I microcontrollori con consumi ultra ridotti sono disponibili da oltre 20 anni, fin da quando Texas Instruments introdusse il microcontrollore MSP430 a 16 bit. Da allora, la proliferazione di soluzioni con consumi ultra ridotti per sensori, contatori e per una vasta gamma di dispositivi alimentati a batteria, come misuratori di glucosio nel sangue, termometri, orologi, ecc., ha dimostrato che l’approccio offerto dal sistema Ulp rappresenta la migliore strategia per il futuro. La tecnologia con consumi ultra ridotti si è estesa a ricetrasmettitori RF, sensori, Mcu e a tutti i tipi di prodotti basati su silicio per applicazioni alimentate a batteria. Allo stesso modo, la diffusa adozione di tecnologie wireless in molte applicazioni di consumo, come i tablet e gli smartphone, è stata resa possibile solo grazie alle significative riduzioni di consumo energetico dei semiconduttori. La prossima opportunità mondiale di crescita largamente riconosciuta è rappresentata dal mercato delle reti intelligenti, costituito da misuratori di gas, calore, acqua ed elettricità e ripartitori dei costi di riscaldamento, come contatori e sottocontatori. In commercio sono inoltre disponibili gateway domestici per smart grid, concentratori di dati e unità di raccolta dati, che raccolgono le informazioni ricavate dai contatori. La combinazione di smart grid e reti domestiche locali dovrebbe consentire una riduzione del fabbisogno di potenza di picco per le reti pubbliche, riducendo di conseguenza anche la necessità di realizzare nuovi impianti energetici. Inoltre dovrebbe consentire di ottenere risparmi economici e un maggiore comfort grazie all’automazione domestica dei consumi.
La modalità wM-Bus per contatori intelligenti
Seguendo la direttiva Etsi 300220 v2.3.1, all’interno dell’ultima bozza della normativa EN13757-4:2011 (definita anche wM-Bus) è stato introdotto un nuovo layer fisico con modalità “N”. La larghezza di banda di 75 kHz è stata suddivisa in 6 canali a banda stretta da 12,5 kHz ciascuno. Sono stati definiti quattro canali da 4,8 kbps con Gfsk e due da 2,4 kbps con modulazione Gfsk. È stato inoltre definito un collegamento secondario per le comunicazioni a 19,2 kbps con modulazione 4 Gfsk, allo scopo di ottimizzare la trasmissione dati nei collegamenti multi-hop opzionali. In Francia, i test sul campo con sistemi a 169 MHz hanno già dimostrato che il raggio di copertura esteso ottenibile comporta una semplificazione significativa dell’architettura di rete. Con un’adeguata introduzione di unità di raccolta dati a 169 MHz, le reti di smart grid prive di ripetitori potrebbero diventare uno scenario realistico in Europa.
Architettura di un contatore intelligente
di gas con wM-Bus
Gli elementi costituenti di un contatore intelligente basato completamente su componenti elettronici sono i sensori per la parte di misurazione, l’Mcu con consumi ultra ridotti per elaborare i dati del sensore e calcolare il consumo, il sistema di comunicazione e il sistema di alimentazione. Nei contatori di gas odierni, la sezione di rilevamento riporta la potenza di flusso (spesso mediante un dispositivo Reed) insieme alla pressione effettiva del gas e alle misure di temperatura. Il blocco principale della Mcu elabora i dati del sensore e regola la portata di gas a un valore normalizzato, necessario per la fatturazione al cliente. Di norma, è presente anche una valvola motore controllabile a distanza (ad esempio attraverso il collegamento wM-Bus), mentre in alcuni Paesi è richiesta anche un’opzione per il pagamento anticipato. Per i contatori di acqua e calore, i sensori attualmente più utilizzati rilevano il flusso mediante la misura della velocità di rotazione e della direzione. Un contatore di calore è un contatore di acqua con misure aggiuntive di precisione della temperatura, necessarie per acquisire la temperatura del flusso in entrambi i sensi di utilizzo. L’aggiunta di un sistema secondario RF (come un modulo di comunicazione al di sotto di 1 o a 2,4 GHz) consente di rendere “intelligenti” i contatori di calore e acqua. È importante ricordare che i contatori di acqua, calore e gas sono tutti alimentati a batterie, pertanto va considerato il consumo energetico ultra ridotto. Dato che questi tre tipi di contatori presentano uno spazio limitato per la batteria, è necessario ricorrere a una soluzione di alimentazione dedicata, per l’ottimizzazione della durata della batteria.
L’architettura hardware
di un sistema secondario RF wM-Bus
È possibile utilizzare un sistema secondario wM-Bus per la comunicazione all’interno di una rete domestica o di una rete di quartiere, in base alla banda di frequenza o alla potenza di trasmissione utilizzata. Un esempio di implementazione Han (Home area network) è rappresentato da un contatore intelligente con un collegamento RF a 868 MHz, utilizzando la modalità S, T o la nuova modalità C del protocollo wM-Bus. Nell’applicazione pratica, il chip RF (ricetrasmettitore per dispositivi bidirezionali o dispositivo di sola trasmissione per comunicazioni unidirezionali) con potenza di uscita di trasmissione di +10/+12 dBm (misurati dalla porta dell’antenna) e lo stesso guadagno di antenna (fino a +2 dBi) forniscono la soluzione ottimale all’interno dei limiti Etsi 300220 di +14 dBm Eirp. La soluzione Nan (Neighbourhood area network) per un contatore intelligente risulterà in genere a 169 MHz, in cui il limite Eirp da +27 dBm consente un raggio di copertura maggiore. Anche la modalità C2 (consentita solo dall’unità di raccolta dati al contatore) a 869,525 MHz utilizza una banda secondaria con limite a +27 dBm e risulta adatta alle applicazioni nan. Per le soluzioni di sistemi Nan, l’aggiunta di un amplificatore di potenza esterno risulta necessaria, dato che nessun chip integrato per ricetrasmettitori RF è attualmente in grado di fornire una potenza di uscita di trasmissione di +27 dBm. Le due varianti hardware di un sistema secondario wM-Bus, in base al limite di potenza Eirp, sono le seguenti:
1. Senza amplificatore di potenza esterno
2. Con amplificatore di potenza esterno e Lna opzionale (come il CC1190 di TI a 868 MHz o un front-end RF dedicato a 169 MHz)
In pratica, il sottosistema RF rappresenta un modulo RF completo, collegato in genere mediante Uart alla Mcu principale. In questo caso, sulla Mcu dedicata (blocco arancione) verrà eseguito lo stack wM-Bus, oltre al protocollo seriale per il collegamento alla Mcu dell’applicazione principale. La seconda opzione consiste nell’impostare il funzionamento dello stack wM-Bus sulla Mcu dell’applicazione e nel collegare il dispositivo RF all’interfaccia SPI, evitando la contemporanea esecuzione del protocollo seriale. È molto importante chiarire anticipatamente la suddivisione hardware e software all’interno del contatore intelligente, dato che vi sono svantaggi e vantaggi da considerare per entrambe le architetture. Tra le considerazioni da farsi:
1. Certificazione della sezione di misurazione e dello stack wM-Bus;
2. Requisiti in tempo reale: sia la misurazione che la comunicazione RF rappresentano attività in cui il fattore tempo è fondamentale e che possono spesso rappresentare un problema se la Mcu deve eseguire contemporaneamente le attività di misurazione e di comunicazione;
3. Aggiornamenti del firmware sul campo: per la comunicazione RF o l’intero contatore.
Per tali motivi, i produttori spesso preferiscono mantenere modulari i propri sistemi, separando le funzioni di misurazione da quelle di comunicazione (approccio a due Mcu). È così possibile ottenere una flessibilità molto superiore nella selezione dei dispositivi della Mcu e dei dispositivi RF con un’ottimizzazione indipendente di prezzi e prestazioni. In genere, vi sono diverse Mcu compatibili a livello di pin o dispositivi RF in grado di offrire prestazioni superiori o funzionalità aggiuntive. La soluzione a singola Mcu può consentire di ottenere un risparmio, tuttavia rende in genere più complessa la certificazione della sezione di misurazione, dato che il codice del firmware di misurazione deve essere protetto da possibili manomissioni o da altre forme di manipolazione o guasto.
Mcu con consumi ultra ridotti e memoria Fram
La serie MSP430 di microcontrollori Wolverine di TI rappresenta una vera innovazione in fatto di riduzione dei consumi e consente di ottenere tantissimi vantaggi rispetto ai precedenti dispositivi Mcu basati sulla memoria Flash. Le Mcu Fram MSP430 presentano una velocità di scrittura 160 volte più veloce e consumi inferiori di almeno 250 volte per bit rispetto alla memoria Flash, hanno una durata in scrittura praticamente illimitata di >1014 cicli, assicurano la conservazione dei dati in qualsiasi modalità di alimentazione e forniscono una libertà senza precedenti grazie alla loro architettura di memoria unificata. La seconda soluzione consente agli sviluppatori di modificare via software la suddivisione della memoria tra programmi e dati, eliminando così la necessità di ricorrere a una Eeprom separata e a una Sram alimentata a batteria. Utilizzare tali Mcu MSP430 basate su memoria Fram per l’esecuzione dello stack wM-Bus rappresenta la scelta ovvia e la soluzione con i consumi più bassi attualmente disponibile. Lo stack wM-Bus relativamente semplice può presentare un codice da 12 a 30 KByte a seconda delle funzionalità configurate, in modo da adattarsi facilmente agli ultimi dispositivi Wolverine TI. La capacità di scrittura bit-wise della memoria Fram consente la realizzazione di aggiornamenti software diversificati sul campo, riduce il quantitativo di dati trasferiti e, di conseguenza, permette l’esecuzione in modalità N wM-Bus a bit-rate minimi, con data-rate di 2,4 o 4,8 kbps. Considerando inoltre i consumi energetici estremamente bassi e le funzioni di scrittura rapida, è ora possibile fornire aggiornamenti firmware non solo allo stack wM-Bus, ma anche ad altri componenti software dei contatori intelligenti. L’aggiornamento del firmware a distanza viene in genere considerato una funzionalità imprescindibile per qualsiasi tipo di contatore intelligente di nuova generazione.
