新一代智能计量仪表详解

2012-10-24 10:12:01来源: 21ic

自德州仪器 (TI) 首次推出 16 位 MSP430 微控制器以来,超低功耗 (ULP) 微控制器 (MCU) 已风靡了至少 20 年。从那时起,超低功耗解决方案即在传感器、计量和种类繁多的电池供电型设备(如血糖仪、温度计、手表等)领域呈雨后春笋之势蔓延,验证了 ULP 系统方法是前途无量的绝佳策略。

超低功耗技术已扩展至 RF 收发器、传感器、MCU 以及适用于电池供电型应用的所有类型芯片产品。同样,只有显著降低半导体产品的功耗,才有可能在平板电脑和智能手机等许多消费类应用中广泛采用无线技术。

人们普遍意识到,未来全球性增长的良机将花落智能电网市场,其中包括燃气表、热表、水表、电表、热量分配表等计量和辅助计量设备,以及可从计量装置收集信息的智能电网家庭网关、数据集中器和数据收集器。智能电网和家域网 (HAN) 的联袂携手既有望使公用设施降低高峰电力需求(而这反过来又有助于减少兴建新电厂的需求),也有望通过家庭自动化为消费者节省成本并增加舒适感。

本文介绍了最佳超低功耗 MCU、最高性能 RF 收发器(适合低于 1GHz 的通信)与高级电源系统解决方案的强强联手如何能助推新一代智能计量仪表走红欧洲内外。此外,欧洲 wM-Bus 协议栈的日趋成熟和最新发展也为电池供电型燃气表、水表和热表的大规模部署敞开了新机遇的大门。

本文还介绍了如何采用 868MHz 与 169MHz 频段的流行版 wM-Bus RF 通信为欧洲市场构建智能仪表(燃气表、水表、热表)模块;并就如何实施与优化燃气表、水表和热表的 wM -Bus解决方案提供了实用性建议。

1. RF 通信的欧洲版标准

欧洲对低于 1GHz 通信的相关标准是 ETSI 300 220-1 V2.3.1( 2010 年 2月)。面向计量应用的既定 868 MHz 和 433 MHz 免授权 ISM 频段有所扩展,在抄表应用中可以是频段为 169.400MHz 的一个 75kHz 窄带。允许的最大发射功率为 +500mW(等于 +27dBm),占空比 <=10%。通道间隔为 50kHz 或以下;还可用 LBT(载波侦听)或 AFA(自适应频率捷变)通道接入,但二者都不是强制性的。

显然,比起频段为 868 MHz、发射功率为 +25mW( 等于 +14dBm )的现有 wM-Bus 解决方案,频段为 169MHz、发射功率为 +27dBm 的低成本 RF 链接能提供更卓越的覆盖范围(见图 1)。请注意,“旧型”T 模式与“新型”C 模式各采用两种不同的频率,一种用于仪表至数据收集器方向,另一种则用于从数据收集器至仪表方向的链接。

图 1:WMBus 的 S、T 及 C 模式与 ETSI 300220v2.3.1 的关系

图 1:WMBus 的 S、T 及 C 模式与 ETSI 300220v2.3.1 的关系

在 T 模式下,频段为 868.3MHz 的数据收集器发射功率最大为 +14dBm;在 C 模式下,频段为 869.525MHz 的数据收集器发射功率则高达 +27dBm。

在欧洲人口密集地区部署智能仪表时,由于高楼大厦林立,多重混凝土与砖墙挡在不同的 RF 节点之间,导致 RF 环境极为不利,所以 RF 计量解决方案的覆盖范围是有待解决的最大难题。事实证明,现有的 ZigBee SE1.1 产品在英国城市地区未能提供足够的城市覆盖范围,这正是基于 Zigbee® 的 2.4GHz 解决方案的主要缺点。频段为 169MHz 的新一代 wM-Bus 启动型智能仪表目的就是要解决在意大利或法国等国家的覆盖范围问题。

扩大 169MHz RF 链接的覆盖范围可避免使用中继器并去除仪表的重复功能,从而简化系统架构,降低网络的总成本。功能较少意味着软件的复杂度有所降低,因此对计量节点的闪存和 RAM 容量要求就更低,也就缩短了产品的开发和认证流程。

1.1 适用于燃气表、水表或热表的新型 wM-Bus 模式

在 EN13757-4:2011 年(也称为 wM-Bus)文件的最新草案中介绍了符合 ETSI 300220v2.3.1 标准的新型“ N”模式物理层 (PHY)。75 kHz 的带宽被分成 6 个 12.5 kHz 的窄带通道。规定其中四个通道采用 GFSK 调制方式,速率为4.8kbps;另两个通道也采用 GFSK 调制方式,速率为 2.4kbps。

还规定了二次通信链接,采用 4 GFSK 调制方式,速率能达到 19.2kbps,目的是在可选的多跳链接(图 2)中优化数据吞吐量。

图 2:wM-Bus 的 N 模式

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

在法国对 169MHz 系统的现场测试已经证明,可达覆盖范围的拓宽能显著简化网络架构。随着 169MHz 数据收集器的合理部署,在欧洲实现无中继器的智能电网已不再是天方夜谭。

图 3:wM-Bus 的 N 模式与 ETSI 300220v2.3.1 的关系

图 3:wM-Bus 的 N 模式与 ETSI 300220v2.3.1 的关系(来源:EN13757-4:2011 年草案)

图 3 展示了新型 wM-Bus 的 N 模式,这个 169MHz 的窄带解决方案将是未来几个欧洲国家燃气表和水表安装的理想选择。

2. 采用 wM-Bus 的智能燃气表架构

在完全基于电子组件的智能仪表内,主要构建模块包括:

• 计量部件的传感器

• 可处理传感器数据并计算出消耗的超低功耗 MCU

• 通信系统

• 电源系统

在现今的燃气表中,传感部分(图 4)可报告流量吞吐量(常通过一个舌簧开关)以及确切的燃气压力和温度测量值。MCU 主模块则处理传感器数据,并将燃气流量调节成标准化的数量以供客户计费之需。

通常情况下,还有一个可远程(如通过 wM-Bus 链接)控制的电动阀。此外,在一些国家也要求有预付费选项。

图 4:智能燃气表
[1] [2]

关键字:智能计量仪表  超低功耗  FRAM

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/1024/article_6156.html
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