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无线MCU如何用于设计智能电表和能源管理系统

新一代无线微控制器(MCU)正在兴起,以提供智能电表和其他能源管理系统所需的低成本智能连接,以提高家庭,办公室和工厂的效率。通过将微控制器与无线电子系统集成在一个封装中,无线MCU简化了向智能电表和任何其他提供分布式传感器和控制功能的嵌入式应用添加无线数据功能的任务。

本文将讨论支持智能电表,能源服务门户(ESP)和家庭局域网(HAN)之间连接的无线MCU,后者通常工作在2.4 GHz ISM频段。随后的文章将探讨无线MCU如何用作HAN中的智能节点,以及无线MCU如何在sub-GHz范围内工作;使用公用事业公司的广域网(WAN)连接智能电表。

什么是智能电表?

电子机械仪表的后续产品,智能电表使用精确的模拟计量电路,嵌入式处理器和双向数据链路来执行远程读取并通过广域网(WAN)进行通信。智能电表具有第二链路,其用于与能量服务门户(ESP)(也称为HAN网关)通信,该门户将消息传递到建筑物的家庭区域网络(HAN)和从建筑物的家庭区域网络(HAN)传递消息。 (有关详细信息,请参阅下面的“智能仪表101”部分。)

为确保准确性和安全性,大多数智能仪表架构通常使用单独的计量模块,该模块将来自处理仪表管理的MCU的数据采集和处理功能进行分区。和管理职能(图1)。通过标准化接口连接到主处理器的独立控制器管理仪表的通信功能。这种分段方法的额外成本被更简单的软件要求及其提供的安全性所抵消。分层架构可以轻松设计一个可配备可互换通信模块的仪表,以满足各种应用需求。

无线MCU如何用于设计智能电表和能源管理系统

典型智能电表中的功能块。 (礼貌:德州仪器)

在第一波智能电表部署期间,许多公用事业公司使用集成仪表架构,ESP位于仪表内部,并通过硬连线(通常为SPI或UART)与主控制处理器通信。在大多数情况下,制造商提供外部ESP盒的选项(通常使用ZigBee,Wi-Fi或HomePlug连接),作为建筑物HAN的桥梁。

无论在何处,ESP/网关都使用有线和无线技术的组合来与建筑物的设备,HVAC系统和其他主要负载进行通信。由于现有的公用事业基础设施,建筑施工方法和客户要求变化如此广泛,预计短期内不会有单一的网络技术占据ESP。出于这个原因,智能电表通常使用可互换的加密狗来适应所需的任何PHY。在大多数情况下,加密狗将基于USNAP规范,该规范定义了标准连接器和串行(SPI)接口。它在智能电表和消费产品中被广泛采用,作为与低成本通信模块的协议无关连接,支持各种通信标准,包括ZigBee,Z-Wave,RDS(无线电数据系统),Wi-Fi,FlexNet,而且很棒。

无线MCU如何用于设计智能电表和能源管理系统

ZigBee家庭自动化配置文件支持家庭和轻型商业环境的能源管理功能。 (礼貌:飞思卡尔半导体)

虽然许多这些专有的HAN协议在某些市场仍然很受欢迎,但人们越来越多地接受ZigBee Smart Energy 2应用配置文件(SEP 2.0)协议栈。预计将于2011年底前批准,SEP2.0被美国能源部和国家标准与技术研究院(NIST)选为基于IP的智能能源管理标准,具有家庭区域网络能力(HAN)设备。它提供了一个开放的标准,用于在整个HAN中传递与能源有关的消息,涉及定价信息,需求响应,峰值负荷管理(PLM)请求以及即将到来的停电/盈余的警报。

SEP 2.0基于当前的ZigBee SEP 1.0/1.1配置文件,通过TCP/IP替换其专有传输协议,并增加对更广泛智能能源设备的支持。早期的SEP配置文件包括一个命令集,用于与住宅和中型商业/机构建筑中常见的许多设备进行通信,包括智能恒温器,室内能源显示器以及智能家电,如冰箱,热水器,泳池泵等高 - 力量负荷。 SEP 2.0增加了一套专门为电动汽车充电器设计的命令,以及对天然气,水和热力公用事业服务的计量支持。随着智能电网技术的广泛部署,SEP 2.0的更新将有助于HAN在管理和中介屋顶光伏系统和电动汽车的双向电流方面发挥关键作用。

虽然它最初是为ZigBee低功耗无线网络开发的,但它采用了Wi-Fi和HomePlug标准的SEP 2.0更高层功能,可以在最常用的无线和有线网络中使用网络。由于其灵活性,许多设备和HVAC系统制造商已经开发出支持SEP 2.0的可互操作产品。

低功耗无线,必不可少的成分

无论是与电网的最后一英里WAN连接还是在HAN中,低功耗无线链路都将在许多智能电表系统中发挥重要作用。在这些应用中,集成无线电和MCU的单芯片/单封装解决方案通过减少组件数量和从主机系统卸载与通信相关的任务来简化设计。这些8位,16位和32位,支持RF的微控制器可帮助设计人员实现更紧凑的外形尺寸,更快的上市时间,并降低解决方案成本,从远程读取电表和燃气表到智能电器和网络能源管理系统。此外,在包中保留计费信息和可能敏感的建筑物到网格消息使得数据不易受到窥探和网络攻击。

通过提供专用处理器来管理无线电并运行其无线媒体访问控制(MAC)协议栈,无线MCU可以作为简单应用的独立无线节点,或作为更大主机的透明数据链路系统。此外,许多无线MCU都配备了其他外围设备,从多通道A/D转换器到硬件加密加速器,可以最低成本为您的设计增加关键功能。

选择无线MCU

无线MCU需要的内存和处理能力在很大程度上取决于使用它的应用程序。例如,像德州仪器的CC2510F32这样的低成本8位MCU是基本的远程控制和家庭自动化应用的绝佳选择,这些应用不需要处理能力来实现计算密集型控制算法或支持所需的更大内存容量ZigBee和TCP/IP协议。与CC2510Fxx系列中的所有器件一样,它集成了基本的8位8051处理器内核,加密加速,适量的闪存和RAM(32 k和4 k),以及能够支持IEEE 802.15的2.4 GHz无线电。 4标准使用SimpliciTI,一种专有的轻量级无线MAC和数据传输协议软件栈。其他变体,如CC2531,配备高达256 KB的闪存和8 KB的RAM,足以支持基本的ZigBee应用和6LoWPAN协议。

对于需要基本ZigBee功能的应用,STMicroelectronics的STM32W108C8是几个值得考虑的好选择之一。它是STM32 MCU系列的一部分,该系列基于32位ARM Cortex内核,具有集成的2.4 GHz,符合IEEE 802.15.4标准的收发器,硬件加密加速器内核和先进的电源管理功能,有助于扩展操作在电池供电的操作中。其32 KB闪存和8 KB RAM为ZigBee RF4CE配置文件提供了足够的存储空间,使其成为远程控制或人机界面应用的理想选择。但是,对于大多数北美智能电表预计需要的SEP 1.1/2.0配置文件来说还不够。 SEP 1.1配置文件通常需要至少一个16位处理器,具有100到150 KB的闪存和大约10 KB的RAM。由于SEP 2.0配置文件仍处于开发阶段,因此没有确定处理器需要多少内存来支持更大的代码块和变量表,但估计它比SEP 1.1所需的大约高出25%。

针对使用ZigBee SEP配置文件的应用的一个解决方案是飞思卡尔MC13226,这是一款嵌入式闪存ZigBee MCU全功能32位TDMI ARM7处理器,结合了ROM,RAM和闪存以及专为ZigBee-2007 Profile 2量身定制的固件(专业)申请。如图3所示,其大容量内存使其适用于更复杂的ESP/网关应用程序,这些应用程序涉及路由和协调以及存储终端节点的配置文件。飞思卡尔还提供MC13233C,这是一种具有较少内存的低成本型号,适用于不需要存储大量配置文件列表和路由表的终端设备。两种器件都包括实现RF系统所需的所有无源器件(平衡 - 不平衡转换器,匹配网络等),除了天线和晶体。

无线MCU如何用于设计智能电表和能源管理系统

飞思卡尔MC1322x系列无线MCU集成了支持ZigBee协议所需的处理能力,存储器和I/O硬件,以及智能电表和ESP/能源网关所需的高级应用配置文件应用。 (礼貌:飞思卡尔半导体)

Atmel还为低功耗2.4 GHz应用提供多种单芯片和双芯片解决方案,包括ATmega128RFA1。它基于Atmel的8位专有RISC内核,集成了128 KB的闪存,16 KB的RAM和高性能的2.4 GHz,支持802.15的无线电,拥有105.5 dBm的链路预算。该设备具有允许其支持基本IEEE802.15操作的软件,以及ZigBee SEP 2.0和消费电子遥控(RF4CE)配置文件。 Atmel为专有的高数据速率模式提供固件,该模式使用收发器的卓越灵敏度,支持最高高达2 Mbits/s的原始传输速度。 Atmel表示,128RFA1的额外性能和大容量内存使其成为智能电表ESP/网关系统以及高密度ZigBee网状系统终端应用的理想选择。

智能电表101

术语“智能电表”定义了一类广泛的公用事业测量设备,用基于可编程微控制器的计量系统和单向或双向代替传统的机械或机电记录机制允许它与公用事业提供商通信的链接。在计量食物链的底端,自动抄表(AMR)仪表配备单向通信,使公用事业提供商能够自动和远程读取仪表。

智能电表为自动电表基础设施(AMI)架构增加了双向通信,使公用事业公司可以将速率信息和控制信号传递回客户所在地。智能电表的应用处理器可以使用双向链路来支持高级功能,例如可变定价,停电监控,预付费和远程断开。仪表还具有第二链路,用于与能量服务门户(ESP)(也称为HAN网关)通信,该门户将消息传递到建筑物的家庭区域网络(HAN)和从建筑物的家庭区域网络(HAN)传递消息。

根据公用事业的需求和可用的基础设施,仪表可以使用低功耗无线,电力线载波(PLC)或蜂窝调制解调器(GPRS)将仪表读数传回数据集中器或其他中央采集点。大多数低功率无线WAN流量将使用ZigBee标准或基于IEEE 802.15.4物理规范的其他协议传输,用于在700/800/900-MHz区域中运行的未许可ISM无线电频段。


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