如何将无线连接集成到智能仪表中

来源：Digi-Key
作者：Jeff Shepard

对于电力、水、天然气和社区热力管网的智能仪表而言，无线连接至关重要，但从零开始设计一款无线收发器是一项颇具挑战性的工作，而且非常耗时。智能仪表应用需要高性能的无线解决方案，以满足各种国际标准要求，包括美国 FCC 第 15 部分和第 90 部分、欧洲 ETSI EN 300 220 和 ETSI EN 303 131、日本 ARIB STD T67 和 T108 以及中国 SRRC 标准。这些解决方案需要支持高达 500 kbps 的数据速率，并且必须包括安全加密和认证功能，而且结构紧凑，能够在高达 +85°C 的挑战性环境中运行。许多应用还要求长达数年的电池续航时间。

为了应对这些挑战，设计人员可以根据智能仪表应用的需求，选择射频收发器集成电路或完整的射频收发器模块。射频收发器 IC 可保证射频链路预算超过 140 dB，输出功率高达 +16 dBm，并且支持 SIGFOX™、无线 M-Bus、6LowPAN 和 IEEE 802.15.4g 网络连接。射频模块则可支持无线 M-Bus 协议栈或多种无线电调制，如 LoRa、(G)FSK、(G)MSK 和 BPSK；可选择自适应带宽、扩频因子、发射功率和编码率，以满足各种应用需求，并符合众多国际法规的要求，包括 ETSI EN 300 220、EN 300 113、EN 301 166；FCC CFR 47 第 15、24、90、101 部分以及 ARIB STD-T30、T-67、T-108。这些模块是完整的射频系统，只需要一根天线，并且包括安全加密和认证功能，其超低功耗模式可实现更长的电池续航时间。

本文回顾了无线智能仪表设计人员所面临的连接挑战，并探讨了可能的解决方案。然后介绍了一系列选择，包括 STMicroelectronics、Move-X 和 Radiocrafts 的射频收发器 IC 和射频模块，以及在集成天线时的设计注意事项。

设计人员面临的首要决策之一是选择通信协议。常见的选择包括近场通信 (NFC)、蓝牙、智能蓝牙、用于物联网的 Wi-Fi (Wi-Fi for IoT) 和亚吉赫兹 (SubGHz) 通信协议。需要考虑四个重要因素：

· 所需的数据吞吐量
· 低功耗模式
· 所需的传输范围
· 网络访问需求

对于数据传输需求最大化的应用而言，用于物联网的 Wi-Fi 可能是最佳选择，但其功耗要求也是最高的。虽然 SubGHz 只需中等功耗而且能提供最大传输范围，但其他通信协议提供了不同的性能权衡组合（图 1）。


图 1：用于物联网的 Wi-Fi 具有最大的吞吐量和功耗，而 SubGHz 则以中等功耗需求提供了最大的传输范围。（图片来源：STMicroelectronics）

许多智能仪表应用要求电池续航时间长达数年，这让用于物联网的 Wi-Fi 技术面临严峻挑战。幸运的是，这些应用的数据吞吐量要求也相对有限，可以从使用 NFC、智能蓝牙、蓝牙或 SubGHz 技术中获益。虽然 NFC 的低能耗颇具吸引力，但其数据吞吐量和传输范围同样不如人意，因而被排除在智能仪表应用的考虑范围之外。

此外，在确定功耗方面，智能电表的整体设计也至关重要。使设备尽可能长时间地保持低功耗状态，并且尽可能地缩短需要进入活动状态的时间量，这是延长无线智能仪表电池续航时间的关键因素之一。选择使用基于模块的通信实现，还是分立射频 (RF) 通信实现，是设计成功的另一个因素。在做出这个决定时，需要考虑性能、解决方案的尺寸、封装灵活性、认证、上市时间和成本要求。

使用射频模块的益处

一个射频模块便是一个完整的通信子系统。它可能包括射频集成电路、振荡器、滤波器、功率放大器和各种无源元器件。使用模块解决方案不需要射频专业知识，这让设计人员能够专注于智能仪表设计的其他方面。典型的射频模块在到手时已按照所需的标准进行校准和认证。此外，该模块还会包括网络匹配电路，以方便集成天线，并最大限度减少任何信号损失。模块解决方案可以采用内置或外置天线。

模块易于集成到设计中。从设计集成到制造工艺流程都很简单，因为只有一个基于标准印刷电路板 (PCB) 的模块，而没有复杂的分立射频器件需要处理。模块制造商已经处理了集成射频系统的所有细微差别。使用模块可以减少与分立射频设计相关的风险，如获得认证、达到所需的效率和整体性能水平，以及加快上市速度。

分立 IC 实现的益处

虽然分立 IC 设计更复杂，但可以在成本、解决方案尺寸和外形尺寸方面提供重要的好处。大多数情况下，模块解决方案比基于 IC 的解决方案更昂贵。在大批量使用射频子系统设计的情况下，基于 IC 的解决方案的额外设计成本将因制造成本的降低而得到补偿。也可以在多个无线智能仪表平台上使用通用的射频子系统，从而增加整体生产量并进一步降低长期成本。

基于分立 IC 的设计几乎总是比基于模块的解决方案更小。在空间受限的应用中，这可能是一个重要的考虑因素。除了占用的空间较小外，分立 IC 设计更容易塑形，以适应可用的空间。

Sub-GHz 射频收发器 IC

设计人员如果需要基于分立 IC 的 SubGHz 频带解决方案，则可以借助于 S2-LP，这是一款高性能的超低功耗射频收发器 IC，工作温度范围为 -40℃ 至 +105℃，采用 4 x 4 mm QFN24 封装（图 2）。基本设计在工业、科学和医疗 (ISM) 免许可频带及短距装置 (SRD) 频带 433、512、868 和 920 MHz 运行。可以对 S2-LP 进行选择性编程，以便在其他频带，如 413-479、452-527、826-958 和 904-1055 MHz 上工作。可以实现各种调制方案，包括 2(G)FSK、4(G)FSK、OOK 和 ASK。S2-LP 的射频链路预算 > 140 dB，适用于远程通信，符合美国、欧洲、日本和中国的监管要求。


图 2：该射频 IC 的指定工作温度高达 +105°C，采用 4 x 4 mm QFN24 封装。（图片来源：STMicroelectronics）

为了简化使用 S2-LP 时的集成过程，设计人员可以使用 BALF-SPI2-01D3 超微型平衡不平衡转换器，其标称输入为 50Ω，与 S2-LP 共轭匹配，适合在 860-930 MHz 频率下工作。它集成了一个匹配网络和谐波滤波器，并在非导电玻璃基底上使用集成无源器件 (IPD) 技术，以提供优化的射频性能。

可以使用 X-NUCLEO-S2868A2 扩展板（图 3）开发采用 S2-LP 并在 868 MHz ISM 频段工作的设计。X-NUCLEO-S2868A2 使用串行外设接口 (SPI) 连接和通用输入输出 (GPIO) 引脚与 STM32 Nucleo 微控制器连接。在电路板上添加或移除电阻器可以改变一些 GPIO。此外，该板与 Arduino UNO R3 和 ST Morpho 连接器兼容。


图 3：X-NUCLEO-S2868A2 扩展板可以加快开发使用 868 MHz ISM 频段的设计。（图片来源：Digi-Key）

射频模块简化了集成

对于要求快速上市和低功耗的应用，可以使用 MAMWLE-00 模块简化系统集成。它将一个 50 Ω 的 U.FL 连接器用于射频输出，在 16.5 x 15.5 x 2 mm 封装内有一个 48 MHz 的 Arm® Cortex® M4 32 位 RISC 内核。该射频模块可以选择多种低功耗工作状态。它实现了多种无线电调制，包括 LoRa、(G)FSK、(G)MSK 和 BPSK，具有不同的带宽、扩展因子 (SF)、功耗和编码率 (CR) 选项（图 4）。嵌入式硬件加密/解密加速器可以实现多种标准，如高级加密标准（AES，包括 128 位和 256 位）以及适用于伽罗瓦域上的 Rivest-Shamir-Adleman (RSA)、Diffie-Hellmann 或椭圆曲线加密法 (ECC) 公钥加速器 (PKA) 的 PKA 标准。


图 4：MAMWLE-00 模块允许设计人员选择节能模式和各种射频调制标准。（图片来源：Digi-Key）

M-Bus 射频模块

使用 M-Bus 无线协议，设计人员可以转向 Radiocrafts 的 RC1180-MBUS 射频收发器模块，该模块的尺寸为 12.7 x 25.4 x 3.7 mm，采用屏蔽式表面贴装封装（图 5）。该射频模块有一个单针天线连接，以及一个用于配置和串行通信的 UART 接口。它符合无线 M-Bus 规范的 S、T 和 R2 模式，在 868 MHz 频带的 12 个信道中运行，并根据欧洲无线电法规进行了预先认证，可以免许可使用。


图 5：M-Bus 无线协议可通过 Radiocrafts 的 RC1180-MBUS 射频收发器模块来实现（图片来源：Digi-Key）

借助 RC1180-MBUS3-DK 传感器板与 M-Bus 无线电模块开发套件，设计人员可以轻松、快速地评估板载传感器模块，调整应用并建立原型。此开发套件包括两根带有 SMA 公头连接器的 50Ω 四分之一波长单极天线、两根 USB 电缆和一个 USB 电源（图 6）。它可以作为传感器板的集中器、网关和/或接收器。


图 6：此 M-Bus 开发套件包括两根带有 SMA 公头连接器的 50Ω 四分之一波长单极天线、两根 USB 电缆和一个 USB 电源（图中未显示）。（图片来源：Digi-Key）

天线集成

在将天线连接到射频模块时，Radiocrafts 建议将天线直接连接到射频引脚，该引脚匹配 50 Ω。如果无法将天线连接到射频引脚，那么射频引脚和天线连接器之间的 PCB 印制线应该是一条 50 Ω 的传输线。当两层 FR4 PCB 的介电常数为 4.8 时，微带传输线的宽度应该是电路板厚度的 1.8 倍。传输线应该在 PCB 的顶面，地平面则在 PCB 的底面。例如，当使用 1.6 mm 厚的标准两层 FR4 PCB 时，微带传输线的宽度应该是 2.88 mm (1.8 x 1.6 mm)。

四分之一波长鞭形天线是最简单的实现方式，当在地平面上方使用时，其阻抗为 37 Ω，通常不需要 50 Ω 的匹配电路。或者，也可以使用铜印制线来制作 PCB 天线，并从 PCB 背面移除地平面。PCB 的其余部分应该有一个地平面，最好与天线一样大，以充当配重。如果 PCB 天线短于四分之一波长，则应增加一个 50 Ω 的匹配网络。

总结

在选择用于无线智能仪表的各种无线协议时，设计人员需要考虑几个因素，包括数据吞吐量、功耗、传输范围和网络访问需求。此外，射频集成电路与模块之间的选择还涉及解决方案的尺寸、成本、灵活性、上市时间、法规合规性和其他因素的权衡。确定适当的射频协议后，在集成电路与模块之间所做的选择、设计的基本射频系统以及天线集成，对于开发成功的无线智能仪表至关重要。