วิธีรวมการเชื่อมต่อไร้สายเข้ากับสมาร์ทมิเตอร์

การเชื่อมต่อแบบไร้สายเป็นสิ่งจำเป็นในสมาร์ทมิเตอร์สำหรับเครือข่ายการจ่ายไฟฟ้า น้ำ ก๊าซ และความร้อนในชุมชน แต่การออกแบบตัวรับส่งสัญญาณไร้สายตั้งแต่เริ่มต้นนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทายและใช้เวลานาน สมาร์ทมิเตอร์ต้องการโซลูชั่นไร้สายประสิทธิภาพสูงที่ตรงตามมาตรฐานสากลที่หลากหลาย รวมถึง FCC part 15 และ part 90 ในสหรัฐอเมริกา, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 ในยุโรป, ARIB STD T67, T108 ในญี่ปุ่น และ SRRC ในประเทศจีน ซึ่งจะต้องรองรับอัตราการรับส่งข้อมูลสูงสุด 500 กิโลบิตต่อวินาที (kbps) ต้องมีการเข้ารหัสและการตรวจสอบสิทธิ์ที่ปลอดภัย มีขนาดกะทัดรัด และทำงานในสภาพแวดล้อมที่ท้าทายได้ถึง +85°C โดยการใช้งานจำนวนมากต้องการแบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานนานหลายปี

เพื่อตอบสนองความท้าทายเหล่านั้น นักออกแบบสามารถเลือกไอซีตัวรับส่งสัญญาณ RF หรือโมดูลตัวรับส่งสัญญาณ RF สำเร็จรูป ขึ้นอยู่กับความต้องการของสมาร์ทมิเตอร์ มีไอซีตัวรับส่งสัญญาณ RF ที่รับประกันลิงก์บัดเจ็ด RF เกิน 140 dB พร้อมกำลังขับสูงสุด +16 dBm และรองรับ SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN และการเชื่อมต่อเครือข่าย IEEE 802.15.4g มีโมดูล RF ที่รองรับโปรโตคอล Wireless M-Bus หรือการมอดูเลตวิทยุหลายแบบ เช่น LoRa, (G)FSK, (G)MSK และ BPSK พร้อมตัวเลือกสำหรับแบนด์วิดธ์ที่ปรับได้ ปัจจัยการแพร่กระจาย กำลังส่ง และอัตราการเข้ารหัส เพื่อตอบสนองความต้องการใช้งานที่หลากหลายและสอดคล้องกับกฎระเบียบระหว่างประเทศรวมถึง ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 part 15, 24 , 90, 101 และ ARIB STD-T30, T-67 และ T-108 โมดูลเหล่านี้เป็นระบบ RF ที่สมบูรณ์ ซึ่งต้องการเพียงเสาอากาศ และรวมถึงการเข้ารหัสและการรับรองความถูกต้องที่ปลอดภัย และโหมดพลังงานต่ำพิเศษเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่

บทความนี้จะกล่าวถึงความท้าทายในการเชื่อมต่อที่ผู้ออกแบบสมาร์ทมิเตอร์ไร้สายต้องเผชิญ และพิจารณาแนวทางแก้ไขที่เป็นไปได้ จากนั้นจะนำเสนอตัวเลือกต่าง ๆ รวมถึงไอซีตัวรับส่งสัญญาณ RF และโมดูล RF จาก STMicroelectronics, Move-X และ Radiocrafts พร้อมกับข้อควรพิจารณาในการออกแบบเมื่อรวมเสาอากาศ

หนึ่งในการตัดสินใจครั้งแรกที่นักออกแบบต้องเผชิญคือการเลือกโปรโตคอลการสื่อสาร ตัวเลือกทั่วไป ได้แก่ การสื่อสารระยะใกล้ (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi สำหรับ Internet of Things (Wi-Fi สำหรับ IoT) และ Sub Gigahertz (SubGHz) มีสี่ปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณา:

• ปริมาณข้อมูลที่ต้องการ
• โหมดพลังงานต่ำ
• ช่วงการส่งข้อมูลที่ต้องการ
• ความต้องการในการเข้าถึงเว็บ

Wi-Fi สำหรับ IoT อาจเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานที่ต้องการการถ่ายโอนข้อมูลสูงสุด แต่ก็มีความต้องการพลังงานสูงสุดเช่นกัน ในขณะที่ SubGHz ต้องการพลังงานเพียงปานกลางและให้ช่วงการส่งข้อมูลสูงสุด โปรโตคอลการสื่อสารอื่น ๆ มีประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: Wi-Fi สำหรับ IoT มีอัตราการส่งข้อมูลและการใช้พลังงานมากที่สุด ในขณะที่ SubGHz ให้ช่วงที่ขยายมากที่สุดและมีความต้องการพลังงานในระดับปานกลาง (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

สมาร์ทมิเตอร์จำนวนมากต้องการแบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานหลายปี ทำให้การใช้เทคโนโลยีอย่าง Wi-Fi สำหรับ IoT เป็นเรื่องที่ท้าทาย การใช้งานเหล่านี้มีการจำกัดการรับส่งข้อมูล ซึ่งสามารถใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยี NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth หรือ SubGHz แม้ว่า NFC จะมีการใช้พลังงานที่ต่ำ แต่ก็มีอัตราการส่งข้อมูลและช่วงข้อมูลที่ต่ำเช่นกัน ทำให้ไม่สามารถนำมาใช้ในสมาร์ทมิเตอร์ได้

นอกจากนี้การออกแบบโดยรวมของสมาร์ทมิเตอร์ยังมีความสำคัญในการพิจารณาการใช้พลังงาน การรักษาอุปกรณ์ให้อยู่ในสถานะใช้พลังงานต่ำให้นานที่สุดและเข้าสู่สถานะใช้งานในช่วงเวลาที่ต้องการให้สั้นที่สุดเป็นปัจจัยสำคัญในการยืดอายุแบตเตอรี่ในสมาร์ทมิเตอร์แบบไร้สาย ทางเลือกระหว่างการใช้การสื่อสารด้วยความถี่วิทยุ (RF) แบบโมดูลหรือแบบแยกส่วนเป็นอีกปัจจัยหนึ่งในความสำเร็จของการออกแบบ เมื่อตัดสินใจ ให้พิจารณาประสิทธิภาพ ขนาดโซลูชัน ความยืดหยุ่นด้านขนาด การรับรอง เวลาสู่ตลาด และข้อกำหนดด้านต้นทุน

ประโยชน์ของการใช้โมดูล RF

โมดูล RF เป็นระบบย่อยการสื่อสารสำเร็จรูป ซึ่งอาจรวมไอซี RF, ออสซิลเลเตอร์, ฟิลเตอร์, เพาเวอร์แอมป์ และส่วนประกอบแบบพาสซีฟต่าง ๆ ไม่จำเป็นต้องใช้ความเชี่ยวชาญด้าน RF เพื่อใช้โซลูชันโมดูล ทำให้นักออกแบบสามารถมุ่งเน้นด้านอื่น ๆ ของการออกแบบสมาร์ทมิเตอร์ โมดูล RF ทั่วไปได้รับการสอบเทียบและรับรองตามมาตรฐานที่กำหนด นอกจากนี้ โมดูลจะรวมวงจรจับคู่เครือข่ายเพื่อลดความยุ่งยากในการรวมเสาอากาศและลดการสูญเสียสัญญาณ เสาอากาศสามารถอยู่ทั้งภายในหรือภายนอกด้วยโซลูชันโมดูล

โมดูลนั้นง่ายต่อการรวมเข้ากับการออกแบบ นอกจากนั้นการรวมการออกแบบนี้ทำให้การผลิตนั้นง่ายขึ้น เนื่องจากไม่มีอุปกรณ์ RF แบบแยกส่วนที่ซับซ้อนให้จัดการ เพียงแค่โมดูลที่ใช้แผงวงจรพิมพ์ (PCB) มาตรฐานเท่านั้น ผู้ผลิตโมดูลได้จัดการความแตกต่างของการผสานรวมระบบ RF แล้ว การใช้โมดูลช่วยลดความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบ RF แบบไม่ต่อเนื่อง เช่น การได้รับการรับรอง มีประสิทธิภาพและระดับประสิทธิภาพโดยรวมที่ต้องการ และออกสู่ตลาดได้เร็วขึ้น

ประโยชน์ของการใช้ไอซีแบบแยกส่วน

แม้ว่าจะมีความซับซ้อนกว่า แต่การออกแบบที่ใช้ไอซีแบบแยกส่วนสามารถให้ประโยชน์ที่สำคัญในแง่ของต้นทุน ขนาดโซลูชัน และฟอร์มแฟคเตอร์ ในกรณีส่วนใหญ่โซลูชันที่ใช้โมดูลจะมีราคาแพงกว่าโซลูชันที่ใช้ไอซี ในกรณีที่ใช้การออกแบบระบบย่อย RF ในปริมาณมาก ต้นทุนการผลิตที่ลงลงจะชดเชยค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมของการออกแบบโซลูชันที่ใช้ไอซี นอกจากนี้ยังสามารถใช้ระบบย่อย RF ทั่วไปในแพลตฟอร์มสมาร์ทมิเตอร์ไร้สายหลายแพลตฟอร์ม เพิ่มปริมาณการผลิตโดยรวมและลดต้นทุนระยะยาวอีกด้วย

การออกแบบที่ใช้ไอซีแบบแยกส่วนมักมีขนาดเล็กกว่าโซลูชันแบบโมดูล นั่นอาจเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในการใช้งานที่มีพื้นที่จำกัด นอกเหนือจากการใช้พื้นที่ขนาดเล็กแล้ว การออกแบบ IC แบบแยกส่วนยังสามารถจัดรูปแบบให้เข้ากับพื้นที่ที่มีอยู่ได้ง่ายขึ้นอีกด้วย

ไอซีตัวรับส่งสัญญาณ RF ในย่าน Sub GHz

นักออกแบบที่ต้องการโซลูชันที่ใช้ไอซีแบบแยกในย่านความถี่ SubGHz สามารถหันไปใช้ S2-LP ซึ่งเป็นไอซีตัวรับส่งสัญญาณ RF พลังงานต่ำประสิทธิภาพสูงที่มีช่วงอุณหภูมิการทำงาน -40°C ถึง +105°C ในแพ็คเกจ QFN24 ขนาด 4 x 4 มม. (รูปที่ 2) การออกแบบพื้นฐานใช้งานในย่านความถี่ที่ไม่ต้องใช้ใบอนุญาตทางวิทยาศาสตร์และการแพทย์ (ISM) และแถบความถี่อุปกรณ์ระยะสั้น (SRD) ที่ 433, 512, 868 และ 920 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) อีกทางเลือกหนึ่ง สามารถตั้งโปรแกรม S2-LP ให้ทำงานที่ย่านความถี่อื่นๆ เช่น 413-479, 452-527, 826-958 และ 904-1055 MHz สามารถใช้รูปแบบการมอดูเลตได้หลากหลาย รวมถึง 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK และ ASK S2-LP มีลิงก์บัดเจ็ด RF > 140 dB สำหรับช่วงการสื่อสารระยะยาว และตรงตามข้อกำหนดด้านกฎระเบียบในสหรัฐอเมริกา ยุโรป ญี่ปุ่น และจีน

รูปที่ 2: ไอซี RF นี้ถูกกำหนดไว้สำหรับการทำงานที่ +105 °C และบรรจุใน QFN24 ขนาด 4 x 4 มม. (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

เพื่อให้กระบวนการผสานรวมง่ายขึ้นเมื่อใช้ S2-LP นักออกแบบสามารถใช้บาลัน BALF-SPI2-01D3 ขนาดเล็กพิเศษที่มีอินพุต 50 Ω ที่คอนจูเกตจับคู่กับ S2-LP สำหรับการทำงานความถี่ 860 - 930 MHz ซึ่งจะรวมเครือข่ายที่ตรงกันและตัวกรองฮาร์โมนิกและใช้เทคโนโลยีอุปกรณ์แบบพาสซีฟ (IPD) ในตัวบนพื้นผิวแก้วที่ไม่นำไฟฟ้าเพื่อให้ประสิทธิภาพ RF ที่ดีที่สุด

การออกแบบโดยใช้ S2-LP และการทำงานในย่านความถี่ ISM 868 MHz ISM สามารถพัฒนาได้โดยใช้บอร์ดขยาย X-NUCLEO-S2868A2 (รูปที่ 3) X-NUCLEO-S2868A2 เชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32 Nucleo โดยใช้การเชื่อมต่อแบบอนุกรมอุปกรณ์ต่อพ่วง (SPI) และพินอินพุต-เอาท์พุตวัตถุประสงค์ทั่วไป (GPIO) การเพิ่มหรือถอดตัวต้านทานออกจากบอร์ดสามารถเปลี่ยน GPIO บางตัวได้ นอกจากนี้ บอร์ดยังเข้ากันได้กับขั้วต่อ Arduino UNO R3 และ ST morpho

รูปที่ 3: บอร์ดขยาย X-NUCLEO-S2868A2 สามารถเร่งการพัฒนาการออกแบบโดยใช้ย่านความถี่ 868 MHz ISM (แหล่งที่มารูปภาพ: DigiKey)

โมดูล RF ช่วยลดความยุ่งยากในการรวมระบบ

สำหรับการใช้งานที่ต้องการเวลาในการออกสู่ตลาดอย่างรวดเร็วและใช้พลังงานต่ำ MAMWLE-00 โมดูลสามารถลดความซับซ้อนของการรวมระบบ ใช้ขั้วต่อ U.FL 50 โอห์มสำหรับเอาต์พุต RF และมีแกน RISC Arm® Cortex® M4 32 บิต 48 MHz ในขนาด 16.5 x 15.5 x 2 มม. โมดูล RF นี้มีตัวเลือกสถานะการทำงานที่ใช้พลังงานต่ำหลายแบบ ซึ่งใช้การมอดูเลตวิทยุหลายแบบ รวมถึง LoRa, (G)FSK, (G)MSK และ BPSK โดยมีตัวเลือกแบนด์วิดท์, ปัจจัยการแพร่กระจาย (SF), กำลังไฟฟ้า และอัตราการเข้ารหัส (CR) ที่แตกต่างกัน (รูปที่ 4) ตัวเร่งการเข้ารหัส/ถอดรหัสฮาร์ดแวร์แบบฝังสามารถใช้มาตรฐานต่างๆ เช่น มาตรฐานการเข้ารหัสขั้นสูง (AES ทั้ง 128 และ 256 บิต) และตัวเร่งคีย์สาธารณะ (PKA) สำหรับ PKA สำหรับ Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann หรือ Elliptic Curve Cryptography (ECC) เหนือสนาม Galois

รูปที่ 4: โมดูล MAMWLE-00 ให้ทางเลือกแก่นักออกแบบสำหรับโหมดประหยัดพลังงานและมาตรฐานการปรับ RF ต่างๆ (แหล่งที่มารูปภาพ: DigiKey)

โมดูล RF M-Bus

การใช้โปรโตคอลไร้สาย M-Bus นักออกแบบสามารถหันไปใช้ Radiocrafts RC1180-MBUS โมดูลตัวรับส่งสัญญาณ RF ที่มีขนาด 12.7 x 25.4 x 3.7 มม. ในแพ็คเกจติดตั้งบนพื้นผิวที่มีฉนวนป้องกัน (รูปที่ 5) โมดูล RF นี้มีการเชื่อมต่อเสาอากาศแบบขาเดียวและอินเทอร์เฟซ UART สำหรับการกำหนดค่าและการสื่อสารแบบอนุกรม และเป็นไปตามข้อกำหนดของ Wireless M-Bus โหมด S, T และ R2 ทำงานใน 12 ช่องสัญญาณในย่านความถี่ 868 MHz และได้รับการรับรองล่วงหน้าสำหรับการใช้งานภายใต้ข้อบังคับวิทยุของยุโรปสำหรับการใช้งานโดยไม่ได้รับอนุญาต

รูปที่ 5: โปรโตคอลไร้สาย M-Bus สามารถใช้งานได้โดยใช้โมดูลตัวรับส่งสัญญาณ RF RC1180-MBUS ของ Radiocrafts (แหล่งรูปภาพ: DigiKey

บอร์ดเซ็นเซอร์ RC1180-MBUS3-DK พร้อมชุดพัฒนาโมดูลวิทยุ M-Bus ช่วยให้นักออกแบบประเมินโมดูลเซ็นเซอร์ออนบอร์ด ปรับแต่ง และสร้างต้นแบบได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งตัวบอร์ดประกอบด้วยเสาอากาศโมโนโพล 50 Ω สองเสาพร้อมขั้วต่อ SMA ตัวผู้ สายเคเบิล USB สองเส้น และแหล่งจ่ายไฟ USB (รูปที่ 6) ชุดพัฒนานี้สามารถเป็นคอนเดนเซอร์ เกตเวย์ และ/หรือตัวรับสำหรับบอร์ดเซ็นเซอร์ได้

รูปที่ 6: ชุดพัฒนา M-Bus นี้ประกอบด้วยเสาอากาศโมโนโพลแบบคลื่นสี่ส่วน 50 Ω สองตัวพร้อมขั้วต่อ SMA ตัวผู้ สายเคเบิล USB สองเส้น และแหล่งจ่ายไฟ USB (ไม่แสดง) (แหล่งที่มารูปภาพ: DigiKey)

การรวมเสาอากาศ

เมื่อเชื่อมต่อเสาอากาศกับโมดูล RF Radiocrafts แนะนำให้เชื่อมต่อเสาอากาศโดยตรงกับพิน RF ซึ่งตรงกับ 50 โอห์ม (Ω) หากไม่สามารถเชื่อมต่อเสาอากาศกับพิน RF ได้ การเชื่อมต่อ PCB ระหว่างพิน RF และขั้วต่อเสาอากาศควรเป็นสายส่ง 50 Ω ในกรณีของ FR4 PCB สองชั้นที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริก 4.8 ความกว้างของสายส่งไมโครสตริปควรเป็น 1.8 เท่าของความหนาของบอร์ด สายส่งควรอยู่ที่ด้านบนของ PCB โดยมีระนาบกราวด์ที่ด้านล่างของ PCB ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ FR4 PCB สองชั้นที่มีความหนา 1.6 มม. มาตรฐาน ความกว้างของสายส่งไมโครสตริปควรเป็น 2.88 มม. (1.8 x 1.6 มม.)

เสาอากาศแส้แบบแบบหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นเป็นการใช้งานที่ตรงไปตรงมาและมีอิมพีแดนซ์ 37 Ω เมื่อใช้เหนือระนาบพื้น และโดยปกติแล้วไม่จำเป็นต้องใช้วงจรการจับคู่ 50 Ω อีกทางหนึ่ง สามารถสร้างเสาอากาศ PCB ได้ด้วยทองแดงโดยถอดระนาบกราวด์ออกจากด้านหลัง PCB ส่วนที่เหลือของ PCB ควรมีระนาบกราวด์ใหญ่พอ ๆ กับเสาอากาศเพื่อทำหน้าที่ถ่วงน้ำหนัก หากเสาอากาศ PCB สั้นกว่าหนึ่งในสี่ของคลื่น ควรเพิ่มเครือข่าย 50 Ω ที่ตรงกัน

สรุป

เมื่อเลือกระหว่างโปรโตคอลไร้สายต่าง ๆ สำหรับใช้ในสมาร์ทมิเตอร์ไร้สาย นักออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยหลายประการ รวมถึงอัตราการส่งข้อมูล การใช้พลังงาน ช่วงการส่งข้อมูล และความจำเป็นในการเข้าถึงเว็บ นอกจากนี้ ทางเลือกระหว่างไอซีและโมดูล RF เกี่ยวข้องกับการพิจารณาระหว่างขนาดของโซลูชัน ต้นทุน ความยืดหยุ่น เวลาในการออกสู่ตลาด การปฏิบัติตามกฎระเบียบ และปัจจัยอื่นๆ เมื่อกำหนดโปรโตคอล RF ที่เหมาะสมแล้ว การเลือกระหว่างไอซีและโมดูล และระบบ RF พื้นฐานที่ออกแบบ การรวมเสาอากาศมีความสำคัญต่อการพัฒนาสมาร์ทมิเตอร์ไร้สายที่ประสบความสำเร็จ