Cómo integrar la conectividad inalámbrica en los contadores inteligentes

La conectividad inalámbrica es esencial en los contadores inteligentes de las redes de distribución de electricidad, agua, gas y calefacción comunitaria, pero el diseño de un transceptor inalámbrico a partir de cero es un reto y requiere mucho tiempo. Las aplicaciones de contadores inteligentes exigen soluciones inalámbricas de alto rendimiento que cumplan una serie de normas internacionales, como la FCC parte 15 y la parte 90 en Estados Unidos, ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131 en Europa, ARIB STD T67, T108 en Japón y SRRC en China. Tienen que soportar velocidades de datos de hasta 500 kilobits por segundo (kbps). Deben incluir encriptación y autenticación seguras, ser compactas y funcionar en entornos difíciles de hasta +85 °C. Muchas aplicaciones requieren una duración de la batería de varios años.

Para hacer frente a estos retos, los diseñadores pueden elegir entre circuitos integrados transceptores de RF o módulos transceptores de RF completos, en función de las necesidades de la aplicación de los contadores inteligentes. Existen circuitos integrados transceptores de RF que garantizan un presupuesto de enlace de RF superior a 140 dB con una potencia de salida de hasta +16 dBm y que admiten conectividad de red SIGFOX™, Wireless M-Bus, 6LowPAN e IEEE 802.15.4g. Los módulos de RF son compatibles con la pila de protocolos M-Bus inalámbricos o con múltiples modulaciones de radio, como LoRa, (G)FSK, (G)MSK y BPSK, con opciones de ancho de banda adaptable, factor de propagación, potencia de transmisión y tasa de codificación para satisfacer las distintas necesidades de las aplicaciones, y cumplen una amplia gama de normativas internacionales, como ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 parte 15, 24, 90, 101 y ARIB STD-T30, T-67 y T-108. Estos módulos son sistemas de radiofrecuencia completos, que solo necesitan una antena, e incluyen encriptación y autenticación seguras, y modos de consumo ultrabajo para una mayor duración de la batería.

Este artículo repasa los retos de conectividad a los que se enfrentan los diseñadores de contadores inteligentes inalámbricos y estudia posibles soluciones. A continuación, presenta una serie de opciones, incluidos los circuitos integrados transceptores de RF y los módulos de RF de STMicroelectronics, Move-X y Radiocrafts, junto con las consideraciones de diseño al integrar la antena.

Una de las primeras decisiones a las que se enfrentan los diseñadores es la selección de un protocolo de comunicaciones. Entre las opciones más comunes se encuentran las comunicaciones de campo cercano (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, Wi-Fi para el Internet de las Cosas (Wi-Fi for IoT) y Sub Gigahertz (SubGHz). Hay cuatro factores importantes a tener en cuenta:

• Rendimiento de datos requerido
• Modos de bajo consumo
• Alcance de transmisión requerido
• Necesidad de acceso a la web

El Wi-Fi para el IoT puede ser la mejor opción para las aplicaciones que necesitan la máxima transferencia de datos, pero también tiene los mayores requisitos de energía. Mientras que SubGHz solo requiere una potencia moderada y ofrece el máximo alcance de transmisión, otros protocolos de comunicación ofrecen diferentes conjuntos de compensaciones de rendimiento (Figura 1).

Figura 1: El Wi-Fi para el IoT tiene el mayor rendimiento y consumo de energía, mientras que SubGHz ofrece el mayor alcance con demandas de energía moderadas. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Muchas aplicaciones de contadores inteligentes exigen una duración de la batería de varios años, lo que hace difícil utilizar una tecnología como el Wi-Fi para el IoT. Afortunadamente, estas aplicaciones también tienen requisitos de caudal de datos relativamente limitados y pueden beneficiarse del uso de las tecnologías NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth o SubGHz. Si bien la NFC tiene un atractivo bajo consumo de energía, su rendimiento y alcance de datos, igualmente bajos, pueden eliminar su consideración en las aplicaciones de los contadores inteligentes.

Además, el diseño general del contador inteligente es vital para determinar el consumo de energía. Mantener el dispositivo en un estado de bajo consumo el mayor tiempo posible y entrar en un estado activo durante el menor tiempo necesario es un factor clave para alargar la vida de la batería en los contadores inteligentes inalámbricos. La elección entre utilizar una implementación de comunicaciones de radiofrecuencia (RF) basada en módulos o discreta es otro factor que influye en el éxito del diseño. A la hora de tomar esa decisión, hay que tener en cuenta el rendimiento, el tamaño de la solución, la flexibilidad de la huella, las certificaciones, el tiempo de comercialización y los requisitos de costo.

Ventajas de utilizar un módulo RF

Un módulo RF es un subsistema de comunicaciones completo. Puede incluir un CI de RF, un oscilador, filtros, un amplificador de potencia y varios componentes pasivos. No es necesario tener conocimientos de RF para utilizar una solución modular, lo que permite a los diseñadores centrarse en otros aspectos del diseño del contador inteligente. Un módulo de RF típico llega calibrado y certificado según las normas requeridas. Además, el módulo incluirá los circuitos de adaptación de la red para facilitar la integración de la antena y minimizar cualquier pérdida de señal. La antena puede ser interna o externa con soluciones modulares.

Los módulos son fáciles de integrar en el diseño. La simplicidad de la integración del diseño se extiende a los flujos del proceso de fabricación, ya que no hay que manejar complejos dispositivos discretos de RF, sino un módulo estándar basado en una placa de circuito impreso (PCB). El fabricante de módulos ya ha manejado todos los matices de la integración de los sistemas de radiofrecuencia. El uso de un módulo reduce el riesgo asociado a un diseño de RF discreto, como la obtención de certificaciones, la consecución de los niveles de eficiencia y rendimiento general requeridos y la aceleración del tiempo de comercialización.

Ventajas de las implantaciones de circuitos integrados discretos

Aunque son más complejos, los diseños de CI discretos pueden ofrecer importantes ventajas en términos de costo, tamaño de la solución y factor de forma. Un módulo será más caro en la mayoría de los casos que una solución basada en CI. En los casos en los que el diseño del subsistema de RF se utiliza en grandes volúmenes, el costo añadido del diseño de la solución basada en CI se compensa con costos de fabricación más bajos. También es posible utilizar un subsistema de radiofrecuencia común en varias plataformas de contadores inteligentes inalámbricos, lo que aumenta los volúmenes de producción totales y reduce aún más los costos a largo plazo.

Un diseño basado en circuitos integrados discretos es casi siempre más pequeño que una solución basada en módulos. Esto puede ser una consideración importante en aplicaciones con limitaciones de espacio. Además de ocupar menos espacio, un diseño de CI discreto puede adaptarse más fácilmente al espacio disponible.

CI de transceptor de RF Sub GHz

Los diseñadores que necesiten una solución basada en un CI discreto en la banda de subGHz pueden recurrir al S2-LP, un CI transceptor de RF de alto rendimiento y muy bajo consumo con un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +105 °C, en un encapsulado QFN24 de 4 x 4 mm (Figura 2). El diseño básico opera en las bandas libres de licencia industrial, científica y médica (ISM) y en las bandas de dispositivos de corto alcance (SRD) en 433, 512, 868 y 920 Megahercios (MHz). Opcionalmente, el S2-LP puede ser programado para operar en otras bandas de frecuencia como 413-479, 452-527, 826-958 y 904-1055 MHz. Se pueden implementar diversos esquemas de modulación, como 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK y ASK. El S2-LP tiene un presupuesto de enlace de RF > 140 dB para largos rangos de comunicación y cumple con los requisitos reglamentarios en Estados Unidos, Europa, Japón y China.

Figura 2: Este CI de RF está especificado para funcionar a +105 °C y se presenta en un QFN24 de 4 x 4 mm. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Para simplificar el proceso de integración cuando se utiliza el S2-LP, los diseñadores pueden utilizar el balun ultraminiatura BALF-SPI2-01D3 con una entrada nominal de 50 Ω que se conjuga con el S2-LP para el funcionamiento de la frecuencia de 860 - 930 MHz. Integra una red de adaptación y un filtro de armónicos y utiliza la tecnología de dispositivos pasivos integrados (IPD) en un sustrato de vidrio no conductor para proporcionar un rendimiento de RF optimizado.

Los diseños que utilizan el S2-LP y operan en la banda ISM de 868 MHz pueden desarrollarse utilizando la tarjeta de expansión X-NUCLEO-S2868A2 (Figura 3). El X-NUCLEO-S2868A2 se conecta al microcontrolador STM32 Nucleo mediante conexiones de interfaz periférica en serie (SPI) y pines de entrada-salida de propósito general (GPIO). Añadir o quitar resistencias de la placa puede cambiar algunos GPIO. Además, la placa es compatible con los conectores Arduino UNO R3 y ST morpho.

Figura 3: La tarjeta de expansión X-NUCLEO-S2868A2 puede acelerar el desarrollo de diseños que utilicen la banda ISM de 868 MHz. (Fuente de la imagen: DigiKey).

El módulo RF simplifica la integración

Para aplicaciones que requieren una rápida salida al mercado y un bajo consumo de energía, el módulo MAMWLE-00 puede simplificar la integración del sistema. Utiliza un conector U.FL de 50 ohmios para la salida de RF y cuenta con un núcleo RISC Arm® Cortex® M4 de 32 bits a 48 MHz en un encapsulado de 16.5 x 15.5 x 2 mm. Este módulo de RF tiene varias opciones de estados de funcionamiento de bajo consumo. Implementa múltiples modulaciones de radio, incluyendo LoRa, (G)FSK, (G)MSK y BPSK, con diferentes opciones de ancho de banda, factor de propagación (SF), potencia y tasa de codificación (CR) (Figura 4). Un acelerador de cifrado/descifrado por hardware integrado puede implementar varios estándares, como el estándar de cifrado avanzado (AES, tanto de 128 como de 256 bits) y el acelerador de clave pública (PKA) para PKA para Rivest-Shamir-Adleman (RSA), Diffie-Hellmann o la criptografía de curva elíptica (ECC) sobre campos de Galois.

Figura 4: El módulo MAMWLE-00 ofrece a los diseñadores opciones para los modos de ahorro de energía y varios estándares de modulación de RF. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Módulo M-Bus RF

Para utilizar el protocolo inalámbrico M-Bus, los diseñadores pueden recurrir al módulo transceptor RF RC1180-MBUS de Radiocrafts, que mide 12.7 x 25.4 x 3.7 mm en un encapsulado blindado de montaje en superficie (Figura 5). Este módulo RF tiene una conexión de antena de un solo pin y una interfaz UART para la configuración y las comunicaciones en serie. Cumple con la especificación Wireless M-Bus modos S, T y R2, opera en 12 canales en la banda de frecuencias de 868 MHz y está precertificado para operar bajo la normativa europea de radio para uso sin licencia.

Figura 5: El protocolo inalámbrico M-Bus puede implementarse utilizando el módulo transceptor RF RC1180-MBUSde Radiocrafts (Fuente de la imagen: DigiKey

La placa de sensores RC1180-MBUS3-DK con un kit de desarrollo del módulo de radio M-Bus facilita a los diseñadores la evaluación rápida del módulo de sensores integrado, el ajuste de la aplicación y la construcción de prototipos. Incluye dos antenas monopolo de cuarto de onda de 50 Ω con conectores SMA macho, dos cables USB y una fuente de alimentación USB (Figura 6). Este kit de desarrollo puede ser un concentrador, una pasarela y/o un receptor para la placa de sensores.

Figura 6: Este kit de desarrollo M-Bus incluye dos antenas monopolo de cuarto de onda de 50 Ω con conectores SMA macho, dos cables USB y una fuente de alimentación USB (no mostrada). (Fuente de la imagen: DigiKey).

Integración de la antena

Al conectar una antena a un módulo de RF, Radiocrafts recomienda que la antena se conecte directamente a la clavija de RF, que está adaptada a 50 ohmios (Ω). Si no es posible conectar la antena a la patilla de RF, el trazado de la PCB entre la patilla de RF y el conector de la antena debe ser una línea de transmisión de 50 Ω. En el caso de una placa de circuito impreso FR4 de dos capas con una constante dieléctrica de 4.8, la anchura de la línea de transmisión microstrip debe ser 1.8 veces el grosor de la placa. La línea de transmisión debe estar en la parte superior de la placa de circuito impreso con un plano de tierra en la parte inferior de la placa. Por ejemplo, si se utiliza una placa de circuito impreso FR4 estándar de 1.6 mm de grosor y dos capas, la anchura de la línea de transmisión microstrip debe ser de 2.88 mm (1.8 x 1.6 mm).

Una antena de látigo de un cuarto de onda es la implementación más sencilla y tiene una impedancia de 37 Ω cuando se utiliza sobre un plano de tierra, y no suele ser necesario un circuito de adaptación de 50 Ω. Como alternativa, se puede fabricar una antena de PCB utilizando una traza de cobre con el plano de tierra eliminado de la parte posterior de la placa CI. En el resto de la placa de circuito impreso debe haber un plano de tierra, óptimamente tan grande como la antena para que actúe como contrapeso. Si la antena de la placa CI es más corta que un cuarto de onda, se debe añadir una red de adaptación de 50 Ω.

Resumen

A la hora de elegir entre varios protocolos inalámbricos para su uso en contadores inteligentes inalámbricos, los diseñadores deben tener en cuenta varios factores, como el rendimiento de los datos, el consumo de energía, el alcance de la transmisión y la necesidad de acceso a la web. Además, la elección entre los circuitos integrados de RF y los módulos implica un equilibrio entre el tamaño de la solución, el costo, la flexibilidad, el tiempo de comercialización, el cumplimiento de la normativa y otros factores. Una vez que se ha identificado el protocolo de radiofrecuencia adecuado, se ha elegido entre los circuitos integrados y los módulos, y se ha diseñado el sistema básico de radiofrecuencia, la integración de la antena es fundamental para desarrollar un contador inteligente inalámbrico con éxito.