無(wú)線MCU如何用于設(shè)計(jì)智能電表和能源管理系統(tǒng)

新一代無(wú)線微控制器（MCU）正在興起，以提供智能電表和其他能源管理系統(tǒng)所需的低成本智能連接，以提高家庭，辦公室和工廠的效率。通過(guò)將微控制器與無(wú)線電子系統(tǒng)集成在一個(gè)封裝中，無(wú)線MCU簡(jiǎn)化了向智能電表和任何其他提供分布式傳感器和控制功能的嵌入式應(yīng)用添加無(wú)線數(shù)據(jù)功能的任務(wù)。

本文將討論支持智能電表，能源服務(wù)門戶（ESP）和家庭局域網(wǎng)（HAN）之間連接的無(wú)線MCU，后者通常工作在2.4 GHz ISM頻段。隨后的文章將探討無(wú)線MCU如何用作HAN中的智能節(jié)點(diǎn)，以及無(wú)線MCU如何在sub-GHz范圍內(nèi)工作;使用公用事業(yè)公司的廣域網(wǎng)（WAN）連接智能電表。

什么是智能電表？

電子機(jī)械儀表的后續(xù)產(chǎn)品，智能電表使用精確的模擬計(jì)量電路，嵌入式處理器和雙向數(shù)據(jù)鏈路來(lái)執(zhí)行遠(yuǎn)程讀取并通過(guò)廣域網(wǎng)（WAN）進(jìn)行通信。智能電表具有第二鏈路，其用于與能量服務(wù)門戶（ESP）（也稱為HAN網(wǎng)關(guān)）通信，該門戶將消息傳遞到建筑物的家庭區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（HAN）和從建筑物的家庭區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（HAN）傳遞消息。 （有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱下面的“智能儀表101”部分。）

為確保準(zhǔn)確性和安全性，大多數(shù)智能儀表架構(gòu)通常使用單獨(dú)的計(jì)量模塊，該模塊將來(lái)自處理儀表管理的MCU的數(shù)據(jù)采集和處理功能進(jìn)行分區(qū)。和管理職能（圖1）。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口連接到主處理器的獨(dú)立控制器管理儀表的通信功能。這種分段方法的額外成本被更簡(jiǎn)單的軟件要求及其提供的安全性所抵消。分層架構(gòu)可以輕松設(shè)計(jì)一個(gè)可配備可互換通信模塊的儀表，以滿足各種應(yīng)用需求。

典型智能電表中的功能塊。 （禮貌：德州儀器）

在第一波智能電表部署期間，許多公用事業(yè)公司使用集成儀表架構(gòu)，ESP位于儀表內(nèi)部，并通過(guò)硬連線（通常為SPI或UART）與主控制處理器通信。在大多數(shù)情況下，制造商提供外部ESP盒的選項(xiàng)（通常使用ZigBee，Wi-Fi或HomePlug連接），作為建筑物HAN的橋梁。

無(wú)論在何處，ESP/網(wǎng)關(guān)都使用有線和無(wú)線技術(shù)的組合來(lái)與建筑物的設(shè)備，HVAC系統(tǒng)和其他主要負(fù)載進(jìn)行通信。由于現(xiàn)有的公用事業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，建筑施工方法和客戶要求變化如此廣泛，預(yù)計(jì)短期內(nèi)不會(huì)有單一的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)占據(jù)ESP。出于這個(gè)原因，智能電表通常使用可互換的加密狗來(lái)適應(yīng)所需的任何PHY。在大多數(shù)情況下，加密狗將基于USNAP規(guī)范，該規(guī)范定義了標(biāo)準(zhǔn)連接器和串行（SPI）接口。它在智能電表和消費(fèi)產(chǎn)品中被廣泛采用，作為與低成本通信模塊的協(xié)議無(wú)關(guān)連接，支持各種通信標(biāo)準(zhǔn)，包括ZigBee，Z-Wave，RDS（無(wú)線電數(shù)據(jù)系統(tǒng)），Wi-Fi，F(xiàn)lexNet，而且很棒。

ZigBee家庭自動(dòng)化配置文件支持家庭和輕型商業(yè)環(huán)境的能源管理功能。 （禮貌：飛思卡爾半導(dǎo)體）

雖然許多這些專有的HAN協(xié)議在某些市場(chǎng)仍然很受歡迎，但人們?cè)絹?lái)越多地接受ZigBee Smart Energy 2應(yīng)用配置文件（SEP 2.0）協(xié)議棧。預(yù)計(jì)將于2011年底前批準(zhǔn)，SEP2.0被美國(guó)能源部和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）選為基于IP的智能能源管理標(biāo)準(zhǔn)，具有家庭區(qū)域網(wǎng)絡(luò)能力（HAN）設(shè)備。它提供了一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，用于在整個(gè)HAN中傳遞與能源有關(guān)的消息，涉及定價(jià)信息，需求響應(yīng)，峰值負(fù)荷管理（PLM）請(qǐng)求以及即將到來(lái)的停電/盈余的警報(bào)。

SEP 2.0基于當(dāng)前的ZigBee SEP 1.0/1.1配置文件，通過(guò)TCP/IP替換其專有傳輸協(xié)議，并增加對(duì)更廣泛智能能源設(shè)備的支持。早期的SEP配置文件包括一個(gè)命令集，用于與住宅和中型商業(yè)/機(jī)構(gòu)建筑中常見(jiàn)的許多設(shè)備進(jìn)行通信，包括智能恒溫器，室內(nèi)能源顯示器以及智能家電，如冰箱，熱水器，泳池泵等高 - 力量負(fù)荷。 SEP 2.0增加了一套專門為電動(dòng)汽車充電器設(shè)計(jì)的命令，以及對(duì)天然氣，水和熱力公用事業(yè)服務(wù)的計(jì)量支持。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的廣泛部署，SEP 2.0的更新將有助于HAN在管理和中介屋頂光伏系統(tǒng)和電動(dòng)汽車的雙向電流方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

雖然它最初是為ZigBee低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的，但它采用了Wi-Fi和HomePlug標(biāo)準(zhǔn)的SEP 2.0更高層功能，可以在最常用的無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)中使用網(wǎng)絡(luò)。由于其靈活性，許多設(shè)備和HVAC系統(tǒng)制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出支持SEP 2.0的可互操作產(chǎn)品。

低功耗無(wú)線，必不可少的成分

無(wú)論是與電網(wǎng)的最后一英里WAN連接還是在HAN中，低功耗無(wú)線鏈路都將在許多智能電表系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。在這些應(yīng)用中，集成無(wú)線電和MCU的單芯片/單封裝解決方案通過(guò)減少組件數(shù)量和從主機(jī)系統(tǒng)卸載與通信相關(guān)的任務(wù)來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。這些8位，16位和32位，支持RF的微控制器可幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)更緊湊的外形尺寸，更快的上市時(shí)間，并降低解決方案成本，從遠(yuǎn)程讀取電表和燃?xì)獗淼街悄茈娖骱途W(wǎng)絡(luò)能源管理系統(tǒng)。此外，在包中保留計(jì)費(fèi)信息和可能敏感的建筑物到網(wǎng)格消息使得數(shù)據(jù)不易受到窺探和網(wǎng)絡(luò)攻擊。

通過(guò)提供專用處理器來(lái)管理無(wú)線電并運(yùn)行其無(wú)線媒體訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議棧，無(wú)線MCU可以作為簡(jiǎn)單應(yīng)用的獨(dú)立無(wú)線節(jié)點(diǎn)，或作為更大主機(jī)的透明數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)。此外，許多無(wú)線MCU都配備了其他外圍設(shè)備，從多通道A/D轉(zhuǎn)換器到硬件加密加速器，可以最低成本為您的設(shè)計(jì)增加關(guān)鍵功能。

選擇無(wú)線MCU

無(wú)線MCU需要的內(nèi)存和處理能力在很大程度上取決于使用它的應(yīng)用程序。例如，像德州儀器的CC2510F32這樣的低成本8位MCU是基本的遠(yuǎn)程控制和家庭自動(dòng)化應(yīng)用的絕佳選擇，這些應(yīng)用不需要處理能力來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算密集型控制算法或支持所需的更大內(nèi)存容量ZigBee和TCP/IP協(xié)議。與CC2510Fxx系列中的所有器件一樣，它集成了基本的8位8051處理器內(nèi)核，加密加速，適量的閃存和RAM（32 k和4 k），以及能夠支持IEEE 802.15的2.4 GHz無(wú)線電。 4標(biāo)準(zhǔn)使用SimpliciTI，一種專有的輕量級(jí)無(wú)線MAC和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議軟件棧。其他變體，如CC2531，配備高達(dá)256 KB的閃存和8 KB的RAM，足以支持基本的ZigBee應(yīng)用和6LoWPAN協(xié)議。

對(duì)于需要基本ZigBee功能的應(yīng)用，STMicroelectronics的STM32W108C8是幾個(gè)值得考慮的好選擇之一。它是STM32 MCU系列的一部分，該系列基于32位ARM Cortex內(nèi)核，具有集成的2.4 GHz，符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器，硬件加密加速器內(nèi)核和先進(jìn)的電源管理功能，有助于擴(kuò)展操作在電池供電的操作中。其32 KB閃存和8 KB RAM為ZigBee RF4CE配置文件提供了足夠的存儲(chǔ)空間，使其成為遠(yuǎn)程控制或人機(jī)界面應(yīng)用的理想選擇。但是，對(duì)于大多數(shù)北美智能電表預(yù)計(jì)需要的SEP 1.1/2.0配置文件來(lái)說(shuō)還不夠。 SEP 1.1配置文件通常需要至少一個(gè)16位處理器，具有100到150 KB的閃存和大約10 KB的RAM。由于SEP 2.0配置文件仍處于開(kāi)發(fā)階段，因此沒(méi)有確定處理器需要多少內(nèi)存來(lái)支持更大的代碼塊和變量表，但估計(jì)它比SEP 1.1所需的大約高出25％。

針對(duì)使用ZigBee SEP配置文件的應(yīng)用的一個(gè)解決方案是飛思卡爾MC13226，這是一款嵌入式閃存ZigBee MCU全功能32位TDMI ARM7處理器，結(jié)合了ROM，RAM和閃存以及專為ZigBee-2007 Profile 2量身定制的固件（專業(yè)）申請(qǐng)。如圖3所示，其大容量?jī)?nèi)存使其適用于更復(fù)雜的ESP/網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序涉及路由和協(xié)調(diào)以及存儲(chǔ)終端節(jié)點(diǎn)的配置文件。飛思卡爾還提供MC13233C，這是一種具有較少內(nèi)存的低成本型號(hào)，適用于不需要存儲(chǔ)大量配置文件列表和路由表的終端設(shè)備。兩種器件都包括實(shí)現(xiàn)RF系統(tǒng)所需的所有無(wú)源器件（平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器，匹配網(wǎng)絡(luò)等），除了天線和晶體。

飛思卡爾MC1322x系列無(wú)線MCU集成了支持ZigBee協(xié)議所需的處理能力，存儲(chǔ)器和I/O硬件，以及智能電表和ESP/能源網(wǎng)關(guān)所需的高級(jí)應(yīng)用配置文件應(yīng)用。 （禮貌：飛思卡爾半導(dǎo)體）

Atmel還為低功耗2.4 GHz應(yīng)用提供多種單芯片和雙芯片解決方案，包括ATmega128RFA1。它基于Atmel的8位專有RISC內(nèi)核，集成了128 KB的閃存，16 KB的RAM和高性能的2.4 GHz，支持802.15的無(wú)線電，擁有105.5 dBm的鏈路預(yù)算。該設(shè)備具有允許其支持基本IEEE802.15操作的軟件，以及ZigBee SEP 2.0和消費(fèi)電子遙控（RF4CE）配置文件。 Atmel為專有的高數(shù)據(jù)速率模式提供固件，該模式使用收發(fā)器的卓越靈敏度，支持最高高達(dá)2 Mbits/s的原始傳輸速度。 Atmel表示，128RFA1的額外性能和大容量?jī)?nèi)存使其成為智能電表ESP/網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)以及高密度ZigBee網(wǎng)狀系統(tǒng)終端應(yīng)用的理想選擇。

智能電表101

術(shù)語(yǔ)“智能電表”定義了一類廣泛的公用事業(yè)測(cè)量設(shè)備，用基于可編程微控制器的計(jì)量系統(tǒng)和單向或雙向代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械或機(jī)電記錄機(jī)制允許它與公用事業(yè)提供商通信的鏈接。在計(jì)量食物鏈的底端，自動(dòng)抄表（AMR）儀表配備單向通信，使公用事業(yè)提供商能夠自動(dòng)和遠(yuǎn)程讀取儀表。

智能電表為自動(dòng)電表基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）架構(gòu)增加了雙向通信，使公用事業(yè)公司可以將速率信息和控制信號(hào)傳遞回客戶所在地。智能電表的應(yīng)用處理器可以使用雙向鏈路來(lái)支持高級(jí)功能，例如可變定價(jià)，停電監(jiān)控，預(yù)付費(fèi)和遠(yuǎn)程斷開(kāi)。儀表還具有第二鏈路，用于與能量服務(wù)門戶（ESP）（也稱為HAN網(wǎng)關(guān)）通信，該門戶將消息傳遞到建筑物的家庭區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（HAN）和從建筑物的家庭區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（HAN）傳遞消息。

根據(jù)公用事業(yè)的需求和可用的基礎(chǔ)設(shè)施，儀表可以使用低功耗無(wú)線，電力線載波（PLC）或蜂窩調(diào)制解調(diào)器（GPRS）將儀表讀數(shù)傳回?cái)?shù)據(jù)集中器或其他中央采集點(diǎn)。大多數(shù)低功率無(wú)線WAN流量將使用ZigBee標(biāo)準(zhǔn)或基于IEEE 802.15.4物理規(guī)范的其他協(xié)議傳輸，用于在700/800/900-MHz區(qū)域中運(yùn)行的未許可ISM無(wú)線電頻段。