原标题：如何将无线连接集成到智能仪表中

　　无线连接对于电力、水、天然气和社区供暖分配网络的智能电表至关重要，但从头开始设计无线收发器具有挑战性且耗时。智能电表应用需要符合各种国际标准的高性能无线解决方案，包括美国的 FCC 第 15 部分和第 90 部分、欧洲的 ETSI EN 300 220、ETSI EN 303 131、日本的 ARIB STD T67、T108 和 SRRC在中国。它们需要支持高达每秒 500 千比特 (kbps) 的数据速率。它们必须包括安全加密和身份验证，结构紧凑，并且可以在高达 +85°C 的挑战性环境中运行。许多应用需要几年的电池寿命。

　　为应对这些挑战，设计人员可以根据智能电表应用的需求选择射频收发器 IC 或完整的射频收发器模块。RF收发器IC 可确保 RF 链路预算超过 140 dB，输出功率高达 +16 dBm，并支持 SIGFOX™、无线 M-Bus、6LowPAN 和 IEEE 802.15.4g 网络连接。提供支持无线 M-Bus 协议栈或多种无线电调制的 RF 模块，例如：LoRa、(G)FSK、(G)MSK 和 BPSK;具有自适应带宽、扩频因子、传输功率和编码率选项，可满足各种应用需求，并符合广泛的国际法规，包括 ETSI EN 300 220、EN 300 113、EN 301 166、FCC CFR 47 第 15、24 部分、90、101 和 ARIB STD-T30、T-67 和 T-108。

　　本文回顾了无线智能电表设计人员面临的连接挑战，并探讨了可能的解决方案。然后介绍了一系列选项，包括STMicroelectronics 、 Move -X和Radiocrafts的RF 收发器 IC和RF 模块，以及集成天线时的设计注意事项。

　　设计人员面临的首要决定之一是选择通信协议。常见的选择包括近场通信 (NFC)、蓝牙、蓝牙智能、物联网 Wi-Fi(物联网 Wi-Fi)和亚千兆赫兹 (SubGHz)。有四个重要因素需要考虑：

　　所需的数据吞吐量

　　低功耗模式

　　所需传输范围

　　需要网络访问

　　物联网的 Wi-Fi 可能是需要最大数据传输的应用的最佳选择，但它也有最高的功率要求。虽然 SubGHz 只需要中等功率并提供最大的传输范围，但其他通信协议提供了不同的性能权衡集(图 1)。

　　图 1：物联网的 Wi-Fi 具有最大的吞吐量和功耗，而 SubGHz 提供最扩展的范围和适度的功率需求。(图片来源：意法半导体)

　　许多智能电表应用需要多年的电池寿命，这使得将 Wi-Fi 等技术用于物联网变得具有挑战性。幸运的是，这些应用程序的数据吞吐量要求也相对有限，并且可以从使用 NFC、Bluetooth Smart、Bluetooth 或 SubGHz 技术中受益。虽然 NFC 具有极具吸引力的低功耗，但其同样低的数据吞吐量和范围可以将其排除在智能电表应用的考虑范围之外。

　　此外，智能电表的整体设计对于确定功耗至关重要。尽可能长时间地保持设备处于低功耗状态并在最短的时间内进入活动状态是延长无线智能电表电池寿命的关键因素。在使用基于模块或离散射频 (RF) 通信实现之间进行选择是设计成功的另一个因素。在做出该决定时，请考虑性能、解决方案的大小、占用空间的灵活性、认证、上市时间和成本要求。

　　使用射频模块的好处

　　RF 模块是一个完整的通信子系统。它可以包括射频集成电路、振荡器、滤波器、功率放大器和各种无源元件。使用模块解决方案不需要射频专业知识，使设计人员能够专注于智能电表设计的其他方面。典型的 RF 模块在到达时已按照所需标准进行校准和认证。此外，该模块将包括网络匹配电路，以简化天线的集成并最大限度地减少任何信号损失。天线可以是内置的，也可以是外置的，带有模块解决方案。

　　模块很容易集成到设计中。设计集成的简单性延伸到制造工艺流程，因为无需处理复杂的分立射频器件，只需一个基于标准印刷电路板 (PCB) 的模块。模块制造商已经处理了集成射频系统的所有细微差别。使用模块可降低与离散射频设计相关的风险，例如获得认证、达到所需的效率和整体性能水平，以及加快上市时间。

　　分立 IC 实施的好处

　　尽管它们更复杂，但分立 IC 设计在成本、解决方案尺寸和外形尺寸方面可以提供重要优势。在大多数情况下，模块会比基于 IC 的解决方案更昂贵。在大量使用射频子系统设计的情况下，设计基于 IC 的解决方案的额外成本可以通过较低的制造成本得到补偿。还可以在多个无线智能电表平台上使用通用射频子系统，从而提高整体产量并进一步降低长期成本。

　　基于分立 IC 的设计几乎总是小于基于模块的解决方案。在空间受限的应用中，这可能是一个重要的考虑因素。除了占用更小的空间外，分立式 IC 设计还可以更容易地成形以适应可用空间。

　　次 GHz 射频收发器 IC

　　需要 SubGHz 频段分立式 IC 解决方案的设计人员可以转向S2-LP，这是一款工作温度范围为 -40°C 至 +105°C 的高性能超低功耗射频收发器 IC，采用 4 x 4 毫米 QFN24 封装(图 2)。基本设计在工业科学和医疗 (ISM) 免许可频段以及 433、512、868 和 920 兆赫 (MHz) 的短程设备 (SRD) 频段中运行。可选地，S2-LP 可以编程为在其他频段运行，例如 413-479、452-527、826-958 和 904-1055 MHz。可以实现多种调制方案，包括 2(G)FSK、4(G)FSK、OOK 和 ASK。S2-LP 的 RF 链路预算 > 140 dB，适用于远距离通信，满足美国、欧洲、日本和中国的监管要求。

　　图 2：该 RF IC 指定工作温度为 +105°C，采用 4 x 4 mm QFN24 封装。(图片来源：意法半导体)

　　为了在使用 S2-LP 时简化集成过程，设计人员可以使用BALF-SPI2-01D3超小型巴伦，其标称输入为 50 Ω，与 S2-LP 共轭匹配，用于 860 - 930 MHz 频率操作。它集成了匹配网络和谐波滤波器，并在非导电玻璃基板上使用集成无源器件 (IPD) 技术，以提供优化的射频性能。

　　可以使用X-NUCLEO-S2868A2扩展板开发使用 S2-LP 并在 868 MHz ISM 频段运行的设计(图 3)。X-NUCLEO-S2868A2 使用串行外设接口 (SPI) 连接和通用输入输出 (GPIO) 引脚连接到 STM32 Nucleo 微控制器。在板上添加或移除电阻器可以更改一些 GPIO。此外，该板与 Arduino UNO R3 和 ST morpho 连接器兼容。

　　图 3：X-NUCLEO-S2868A2 扩展板可以加速使用 868 MHz ISM 频段的设计开发。(图片来源：Digi-Key)

　　射频模块简化了集成

　　对于需要快速上市和低功耗的应用，MAMWLE-00模块可以简化系统集成。它使用一个用于射频输出的 50 欧姆 U.FL 连接器，并具有一个采用 16.5 x 15.5 x 2 毫米封装的 48 MHz Arm® Cortex® M4 32 位 RISC 内核。该射频模块有多种低功耗工作状态可供选择。它实现了多种无线电调制，包括 LoRa、(G)FSK、(G)MSK 和 BPSK，具有不同的带宽、扩频因子 (SF)、功率和编码率 (CR) 选项(图 4)。嵌入式硬件加密/解密加速器可以实现各种标准，例如用于 Rivest-Shamir-Adleman (RSA)、Diffie-Hellmann 或 Elliptic 的 PKA 的高级加密标准(AES，128 位和 256 位)和公钥加速器 (PKA)伽罗瓦域上的曲线密码学 (ECC)。

　　图 4：MAMWLE-00 模块为设计人员提供了节能模式和各种射频调制标准的选择。(图片来源：Digi-Key)

　　M-Bus 射频模块

　　使用 M-Bus 无线协议，设计人员可以使用 Radiocrafts 的RC1180-MBUS射频收发器模块，该模块尺寸为 12.7 x 25.4 x 3.7 mm，采用屏蔽表面贴装封装(图 5)。该射频模块具有单针天线连接和用于配置和串行通信的 UART 接口。它符合无线 M-Bus 规范 S、T 和 R2 模式，在 868 MHz 频带中的 12 个通道中运行，并且经过预先认证，可根据欧洲无线电法规进行操作，无需许可使用。

　　图 5：可以使用 Radiocrafts 的RC1180-MBUS射频收发器模块实现 M-Bus 无线协议(图片来源：Digi-Key

　　带有 M-Bus 无线电模块开发套件的RC1180-MBUS3-DK传感器板使设计人员可以轻松地快速评估板载传感器模块、调整应用程序和构建原型。它包括两个带有 SMA 公连接器的 50 Ω 四分之一波长单极天线、两条 USB 电缆和一个 USB 电源(图 6)。该开发套件可以是传感器板的集中器、网关和/或接收器。

　　图 6：此 M-Bus 开发套件包括两个 50 Ω 四分之一波长单极天线和 SMA 公连接器、两条 USB 电缆和一个 USB 电源(未显示)。(图片来源：Digi-Key)

　　天线集成

　　将天线连接到 RF 模块时，Radiocrafts 建议将天线直接连接到匹配到 50 欧姆 (Ω) 的 RF 引脚。如果无法将天线连接到 RF 引脚，则 RF 引脚和天线连接器之间的 PCB 走线应该是 50 Ω 传输线。在介电常数为4.8的两层FR4 PCB的情况下，微带传输线宽度应为板厚的1.8倍。传输线应位于 PCB 的顶部，而接地层位于 PCB 的底部。例如，当使用标准的 1.6 mm 厚、两层 FR4 PCB 时，微带传输线的宽度应为 2.88 mm (1.8 x 1.6 mm)。

　　四分之一波鞭状天线是最直接的实现方式，在接地平面上方使用时具有 37 Ω 的阻抗，通常不需要 50 Ω 匹配电路。或者，可以使用从 PCB 背面移除接地平面的铜迹线制造 PCB 天线。PCB 的其余部分应该有一个接地平面，最好与天线一样大，以充当配重。如果 PCB 天线短于四分之一波长，则应添加 50 Ω 匹配网络。

　　概括

　　在选择用于无线智能电表的各种无线协议时，设计人员需要考虑几个因素，包括数据吞吐量、功耗、传输范围和网络访问需求。此外，RF IC 和模块之间的选择涉及解决方案尺寸、成本、灵活性、上市时间、法规遵从性和其他因素之间的权衡。一旦确定了合适的 RF 协议，在 IC 和模块之间做出选择，并设计了基本的 RF 系统，天线集成对于开发成功的无线智能电表至关重要。