Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №10

Новые «умные» счетчики газа и воды — сочетание сверхнизкого потребления энергии с дистанционной связью на частоте 169 МГц

Стефанов Милен (Milen Stefanov)


Сверхмаломощные (ULP) микроконтроллеры (MCU) уже существовали как минимум 20 лет, когда компания Texas Instruments, Inc. (TI) впервые представила свой 16‑разрядный микроконтроллер MSP430. С тех пор быстрое распространение сверхмаломощных решений в датчиках, счетчиках и в широком спектре работающих на батареях приборов, вроде измерителей уровня сахара в крови, термометров, наручных часов и пр., доказало, что системный подход, связанный с ULP, является наилучшей стратегией на будущее.

Введение

Технология сверхмалой мощности была распространена на высокочастотные приемопередатчики (трансиверы), датчики, микроконтроллеры (МК) и все типы кремниевых изделий для устройств, работающих на батареях. Аналогичным образом широкое применение беспроводных технологий во многих бытовых устройствах, например планшетных компьютерах и смартфонах, стало возможным всего лишь из-за существенного снижения энергопотребления в полупровод-никовых приборах.

Следующей глобальной возможностью для роста становится всеобщее признание рынка «умных» сетей: это счетчики газа, тепла, воды и электричества, а также распределители потребленного тепла, применяемые в качестве главных и второстепенных измерительных приборов. Еще есть домашние шлюзы, концентраторы и коллекторы данных на основе «умных» сетей, которые накапливают информацию, полученную от измерительных приборов. Сочетание «умных» сетей с домашней локальной сетью (HAN), как ожидается, позволит снизить пиковое потребление энергии в бытовых электросетях, что, в свою очередь, поможет уменьшить потребность в новых электростанциях. Также ожидается снижение затрат и повышение комфортности для потребителей благодаря домашней автоматизации.

Эта статья показывает, как сочетание лучших сверхнизкомощных МК, высокочастотных приемопередатчиков самой высокой производительности для связи на частоте ниже 1 ГГц и передовых решений в области систем питания позволит создать следующее поколение «умных» бытовых счетчиков в Европе и за ее пределами. Зрелость и новейшие разработки европейского набора протоколов wM-Bus открывают новые возможности для широкомасштабного распространения работающих на батареях счетчиков газа, воды и тепла.

В статье описываются элементы, из которых состоит «умный» счетчик (газа, воды и тепла) для европейского рынка, использующий популярную высокочастотную связь wM-Bus в диапазонах 868 и 169 МГц. Представлены практические рекомендации по внедрению и оптимизации решений wM-Bus для счетчиков газа, воды и тепла.

Европейские правила, регулирующие высокочастотную связь

Для связи на частоте ниже 1 ГГц в Европе применяется норматив ETSI 300 220-1 V2.3.1 (февраль 2010 года). Утвержденные безлицензионные промышленные, научные и медицинские (ISM) диапазоны 868 и 433 МГц для измерительных устройств были дополнены полосой 75 кГц на частоте 169,4 МГц для устройств считывания показаний счетчиков. Максимальная разрешенная передаваемая мощность составляет +500 мВт (равная +27 дБм) при коэффициенте нагрузки ≤10%. Разнесение каналов — 50 кГц или менее. Может использоваться доступ к каналу LBT («сначала слушай, потом говори») или AFA (адаптивная перестройка частоты), но ни тот, ни другой метод не является обязательным.

Очевидно, что, имея низкозатратную высокочастотную связь с излучаемой мощностью +27 дБм, можно получить более широкий охват диапазонов по сравнению с существующими решениями в рамках wM-Bus с +25 мВт (то есть +14 дБм) при 868 МГц (рис. 1). Обратите внимание, что как «старый» Т-режим, так и «новый» С-режим используют две разные частоты — одну для направления от счетчика до устройства сбора данных и вторую для связи от устройства сбора данных до счетчика.

Режимы работы wM-Bus и соотношения

Рис. 1. Режимы работы wM-Bus и соотношения, указанные в ETSI 300 220-2 V2.3.1 (полоса 868 МГц)

Устройства сбора данных в T-режиме производят передачу на частоте 868,3 МГц с максимумом +14 дБм и в C-режиме с максимумом +27 дБм на частоте 869,525 МГц.

Диапазон, используемый в решениях, связанных с измерениями в высокочастотном диапазоне, является самой большой проблемой при внедрении «умных» счетчиков в плотно населенных зонах Европы с многоэтажными зданиями и неблагоприятной высокочастотной средой, когда между высокочастотными узлами располагаются многочисленные бетонные и кирпичные стены. Это оказалось основным недостатком 2,4-Гц решений на основе ZigBee в Великобритании, где имеющиеся устройства ZigBee SE1.1 не могли обеспечить достаточную дальность связи в городских условиях. Новое поколение «умных» счетчиков с протоколом wM-Bus создано, чтобы решить проблемы с диапазоном в таких странах, как Франция или Италия.

Бóльшая дальность связи на высокой частоте 169 МГц упрощает архитектуру системы и снижает общую стоимость сетей за счет устранения повторителей сигнала и функций повторителя в счетчиках. Меньшая функциональность означает более низкие требования к размеру флэш-памяти и ОЗУ для узлов снятия показаний, а также сокращение времени на разработку устройств и их сертификацию благодаря менее сложному программному обеспечению.

Новый режим wM-Bus для «умных» счетчиков газа, воды или тепла

В соответствии с нормативом ETSI 300220v2.3.1 в последнем проекте документа EN13757-4:2011 (который также называют “wM-Bus”) был введен новый физический (PHY) слой режима N. Полоса частот шириной 75 кГц была разделена на шесть узкополосных каналов по 12,5 кГц каждый. Были определены четыре канала пропускной способностью 4,8 кбит/с с гауссовской частотной модуляцией (GFSK). А также была определена вторичная линия связи с пропускной способностью 19,2 кбит/с с четырехкратной GFSK для оптимизации пропускной способности в опциональных многоканальных линиях связи (таблица).

Таблица. N-режим wM-Bus (по проекту документа EN13757-4:2011)

Подрежим Канал b Центральная частота, МГц Разнесение каналов, кГц GFSK, кбит/с 4 GFSK, кбит/с Допуск по частоте, ±кГц
N1a, N2a 1a c 169,40625 12,5 4,8   1,5
N1b, N2b 1b 169,41875 4,8   1,5
N1c, N2c 2a 169,43125 2,4   2
N1d, N2d 2b 169,44375 2,4   2
N1e, N2e 3a 169,45625 4,8   1,5
N1f, N2f 3b c 169,46875 4,8   1,5
N2g 0 d 169,4375 50   19,2 2,5

Полевые испытания с системами на 169 МГц во Франции уже доказали, что при достижении бóльших диапазонов происходит существенное упрощение архитектуры сети. При должном развертывании сети устройств сбора данных на частоте 169 МГц «умные» сети без повторителей станут в Европе реалистичным сценарием.

Новый N-режим wM-Bus показан на рис. 2. Это узкополосное решение на 169 МГц подходит для будущих установок счетчиков газа и воды в различных европейских странах.

N-узлы wM-Bus и соотношение, указанное в ETSI 300220v2.3.1

Рис. 2. N-узлы wM-Bus и соотношение, указанное в ETSI 300220v2.3.1 (источник: проект EN13757-4:2011)

Архитектура «умного» счетчика газа с wM-Bus

Составные части «умного» счетчика, построенного полностью на основе электронных компонентов, следующие:

  • датчики для метрологической части;
  • сверхмаломощные МК для обработки данных датчиков и вычисления потребления;
  • система связи;
  • система питания.

В современных счетчиках газа часть, относящаяся к датчику, сообщает о расходе (часто с помощью геркона), а также о точных результатах измерения давления и температуры (рис. 3). Основной блок МК обрабатывает данные с датчика и регулирует расход газа до достижения нормализованного значения, требуемого для тарификации потребителя.

«Умный» газовый счетчик

Рис. 3. «Умный» газовый счетчик (wM-Bus в качестве высокочастотной линии менее 1 ГГц на частоте 169 или 868 МГц)

Обычно при этом используется клапан с электроприводом, которым также можно управлять дистанционно (например, через линию wM-Bus). А в некоторых странах, кроме того, требуется возможность внесения предоплаты.

Для счетчиков воды и тепла самыми распространенными из числа используемых сейчас датчиков являются те, которые определяют расход с помощью измерения скорости вращения и определения направления.

Счетчик тепла — это счетчик воды, производящий дополнительные точные измерения температуры для регистрации температуры прямого и обратного потока. Добавление высокочастотной подсистемы (например, модуля связи на частоте ниже 1 или 2,4 ГГц) позволяет сделать счетчики тепла и воды «умными».

Важно помнить, что счетчики воды, газа и тепла питаются от батарей, что означает выполнение основного условия — сверхнизкого потребления электроэнергии. Поскольку эти три вида счетчиков имеют ограниченное пространство для батареи, специальное решение для оптимизации срока службы батареи становится насущной необходимостью.

Аппаратная архитектура высокочастотной подсистемы wM-Bus

Подсистема wM-Bus может быть использована для связи по домашней локальной сети (HAN) или соседней локальной сети (NAN) в зависимости от полосы частот и передаваемой мощности. Примером применения HAN является «умный» счетчик с высокочастотным каналом связи 868 МГц, использующий S-, T- или новый C-режим протокола wM-Bus. В реальности высокочастотный чип (приемопередатчик для двунаправленного или только передающего устройства для однонаправленной связи) с мощностью передачи на выходе от +10 до +12 дБм (измеренной на входе антенны) и коэффициентом усиления антенны до +2 дБи сам обеспечит оптимальное решение в пределах ограничения ETSI 300220, составляющего +14 дБм ЭИИМ.

Решение с NAN для «умного» счетчика, как правило, осуществляется на частоте 169 МГц, где предел +27 дБм ЭИИМ позволяет охватывать более широкий диапазон. Кроме того, режим C-2 (допускаемый только от устройства сбора данных до счетчика) на частоте 869,525 МГц использует ограничение поддиапазона в +27 дБм и пригоден для применения в NAN. Для решений на основе системы NAN необходимо добавить усилитель внешнего питания, так как ни один из современных интегрированных чипов высокочастотных приемопередатчиков не может выдать выходную мощность передачи +27 дБм.

Есть два варианта аппаратного обеспечения подсистемы wM-Bus, основанной на ограничении мощности ЭИИМ:

  1. Без внешнего усилителя питания.
  2. С внешним усилителем питания и опциональным LNA (например, CC1190 компании TI при 868 МГц или специализированный коммуникационный высокочастотный при 169 МГц).

Фактически высокочастотная подсистема на рис. 4 представляет собой законченный высокочастотный модуль, который обычно через UART подключается к главному МК. В этом случае специализированный МК будет управлять работой пакета wM-Bus, а также применением последовательного протокола для подключения основного МК.

Блок-схема высокочастотной подсистемы wM-Bus

Рис. 4. Блок-схема высокочастотной подсистемы wM-Bus на основе МК и высокочастотных приборов

Второй вариант состоит в том, чтобы пакет wM-Bus работал на специальном МК и подключал высокочастотное устройство через интерфейс SPI, вообще избегая использования последовательного протокола. Очень важно заранее выяснить распределение функций аппаратного и программного обеспечения внутри «умного» счетчика, так как каждая из архитектур имеет свои достоинства и недостатки. При этом основное внимание обращается на следующее:

  1. Сертификация метрологической части и пакета wM-Bus.
  2. Требования в реальном времени: как измерение, так и высокочастотная связь — задачи с критичными временными требованиями, при решении которых могут иногда возникать проблемы, когда МК должен одновременно выполнять метрологическую и коммуникационную задачи.
  3. Модернизация встроенных программ на месте: для высокочастотной связи и/или для всего счетчика.

По этим причинам производители часто предпочитают сохранять модульность своих систем за счет разделения функций метрологии и связи (метод двух МК). Гораздо более высокой гибкости можно добиться за счет выбора МК и высокочастотных устройств с помощью независимой оптимизации цены и/или производительности. Обычно используются несколько совместимых по выводам вариантов МК или высокочастотного устройства, благодаря которым можно получить более высокую производительность или дополнительные функции.

Решение с одним МК может дать некоторую экономию, но обычно приводит к усложнению сертификации метрологической части, так как код встроенной метрологической программы должен быть защищен от злонамеренной подделки или другой возможности манипуляции или выведения из строя.

Сверхмаломощные микроконтроллеры MSP430 с FRAM — потребление энергии на 50% ниже

Новая серия микроконтроллеров MSP430 Wolverine компании TI обеспечивает настоящий прорыв с точки зрения более низкого энергопотребления и имеет многочисленные преимущества перед обычными устройствами МК на основе флэш-памяти. Микроконтроллеры MSP430 с FRAM производят запись более чем в 160 раз быстрее и используют как минимум в 250 раз меньше энергии на бит, чем флэш-память. Они обладают фактически неограниченной долговечностью записи (>1014 циклов), обеспечивают сохранение данных при любых режимах питания и предоставляют непревзойденную свободу благодаря своей унифицированной архитектуре памяти. Последняя позволяет разработчикам изменять секционирование памяти для программ или памяти данных в ПО и вообще устраняет потребность в отдельном EEPROM (СППЗУ) и в статическом ОЗУ (SRAM) с резервированием от батареи.

Использование микроконтроллера MSP430 на основе FRAM для работы пакета wM-Bus является очевидным выбором и наименее энергозатратным решением из числа имеющихся сегодня. Относительно простой пакет wM-Bus, который зависит от возможностей конфигурации, может использовать код от 12 до 30 кбайт и легко интегрируется в новейшие устройства Wolverine компании TI. Возможность поразрядной записи FRAM позволяет на месте производить обновление дифференцирующего ПО, снижает количество передаваемых данных и тем самым позволяет wM-Bus работать в N-режиме с очень низкой скоростью передачи: 2,4 или 4,8 кбит/с.

Сочетание крайне низкой мощности с быстрой записью теперь позволяет обновлять встроенные программы не только пакета wM-Bus, но и других элементов ПО «умных» счетчиков. Удаленное обновление встроенных программ обычно считается обязательной характеристикой любого «умного» счетчика, применяемого сегодня.

Заключение

Сочетание новейших технологий, например устройств высокоэффективного управления питанием, сверхмаломощных МК с FRAM с устройствами ускорения метрологических операций и высокопроизводительными высокочастотными приборами, рассчитанными на диапазон менее 1 ГГц, открывает дорогу новому поколению «умных» бытовых счетчиков.

Компания TI является ведущим поставщиком кремниевых приборов для применения в «умных» сетях, предоставляя самый широкий ассортимент устройств для инфраструктуры таких сетей.

Высокопроизводительное семейство высокочастотных приемопередатчиков CC1120 компании TI подходит для выполнения всех требований стандарта EN13757-4, относящегося к wM-Bus, и достижения высшего Hr-класса производительности приемника во всех доступных режимах (S, T, C, N, R и F).

Высокопроизводительный приемопередатчик CC1120 от TI является первым высокочастотным устройством такого типа, которое может полностью поддерживать в N-режиме прием телеграмм с заголовком, состоящим всего из 16 бит, а также соответствует требованию приема в T-режиме с колебаниями скорости потока данных в пределах ±12% (88–112 кбит/с) без каких-либо потерь в пакете.

Имея такие уникальные характеристики, как сверхбыстрое установление режима АРУ и определение заголовка в 4 бита, платформа CC1120 является сегодня лучшим высокочастотным выбором для решений с wM-Bus в любой полосе частоты (868, 433 или 169 МГц). Функция WaveMatch в CC1120 позволяет одновременно поддерживать в счетчике фреймы A и B во всех режимах wM-Bus одновременно.

Новые микроконтроллеры MSP430 на основе FRAM устанавливают новый стандарт сверхнизкого потребления мощности и представляют еще один важный шаг вперед в области технологий. При доступности всех этих компонентов заказчики могут уже сегодня начинать конструировать «умные» счетчики следующего поколения с подсистемами wM-Bus на 169, 433 или 868 МГц.

Литература

  1. Communication systems for and remote reading of meters. Part 3: Dedicated application layer. English version prEN137573:2011.
  2. Communication system for meters and remote reading of meters. Part 4: Wireless meter readout. English version prEN 13757-4:2011.
  3. Технические данные компании TI: CC1120 и CC1125.
  4. Технические параметры OMS: http://www.zvei.org/index.php? id=4731
  5. Платформа Wolverine на основе FRAM от TI: http://www.ti.com/wolverine
  6. Полностью о wM-Bus от TI: http://www.ti.com/lit/ml/slyt433/slyt433.pdf

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке