Un protocollo per gli smart meter europei

CONTATORI INTELLIGENTI –

Un esempio di implementazione per un sistema completo wM-Bus N-mode a 169 MHz, che ottimizza i parametri di sistema per raggiungere le migliori prestazioni di blocco e selettività e consumi minimi della batteria

Dalla sua introduzione nel 2005 con il documento En13757-4, il protocollo wireless M-Bus (wM-Bus) è diventato un riferimento per molte installazioni di contatori intelligenti in Europa, grazie alla semplice topologia di rete a stella su un collegamento wireless sotto la soglia di 1GHz nella banda Ism europea a 868MHz. L'installazione di massa di sistemi per la ripartizione dei costi di riscaldamento in Germania negli ultimi sei anni ha dimostrato che una soluzione wM-Bus a 868MHz offre una buona copertura anche in aree densamente popolate con edifici alti, tipiche nella maggior parte dei Paesi europei. Inoltre, consente di installare contatori e sottocontatori a batteria, che possono funzionare per 10 o 15 anni senza sostituire la pila. La normativa 300 220-1 V2.4.1 dell'European Telecommunications Standards Institute regolamenta le comunicazioni a frequenze inferiori a 1 GHz in Europa, definendo una banda stretta di 75 kHz alla frequenza di 169.400 MHz per applicazioni di lettura dei contatori, con una potenza Erp massima consentita di +500 mW (pari a +27 dBm) e un ciclo di lavoro utile inferiore al 10%. Questo protocollo wM-Bus è stato adottato in origine per la misurazione dei consumi di gas in Italia e Francia, ma ora esiste una grande domanda di soluzioni radio a 169 MHz con le migliori prestazioni Rf e una durata ottimizzata della batteria.

Architettura hardware
di un sottosistema wM-Bus N-mode


Il sistema N-mode descritto in questo documento è basato su un ricetrasmettitore RF ad alte prestazioni CC1120 di Texas Instruments, con frequenza inferiore a 1 GHz, e un microcontrollore a bassissima potenza MSP430G2x55 che gestisce il buffer del protocollo wM-Bus N-mode, comunica con il ricetrasmettitore CC1120 attraverso l'interfaccia SPI e controlla l'amplificatore di potenza esterno attraverso le linee di segnale. Una connessione Uart o Spi alla Mcu del contatore consente la configurazione e lo scambio di dati con il sottosistema Rf. Viene inoltre impiegato un amplificatore di potenza esterno per raggiungere una potenza di trasmissione fino a +30 dBm (misurazione condotta).

Prestazioni avanzate di blocco e selettività

Lo standard wM-Bus definisce per ciascun N-submode che i prodotti con la classe di ricezione più alta possibile devono rispettare i requisiti di blocco per i ricevitori in Categoria 2 Etsi. In pratica, i progettisti devono puntare alle prestazioni molto più elevate dei sistemi ricevitori in Categoria 1 Etsi per adeguarsi ai diversi requisiti di implementazione fra un Paese e l'altro. Il ricetrasmettitore CC1120 di TI supporta lunghezze di preambolo di soli 4 bit, offre una modulazione integrata 4-GFSK e garantisce i migliori risultati del settore in termini di blocco e selettività per tutti i modi N. Applicando un set ottimizzato di impostazioni di registro, chiamato “best blocking”, è possibile ottenere le prestazioni di un ricevitore in Categoria 1 Etsi senza dover aggiungere un costoso filtro Saw (Surface Acoustic Wave) esterno.
Inoltre, un unico filtro digitale all'interno del CC1120 gestisce la reiezione della frequenza immagine e fornisce le stesse prestazioni, indipendentemente da variazioni della temperatura ambiente o della tensione di alimentazione, semplificando e velocizzando l'implementazione e l'ottimizzazione del sistema.

Aumentare la durata della batteria

Un collegamento Rf robusto e affidabile riduce al minimo la perdita di pacchetti provocata da rumore o interferenze con altri contatori, che possono trasmettere contemporaneamente su canali adiacenti. Se un'unità ricevente perde un pacchetto, spesso dovrà ripetere la trasmissione a causa della natura bidirezionale del protocollo wM-Bus. Riducendo la perdita di pacchetti con una maggiore sensibilità o resistenza ai segnali di interferenza si migliora direttamente la durata della batteria di un contatore intelligente (ad esempio gas, acqua o calore). Con contatori intelligenti che hanno una vita utile prevista di oltre 15 anni, diventa chiaro come ogni trasmissione superflua assorba energia e riduca di conseguenza la durata della batteria. Tanto più basse sono le prestazioni di blocco o sensibilità e selettività di un dispositivo Rf, quanto maggiori saranno le perdite di pacchetti e, quindi, il consumo medio di potenza. La perdita di pacchetti è difficile da prevedere, poiché il comportamento del canale Rf in campo è solitamente ignoto e tende a variare nel tempo. Si possono effettuare prove in diverse aree geografiche per raccogliere dati statistici sui valori dell'indicatore di forza del segnale ricevuto in un arco di tempo sui canali RF utilizzati. In molte aree, questi dati di campo mostrano che il rumore di fondo all'interno o vicino alla banda dei 169 MHz è superiore ai limiti di sensibilità per le velocità di trasmissione di 2,4 e 2,8 kbps. In questi casi si raccomanda l'utilizzo delle impostazioni "best blocking". Le difficoltà per gli sviluppatori riguarderanno l'implementazione di un algoritmo flessibile e la decisione se utilizzare le impostazioni "best blocking" o "best sensitivity". La flessibilità di commutare dinamicamente fra “best sensitivity” e “best blocking” può ridurre drasticamente la perdita di pacchetti del sottosistema N-mode. Una soluzione N-mode basata su CC1120 offre questa flessibilità grazie a due serie di registri ottimizzati intercambiabili dinamicamente via software.

Mantenere le prestazioni migliori
riducendo i consumi


Il ricetrasmettitore CC1120 contiene una speciale funzione chiamata RX Sniff Mode. Grazie a questa funzione, il ricetrasmettitore è in grado di "svegliarsi" autonomamente e rilevare l'attività Rf (rilevamento Rssi o preambolo), tornando poi allo stato di riposo per ridurre i consumi quando non viene rilevata alcuna energia. Se il valore Rssi rilevato è superiore alla soglia programmata, il ricetrasmettitore resta attivo e completa la ricezione del frame in entrata. La modalità RX Sniff può essere considerata un ciclo di lavoro utile veloce del ricevitore CC1120, reso possibile dal suo tempo di assestamento estremamente basso. L'effetto di questi approcci di ricezione “a impulsi” è la riduzione del consumo medio di corrente in fase di ricezione, indipendentemente dalla tensione di alimentazione. Per i modi N-cd e PHY-WM2400 a 2,4 kbps, la modalità RX Sniff riduce la corrente della batteria dai nominali 22 mA a meno di 14 mA. Per i modi Nabef- e PHY-WM4800 a 4,8 kbps la corrente media durante la ricerca del preambolo si riduce a 18mA!

Ottimizzare il consumo di energia
a livello di sistema


In virtù del picco di corrente basso (tipicamente inferiore a 100 mA) che le batterie al litio possono toccare senza subire danni o degrado, una soluzione dedicata per la gestione della batteria diventa obbligatoria per tutti i sistemi wM-Bus a 169MHz con potenza di trasmissione elevata. Attualmente esistono due tipologie principali di batterie primarie per applicazioni di contatori intelligenti: quelle a litio-cloruro di tionile (Li-SOCl2) a 3,6 V e quelle a litio-biossido di manganese (Li-MnO2) con tensione nominale di 3,0 V. La soluzione per la gestione della batteria di un contatore intelligente dovrebbe svolgere determinate funzioni:

• fornire una corrente di parecchie centinaia di mA per un periodo di poche centinaia di millisecondi (la corrente massima dipende dalla potenza di uscita in trasmissione dell'amplificatore di potenza esterno);

• rimuovere dalla batteria il carico a impulsi durante la trasmissione Rf;

• ridurre la capacità del buffer necessaria per proteggere la batteria dai picchi di corrente elevati;

• offrire la massima flessibilità nella scelta della chimica della batteria (3 o 3,6 V);

• garantire una tensione di alimentazione stabile per l'amplificatore di potenza esterno;

• fornire una tensione inferiore alla Mcu e al ricetrasmettitore CC1120 (tipicamente fra 2,1 e 3,0 V).

Il ricetrasmettitore CC1120 ha un intervallo di tensione da 2,0 a 3,6 V e utilizza un Ldo interno per fornire potenza a tutti i blocchi all'interno del dispositivo. Fornendo una tensione di alimentazione di 2,1 V, si riducono le perdite in questo Ldo interno senza alcun degrado delle prestazioni Rf del dispositivo. Inoltre, l'utilizzo di un dispositivo CC/CC a bassa potenza e alta efficienza (come TPS62730 o TPS62740) per alimentare il ricetrasmettitore ha dimostrato di poter ridurre la corrente di picco della batteria del 35 percento, in modalità sia di ricezione sia di trasmissione.
La scelta del convertitore CC/CC più adatto appare semplice, ma è importante sapere che la frequenza di commutazione di questo dispositivo può interferire con il dispositivo RF e compromettere seriamente la sua sensibilità in ricezione o comportare emissioni spurie. Per evitare questo impatto negativo sui parametri RF, si raccomanda di misurare e verificare che il comportamento del componente di commutazione non sia ostile alla Rf. a famiglia di prodotti Rf ad alte prestazioni al di sotto di 1 GHz di TI risponde perfettamente a tutti i requisiti dello standard wM-Bus (EN13757-4), inclusi i requisiti RF delle specifiche italiane e francesi per i contatori del gas, senza un Lna esterno e senza filtro Saw esterno. Il ricetrasmettitore supporta la ricezione di tutti i telegrammi N-mode con preambolo a 16 bit (inclusi i submode 4-GFSK) senza perdita di pacchetti, grazie alla funzione WaveMatch. Questo assestamento estremamente rapido del controllo automatico del gain è di soli 4 bit e, unito alla modalità RX Sniff, fa del ricetrasmettitore CC1120 la scelta migliore per le soluzioni wM-Bus compatibili con N-mode. Il supporto dell'hardware Lbt integrato nel CC1120 consente l'implementazione semplice e veloce di sistemi Rf Lbt-conformi. È necessaria una soluzione dedicata per la gestione della batteria dell'amplificatore di potenza esterno per fornire parecchie centinaia di mA per parecchie centinaia di millisecondi con una tensione di alimentazione di 2,7 V o 3,3 V. L'implementazione corretta della gestione della batteria dell'amplificatore di potenza dipenderà dal tipo di batteria e dalla topologia del contatore, oltre naturalmente all'amplificatore scelto. Abbinando il CC1120 a un dispositivo Cc/Cc “Rf-friendly” come TPS62730 e TPS62740 di TI, si riduce sensibilmente la corrente di picco estratta dalla batteria, senza penalizzare lo spettro di trasmissione o le prestazioni di sensibilità e blocco. Con l'aggiunta della modalità RX Sniff, utile quando il contatore intelligente di acqua o gas è in attesa di ricevere un telegramma, la corrente media che la radio estrae dalla batteria viene ulteriormente ridotta. Si tratta del primo ricetrasmettitore integrato in grado di raggiungere la conformità alla Categoria 1 ETSI senza filtro Saw esterno in wM-Bus N-mode. La capacità di adeguare le prestazioni del CC1120 a “best sensitivity” o “best blocking” con poche variazioni al registro consente di realizzare un sistema wM-Bus N-mode in grado di adattarsi in maniera intelligente alla variazione delle condizioni RF in campo.

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