Como integrar a conectividade sem fio em medidores inteligentes

A conetividade sem fio é essencial em medidores inteligentes para as redes de distribuição elétrica, de água, de gás e de aquecimento comunitário, mas projetar um transceptor sem fio do zero é um processo desafiador e muito demorado. Aplicações para medidores inteligentes exigem soluções sem fio de alto desempenho que atendam uma variedade de padrões internacionais, incluindo FCC parte 15 e parte 90 nos EUA, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 na Europa, ARIB STD T67, T108 no Japão e SRRC na China. Elas precisam suportar taxas de dados de até 500 kilobits por segundo (kbps). Elas devem incluir criptografia e autenticação seguras, ser compactas e operar em ambientes desafiadores de até +85 °C. Muitas aplicações exigem uma vida útil de bateria de vários anos.

Para enfrentar esses desafios, os projetistas podem escolher entre CIs transceptores de RF ou módulos transceptores de RF completos, dependendo das necessidades da aplicação do medidor inteligente. Estão disponíveis CIs transceptores de RF que garantem um balanço de enlace de RF superior a 140 dB com potência de saída de até +16 dBm e que suportam SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN e conectividade de rede IEEE 802.15.4g. Estão disponíveis módulos de RF que suportam a pilha do protocolo Wireless M-Bus ou múltiplas modulações de rádio como: LoRa, (G)FSK, (G)MSK e BPSK; com opções de largura de banda adaptável, fator de propagação, potência de transmissão e taxa de codificação para atender a várias necessidades de aplicação, e estão em conformidade com uma gama de regulamentações internacionais, incluindo ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 partes 15, 24, 90, 101 e ARIB STD-T30, T-67 e T-108. Esses módulos são sistemas de RF completos, necessitando apenas de uma antena, e incluem criptografia e autenticação seguras e modos de energia ultra-baixa para maior vida útil da bateria.

Este artigo analisa os desafios de conectividade enfrentados pelos projetistas de medidores inteligentes sem fio e examina as possíveis soluções. Em seguida, apresenta uma gama de opções, incluindo CIs transceptores de RF e módulos de RF da STMicroelectronics, Move-X e Radiocrafts, juntamente com considerações de projeto para a integração da antena.

Uma das primeiras decisões enfrentadas pelos projetistas é a seleção de um protocolo de comunicação. As escolhas comuns incluem Comunicação de Campo Próximo (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi para a Internet das Coisas (Wi-Fi para IoT) e Sub Gigahertz (SubGHz). Há quatro fatores importantes a serem considerados:

• Taxa de transmissão de dados requerida
• Modos de baixa potência
• Alcance de transmissão requerido
• Necessidade de acesso à web

O Wi-Fi para IoT pode ser a melhor escolha para aplicações que necessitam de máxima transferência de dados, mas também têm os mais altos requisitos de potência. Enquanto o SubGHz requer apenas potência moderada e fornece a faixa máxima de transmissão, outros protocolos de comunicação oferecem conjuntos variáveis de prós e contras de desempenho (Figura 1).

Figura 1: o Wi-Fi para IoT tem a maior taxa de transmissão de dados e consumo de energia, enquanto o SubGHz oferece o alcance mais extenso com demandas moderadas de energia. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Muitas aplicações para medidores inteligentes exigem baterias com duração de vários anos, o que torna desafiador o uso de uma tecnologia como o Wi-Fi para IoT. Felizmente, essas aplicações também têm requisitos relativamente limitados de taxa transmissão de dados e podem se beneficiar do uso das tecnologias NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth ou SubGHz. Embora o NFC tenha um consumo de energia atrativamente baixo, sua taxa de transmissão de dados e seu alcance igualmente baixos podem eliminá-lo das considerações em aplicações de medidores inteligentes.

Além disso, o projeto geral do medidor inteligente é vital para determinar o consumo de energia. Manter o dispositivo em um estado de baixa energia o maior tempo possível e entrar em um estado ativo pelo menor tempo necessário é um fator-chave para estender a vida útil da bateria em medidores inteligentes sem fio. A escolha entre usar uma implementação de comunicação por rádio frequência (RF) baseada em módulo ou discreta é outro fator no sucesso do projeto. Ao tomar essa decisão, considere o desempenho, o tamanho da solução, a flexibilidade da pegada, as certificações, o tempo de colocação no mercado e os requisitos de custo.

Benefícios da utilização de um módulo de RF

Um módulo de RF é um subsistema completo de comunicações. Pode incluir um CI de RF, oscilador, filtros, amplificador de potência e vários componentes passivos. Não é necessária experiência em RF para usar uma solução de módulo, permitindo que os projetistas se concentrem em outros aspectos do projeto do medidor inteligente. Um módulo de RF típico chega calibrado e certificado pelas normas exigidas. Além disso, o módulo incluirá o circuito da rede de casamento para facilitar a integração da antena e minimizar qualquer perda de sinal. A antena pode ser interna ou externa nas soluções de módulo.

Os módulos são simples de integrar ao projeto. A simplicidade da integração ao projeto se estende aos fluxos do processo de fabricação, uma vez que não há dispositivos discretos complexos de RF para manusear, apenas um módulo padrão baseado em placa de circuito impresso (PCI). O fabricante do módulo já lidou com todas as nuances da integração dos sistemas de RF. O uso de um módulo reduz o risco associado a um projeto de RF discreto, como a obtenção de certificações, atingir a eficiência necessária e níveis de desempenho geral, além de acelerar o tempo de colocação no mercado.

Benefícios de implementações de Cis discretos

Embora sejam mais complexos, os projetos de Cis discretos podem oferecer benefícios importantes em termos de custo, tamanho da solução e fator de forma. Um módulo será mais caro na maioria dos casos do que uma solução baseada em CI. Nos casos em que o projeto do subsistema de RF é usado em grandes volumes, o custo adicional do projeto da solução baseada em CI é compensado pelos custos de fabricação mais baixos. Também é possível utilizar um subsistema comum de RF em múltiplas plataformas de medidores inteligentes sem fio, aumentando o volume total de produção e reduzindo ainda mais os custos a longo prazo.

Um projeto baseado em CI discreto é quase sempre menor do que uma solução baseada em módulos. Isso pode ser uma consideração importante em aplicações com limitações de espaço. Além de ocupar uma área menor, um projeto de CI discreto pode ser mais facilmente modelado para caber no espaço disponível.

CI transceptor de RF SubGHz

Os projetistas que precisam de uma solução discreta baseada em CI na banda SubGHz podem recorrer ao S2-LP, um CI transceptor de RF de alto desempenho e ultra-baixo consumo, com uma faixa de temperatura operacional de -40 °C a +105 °C, em um encapsulamento QFN24 de 4 x 4 mm (Figura 2). O projeto básico opera nas faixas industriais científicas e médicas (ISM) sem necessidade de licença e nas faixas de dispositivos de curto alcance (SRD) a 433, 512, 868 e 920 megahertz (MHz). Opcionalmente, o S2-LP pode ser programado para operar em outras bandas de freqüência como 413-479, 452-527, 826-958, e 904-1055 MHz. Uma variedade de esquemas de modulação pode ser implementada, incluindo 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK e ASK. O S2-LP tem um balanço de enlace de RF > 140 dB para comunicação de longo alcance e atende aos requisitos regulatórios nos Estados Unidos, Europa, Japão e China.

Figura 2: Esse CI de RF é especificado para operação a +105 °C e é encapsulado em um QFN24 de 4 x 4 mm. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Para simplificar o processo de integração ao usar o S2-LP, os projetistas podem utilizar o balun ultra-miniatura BALF-SPI2-01D3 com uma entrada nominal de 50 Ω que é conjugada com o S2-LP para frequência de operação de 860-930 MHz. Ele integra uma rede de casamento e filtro de harmônicas, e utiliza a tecnologia de dispositivo passivo integrado (IPD) em um substrato de vidro não-condutor para proporcionar um desempenho otimizado de RF.

Os projetos que utilizam o S2-LP e operam na banda ISM de 868 MHz podem ser desenvolvidos utilizando a placa de expansão X-NUCLEO-S2868A2 (Figura 3). O X-NUCLEO-S2868A2 se conecta ao microcontrolador STM32 Nucleo usando conexões de interface periférica serial (SPI) e pinos de entrada/saída de uso geral (GPIO). A adição ou remoção de resistores na placa pode mudar algumas GPIOs. Além disso, a placa é compatível com os conectores Arduino UNO R3 e ST morpho.

Figura 3: A placa de expansão X-NUCLEO-S2868A2 pode acelerar o desenvolvimento de projetos utilizando a banda ISM de 868 MHz. (Fonte da imagem: DigiKey)

O módulo de RF simplifica a integração

Para aplicações que requerem um tempo de colocação no mercado reduzido e baixo consumo de energia, o módulo MAMWLE-00 pode simplificar a integração do sistema. Ele usa um conector U.FL de 50 Ohms para a saída de RF e tem um núcleo RISC Arm® Cortex® M4 de 48 MHz e 32 bits em um encapsulamento de 16,5 x 15,5 x 2 mm. Esse módulo de RF tem várias opções de estados de operação de baixa potência. Ele implementa múltiplas modulações de rádio, incluindo LoRa, (G)FSK, (G)MSK e BPSK, com diferentes opções de largura de banda, fator de propagação (SF), potência e taxa de codificação (CR) (Figura 4). Um hardware acelerador embarcado de criptografia/descriptografia pode implementar vários padrões como o padrão avançado de criptografia (AES, tanto 128 como 256 bits) e acelerador de chave pública (PKA) de PKA para Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann ou Criptografia de Curvas Elípticas (ECC) sobre campos Galois.

Figura 4: O módulo MAMWLE-00 oferece aos projetistas opções para modos de economia de energia e vários padrões de modulação de RF. (Fonte da imagem: DigiKey)

Módulo de RF M-Bus

Usando o protocolo sem fio M-Bus, os projetistas podem recorrer ao módulo transceptor de RF RC1180-MBUS da Radiocrafts, que mede 12,7 x 25,4 x 3,7 mm em um encapsulamento blindado de montagem em superfície (Figura 5). Esse módulo de RF tem uma conexão de antena de um pino e uma interface UART para configuração e comunicação serial. Ele atende às especificações sem fio M-Bus dos modos S, T e R2, opera em 12 canais na faixa de freqüência de 868 MHz e é pré-certificado para operação pelas regulamentações de rádio européias para uso sem licença.

Figura 5: O protocolo sem fio M-Bus pode ser implementado utilizando o módulo transceptor de RF RC1180-MBUS da Radiocrafts (Fonte de imagem: DigiKey)

A placa sensora RC1180-MBUS3-DK com um kit de desenvolvimento de módulo de rádio M-Bus torna simples para os projetistas avaliar rapidamente o módulo sensor embarcado, ajustar a aplicação e construir protótipos. Inclui duas antenas monopolo de um quarto de onda de 50 Ω com conectores macho SMA, dois cabos USB e uma fonte de alimentação USB (Figura 6). Esse kit de desenvolvimento pode ser um concentrador, um gateway e/ou um receptor para a placa sensora.

Figura 6: Esse kit de desenvolvimento M-Bus inclui duas antenas monopolo de um quarto de onda de 50 Ω com conectores macho SMA, dois cabos USB e uma fonte de alimentação USB (não mostrada). (Fonte da imagem: DigiKey)

Integração de antenas

Ao conectar uma antena a um módulo de RF, a Radiocrafts recomenda que a antena seja conectada diretamente ao pino de RF, que é casado em 50 Ohms (Ω). Se não for possível conectar a antena ao pino de RF, a pista da PCI entre o pino de RF e o conector da antena deve ser uma linha de transmissão de 50 Ω. No caso de uma PCI FR4 de duas camadas com uma constante dielétrica de 4,8, a largura da linha de transmissão da microtrilha deve ser 1,8 vezes a espessura da placa. A linha de transmissão deve estar no lado superior da PCI com um plano terra na parte inferior da placa. Por exemplo, ao utilizar uma PCI padrão FR4 de 1,6 mm de espessura, de duas camadas, a largura da linha de transmissão da microtrilha deve ser de 2,88 mm (1,8 x 1,6 mm).

Uma antena de chicote de um quarto de onda é a implementação mais simples, e tem uma impedância de 37 Ω quando usada sobre um plano terra, e geralmente não é necessário um circuito de casamento de 50 Ω. Como opção, uma antena PCI pode ser fabricada usando uma trilha de cobre com o plano terra removido da parte traseira da PCI. Deve haver um plano terra no restante da PCI, tão grande quanto a antena para atuar como um contrapeso. Se a antena PCI for menor que um quarto de onda, uma rede de casamento de 50 Ω deve ser adicionada.

Resumo

Ao selecionar entre vários protocolos sem fio para uso em medidores inteligentes sem fio, os projetistas precisam considerar vários fatores, incluindo a taxa de transmissão de dados, consumo de energia, alcance de transmissão e a necessidade de acesso à web. Além disso, a escolha entre CIs e módulos de RF envolve prós e contras entre tamanho da solução, custo, flexibilidade, tempo de colocação no mercado, conformidade com regulamentações e outros fatores. Uma vez identificado o protocolo de RF apropriado, feita a escolha entre CIs e módulos e o sistema básico de RF projetado, a integração da antena é fundamental para se desenvolver um medidor inteligente sem fio com sucesso.