 101 i ARIB STD-T30, T-67 oraz T-108. Moduły te są kompletnymi systemami radiowymi wymagającymi jedynie anteny. Posiadają funkcje bezpiecznego szyfrowania i uwierzytelniania oraz tryby ultraniskiej mocy wydłużające czas pracy baterii.

W niniejszym artykule omówiono wyzwania związane z łącznością, przed którymi stoją projektanci bezprzewodowych liczników inteligentnych i przeanalizowano możliwe rozwiązania. Następnie przedstawiono szereg opcji, w tym radiowe układy scalone nadajniko-odbiorników i moduły radiowe firm STMicroelectronics, Move-X oraz Radiocrafts wraz z rozważaniami projektowymi przy integracji anteny.

Jedną z pierwszych decyzji, przed którymi stają projektanci, jest wybór protokołu komunikacyjnego. W tym przypadku popularne opcje to komunikacja bliskiego zasięgu (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi dla Internetu rzeczy (Wi-Fi for IoT) oraz Sub Gigahertz (SubGHz). Istnieją cztery ważne czynniki, które należy wziąć pod uwagę:

• Wymagana przepustowość danych
• Tryby niskiej mocy
• Wymagany zasięg transmisji
• Potrzeba dostępu do sieci Web

Wi-Fi dla IoT może być najlepszym wyborem w zastosowaniach wymagających maksymalnego przesyłu danych, ale charakteryzuje się również najwyższym zapotrzebowaniem na moc. SubGHz wymaga tylko umiarkowanej mocy i zapewnia maksymalny zasięg transmisji, natomiast stosowanie innych protokołów komunikacyjnych wiąże się z określonymi kompromisami dotyczącymi parametrów działania (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Wi-Fi dla Internetu rzeczy (IoT) wykazuje największą przepustowość i pobór mocy, podczas gdy SubGHz oferuje największy zasięg przy umiarkowanym zapotrzebowaniu na moc. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Wiele zastosowań liczników inteligentnych wymaga wieloletniego czasu pracy baterii, co sprawia, że użycie technologii takich jak Wi-Fi dla IoT jest wyzwaniem. Na szczęście te zastosowania mają również stosunkowo ograniczone wymagania dotyczące przepustowości danych, dlatego w ich przypadku wykorzystanie technologii NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth czy SubGHz może być korzystne. Technologia komunikacji bliskiego zasięgu (NFC) charakteryzuje się niskim poborem mocy, jednak jej równie niska przepustowość danych i mały zasięg mogą sprawić, że będzie niepraktyczna w zastosowaniach liczników inteligentnych.

Ponadto ogólna budowa licznika inteligentnego ma kluczowe znaczenie dla określenia poboru mocy. Utrzymywanie urządzenia w stanie niskiego poboru mocy tak długo, jak to możliwe i wchodzenie w stan aktywny przez najkrótszy wymagany czas jest głównym czynnikiem wydłużającym czas pracy baterii w bezprzewodowych licznikach inteligentnych. Wybór między implementacją komunikacji opartej na modułach lub dyskretnej komunikacji radiowej (RF) jest kolejnym czynnikiem decydującym o powodzeniu projektu. Przy podejmowaniu tej decyzji należy uwzględnić wymagania dotyczące parametrów działania, wielkości rozwiązania, elastyczności zajmowanej powierzchni, certyfikatów, czasu wprowadzenia produktu na rynek oraz kosztów.