WMBUS + SPIRIT1 – идеальное решение для расходомеров/АСКУЭ

9 июня 2014

Автоматическое считывание показателей счетчиков расходуемых ресурсов идеально организовать на базе беспроводного протокола WM-Bus, реализованного на базе приемопередатчиков SPIRIT1 производства компании STMicroelectronics.

Автоматизация систем учета потребления ресурсов, особенно в сфере ЖКХ, является одной из актуальных и сложных задач. В ее решении заинтересованы потребители и поставщики ресурсов, а также компании, занимающиеся их распределением. Многие управляющие компании требуют установки индивидуальных счетчиков расхода холодной и горячей воды, электричества, газа, тепла. При строительстве новых многоквартирных домов часто подобные счетчики устанавливаются на отдельные подъезды или дома в целом. В дальнейшем это позволяет управляющим компаниям формировать счета именно по потребленным ресурсам, получая возможность детально отчитываться перед поставщиками (и, соответственно, не платить за расходы, проистекшие не по вине потребителя – утечки воды или тепла, потери электроэнергии). Возможна установка так называемых интеллектуальных счетчиков, которые обеспечивают меньшие эксплуатационные расходы, поддерживают новые услуги и улучшают оперативное управление. В задачи таких счетчиков входит автоматическое считывание и хранение показаний, передача накопленных или оперативных данных, защита от несанкционированных действий. На основе анализа накопленных данных впоследствии возможно формирование тарифных планов, например, с учетом распределения интенсивности потребления электроэнергии или воды в течение дня, недели, месяца, сезона. 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 – в данном случае, помимо технических проблем, возникает множество иных. В частотности – организационные, административные проблемы, человеческий фактор.

К примеру, многие из частных потребителей должны к определенной дате сообщить показания своих счетчиков (особенно счетчиков расхода воды, 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 так называемом ISM-диапазоне частот. На данный момент для организации систем учета или отдельных их частей возможно применение таких технологий как ZigBee, 6LoWPAN, Wi-Fi, Bluetooth Low Energy, WM-Bus, проприетарные протоколы фирм-производителей беспроводных компонентов.

Беспроводной M-Bus

M-Bus (Meter-Bus) – коммуникационный проводной протокол (европейский стандарт EN 1434/IEC870-5, EN 13757-2 – физический и канальный уровни, уровень приложений EN 13757-3). Основан на стандартной архитектуре «клиент-сервер». Является одним из распространенных протоколов передачи данных для ряда специфических электронных устройств, таких как приборы учета электрической энергии (электросчетчики), тепловой энергии (теплосчетчики), расходомеры воды и газа, некоторые исполнительные устройства и т.п. Данные передаются на сервер напрямую или через концентраторы шины M-Bus и усилители-повторители сигнала.

Стандарт отвечает следующим базовым требованиям:

• гарантированной передаче данных относительно небольшого объема от большого числа неинициативных источников на расстояние до нескольких километров в условиях высокого уровня помех;
• низкой стоимости оборудования и минимальным затратам на установку и эксплуатацию;
• простоте расширения системы в течение срока службы.

Стандарт M-Bus не включает процедур преобразования форматов данных, организации «сессий» передач, транспортировки пакетов и маршрутизации.

Протокол M-Bus не является промышленным и применяется только в тех устройствах, где некритична низкая скорость (и даже потеря части данных). К достоинствам данного протокола можно отнести минимальные требования к оборудованию и линиям связи, быстроту внедрения и простоту монтажа. Это делает его малозатратным и экономически привлекательным. Указанные свойства M-Bus сделали его достаточно популярным, и довольно часто данный протокол используется в системах автоматизации различных объектов. Также этому способствует и достаточно простое интегрирование с промышленными протоколами автоматизации, включая RS-485.

Расширением M-Bus на область беспроводных систем можно считать протокол Wireless M-Bus (WM-Bus), т.е. беспроводной M-Bus.

Структура WM-Bus

Аналогично проводной версии, основная топология сети для WM-Bus – «точка-точка» или «звезда». Типичным применением WM-Bus является организация сбора показаний счетчиков потребления ресурсов на стационарный или мобильный концентратор, который впоследствии передает их для последующей обработки.

Основным регламентирующим документом WMbus является стандарт EN13757-4, определяющий обмен данными в диапазоне SRD (868…870 МГц). Если это допустимо местными нормативными актами – может использоваться диапазон 433 МГц или 169 МГц. На текущий момент в стандарте EN13757-4 определены три рабочих режима: «S», «T» и «R» (таблица 1).

Таблица 1. Режимы WMBus (из EN 13757-4:2005)

Для кодирования данных в WMBus применяется либо манчестерский код (1/2 скорости передачи данных при использовании радиоканала в режиме «S»), либо специальный код «3 из 6» (2/3 скорости передачи при использовании радиоканала в режиме «T»). В режиме «S» полезная скорость передачи данных равна 16384 бит/с, а в режиме «T» — 66667 бит/с.

Пакет физического уровня WM-Bus состоит из четырех частей – преамбулы, слова синхронизации, поля данных и поля окончания пакета.

В рамках протокола WM-Bus возможны следующие режимы формирования и трансляции пакетов:

• режим 0 – кодирование манчестерским кодом, длина преамбулы 279 бит, синхронизирующее поле – 18 бит (значение 0x7696) поддерживается режимами работы S1 и S2;
• режим 1 – кодирование манчестерским кодом, длина преамбулы 15 бит, синхронизирующее поле – 18 бит (значение 0x7696) поддерживается режимами работы S1-m, S2, T2;
• режим 3 – код 3 из 6, длина преамбулы 19 бит, синхронизирующее поле – 10 бит (значение 0x3D) поддерживается режимами работы T1, T2;
• режим 5 – кодирование манчестерским кодом, длина преамбулы 39 бит, синхронизирующее поле – 18 бит (значение 0x7696) поддерживается режимом R2.

Размер поля данных пакета – 0…64 кбайт, в данном поле инкапсулируется пакет канального уровня WM-Bus (или просто пакет WM-Bus). В сети WM-Bus возможны пакеты двух типов – А и B. Каждый тип пакетов включает в себя три информационных блока – первый, второй и опциональный.

Первый блок содержит поля длины пакета, контрольную информацию и адрес отправителя. Он одинаков для пакетов обоих типов.

Второй блок пакета содержит информационные поля, характеризующие тип информации в пакете. В него входят заголовок блока, 15 (тип А) или 115 (тип B) байт описания информации пакета и двухбайтовое поле контрольной суммы. Поле данных второго блока пакета включает в себя данные прикладного уровня WM-Bus.

Опциональный блок содержит поле данных и двухбайтовое поле контрольной суммы.

Протокол WM-Bus является достаточно простым для реализации и не требует от реализующего его контроллера большого объема оперативной и постоянной памяти. Это позволяет применять для реализации WM-Bus беспроводные приемопередатчики в связке с небольшим малопотребляющим контроллером. Интенсивность обмена данными в системах АСКУЭ на данный момент относительно невелика. В связи с этим при выборе аппаратной платформы на первый план выходит энергопотребление приемопередатчика и микроконтроллера в режимах сна, ожидания или подобных им. Например, данные со счетчика воды могут быть востребованы всего лишь несколько раз в сутки, а в ряде случаев – только несколько раз в месяц. Следовательно, большую часть времени и управляющий микроконтроллер, и беспроводной приемопередатчик будут находиться в режиме ожидания.

Для обмена данными целесообразнее использовать диапазон 868.7…869.2 МГц, поскольку радиоволны данного диапазона слабее подвержены влиянию препятствий и затуханию при прохождении сквозь стены и перекрытия по сравнению с волнами диапазона 2.4 ГГц. Кроме этого, в данном диапазоне практически нет помех, связанных с работой пользовательской электроники – пультов управления, сигнализации, беспроводных сетей или интерфейсов. На данный момент такие устройства используют в основном диапазоны 433 МГц или 2.4 ГГц.

Одним из приемопередатчиков, подходящих для реализации физического канала передачи WM-Bus, является SPIRIT1 производства компании STMicroelectronics.

SPIRIT1

Изделие представляет собой высокоинтегрированный приемопередатчик субгигагерцевого диапазона (рисунок 1) [1, 2]. Приемопередатчик работает в частотных диапазонах 150…174, 300…348, 387…470 и 779…956 МГц, поддерживает типы модуляций сигнала 2-FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK и ASK, имеет буферы по 96 байт на прием и передачу. Отвечает требованиям стандартов Wireless M-BUS, EN 300 220, FCC CFR4715 (15.205, 15.209, 15.231, 15.247, 15.249) и ARIB STD T-67. Максимальная скорость передачи данных – до 500 кбит/с, для ASK/OOK модуляций – до 250 кбит/с. Для российского рынка интересны варианты включения приемопередатчика на частотные диапазоны 433.075…434.750 МГц и 868.7…869.2 МГц.

Рис. 1. Структура приемопередатчика SPIRIT1

Для тактирования трансивера можно применять кварцевые резонаторы с частотой 24, 25, 26, 48, 50 и 52 МГц. Синтезатор частот построен по схеме дробной сигма-дельта- архитектуры в сочетании с широкополосным управляемым напряжением генератором, что вместе позволяет реализовать узкие частотные каналы на всем доступном частотном диапазоне. Встроенная функция автокалибровки позволяет обеспечить стабильную работу синтезатора частот вне зависимости от напряжения питания и температуры. В том случае, если калибровка не запрещена, она проводится каждый раз при переходе приемопередатчика между состояниями «готов» и «ожидание/прием/передача» или между состояниями «прием» и «передача». Время калибровки – всего 54 мкс.

SPIRIT1 имеет встроенное устройство формирования и обработки пакетов (packet handler), поддерживающее форматы пакетов Basic, STack, Wireless M-Bus (рисунок 2). В режиме STack поддерживается автоматическое формирование и отправка ACK-пакетов, повторная передача пакетов, отслеживание таймаутов.

Рис. 2. Форматы пакетов, поддерживаемые SPIRIT1

В режимах с форматами пакетов BASIC и STack доступна опция автоматической фильтрации пакетов путем отбрасывания пакетов с неверной контрольной суммой, сортировка по адресам отправителя или получателя, полю управления.

Диапазон выходных мощностей составляет -30…16 dBm, максимальная чувствительность до -120 dBm (бюджет канала порядка 130 dBm). Вывод управления внешним переключателем антенн позволяет осуществлять автоматический выбор антенны с наилучшими показателями приема для каждого пакета еще на этапе приема преамбулы (без какого-либо вмешательства хост-контроллера). Переключение между антеннами идет до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое значение обнаружения несущей частоты. Трансивер способен отслеживать уровень принимаемого сигнала (RSSI) и наличие несущей частоты (CS), оценивать качество канала (LQI). Приемная часть SPIRIT1 может оценивать уровень сигнала преамбулы и слова синхронизации. В случае низких уровней сигнала данных частей пакета дальнейший прием и демодуляция будет прекращена. Под управлением хост-контроллера SPIRIT1 можно применять для организации каналов связи с перескоком частот (FHS).

Диапазон напряжений питания SPIRIT1 1.8…3.6 В, ток потребления в режиме приема порядка 9 мА (при работе в диапазоне 433 МГц и скорости передачи данных 38.4 кбит/с). Подсистема питания SPIRIT1 включает в себя высокоэффективный встроенный импульсный преобразователь питания и линейный стабилизатор.

Энергопотребление в режимах, в которых не задействована радиочастотная часть прибора – менее 1 мкА, а в режимах приема или передачи – 9…23 мА (таблица 2).

Таблица 2. Режимы работы приемопередатчика SPIRIT1

Для снижения общего энергопотребления в режиме приема реализовано несколько режимов работы:

• «бесконечный» таймаут (Infinite timeout) – SPIRIT1 выходит из режима приема (RX) по окончании приема пакета или по команде SPI-интерфейса от хост-контроллера;
• таймаут по уровню несущей – устройство выходит из режима приема, если уровень несущей в течение заданного времени не превышает порогового уровня;
• SQI-таймаут – устройство выходит из режима приема, если уровень сигнала при приеме синхронизирующей последовательности меньше порогового;
• PQI-таймаут – устройство выходит из режима приема, если уровень сигнала при приеме преамбулы меньше порогового.
• Режим активности малой длительности (low duty cycle) – в данном режиме устройство на короткий промежуток времени переходит в режим передачи или приема. В данном режиме возможна синхронизация приемника и передатчика. Благодаря автоматической поддержке режима доступа CSMA/CA возможна одновременная работа нескольких приемопередатчиков SPIRIT1 на одном канале.

Безопасность передаваемых по каналу данных обеспечивается встроенным блоком AES-шифрования с ключами 128 бит. Блок AES может быть использован также и просто для шифрования/дешифрования данных независимо от операций приема или передачи.

Типовое включение SPIRIT1 представлено на рисунке 3. В схему включения SPIRIT1 входит лишь несколько развязывающих конденсаторов по питанию, фильтры на приемную и передающую части, а в случае активирования функции импульсного преобразователя – дополнительно требуется внешняя индуктивность и пара фильтрующих конденсаторов (рисунок 3).

Рис. 3. Типовое включение SPIRIT1 [3]

BALF-SPI-01D3 предназначен для фильтрации гармоник и точного согласования комплексного импеданса выходных каскадов трансивера SPIRIT1 c антенной 50 Ом в диапазоне 868 Мгц. Миниатюрный SMD-компонент с четырьмя точками подключения заменяет сложную цепочку из 15 дискретных LC-элементов (рисунок 3), снижая тем самым стоимость пайки. Помимо того, что BALF-SPI-01D3 [3] решает проблемы со сложностями трассировки СВЧ-части, он также позволяет существенно сэкономить место на плате (размер микросхемы всего 2.0х1.4 мм).

Интерфейс с хост-контроллером обеспечивается SPI-интерфейсом, набором линий ввода-вывода и входом включения/выключения.

SPIRIT1 управляется по SPI-интерфейсу посредством 17 команд – изменения состояния устройства, AES-шифрования/дешифрования, операций с FIFO. Более чем 200 регистров обеспечивают гибкое управление всеми параметрами работы SPIRIT1.

Помимо SPI-интерфейса, SPIRIT1 имеет четыре линии ввода-вывода, обеспечивающие при различных настройках следующие функции:

• отображение прерываний;
• сигналы мониторинга состояния;
• команды управления (переход между режимами, активация устройства по событию);
• ввод/вывод данных в режиме прямого приема или передачи;
• выход датчика температуры;
• входы/выходы опорных тактовых сигналов.

Вывод SDN позволяет переводить SPIRIT1 в режим «Выключено» (shutdown).

Программное обеспечение для работы со SPIRIT1

Платформенно-независимая библиотека SPIRIT1 SW Library делает работу с приемопередатчиком прозрачной для программиста – библиотека разбита на модули, отвечающие за работу с определенными функциональными блоками устройства, каждая API-команда соответствует набору низкоуровневых операций по настройке SPIRIT [4] (рисунок 4).

Рис. 4. Структура библиотеки SPIRIT1 SW Library

Для разработки приложений, использующих беспроводной интерфейс на базе SPIRIT1, компания STMicroelectronics предлагает пакеты разработки SPIRIT1 SDK Suite и SPIRIT1 WM-BUS Suite.

SPIRIT1 SDK Suite включает в себя документацию, низкоуровневые драйвера для отладочных плат, библиотеки низкоуровневого управления SPIRIT1, примеры приложений, предварительно скомпилированные образы демонстрационных программ. Структура SPIRIT1 SDK Suite представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Структура программного пакета SPIRIT1 SDK Suite

Аналогичным образом, в SPIRIT1 WM-BUS Suite входит документация, примеры WM-BUS приложений для диапазонов 868 и 169 МГц, двоичный загружаемый образ стека протоколов WM-BUS. ST WM-BUS library, входящая в состав SPIRIT1 WM-BUS Suite, поддерживает стек протоколов WM-Bus в редакции prEN 13757-4:2011:

• поддерживаются режимы S, T, R, N (за исключением N2g);
• представлены двоичные образы библиотек физического и канального уровней WM-Bus для ARM Cortex-M3 (STM32L).

Структура STM32L WM-BUS Firmware library представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Структура STM32L WM-BUS Firmware library

Стек протоколов требует порядка 2 кбайт оперативной памяти и 9 кбайт FLASH-памяти (в зависимости от опций оптимизации при компиляции).

Хост-контроллер (STM32L) отвечает за выполнение приложений WM-Bus прикладного уровня, выполняет функции канального уровня, шифрование/дешифрование данных, формирование пакетов MAC-уровня, реализацию функций PHY API WM-Bus, выполнение API команд управления и передачи данных WM-Bus, управление режимами работы SPIRIT.

SPIRIT1 формирует пакеты WM-Bus, реализует физический уровень передачи данных (включая кодирование манчестерским кодом или кодом «3 из 6»), отвечает за прием и передачу пакетов.

Заключение

SPIRIT1 практически идеально подходит для реализации WM-Bus благодаря низкому энергопотреблению во всех режимах работы, настраиваемой полосе частот канала в пределах диапазона, встроенному устройству формирования пакетов. В пакет программной поддержки SPIRIT1 входит платформенно-независимая библиотека, а для контроллеров производства компании STMicroelectronics можно воспользоваться готовой библиотекой WM-BUS Firmware library.

Бюджет канала в более чем 120 dBm позволяет применять приемопередатчик в условиях достаточного большого уровня помех или при значительном расстоянии между счетчиком и концентратором WM-Bus. Узкие частотные каналы (всего порядка 6 кГц), а также поддержка схемы работы с перескоком частот позволяют применять SPIRIT1 для работы в условиях большого количества параллельно работающих в одном диапазоне устройств.

Схемотехника подключения приемопередатчика достаточно проста, и при соблюдении рекомендаций к топологии печатной платы ее реализация и запуск не вызывает проблем.

Литература

1. Михаил Чигарев. Spirit1 – дух, объединяющий микроконтроллеры ST в беспроводную сеть. Новости Электроники № 8/2013, стр. 14…22
2. SPIRIT1 Low data rate, low power Sub 1GHz transceiver
3. BALF-SPI-01D3 – согласующий SMD-трансформатор на 868 МГц от STMicroelectronics
4. STSW-CONNECT 009 Setup for SPIRIT1 design kit

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.