新一代智能計量儀表詳解

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

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型芯片產(chǎn)品。同樣，只有顯著降低半導體產(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應用中廣泛采用無線技術(shù)。

人們普遍意識到，未來全球性增長的良機將花落智能電網(wǎng)市場，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、數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)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(而這反過來又有助于減少興建新電廠的需求)，也有望通過家庭自動化為消費者節(jié)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(tǒng)解決方案的強強聯(lián)手如何能助推新一代智能計量儀表走紅歐洲內(nèi)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(guī)模部署敞開了新機遇的大門。

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

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(quán) ISM 頻段有所擴展，在抄表應用中可以是頻段為 169.400MHz 的一個 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)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(xiàn)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(shù)據(jù)收集器方向，另一種則用于從數(shù)據(jù)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 的關系

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

在歐洲人口密集地區(qū)部署智能儀表時，由于高樓大廈林立，多重混凝土與磚墻擋在不同的 RF 節(jié)點之間，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。事實證明，現(xiàn)有的 ZigBee SE1.1 產(chǎn)品在英國城市地區(qū)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。頻段為 169MHz 的新一代 wM-Bus 啟動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，從而簡化系統(tǒng)架構(gòu)，降低網(wǎng)絡的總成本。功能較少意味著軟件的復雜度有所降低，因此對計量節(jié)點的閃存和 RAM 容量要求就更低，也就縮短了產(chǎn)品的開發(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 12.5 kHz 的窄帶通道。規(guī)定其中四個通道采用 GFSK 調(diào)制方式，速率為4.8kbps;另兩個通道也采用 GFSK 調(diào)制方式，速率為 2.4kbps。

還規(guī)定了二次通信鏈接，采用 4 GFSK 調(diào)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(shù)據(jù)吞吐量。

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

在法國對 169MHz 系統(tǒng)的現(xiàn)場測試已經(jīng)證明，可達覆蓋范圍的拓寬能顯著簡化網(wǎng)絡架構(gòu)。隨著 169MHz 數(shù)據(jù)收集器的合理部署，在歐洲實現(xiàn)無中繼器的智能電網(wǎng)已不再是天方夜譚。

圖 3：wM-Bus 的 N 模式與 ETSI 300220v2.3.1 的關系(來源：EN13757-4：2011 年草案)

圖 3 展示了新型 wM-Bus 的 N 模式，這個 169MHz 的窄帶解決方案將是未來幾個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(gòu)

在完全基于電子組件的智能儀表內(nèi)，主要構(gòu)建模塊包括：

• 計量部件的傳感器

• 可處理傳感器數(shù)據(jù)并計算出消耗的超低功耗 MCU

• 通信系統(tǒng)

• 電源系統(tǒng)

在現(xiàn)今的燃氣表中，傳感部分(圖 4)可報告流量吞吐量(常通過一個舌簧開關)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(shù)據(jù)，并將燃氣流量調(diào)節(jié)成標準化的數(shù)量以供客戶計費之需。

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

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