Интеллектуальный сбор данных: счетчики, беспроводной интерфейс и контроллер

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к переходу на автоматизированные системы учета ресурсов. В этом заинтересованы и потребители, и поставщики ресурсов, а также компании, занимающиеся их распределением. Наиболее часто встречающееся в повседневной жизни проявление данной тенденции - установка индивидуальных счетчиков расхода ресурсов - холодной и горячей воды, электричества, газа, тепла. Это позволяет конечному потребителю оптимизировать собственные коммунальные расходы - не секрет, что платить «по среднему», как это было лет десять назад, сейчас уже невыгодно, и все чаще потребители, помимо привычных счетчиков электроэнергии, устанавливают дополнительно счетчики воды, газа или тепла. Более того, при строительстве новых многоквартирных домов подобные счетчики устанавливаются на отдельные подъезды или дома в целом. В дальнейшем это позволяет управляющим компаниям формировать счета именно по потребленным данным домом ресурсам, получая возможность детально отчитываться перед поставщиками ресурсов (и, соответственно, не платить за потери, проистекшие не по вине потребителя - утечки воды или тепла, потери электроэнергии). В общем, счетчики потребления ресурсов можно разделить на две большие категории - счетчики электроэнергии и расходомеры - рисунок 1 [1].

Рис. 1. Примерная классификация счетчиков расхода ресурсов

Интеллектуальные счетчики

Во многих случаях компании, предоставляющие коммунальные ресурсы, устанавливают т.н. интеллектуальные счетчики, которые обеспечивают более низкие эксплуатационные и капитальные расходы, поддерживают новые услуги и улучшают оперативное управление. В задачи таких счетчиков ставится автоматическое считывание и хранение показаний, передача накопленных или оперативных данных, защита от несанкционированных действий. На основе анализа накопленных данных впоследствии осуществляется формирование тарифных планов, например, с учетом распределения интенсивности потребления ресурсов в течение дня, недели, месяца, сезонных колебаний. Типичная структура интеллектуального счетчика представлена на рисунке 2 [1-3] (на примере счетчика электроэнергии).

Рис. 2.   Типовая структура интеллектуального счетчика электроэнергии

Одной из основных проблем при внедрении интеллектуальных счетчиков энергоресурсов является интеграция отдельных счетчиков в сеть для централизованного сбора данных. Единого решения этой задачи, видимо, не существует. Практически в каждом случае решение подбирается индивидуально. Но можно отметить следующее - для многоквартирных домов возможно построение системы сбора данных учета, использующее существующие каналы связи, например каналы Интернет-провайдеров, телефонные сети, также возможна передача информации по линиям сетевого питания. Для районов индивидуальной застройки одним из возможных решений является использование для сбора данных системы сотовой связи или других беспроводных решений.

В любом из данных вариантов остается проблема сбора и передачи локальных данных, например, данных счетчиков в пределах одной квартиры, лестничной площадки или дома. Одно из решений в этой области - простой монитор потребления ресурсов, возможно - с функцией хранения истории, отображающий текущее значение на нескольких счетчиках. Многие из частных потребителей должны к определенной дате сообщить показания своих счетчиков (особенно счетчиков расхода воды или потребления тепла) управляющей компании. В качестве канала передачи данных удобнее выбрать радиоканал, что позволяет не зависеть от расположения датчиков и центрального узла. При этом для нелицензируемых приложений возможна работа в т.н. ISM-диапазоне частот. В нашей стране разрешена свободная работа в диапазонах 433,075...434,750 МГц и 868,7...869,2 МГц, 2,45 ГГц, 5,8 ГГц при условии соблюдения ограничений мощности (до 10 мВт на частоте 434 МГц, до 25 мВт на частоте 868 МГц, до 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц).

Интегральные беспроводные решения Maxim для субгигагерцевого диапазона

На рисунке 2 цветом выделены те элементы интеллектуального счетчика, компоненты для которых предлагаются компанией Maxim - это большинство элементов, за исключением первичных датчиков, силовых реле, средств визуализации и памяти. Не обойден вниманием и беспроводной канал передачи данных. Если рассматривать только микросхемы интегральных приемников, передатчиков и приемопередатчиков, то можно видеть, что предлагаются решения как для лицензируемых диапазонов (сотовая связь, GPS-навигация, телевидение, радио, сети WiMax), так и для нелицензируемых частот (локальные сети WiFi, сенсорные сети) [4].

Для считывания показаний счетчиков наиболее подходящими являются микросхемы, работающие в нижней части разрешенного диапазона (т.н. субгигагерцевая область).

С учетом законодательных ограничений практический интерес представляют микросхемы серии MAX70xx, в число которых входят интегральные приемопередатчики, передатчики и приемники, ориентированные на работу с частотами от 300 до 450 МГц.

Основные микросхемы данных серий с их краткими характеристиками представлены в таблицах 1-3 [5-7].

Таблица 3. Приемники Maxim для нелицензируемых диапазонов 433,075...434,750 МГц и 868,7...869,2 МГц 

MAX7031 - экономичный приемопередатчик с частотной модуляцией сигнала, предварительно установленной частотой (заводские установки), встроенным переключателем приема/передачи и выходной мощностью до 10 дБм (при нагрузке 50 Ом).

MAX7030 - приемопередатчик с амплитудной модуляцией сигнала (ASK/OOK), встроенным переключателем приема/передачи и выходной мощностью до 10 дБм (при нагрузке 50 Ом). Возможна работа с напряжениями питания от 2,1 до 3,6 В или от 4,5 до 5,5 В. Чувствительность приемника -114 дБм, уровень подавления за пределами канала более 45 дБм.

MAX7032 - универсальный АМ/ЧМ-приемопередатчик (ASK/OOK или FSK) с выходной мощностью до 10 дБм, который способен работать при напряжениях питания от 2,1 до 3,6 В или от 4,5 до 5,5 В. Имеет встроенный переключатель режимов приема/передачи, режимы пониженного энергопотребления, выход индикации уровня принятого сигнала. Программируемая частота приема/передачи, настраиваемое отклонение от центральной частоты (для режима частотной модуляции). Чувствительность по приему -114 дБм/-110дБм для АМ/ЧМ-режимов соответственно

Для приложений, в которых не требуется двунаправленного обмена данными между узлами, возможна установка на ряде узлов сети приемников или передатчиков. Это несколько снизит цену и энергопотребление конечных устройств. Доступные устройства для ISM-диапазона представлены в таблицах 2 и 3.

MAX7049 работает в диапазоне питающих напряжений от +2,1 до +3,6 В, токи потребления составляют 21 мА при выходной мощности 10 дБм и порядка 43 мА при 15 дБм. Токи утечки в выключенном состоянии - менее 100 нА, ток потребления в состоянии низкого энергопотребления не превышает 400 нА. Поддерживает режимы амплитудной и частотной модуляции, отвечает требованиям стандартов ETSI EN300-220, FCC Part 15 (перестройка частоты), содержит встроенный датчик температуры.

Передатчики MAX7057, MAX7060 также работают с однополярным питанием в диапазоне от +2,1 до +3,6 В, имеют регулируемую выходную мощность (до 13 дБм) и частоту передачи. Токи потребления в режиме передачи лежат в пределах от 8,5 мА (амплитудная модуляция) до 12,5 мА (частотная модуляция).

Передатчики поддерживают скорости передачи до 100 кбит/с (код NRZ).

Двухчастотный MAX7058 поддерживает передачу данных в режиме амплитудной модуляции и манипуляции (ASK/OOK), а также переключение между частотами передачи 315/390 МГц.

Экономичный MAX1479 при напряжениях питания 2,1...3,6 В потребляет не более 6,5/10,5 мА (АМ/ЧМ-режимы соответственно) при выходной мощности свыше 10 дБм. Поддерживает режимы амплитудной модуляции (ASK/OOK), совместим со стандартами ETSI, EN300 220.

MAX7044/MAX1472 - экономичные АМ-передатчики с малым током потребления, поддерживающие глубину модуляции до 90 дБм при выходной мощности до 13/10 дБм соответственно.

Серии MAX2903, MAX2904 помимо амплитудной и частотной модуляции (ASK/FSK) поддерживают режимы амплитудной модуляции (OOK) и расширение спектра при помощи двоичной фазовой модуляции (BPSK). Данные серии обеспечивают выходную мощность до 20 дБм при питании 3,0 В и до 23 дБм при напряжении питания 4,5 В.

MAX7034 - приемник с малой зависимостью чувствительности от температуры и уровнем подавления зеркального канала 44 дБ. Обладает малым временем запуска - менее 250 мкс.

АМ/ЧМ-приемники MAX1471 способны работать в широком температурном диапазоне от -40 до 125°С при напряжении питания 3,3 или 5 В. Сохраняют работоспособность при понижении питающего напряжения до 2,4 В. Ток потребления в режиме приема 7 мА, в режиме низкого энергопотребления не более 1,1 мкА. Интересным решением являются разнесенные выходы демодулированных АМ- и ЧМ-данных.

При чувствительности порядка -144 дБм приемники серии MAX7033 работают в температурном диапазоне от -40 до 105°С. Обладают высоким уровнем подавления сигнала вне частотного канала (44 дБм), могут работать как с 3,3, так и с 5 В источниками питания, ток потребления в активном режиме - не более 5,2 мА, в режиме пониженного потребления - менее 3,5 мкА.

MAX7042 обеспечивает прием ЧМ-сигналов с уровнями до -110 дБм при подавлении сигнала вне канала на 45 дБм. Работают при напряжении питания 3,3 и 5 В с током потребления в пределах 6,2 мА (минимальное напряжение питания 2,4 В).

Для сложных условий эксплуатации (большие расстояния, высокий уровень помех) подойдет серия АМ-приемников MAX1473, которая благодаря встроенному АРУ с широким динамическим диапазоном обеспечивает чувствительность приема до -115 дБм. Дополнительно к этому, обеспечивается высокий уровень подавления сигнала вне канала - до 53 дБм.

Как мы видим, большинство из представленных устройств способно напрямую работать от автономных источников питания, таких как солевые батареи, литиевые аккумуляторы, никелевые аккумуляторные батареи, даже при их существенном разряде. Широкий диапазон питающих напряжений позволяет включать беспроводные микросхемы Maxim совместно с управляющим контроллером практически любого типа.

Универсальный приемопередатчик MAX7032

Для задачи организации сети сбора данных со счетчиков вариант с двусторонним обменом данными является более предпочтительным. Причиной этому является необходимость постоянного отслеживания состояния счетчика, оповещение о нештатных ситуациях или несанкционированных действиях, а также обеспечение возможности оперативной настройки счетчика - например, в случае изменения тарифов, обновления программного обеспечения. Следовательно, в качестве основы для построения канала передачи данных будут выступать приемопередатчики.

Одним из наиболее подходящих решений является универсальный приемопередатчик MAX7032 [8] диапазона 300...450 МГц. Передатчик работает с амплитудно-модулированными сигналами (режимы ASK/OOK), а также с частотно модулированными сигналами (FSK). Обеспечивает достаточно большую для данного диапазона скорость обмена данными - до 33 кбит/с в манчестерском коде, и до 66 кбит/с в коде без возвращения к нулю - NRZ.

Выходная мощность при работе на 50-омную антенну - до 10 дБм. MAX7032 демонстрирует прекрасную чувствительность в режиме приема - до -114 дБм в режиме амплитудной, и до -110 дБм в режиме частотной модуляции.

MAX7032 имеет раздельные выводы для передаваемых и принимаемых сигналов (PAOUT, LNAIN), встроенный RF-ключ для подключения передающих и принимающих выводов к одной общей антенне.

Частота передачи в MAX7032 генерируется 16-битным синтезатором частот с фазовой синхронизацией (PLL) с дробным коэффициентом умножения частоты (fractional-N). В режиме приема опорная частота генерируется синтезатором с целочисленным коэффициентом умножения. Подобная гибридная архитектура исключает необходимость отдельных внешних резонаторов для приема и передачи сигналов. Так, PLL с дробным умножением позволяет установить частоту передачи в пределах 2 кГц от частоты приема (минимальный шаг настройки частоты передачи - fXTAL/4096). Применение PLL с целым коэффициентом умножения на приеме позволяет снизить ток потребления в данном режиме (рабочий ток дробного PLL несколько выше). Таким образом благодаря сокращению числа внешних компонентов снижается стоимость конечного изделия и минимизируется ток потребления при приеме, что продлевает время автономной работы устройства.

Кроме того, архитектура дробного PLL позволяет настроить девиацию частоты в режиме частотной модуляции, что полностью исключает проблему затягивания частоты генератора. Все компоненты, необходимые для генерации частот, интегрированы на кристалле, для подключения MAX7032 требуется всего несколько внешних компонентов, среди которых кварцевый резонатор, фильтр промежуточной частоты на 10,7 МГц, некоторое количество дискретных элементов (рисунок 3) [9].

Рис. 3. Схема включения приемопередатчика MAX7032

Приемопередатчик может работать как с внешней, так и с печатной антенной (в последнем случае эффективность работы будет несколько ниже).

Управляющим интерфейсом выступает SPI, используемый для настройки приемопередатчика, линии DATA, EN, TR, RSSI отображают его состояние, управляют направлением передачи данных, а также служат для их приема-передачи. В качестве управляющего контроллера может быть использован практически любой контроллер семейства MAXQ.

Основа автоматического счетчика
с беспроводной передачей данных - MAX7032+MAXQ610

Прекрасной базой для собственных разработок является пример автоматической системы считывания показаний на базе демонстрационного набора LFRD002 [9-10, 12,13]. В связке с MAX7032 в данном наборе задействован 16-разрядный низкопотребляющий контроллер MAXQ610.

MAXQ610 [11] содержит 16-разрядное RISC-ядро, два интегрированных последовательных порта USART, SPI, модуль ИК-интерфейса, а также набор линий ввода-вывода. 64 кбайт флеш-памяти и 2 кбайт оперативной памяти вполне достаточно и для прикладной программы, и для реализации достаточно сложного стека протоколов. Потребление контроллера в режиме останова составляет всего 0,2 мкА.

LFRD002 может быть с успехом использован для демонстрации возможностей как приемопередатчика MAX7032, так и контроллера MAXQ610. В набор входят три платы: две с контроллером и приемопередатчиком (MTR) - для работы со счетчиками (измерительные узлы), и одна плата, в которой к приемопередатчику и контроллеру добавлен ЖК-дисплей и клавиатура - управляющий узел (RDR). Размеры плат MTR всего 3х3 см, плата RDR несколько больше - 11,5х6,1 см (см. рисунок 4).

Рис. 4. Демонстрационный набор LFRD002

Контроллеры плат доступны для программирования посредством JTAG-интерфейса. Изначально в контроллеры зашито демонстрационное приложение, иллюстрирующее подключение/отключение измерительных узлов к управляющему, а также прием-передачу данных от них.

Помимо перечисленного, разработчикам также доступны Gerber-файлы плат, электрические принципиальные схемы, списки комплектующих и исходные тексты программ [9-13].

Как показано в документе [13], платы из набора LFRD002 вполне успешно могут быть использованы и в качестве самостоятельных узлов в составе счетчиков (рисунок 5).

Рис. 5. Плата MRT в составе счетчика расхода воды

Контроллер MAXQ610 может быть настроен для работы с датчиками практически любых типов.

Заключение

На основе компонентов компании Maxim возможно создание экономичного, но достаточно эффективного решения для индивидуальных систем учета расхода ресурсов. Работа в диапазоне 433 МГц снимает ряд проблем, связанных с распространением радиосигнала - сигналы данного диапазона менее чувствительны к наличию препятствий, характерных для помещений (перегородки, мебель, офисная техника и т.п.), что позволяет работать при меньших мощностях сигнала, а также - снизить требования к протоколам передачи данных. Maxim предоставляет практически все необходимые компоненты для создания интеллектуальных счетчиков расхода ресурсов с беспроводным интерфейсом.

Литература

1. Компоненты для счетчиков ресурсов// http://www.compel.ru/wordpress/wp-content/uploads/2012/02/Komponentyi-dlya-schetchikov-resursov-sayt.pdf  

2. Интеллектуальные счетчики// http://www.compel.ru/wordpress/wp-content/uploads/2011/03/smart-meter_ru.pdf  

3. Мониторинг электрической сети// http://www.compel.ru/wordpress/wp-content/uploads/2011/03/power-grid-monitoring_ru.pdf  

4. Integrated RF Transceivers, Receivers, and Transmitters// http://www.maximintegrated.com/products/wireless/integrated-rf/  

5. ISM Transceivers// http://para.maximintegrated.com/en/search.mvp?fam=ism_tcr&tree=wireless  

6. ISM Transmitters// http://para.maximintegrated.com/en/search.mvp?fam=ism_tx&tree=wireless  

7. ISM Receivers// http://para.maximintegrated.com/en/search.mvp?fam=ism_rcr&tree=wireless  

8. Low-Cost, Crystal-Based, Programmable, ASK/FSK Transceiver with Fractional-N PLL // http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/4755  

9. LF19_EVKIT// http://www.maximintegrated.com/images/appnotes/5404/5404Schematics.pdf  

10. LFRD002: Wireless Automatic Meter Reading Reference Design.//  http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/5391 

11. MAXQ610 - 16-Bit Microcontroller with Infrared Module //

12. LFRD004: 2-Way Remote Control Reference Design// http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/5406  

13. LFRD003: Water Meter Automatic Meter Reading (AMR) Reference// http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/5404 .

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]