【技术干货】Sub-GHz成智能电表新解

by Administrator Siliconlabs on ‎05-18-2017 02:53 AM

長距離/低功耗/廣範圍 Sub-GHz成智慧電表新解方

作者:Kavita Char, Silicon Labs

 

环保节能意识高涨,智能电表可更有效管理供电及功率损耗,因此,吸引众多能源供货商及半导体业者投入此一应用发展。Sub-GHz具备较佳的传播特性、长距离特色及低功耗,因此成为无线智能电表发展之首要考虑。

 

在过去的十年中,由于全球对能源环保问题持续加以关注,因此,相较于传统仪表,能更有效帮助管理供电和功耗的智能电表应用获得了广泛采用。设计智能型电表时,无线通信技术的选择是十分关键的,因此需整体性的考虑。

 

对于诸如回程通讯等从电表到数据集中器、再到其他仪表的长距离应用来说,Sub-GHz技术是十分合适的,因为其具备卓越的传播特性、长距离性能、低功耗操作和未授权频段广泛的存取性。

 

智能电表商机潜力佳

 

接下来的几年中,大量的智能电表预计将会在全世界部署。根据Pike Research报告指出,到2020年时,在中国所安装的智能电表数量将达到三亿七千七百万。智能电表部署根据不同的有线和无线技术分门别类,其中一大部分会是在470~510MHz波段下使用Sub-GHz无线装置。

 

今日,Sub-GHz无线技术存在于几乎所有的智能电表中。最普遍的Sub-GHz所连接的应用是电表之间的通讯,从电表到数据收集器或集中器。下图显示了典型的无线智能电表系统(1),该系统连接消费者到电力公司。接下来将深入探讨智能电表Sub-GHz无线解决方案设计的关键考虑。

 

降低功率放大器功耗以提升覆盖范围

 

在应用上,频率波段上的长覆盖距离为使用Sub-GHz无线技术的一项主要优势。长距离系统减少了部署的成本,在最少的集中器或中继器之下,仍可支持同样数量的智能电表。从经验法则得知,每增加6dB的链路预算,将会使室外、无较大阻隔环境之覆盖范围加倍。因此,在其他相同条件下,169MHz波段将比868/915 MHz达到更广覆盖范围。

 

增加发射功率是增加覆盖范围最简单的方式,但缺点是功耗的增加。多个无线IC提供了使用整合功率放大器的解决方案,而PA的效率则是关键的区分因素。例如,在915MHz频率波段下,以芯科实验室(Silicon Labs)旗下的Si446x EZRadioPRO收发器为例,仅需要18mA来输出+10dBm或85mA来输出+20dBm。下表显示根据现有的收发器解决方案,不同数据传输速率下理想的链路预算(表1)。

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图1 无线智能电表系统示意图

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低功耗为无线智能电表首要考量

 

另一个无线智能电表设计的关键考虑因素是功耗。低功耗操作对电池供电的水气仪表和瓦斯表十分重要,对电表来说重要性略低。电池供电的仪表通常使用锂电池,需要以较低的工作周期持续运作15∼20年。影响系统的功耗的另一个因素是无线收发器处理典型的数据封包处理功能的能力,而卸除主机MCU的负荷,例如前同步码和同步字检测、曼彻斯特(Manchester)编码和CRC运算。

 

电表通讯是具有周期性的,且使用非常低的工作周期,其低待机和接收功率是主要的优势;再以Silicon Labs的EZRadioPRO收发器(图2)为例,该产品在待机状态下仅消耗50nA。

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2EZRadioPRO收发器示意图

 

 

发展Sub-GHz需合乎法规/标准兼容性

 

使用Sub-GHz无线技术最大挑战之一,就是须要合乎法规及标准兼容性。2.4GHz波段全球可用,其仅须根据区域的规范要求调整发射功率。但是,Sub-GHz频率须要根据区域而变化,因此在软硬件设计中具备更高挑战。ISM波段通常操作于Sub-GHz中,其为毋须许可的。频率由每个国家独立分配(图3),下表所示则为通用的智能电表频率(表2)。

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图3  ISM波段通常操作于Sub-GHz中,频率由每个国家独立分配。

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多数智能电表设计会针对每个地区或频率波段采用特定的硬件,而非以通用的设计来满足全球需求。

 

除此之外,设计者必须了解多个无线标准和工业联盟,例如IEEE 802.15.4g/e、WirelessM-Bus、zigbee和Wi-SUN。所有均表明业界正朝着基于IEEE 802.15.4(g/e)的标准解决方案的方向发展。IEEE 802.15.4g规定了物理层,其通常为无线收发器本身所支持。

 

此种情况下,通常具有专有软件堆栈,或混合解决方案使用部分802.15.4g,以及上层专有的应用。为此,SiliconLabs提供了基于标准和专有的堆栈并进行优化,以运行于MCU和无线收发器上,同时还允许客制化。

 

覆盖范围、功耗和符合标准兼容性定义的Sub-GHz无线设计是关键因素。快速讯号检测、几十奈安培之超低功耗待机电流及更快速的状态过渡时间,再辅以强大的软件解决方案,则是新方法的基石,其可从系统级提升智能电表效率。

 

虽然欧洲和美国引领着智能电表的系统部署,但事实上,新兴经济体的成长力道则最强,例如金砖四国。

 

中国和印度为世界上人口最稠密的国家,因此具备采用智能电表所部署之智慧Sub-GHz无线通信的成长趋势,其对于安全、低功耗测量解决方案方面也同样蕴含着强大的需求。

 

更多关于Silicon Labs Sub-GHz解决方案和产品信息,请访问:

http://cn.silabs.com/products/wireless/proprietary

 

原文链接:http://www.mem.com.tw/arti.php?sn=1701230010

 

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