כיצד לשלב חיבוריות אלחוטית לתוך מונים חכמים

חיבוריות אלחוטית היא חיונית במונים חכמים עבור חשמל, מים, גז ורשתות חלוקת חימום קהילתיות, אך תכנון מקמ"ש אלחוטי מאפס הוא מאתגר וצורך-זמן. יישומי מונה חכם דורשים פתרונות אלחוט ביצועים-עיליים העומדים במגוון סטנדרטים בינלאומיים, כולל FCC‏ חלק 15 וחלק ‏90‏ בארה"ב, ETSI EN 300 220,‏ ETSI EN 303 131 באירופה, ARIB STD T67,‏ T108 ביפן ו-SRRC בסין. הם חייבים לתמוך בקצבי נתונים של עד 500 קילו-ביט לשנייה (kbps‏). הם חייבים לכלול קידוד ואימות מאובטחים, ולעבוד בסביבות מאתגרות עד 85‎°C+. יישומים רבים דורשים חיי‏ סוללה של מספר שנים.

כדי לעמוד באתגרים אלו, מתכננים יכולים לבחור מבין מעגלים-משולבים מקמ"ש RF או מודולי מקמ"ש RF שלמים, בהתאם לצורכי היישום של המונה החכם. זמינים מעגלים-משולבים (ICs) מקמ"ש RF המבטיחים מאזן ערוץ‏ RF של מעל ‎140 dB‏ עם הספק יציאה של עד ‎16 dBm+‏ והתומכים בחיבוריות רשתות ™SIGFOX,‏ Wireless M-Bus,‏ 6LowPAN ו-IEEE 802.15.4g. זמינים מודולי RF‏ התומכים בחבילת הפרוטוקול Wireless M-Bus ‏או אפנוני רדיו מרובים כגון; LoRa ,(G)FSK ,(G)MSK ו-BPSK; עם אופציות של רוחב-פס אדפטיבי, גורם התפשטות, הספק תמסורת וקצב קידוד כדי לעמוד במגוון צורכי יישום ולהיות תואמים עם מספר גדול של תקנות בינלאומיות, כולל ETSI EN 300 220,‏ EN 300 113,‏ EN 301 166,‏ FCC CFR 47 חלקים 15, 24, 90, 101 וה-ARIB STD-T30,‏ T-67 ו-T-108. מודולים אלה הם מערכות RF שלמות, הזקוקות לאנטנה בלבד, וכוללות קידוד ואימות מאובטחים ומצבי הספק אולטרה-נמוך עבור חיי סוללה מוארכים.

מאמר זה סוקר את‏ אתגרי החיבוריות העומדים בפני מתכנני מונים חכמים אלחוטיים ומסתכל על פתרונות אפשריים. אחר כך, המאמר מציג מגוון אפשרויות, כולל מעגלים-משולבים (ICs) מקמ"ש RF ומודולי RF‏ מבית STMicroelectronics,‏ Move-X ו-Radiocrafts, יחד עם שיקולי תכנון כשמשלבים אנטנה.

אחת ההחלטות הראשונות העומדות בפני המתכננים היא הבחירה בפרוטוקול תקשורת. בחירות נפוצות כוללות תקשורת שדה קרוב (NFC),‏ Bluetooth‏, Bluetooth Smart,‏ Wi-Fi‏ עבור האינטרנט-של-דברים (Wi-Fi‏ עבור ה-IoT‏) ותת- גיגה-הרץ (SubGHz‏). יש לשקול ארבעה גורמים:

• קצב העברת נתונים דרוש
• מצבי הספק נמוך
• טווח תמסורת דרוש
• הצורך בגישה לאינטרנט

Wi-Fi‏ עבור IoT‏ יכולה להיות הבחירה הטובה ביותר עבור יישומים הדורשים את העברת הנתונים המקסימלית, אך יש לה גם את דרישות ההספק הגבוהות ביותר. בעוד ה-SubGHz‏ דורשת הספק בינוני בלבד ומספקת את טווח התמסורת המקסימלי, פרוטוקולים של תקשורת אחרים מציעים סטים שונים של פשרות ביצועים (איור 1‏).

איור 1: ל-Wi-Fi‏ עבור IoT‏ יש את קצב העברת הנתונים וצריכת ההספק הגבוהים ביותר, בעוד SubGHz מציעה את הטווח הגדול ביותר עם דרישות הספק בינוניות. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

יישומי מונה חכם רבים דורשים חיי סוללה של מספר שנים, דבר ההופך את השימוש בטכנולוגיה כמו Wi-Fi עבור IoT למאתגרת. למרבה המזל, ליישומים אלה יש גם דרישות קצב העברת נתונים מוגבלות יחסית ויכולים להפיק תועלת משימוש בטכנולוגיות NFC,‏ Bluetooth Smart,‏ Bluetooth או SubGHz. למרות של-NFC יש צריכת הספק נמוכה מפתה, קצב העברת נתונים נמוך באותה המידה וטווח קצר יכולים לפסול את מועמדותה לשמש ביישומי מונה חכם.

נוסף לכך, התכנון הכולל של המונה החכם הוא חיוני בקביעת צריכת הספק. שמירה על ההתקן במצב‏ הספק נמוך למשך זמן רב ככל האפשר ומעבר למצב פעיל למשך הזמן הקצר ביותר הדרוש הוא גורם מפתח בהארכת חיי סוללה במונים חכמים אלחוטיים.‏ הבחירה בין שימוש מבוסס-מודול או רכיבים בדידים במימוש תקשורת תדר רדיו (RF) היא גורם נוסף בהצלחת התכנון. בזמן קבלת החלטה זו, הבא בחשבון ביצועים, גודל פתרון, גמישות חתימת-שטח, הסמכות, זמן יציאה לשוק ודרישות עלות.

יתרונות השימוש‏ במודול RF

מודול RF הוא תת-מערכת תקשורת שלמה.‏ הוא יכול לכלול RF IC, מתנד, מסננים, מגבר הספק ורכיבים פסיביים שונים. אין צורך במומחיות RF כדי להשתמש בפתרון מודול, מה שמאפשר למתכננים להתמקד על היבטים אחרים של תכנון המונה החכם. מודול RF אופייני מגיע מכויל ומוסמך לסטנדרטים הדרושים.‏ נוסף לכך, המודול יכלול את מעגלי תאום הרשת כדי להקל על השילוב של האנטנה ולהקטין למינימום כל אובדן אותות. האנטנה יכולה להיות פנימית או חיצונית עם פתרונות מודול.

מודולים הם פשוטים לאינטגרציה בתכן. פשטות אינטגרציית התכן מתרחבת לתזרים תהליך הייצור מאחר ואין צורך בטיפול בהתקני RF בדידים מורכבים, רק במודול המבוסס על לוח מעגל מודפס (PCB) סטנדרטי. יצרן המודול כבר טיפל בכל הניואנסים של אינטגרציית מערכות RF. השימוש במודול מקטין את הסיכון הקשור בתכנון‏ RF מרכיבים בדידים, כגון קבלת הסמכות, השגת נצילות דרושה, רמות ביצועים כוללים וזרוז זמן יציאה לשוק.

יתרונות המימוש על ידי מעגלים-משולבים (ICs) בדידים

למרות שהם מורכבים יותר, תכני מעגלים-משולבים בדידים יכולים להציע יתרונות חשובים במונחים של עלות, גודל פתרון וגורם צורה. במרבית המקרים, מודול יהיה יקר יותר מפתרון מבוסס על מעגלים-משולבים.‏ במקרים בהם משתמשים בתכן תת-מערכת RF בנפחי ייצור גדולים, תוספת העלות של תכנון פתרון מבוסס על מעגלים-משולבים מקוזזת על ידי עלויות ייצור נמוכות יותר. אפשר גם להשתמש‏ בתת-מערכת RF משותפת בפלטפורמות מונה חכם מרובות, בכך להגדיל נפחי ייצור כוללים ולהקטין עוד יותר עלויות לטווח-רחוק.

תכן מבוסס על מעגלים-משולבים בדידים כמעט תמיד קטן יותר מפתרון מבוסס על מודול. זה יכול להיות שיקול חשוב ביישומים מוגבלי-מקום. בנוסף לתפיסת חתימת-שטח קטנה יותר, ‏תכן מבוסס על מעגלים-משולבים בדידים יכול להיות מותאם יותר לחלל הקיים.

מעגל-משולב (IC) מקמ"ש RF תת-GHz

מתכננים הזקוקים‏ לפתרון מבוסס על מעגלים-משולבים בדידים בפס התת-GHz‏ יכולים לפנות אל ה-S2-LP, מעגל-משולב מקמ"ש RF הספק אולטרה-נמוך עם תחום טמפרטורות עבודה של 40°C- עד ‎105°C+, במארז QFN24 ‏4 x‏ 4‏ מ"מ (איור 2‏). התכנון הבסיסי עובד בפסי-התדר שלא מחייבים ברישיון, התעשייתי, המדעי והרפואי (ISM) ובפסי התקן טווח קרוב (short range device‏ (SRD)) ב-433, 512, 868 ו-920 מגה-הרץ (MHz‏). אופציונלית, ניתן לתכנת את ה-S2-LP לעבוד בפסי-תדר אחרים כגון 413-479, 452-527, 826-958 ו-904-1055‎ MHz‏. ניתן לממש מגוון תוכניות אפנון, כולל ‎2(G)FSK,‏ ‎4(G)FSK,‏ OOK ו-ASK. ל-S2-LP יש ‏מאזן ערוץ RF ‏> ‎140 dB‏ עבור טווחי תקשורת גדולים ועומד בדרישות הרגולטוריות בארצות הברית, אירופה, יפן ו-סין.

איור 2‏: RF IC זה מוגדר לעבוד עד 105‎°C+ והוא ארוז במארז QFN24 ‏4 x‏ 4‏ מ"מ . (מקור תמונה: STMicroelectronics)

כדי לפשט את תהליך האינטגרציה כשמשתמשים ב-S2-LP, מתכננים יכולים להשתמש בהתקן ה-balun האולטרה-זעיר BALF-SPI2-01D3 עם Ω‏ 50‏ כניסה נומינלית המותאם conjugate matching ל-S2-LP לעבודה בתחום תדרים 860‎ - ‎930 MHz‏. ההתקן משלב רשת תאום‏ ומסנן הרמוניות ומשתמש בטכנולוגיית התקן פסיבי משולב (IPD) על מצע זכוכית בלתי מוליך כדי לספק ביצועי RF ממוטבים.

תכנים המשתמשים ב-S2-LP ועובדים בפס ה-868‎ MHz ISM ניתן לפתח תוך שימוש בלוח ההרחבה X-NUCLEO-S2868A2 (איור 3‏). ה-X-NUCLEO-S2868A2 מתחבר למיקרו-בקר STM32 Nucleo‏ תוך שימוש בחיבורי ממשק היקפי טורי (SPI) ופיני כניסה-יציאה לשימוש כללי (GPIO‏). הוספת או הסרת נגדים מהלוח יכולה לשנות פיני GPIO מסוימים‏. נוסף לכך, הלוח תואם עם מחברי Arduino UNO R3 ו-ST.

איור 3: לוח ההרחבה X-NUCLEO-S2868A2 יכול להאיץ את הפיתוח של תכנים המשתמשים בפס ה-868‎ MHz ISM. (מקור תמונה: DigiKey)

מודול RF מפשט אינטגרציה

עבור יישומים הדורשים זמן יציאה לשוק מהיר וצריכת הספק נמוכה, מודול ה-MAMWLE-00 יכול לפשט אינטגרציית מערכת. הוא משתמש במחבר‏ ‎50 Ohm U.FL עבור יציאת ה-RF ויש לו ליבת‏ 48‎ MHz Arm® Cortex® M4 32-bit RISC במארז‏ 16.5 X‏ 15.5 x‏ 2 מ"מ. מודול RF זה הוא בעל מספר אפשרויות של מצבי עבודה בהספק נמוך. הוא מממש אפנוני רדיו מרובים, כולל LoRa‏, G)FSK)‏, G)MSK)‏ ו-BPSK‏, עם אפשרויות שונות של רוחב-פס, גורם התפשטות (SF), הספק וקצב קידוד (CR) (איור 4‏). ‏מאיץ קידוד/פענוח חומרה משובץ יכול לממש סטנדרטים שונים כגון סטנדרט קידוד מתקדם (AES‏, ‏128 כמו גם 256 ביטים) ומאיץ מפתח ציבורי (PKA) עבור PKA עבור Rivest-Shamir-Adleman ‏(RSA‏), Diffie-Hellmann או קריפטוגרפיית עקומה אליפטית (ECC) מעל שדות Galois.

איור 4‏: מודול ה-MAMWLE-00 מעניק למתכננים אפשרויות בחירה של מצבי חיסכון-הספק וסטנדרטים שונים של אפנון RF. (מקור תמונה: DigiKey)

מודול M-Bus RF

תוך שימוש בפרוטוקול האלחוטי M-Bus, מתכננים יכולים לפנות אל מודול מקמ"ש RF ‏RC1180-MBUS של Radiocrafts שמידותיו 12.7 X‏ 25.4 X‏ 3.7 מ"מ במארז מסוכך להרכבה-משטחית (איור 5‏). למודול RF זה‏ יש חיבור אנטנה של פין אחד וממשק‏ UART‏ עבור הגדרת תצורה ותקשורת טורית. הוא עומד במפרט ה-Wireless M-Bus‏ סגנונות S‏, ‏T ו-R2, עובד ב-12‏ ערוצים בפס התדר MHz‏ 868‏, והוא מוסמך מראש לעבודה תחת תקנות רדיו אירופיות עבור שימוש ללא רשיון.

איור 5‏: הפרוטוקול האלחוטי M-Bus ניתן למימוש על ידי השימוש במודול מקמ"ש RF RC1180-MBUS של Radiocrafts (מקור תמונה: DigiKey‏)

לוח החיישן RC1180-MBUS3-DK עם ערכת פיתוח מודול רדיו M-Bus מפשט למתכננים להעריך במהירות את מודול החיישן שעל הלוח, לכוונן את היישום ולבנות אבי-טיפוס. הוא כולל שתי אנטנות מונופול רבע-גל Ω‏ 50‏ עם מחברי SMA זכריים, שני כבלי USB‏ וספק-כוח USB‏ (איור 6‏). ערכת פיתוח זו יכולה להיות‏ רכז (concentrator), שער (gateway) ו/או מקלט עבור לוח החיישן.

איור 6: ערכת פיתוח M-Bus זו כוללת שתי אנטנות מונופול רבע-גל Ω‏ 50‏ עם מחברי SMA זכריים, שני כבלי USB‏ וספק-כוח USB‏ (לא מוצג‏). (מקור תמונה: DigiKey)

אינטגרציית אנטנה

כשמחברים אנטנה למודול RF, חברת Radiocrafts ממליצה שהאנטנה תהיה מחוברת ישר לפין ה-RF, שמתואם ל-50 אוהם‏ (Ω‏). אם לא ניתן לחבר את האנטנה לפין ה-RF, הפס המוליך של ה-PCB בין פין ה-RF ומחבר האנטנה חייב להיות קו תמסורת של 50‎ Ω. במקרה של FR4 PCB שתי-שכבות עם קבוע דיאלקטרי של 4.8, רוחב קו התמסורת Microstrip חייב להיות פי 1.8 העובי של הלוח. קו התמסורת חייב להיות בצד העליון של ה-PCB, עם משטח הארקה בתחתית ה-PCB. לדוגמה, כשמשתמשים ב-‏FR4 PCB סטנדרטי בעובי 1.6 מ"מ, הרוחב של קו התמסורת Microstrip חייב להיות 2.88 מ"מ (1.8 x‏ 1.6 מ"מ).

אנטנת שוט רבע-גל היא המימוש הפשוט ביותר והיא בעלת עכבה של 37‎ Ω‏ כשנמצאת מעל משטח הארקה, ובדרך כלל אין צורך במעגל תאום Ω‏ 50‏. לחלופין, ניתן ליצר אנטנת PCB תוך שימוש בפס מוליך נחושת עם משטח הארקה מוסר מהצד האחורי של ה-PCB. חייב להיות‏ משטח הארקה על יתרת ה-PCB, באופן אופטימלי גדול כמו האנטנה כדי שיפעל כמשקל נגד. אם אנטנת ה-PCB קצרה מרבע-גל, יש להוסיף רשת תאום Ω‏ 50‏.

סיכום

כשבוחרים בין פרוטוקולים אלחוטיים שונים לשימוש במונים חכמים אלחוטיים, מתכננים צריכים לשקול מספר גורמים, כולל את קצב העברת הנתונים, צריכת ההספק, טווח התמסורת והצורך בגישה לאינטרנט. נוסף לכך, הבחירה בין מעגלים-משולבים (IC)‏ RF ומודולים כרוכה בפשרות בין גודל פתרון, עלות, גמישות, זמן יציאה לשוק, תאימות רגולטורית וגורמים אחרים. לאחר זיהוי פרוטוקול ה-RF המתאים ולאחר שנעשתה הבחירה בין מעגלים-משולבים (ICs) ומודולים, וכן תוכננה מערכת ה-RF הבסיסית, אינטגרציה של אנטנה היא קריטית כדי לפתח‏ מונה חכם אלחוטי מצליח.