新一代智能計量?jì)x表詳解

自德州儀器 (TI) 首次推出 16 位 MSP430 微控制器以來(lái)，超低功耗 (ULP) 微控制器 (MCU) 已風(fēng)靡了至少 20 年。從那時(shí)起，超低功耗解決方案即在傳感器、計量和種類(lèi)繁多的電池供電型設備(如血糖儀、溫度計、手表等)領(lǐng)域呈雨后春筍之勢蔓延，驗證了 ULP 系統方法是前途無(wú)量的絕佳策略。

超低功耗技術(shù)已擴展至 RF 收發(fā)器、傳感器、MCU 以及適用于電池供電型應用的所有類(lèi)型芯片產(chǎn)品。同樣，只有顯著(zhù)降低半導體產(chǎn)品的功耗，才有可能在平板電腦和智能手機等許多消費類(lèi)應用中廣泛采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)。

人們普遍意識到，未來(lái)全球性增長(cháng)的良機將花落智能電網(wǎng)市場(chǎng)，其中包括燃氣表、熱表、水表、電表、熱量分配表等計量和輔助計量設備，以及可從計量裝置收集信息的智能電網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)、數據集中器和數據收集器。智能電網(wǎng)和家域網(wǎng) (HAN) 的聯(lián)袂攜手既有望使公用設施降低高峰電力需求(而這反過(guò)來(lái)又有助于減少興建新電廠(chǎng)的需求)，也有望通過(guò)家庭自動(dòng)化為消費者節省成本并增加舒適感。

本文介紹了最佳超低功耗 MCU、最高性能 RF 收發(fā)器(適合低于 1GHz 的通信)與高級電源系統解決方案的強強聯(lián)手如何能助推新一代智能計量?jì)x表走紅歐洲內外。此外，歐洲 wM-Bus 協(xié)議棧的日趨成熟和最新發(fā)展也為電池供電型燃氣表、水表和熱表的大規模部署敞開(kāi)了新機遇的大門(mén)。

本文還介紹了如何采用 868MHz 與 169MHz 頻段的流行版 wM-Bus RF 通信為歐洲市場(chǎng)構建智能儀表(燃氣表、水表、熱表)模塊;并就如何實(shí)施與優(yōu)化燃氣表、水表和熱表的 wM -Bus解決方案提供了實(shí)用性建議。

1. RF 通信的歐洲版標準

歐洲對低于 1GHz 通信的相關(guān)標準是 ETSI 300 220-1 V2.3.1( 2010 年 2月)。面向計量應用的既定 868 MHz 和 433 MHz 免授權 ISM 頻段有所擴展，在抄表應用中可以是頻段為 169.400MHz 的一個(gè) 75kHz 窄帶。允許的最大發(fā)射功率為 +500mW(等于 +27dBm)，占空比 =10%。通道間隔為 50kHz 或以下;還可用 LBT(載波偵聽(tīng))或 AFA(自適應頻率捷變)通道接入，但二者都不是強制性的。

顯然，比起頻段為 868 MHz、發(fā)射功率為 +25mW( 等于 +14dBm )的現有 wM-Bus 解決方案，頻段為 169MHz、發(fā)射功率為 +27dBm 的低成本 RF 鏈接能提供更卓越的覆蓋范圍(見(jiàn)圖 1)。請注意，“舊型”T 模式與“新型”C 模式各采用兩種不同的頻率，一種用于儀表至數據收集器方向，另一種則用于從數據收集器至儀表方向的鏈接。

圖 1：WMBus 的 S、T 及 C 模式與 ETSI 300220v2.3.1 的關(guān)系

在 T 模式下，頻段為 868.3MHz 的數據收集器發(fā)射功率最大為 +14dBm;在 C 模式下，頻段為 869.525MHz 的數據收集器發(fā)射功率則高達 +27dBm。

在歐洲人口密集地區部署智能儀表時(shí)，由于高樓大廈林立，多重混凝土與磚墻擋在不同的 RF 節點(diǎn)之間，導致 RF 環(huán)境極為不利，所以 RF 計量解決方案的覆蓋范圍是有待解決的最大難題。事實(shí)證明，現有的 ZigBee SE1.1 產(chǎn)品在英國城市地區未能提供足夠的城市覆蓋范圍，這正是基于 Zigbee® 的 2.4GHz 解決方案的主要缺點(diǎn)。頻段為 169MHz 的新一代 wM-Bus 啟動(dòng)型智能儀表目的就是要解決在意大利或法國等國家的覆蓋范圍問(wèn)題。

擴大 169MHz RF 鏈接的覆蓋范圍可避免使用中繼器并去除儀表的重復功能，從而簡(jiǎn)化系統架構，降低網(wǎng)絡(luò )的總成本。功能較少意味著(zhù)軟件的復雜度有所降低，因此對計量節點(diǎn)的閃存和 RAM 容量要求就更低，也就縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和認證流程。

1.1 適用于燃氣表、水表或熱表的新型 wM-Bus 模式

在 EN13757-4：2011 年(也稱(chēng)為 wM-Bus)文件的最新草案中介紹了符合 ETSI 300220v2.3.1 標準的新型“ N”模式物理層 (PHY)。75 kHz 的帶寬被分成 6 個(gè) 12.5 kHz 的窄帶通道。規定其中四個(gè)通道采用 GFSK 調制方式，速率為4.8kbps;另兩個(gè)通道也采用 GFSK 調制方式，速率為 2.4kbps。

還規定了二次通信鏈接，采用 4 GFSK 調制方式，速率能達到 19.2kbps，目的是在可選的多跳鏈接(圖 2)中優(yōu)化數據吞吐量。

圖 2：wM-Bus 的 N 模式(根據 EN13757-4：2011 年草案文件)

在法國對 169MHz 系統的現場(chǎng)測試已經(jīng)證明，可達覆蓋范圍的拓寬能顯著(zhù)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )架構。隨著(zhù) 169MHz 數據收集器的合理部署，在歐洲實(shí)現無(wú)中繼器的智能電網(wǎng)已不再是天方夜譚。

圖 3：wM-Bus 的 N 模式與 ETSI 300220v2.3.1 的關(guān)系(來(lái)源：EN13757-4：2011 年草案)

圖 3 展示了新型 wM-Bus 的 N 模式，這個(gè) 169MHz 的窄帶解決方案將是未來(lái)幾個(gè)歐洲國家燃氣表和水表安裝的理想選擇。

2. 采用 wM-Bus 的智能燃氣表架構

在完全基于電子組件的智能儀表內，主要構建模塊包括：

• 計量部件的傳感器

• 可處理傳感器數據并計算出消耗的超低功耗 MCU

• 通信系統

• 電源系統

在現今的燃氣表中，傳感部分(圖 4)可報告流量吞吐量(常通過(guò)一個(gè)舌簧開(kāi)關(guān))以及確切的燃氣壓力和溫度測量值。MCU 主模塊則處理傳感器數據，并將燃氣流量調節成標準化的數量以供客戶(hù)計費之需。

通常情況下，還有一個(gè)可遠程(如通過(guò) wM-Bus 鏈接)控制的電動(dòng)閥。此外，在一些國家也要求有預付費選項。

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