№3 / 2018 / статья 2

Решения STMicroelectronics для интеллектуальных счетчиков электроэнергии

Александр Русу (г. Одесса)

Нужно быстро разработать новый счетчик электроэнергии, отвечающий всем современным требованиям и встраиваемый в систему умного дома/города? У компании STMicroelectronics есть комплексное решение на основе малопотребляющих микроконтроллеров STM, модуля проводной связи STCOMET, широкополосных передающих модулей и программно-аппаратных средств защиты информации.

В конце июня 2016 года международная энергетическая компания Enel представила систему учета электроэнергии на основе второго поколения интеллектуальных счетчиков. Согласно новой стратегии развития измерители Open Meter заменят существующие приборы учета и в ближайшее время будут установлены более чем у 32 млн абонентов. Новый счетчик полностью соответствует всем аспектам современной политики компании, направленной на повышение технического уровня, открытости, доступности и стабильности обслуживания клиентов. Осознавая, что эти приборы будут являться «лицом компании» на протяжении многих лет, к их разработке привлекли не только технических специалистов, но и дизайнеров, что позволило создать простой, стильный и эргономичный аппарат, удобный как в установке, так и в последующем обслуживании (рисунок 1).

Рис. 1. Интеллектуальный электросчетчик второго поколения Open Meter

Рис. 1. Интеллектуальный электросчетчик второго поколения Open Meter

Кроме измерения количества потребленной энергии, новая система поддерживает несколько тарифных планов, дистанционный доступ к результатам измерений и множество других функций. Так, например, измеряя каждые 15 минут уровень потребляемой мощности, можно в режиме реального времени выполнить анализ энергопотребления каждого клиента, сформировать персональные рекомендации по улучшению энергоэффективности и даже оперативно принять меры при возникновении аварийной ситуации. Это позволяет конечным потребителям более осознанно относиться к использованию электроэнергии, что прекрасно согласуется с актуальной общемировой необходимостью внедрения энергосберегающих технологий. Таким образом, повышение уровня «интеллектуальности» приборов учета постепенно становится необходимым условием успеха любой современной энергетической компании.

Перечень функций, которые должен обеспечивать современный электросчетчик, достаточно широк и уже не ограничивается простым измерением количества киловатт-часов. Это приводит к тому, что при создании подобных приборов разработчики могут столкнуться с недостатком информации о новых технологиях, постоянно появляющихся в этой области. В этой статье речь пойдет об основных решениях компании STMicroelectronics, с помощью которых можно значительно уменьшить затраты времени на разработку и тестирование учетных систем. ST уже более 15 лет успешно сотрудничает с компанией Enel, поэтому именно ее компоненты и технологии легли в основу интеллектуального электросчетчика Open Meter.

Являясь одним из ведущих мировых производителей микроконтроллеров, микромеханических датчиков, микроприводов, контроллеров питания для AMOLED-дисплеев и других компонентов, STMicroelectronics имеет также ряд оригинальных разработок в области информационной безопасности, что позволяет интегрировать практически любое устройство в цифровое пространство, обеспечив при этом безопасную рабочую среду и удобный человеко-машинный интерфейс. Успешное использование наработок STMicroelectronics в электросчетчиках обусловлено богатым опытом по созданию распределенных измерительных сетей, технологий цифровой защиты передаваемых данных, а также тесным сотрудничеством с большим количеством коммунальных предприятий, поставщиков различных услуг и системных интеграторов. Кроме этого, обеспечивается поддержка большого количества различных протоколов и интерфейсов, используемых приложениями умного дома.

Ключевые технологические платформы STMicroelectronics

Интернет вещей. Интеллектуальные счетчики полностью соответствуют концепции интернета вещей, которая кардинально меняет облик традиционных приборов и способствует созданию совершенно новых устройств. Интернет и его сервисы облачных вычислений предлагают множество инструментов для проектирования новых приложений, что, в свою очередь, создает новые возможности, услуги и даже бизнес-модели как для конечных потребителей, так для разработчиков электроники. Для компании STMicroelectronics развитие технологий интернета вещей является стратегическим направлением, позволяющим создавать совершенно новые устройства для бытового и промышленного использования. Сегодня ST предлагает полный комплект решений для быстрого прототипирования и разработки самых передовых устройств подобного класса.

Измерительные и исполнительные устройства. Любое устройство интернета вещей имеет вполне конкретное назначение, заключающееся в контроле каких-либо параметров и выполнении определенных действий. Например, электросчетчик по своему основному предназначению, должен измерять напряжение и ток в сети, и на основании этих данных вычислять мощность и количество потребленной энергии. Кроме этого, в число контролируемых параметров может входить температура, атмосферное давление, влажность и другие характеристики окружающей среды. К исполнительным функциям счетчика как минимум можно отнести возможность отключения потребителя в случае аварии или появления задолженности по оплате за оказанные услуги.

В ассортименте компании STMicroelectronics присутствует широкий спектр разнообразных датчиков, в том числе – датчики движения, температуры, давления, уровня звука, ультрафиолетового излучения, а также большое количество разнообразных исполнительных устройств, в число которых входят и твердотельные реле. Кроме этого, разработчикам предлагаются бесплатные и простые в использовании библиотеки программного обеспечения, например, для распознавания жестов пользователя. Также доступны специализированные программные инструменты на облачных сервисах, позволяющие быстро и эффективно работать с продуктами компании.

Микроконтроллеры. Микроконтроллер является центральным элементом любого устройства интернета вещей, в том числе – и интеллектуального счетчика. Именно этот прибор обеспечивает обработку информации, получаемой с датчиков, взаимодействие с пользователем и сервером системы и множество других функций управления. В отличие от остальных узлов, ядро микроконтроллера должно работать постоянно, поэтому к нему предъявляются жесткие и порой взаимоисключающие требования по производительности и экономичности, особенно для устройств с батарейным питанием.

В ассортименте STMicroelectronics присутствует девять семейств, включающих около 700 моделей высокопроизводительных и экономичных микроконтроллеров STM32, которые можно с успехом использовать в устройствах интернета вещей, в том числе – и в электросчетчиках. Это предоставляет разработчикам богатый выбор периферийных модулей и максимальную гибкость при разработке, делающую их идеальной основой для практически любой измерительной платформы.

Коммуникационные интерфейсы. От выбора коммуникационного интерфейса зависит максимальная дистанция между элементами и масштабируемость сети. Современные устройства интернета вещей могут передавать информацию по проводным линиям связи с помощью радиоволн или инфракрасного излучения на расстояние 10 см…10 км. Для связи электросчетчика с сервером системы наилучшим образом подходят интерфейсы, использующие линии электропередач (Power Line Communication, PLC). Но поскольку счетчик теперь может быть не только частью энергетической системы, но и частью домашней интеллектуальной сети, он должен поддерживать как можно больше интерфейсов, используемых в приложениях умного дома и в современных интеллектуальных устройствах, например, смартфонах.

Компания STMicroelectronics предлагает широкий набор модулей, поддерживающих самые разнообразные интерфейсы. Так, например, экономичный процессор BlueNRG обеспечивает обмен данными по интерфейсу Bluetooth, для подключения к энергоэффективной сети дальнего радиуса действия (Low Power Wide Area Network, LPWAN) может быть использован приемопередатчик SPIRIT, а модуль STCOMET совместно со средой разработки STARGRID поддерживает практически все протоколы передачи данных по линиям электропередач.

Безопасность. Любая коммуникационная система должна иметь защиту от несанкционированного подключения. Сложно подсчитать убытки энергетической компании, которые могут возникнуть в результате вмешательства посторонних лиц в учетную систему, поэтому задачи безопасного обмена информации всегда находятся в списках первоочередных вопросов, стоящих перед разработчиками электросчетчиков.

Среди разработок STMicroelectronics есть набор решений STSafe, обеспечивающих безопасный обмен данными на любом уровне. Надежность данных алгоритмов подтверждается успешным использованием их в телекоммуникационных и банковских системах на протяжении не одного десятка лет. Кроме этого, партнеры компании предоставляют большое количество наработок, упрощающих интеграцию устройств интернета вещей с существующими системами, например, на основе Arduino или ARM mbed, а также с сервисами облачных вычислений, таких как Amazon Web Services, IBM Bluemix и Microsoft Azure.

Элементная база. Богатый технологический опыт, накопленный компанией STMicroelectronics, позволяет создавать элементную базу, соответствующую самым высоким мировым стандартам. Так, например, в списке аналоговых инновационных решений можно выделить предназначенные для интеллектуального управления питанием микросхемы, выполненные по технологиям BCD и VIPPower, силовые MOSFET и IGBT, а также приборы на основе карбида кремния и нитрида галлия. Среди цифровых компонентов особое внимание заслуживают специализированные датчики изображения, микросхемы, выполненные по технологиям FD-SOI, FinFET и CMOS eNVM. Кроме этого, в ассортименте STMicroelectronics присутствуют смешанные аналогово-цифровые устройства, в числе которых – микромеханические датчики (MEMS), приборы для обработки смешанных сигналов, а также приборы кремниевой фотоники.

Техническая поддержка. В условиях жесткой конкурентной борьбы скорость разработки устройства имеет одно из ключевых значений. В рамках поддержки и продвижения своих продуктов ST предлагает широкий набор аппаратного и программного обеспечения, значительно облегчающий процесс разработки. Одним из примеров является открытая среда разработки STM32 с возможностью модульного расширения и добавления функционала с помощью необходимых плат и программных модулей.

Модуль связи по линиям электропередач STCOMET

В качестве физической среды для передачи информации о результатах измерения и дистанционного управления электросчетчиком наилучшим образом подходят линии электропередач, поскольку в этом случае нет необходимости прокладывать дополнительные кабели или использовать нестабильную радиосвязь. Для поддержки данных технологий STMicroelectronics предлагает специализированную микросхему STCOMET, содержащую PLC-модем, высокопроизводительное вычислительное ядро и аппаратную метрологическую подсистему.

Архитектура PLC-модема, имеющего полосу пропускания 500 кГц, ориентирована на использование в приложениях, отвечающих стандартам EN50065, FCC и ARIB. При использовании PLC-модема вместе с вычислительным ядром можно реализовать обмен данными в соответствии с рекомендациями ITU-T G.9001, ITU-T G.9903 (G3-PLC®), ITU-T G.9904 (PRIME), IEEE 1901.2, IEC 61334-5-1 (G1), CLC/TS 50568 (METERS AND MORE®) и других узкополосных протоколов PLC. Метрологическая подсистема позволяет проводить измерения переменного тока по стандартам EN 50470-1, EN 50470-3, IEC 62053-21, IEC 62053-22 и IEC 62053-23 класса 1, 0.5 и 0.2.

Дифференциальный аналоговый приемопередатчик имеет цифровую регулировку мощности передачи. Принимаемый с линии сигнал PLC усиливается дифференциальным усилителем с АРУ и с помощью АЦП преобразуется в цифровой. Формирование аналогового сигнала для передачи в линию производится токовым ЦАП с согласующим предварительным каскадом. Синхронизация приемопередатчика осуществляется с помощью следящего за полярностью сети компаратора.

Сдвоенный драйвер линии имеет очень малый уровень нелинейных искажений, что соответствует требованиям электромагнитной совместимости. При максимальном напряжении питания работающий в дифференциальном режиме выходной каскад может формировать сигнал амплитудой 28 В («пик-пик»), а работающий в синфазном – 14 В («пик-пик»). Выходной ток драйвера в любой конфигурации может достигать 1 А (среднеквадратичное значение), что необходимо для передачи сигнала по линиям электропередач, имеющим малое внутреннее сопротивление. Для предотвращения выхода из строя предусмотрена защита от перегрева.

Для обеспечения уровня производительности, необходимого для использования новых стандартов NB-PLC, в микросхеме STCOMET реализована специализированная перепрограммируемая машина реального времени (Real Time Engine, RTE), с помощью которой можно реализовать как уже существующие OFDM-функции, так и те, которые будут приняты в следующих версиях стандарта.

Высокоточная измерительная подсистема содержит три независимых 24-разрядных сигма-дельта-АЦП с полосой частот до 3,6 кГц и возможностью прямого доступа к результатам измерений. Для расчета величин активной и реактивной мощности, количества потребленной энергии и других метрологических параметров используется отдельный цифровой сигнальный процессор.

Для выполнения пользовательского приложения предназначено ядро модуля на основе 32-разрядного ARM®-микроконтроллера Cortex™-M4F с максимальной тактовой частотой 96 МГц, содержащее 8-канальный контроллер прямого доступа к памяти, встроенный трассировщик Cortex-M4 Embedded Trace Macrocell™, 8-разрядный модуль защиты памяти, до 86 мультиплексированных портов ввода-вывода, 11 таймеров и аппаратный блок вычисления контрольной суммы. Для обмена данными с внешними устройствами предназначены различные интерфейсы, в числе которых – JTAG, 5 совместимых с ISO 7816 модулей USART, 5 модулей SPI, 3 приемопередатчика I2C. Для работы с внешними аналоговыми устройствами можно использовать 12-разрядный 6-канальный АЦП общего назначения.

Для безопасной передачи данных в микросхеме STCOMET используется усовершенствованный модуль аппаратного шифрования AES, в котором реализован соответствующий NIST FIPS 197-расширенный стандартный криптографический алгоритм. Модуль AES способен работать с 128-битными блоками данных, используя 128-, 192- или 256-битный ключ, в режимах Electronic Code Book (ECB), Cipher Block Chaining (CBC), Counter mode (CTR), Galois/Counter Mode (GCM), GMAC и CCM.

В STCOMET установлено 640 кбайт или 1 Мбайт Flash-памяти, 128 кбайт SRAM и 8 кбайт RAM общего назначения, а также гибкий контроллер статической памяти. Кроме этого, микросхема содержит предназначенный для работы с внешним кварцем тактовый генератор с частотой 24 МГц и возможностью ее умножения. Для часов реального времени (Real Time Clock, RTC) используется внешний кварц с частотой 32,768 кГц. Для работы модуля необходимо два источника питания: с напряжениями 3,3 В для питания цифровых узлов и 8…18 В – для питания приемопередатчика PLC-модема. В микросхеме содержатся также два интегрированных стабилизатора с выходными напряжениями 1,2 В и 5 В. Для питания часов реального времени и резервных регистров предусмотрен отдельный вывод питания от батареи с возможностью контроля ее напряжения. Диапазон рабочих температур модуля составляет –40…85°C.

Микроконтроллеры STM

Семейства 32-разрядных микроконтроллеров STM32 на базе процессора ARM® Cortex®-M обеспечивают максимум свободы разработчику во время создания пользовательского приложения. Сочетание высокой производительности с малым напряжением питания позволяет обрабатывать цифровые сигналы и управлять устройством в режиме реального времени с минимальными затратами энергии, а наличие богатого выбора периферийных модулей уменьшает количество компонентов и упрощает разработку конечного приложения. Широкий ассортимент микроконтроллеров STM32 со стандартным ядром (рисунок 2) поддерживается большим количеством инструментов и программного обеспечения, что позволяет использовать их как для небольших проектов, так и для всей платформы.

Рис. 2. Семейства микроконтроллеров STM32

Рис. 2. Семейства микроконтроллеров STM32

Одним из новых семейств микроконтроллеров, специально ориентированных на использование в устройствах умного дома и интернета вещей является семейство с ультрамалым потреблением (Ultra Low Power). Микросхемы, изготовленные по запатентованной технологии со сверхмалой утечкой, имеют разрядность от 8 (STM8L) до 32 (STM32L) бит и наименьший в отрасли ток потребления, начинающийся от 170 нА. Это позволяет использовать их, например, в работающих от батарей счетчиках воды, газа и тепловой энергии или в устройствах, питающихся от систем сбора энергии.

Модули для радиосвязи

В случае, когда возможность использования проводных интерфейсов ограничена, для обмена данными с удаленным устройством используется беспроводная связь. В номенклатуре STMicroelectronics присутствует множество решений для радиосвязи на частотах до 1 ГГц, которые можно использовать в большом количестве приложений (рисунок 3), в том числе – и для автоматизации домов и зданий (Smart Home и Smart City), контроля производственных процессов (Smart Factory) и измерительных систем (Smart Grid).

Рис. 3. Сфера применения радиомодулей SPIRIT

Рис. 3. Сфера применения радиомодулей SPIRIT

Для передачи данных используются не требующие лицензирования диапазоны ISM и SRD со средней частотой 169, 315, 433, 868 и 915 МГц и различные методы модуляции, в числе которых 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK и ASK. Приемопередатчики поддерживают такие передовые технологии как скачкообразное изменение частоты, автоподтверждение и разнесение антенн для обеспечения безошибочной передачи данных даже в условиях сложной электромагнитной обстановки. Прошедшие сертификацию по стандартам RF, ETSI, IC и FCC модули, как правило, содержат стабилизированный кварцем приемопередатчик, антенну и симметрирующее устройство. В некоторых моделях интегрирован хост-контроллер, что создает еще большую гибкость при разработке. Большинство модулей поддерживается обширным набором оценочных плат, программных модулей и приложений для проектирования.

Модули для широкополосных сетей передачи данных

Для интеграции электросчетчиков в существующие интеллектуальные системы, например, умного города, наиболее рациональным решением является использование уже существующих сервисов для передачи данных. В последнее время наибольшее распространение для приложений подобного класса получили сервисы Sigfox и LoRa.

Sigfox является одной из наиболее распространенных мировых сетей для обмена данными между устройствами интернета вещей. Благодаря существованию глобальной сети LPWA и большого количества партнеров сервис Sigfox позволяет предоставить услуги двунаправленной защищенной передачи данных, позволяющие раскрыть весь потенциал решений интернета вещей. Для передачи информации используются сигналы небольшой мощности, что позволяет питать устройства от систем сбора энергии. Основными преимуществами Sigfox являются:

  • Малое энергопотребление. Благодаря использованию ряда уникальных решений для подключения устройства к облачному серверу требуется минимальное количество электроэнергии. Ожидается, что в ближайшее время появится возможность питания устройств, использующих сервисы Sigfox, только от локальных источников без использования традиционных химических источников тока.
  • Малая стоимость. Кроме использования простых и экономичных модулей, уменьшающих стоимость устройства, сервис Sigfox имеет еще и наименьшую абонентскую плату, обусловленную исключительной простотой подключения к системе.
  • Совместимость. Устройства Sigfox совместимы с Bluetooth, GPS 2G/3G/4G и Wi-Fi. А это значит, что за счет объединения в одном модуле различных интерфейсов можно значительно расширить функциональность устройства.

Для подключения к сети Sigfox в электросчетчиках можно использовать экономичный высокопроизводительный трансивер S2-LP, предназначенный для передачи данных со скоростью 0,3…500 кбит/с в диапазонах частот 430…470 и 860…940 МГц. Устройство поддерживает несколько методов модуляции и может использоваться в системах с расстоянием между каналами 12,5 или 25 кГц. Максимальный уровень излучения антенны не превышает 140 дБ, что соответствует нормативным требованиям, принятым в большинстве стран мира, включая Европу, Японию, Китай и США.

При необходимости радиосвязи на большие расстояния наилучшим решением является использование специально разработанной для экономичных широкополосных сетей LPWAN технологии LoRa. При использовании этого интерфейса можно обеспечить дальность связи на расстояние более 15 км и время работы от батареи 5…10 лет при минимальной стоимости устройства. Особенностью данной технологии является высокая защищенность передаваемой информации за счет шифрования данных с помощью 128-битного ключа и возможность определения местоположения объекта без использования GPS, в том числе – и внутри зданий. Основными приложениями технологии LoRa являются интеллектуальные сети различного уровня (дом, здание, город, область) и назначения (промышленность, торговля, учет, метрология) в том числе – интеллектуальные измерительные системы и устройства интернета вещей.

Для обеспечения совместимости устройств, использующих LPWAN, был создан альянс LoRa Alliance™, результатом работы которого стала глобальная спецификация LoRaWAN™. Являясь активным членом правления и спонсором LoRa Alliance, компания STMicroelectronics предлагает несколько доступных и простых в использовании наборов аппаратных средств, предназначенных для оценки и разработки решений LoRa. В сочетании с программным пакетом для STM32Cube (I-CUBE-LRWAN), содержащим набор библиотек и примеры приложений, эти аппаратные средства являются самым быстрым способом создания конечных устройств LoRaWAN.

На сегодняшний день для разработки устройств LoRaWAN можно использовать:

  • набор Nucleo (P-NUCLEO-LRWAN1), содержащий оценочную плату STM32 Nucleo-64 и плату расширения LoRa с высокопроизводительным приемопередатчиком SX1272 FSK/OOK RF;
  • оценочный комплект B-L072Z-LRWAN1 с полностью открытым модулем LoRa на основе 32-разрядного микроконтроллера с ультрамалым потреблением STM32L072 и приемопередатчика SX1276 RF, поддерживающий LoRa и другие протоколы LPWAN;
  • плату расширения I-NUCLEO-LRWAN1 для набора STM32 Nucleo с недорогим модулем USI® LPWAN, поддерживающим технологию LoRa.

Защита информации

Для гарантированной конфиденциальности передаваемых данных на аппаратном уровне компания STMicroelectronics предлагает решения «под ключ» в виде линейки специализированных микроконтроллеров Secure Microcontrollers. Эти микросхемы можно использовать как в традиционных приложениях, например, в смарт- или SIM-картах, так и самых современных, в том числе – для обеспечения безопасности мобильных транзакций и сайтов (рисунок 4).

Рис. 4. Сфера применения Secure Microcontrollers

Рис. 4. Сфера применения Secure Microcontrollers

Предлагаемые компанией ST микроконтроллеры сертифицированы в соответствии с последними стандартами безопасности (Common Criteria EAL6+, EMVCo, CuP) и охватывают полный диапазон интерфейсов для контактной и бесконтактной связи, включая ISO/IEC 7816, ISO/IEC 14443 Type A&B, NFC, USB, SPI и I²C.

Микроконтроллеры данного семейства позволяют комплексно подойти к вопросам безопасности различных приложений, начиная с надежных операционных систем, реализованных в защищенных микроконтроллерах, и заканчивая системами контроля доступа и персонализации клиентов. При этом основным преимуществом использования данного решения является возможность обеспечения высокого уровня безопасности клиентами, не являющимися экспертами в данном вопросе.

Для ускоренной разработки представленного в статье решения компания STMicroelectronics предлагает, в частности, отладочную плату LoRaWAN.

Заключение

Компания STMicroelectronics предоставляет решения, список которых более чем достаточен для создания самого современного на сегодняшний день электросчетчика. Однако фантазия и потребности человека не знают границ. И если сегодня внедрение в электросчетчик системы, например, биометрической идентификации для разрешения доступа к домашним розеткам только определенным членам семьи может вызвать улыбку, то завтра, возможно, это станет не просто желаемым, но и обязательным условием установки.

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее