ПОЧЕМУ СИНЕРГИЯ?

Мы являемся лидером рынка по продажи промышленного оборудования.

КОНТАКТЫ
  • Адрес: 620085, г. Екатеринбург, ул. Монтерская, д. 3 а офис 312
  • Телефон:+7(343)287-60-85
  • manager@synergy-prof.ru

Практическая реализация протокола wM-Bus

Стандарт Wireless M-Bus (EN13757-4:2005 и EN13757-4:2012) или просто wM-Bus, определяет полосы частот и способы взаимодействия между устройствами сбора данных, счетчиками расхода газа, воды, электричества и тепла. Являясь, по сути, расширением популярного промышленного стандарта систем управления и сбора данных M-Bus, он получил большое распространение в европейских странах в приложениях интеллектуального учета расхода ресурсов (Smart Metering или Advanced Metering Infrastructure, AMI). Изначально wM-Bus описывал требования к физическому каналу в полосе частот 868 МГц. Чуть позже появились варианты стандарта для 169 и 433 МГц [1].

На текущий момент в стандарте wM-Bus закреплены следующие режимы работы:

  • N-mode – вариант стандарта для полосы частот 169 МГц, который применяется в Италии и Франции в счетчиках расхода газа. Существует несколько подрежимов – Nabef, Ncd и Ng;
  • F – вариант стандарта для полосы 433 МГц;
  • режимы S, T и C применяются в полосе частот 868 МГц.

Для российского рынка на данный момент актуальны полосы частот 433 и 868 МГц, фактически, это вариации режимов S, T, C.

S1 – режим однонаправленной передачи данных. В данном режиме прибор учета периодически (несколько раз в день) отсылает данные устройству сбора учетных данных. Перед посылкой подается сигнал готовности данных, который может быть использован устройством сбора данных в качестве сигнала пробуждения.

Режим S2 – расширение режима S1, допускающее двунаправленный обмен данными.

В режиме Т1 также предусмотрена только однонаправленная передача данных – от прибора учета к устройству сбора данных. Но, в отличие от режима S1, периодичность передачи существенно выше. Типичные интервалы между передачей данных в этом режиме – от нескольких секунд до минут.

Режим Т2 позволяет устройству сбора данных самостоятельно запрашивать данные у прибора учета при двунаправленной передаче данных.

Режим С1 аналогичен Т1, но позволяет передавать большее количество данных при аналогичной периодичности и затратах энергии. Это позволяет считывать показания «на ходу» – при обходе или объезде территорий, на которых расположены приборы учета.

С2 – двунаправленный режим обмена, позволяющий устройству сбора данных запрашивать данные у счетчика.

Ввиду планов компаний-поставщиков энергоресурсов (в частности – электричества) по внедрению интеллектуальных счетчиков, решения для реализации протокола Wireless M-Bus представляют определенный интерес. Texas Instruments является одной ведущих компаний, предлагающих программные и аппаратные средства для wM-Bus.

Аппаратные решения Texas Instruments для wM-Bus

В ассортименте компании TI для реализации wM-Bus присутствуют однокристальные решения и решения на базе связки «контроллер+беспроводной приемопередатчик» [1, 2].

Серия CC430 представляет собой системы-на-кристалле, включающие в себя 16-битное энергоэффективное процессорное ядро MSP430 и ядро приемопередатчика CC1101.

Двукристальные решения, как правило, включают в себя микроконтроллер с ядром MSP430 и приемопередатчик серий CC110x, CC112x или CC120x. Для приложений с односторонней передачей данных возможно применение более дешевых передатчиков серий CC115L или CC1175.

На данный момент серии CC112x и CC120x наилучшим образом отвечают требованиям стандарта wM-Bus за счет высокой селективности приемника и избирательности фильтров. Улучшенные алгоритмы цифровой фильтрации и обнаружения синхропоследовательности увеличивают производительность благодаря:

  • отсутствию ошибочного детектирования пакетов с 16-битными преамбулой и синхрословом, применяющихся в режимах N и F стандарта wM-Bus;
  • тому, что достаточно только 4 бит для уверенного детектирования пакета;
  • тому, что режим прослушивания на приеме (RX-sniff) позволяет существенно снизить ток потребления.

Аналоговый радиочастотный тракт также обладает прекрасными характеристиками, что позволяет сериям CC112x, CC120x эффективно работать в условиях плотного или зашумленного диапазона:

  • селективность канала до 65 дБ при расстоянии между каналами 12,5 кГц;
  • подавление 90 дБм при полосе 10 МГц;
  • Соответствие требованиям стандартов ETSI cat. 1 в полосах 169 и 433 МГц (для CC1120), в полосе 868 МГц (для CC1125) даже без дополнительных внешних фильтров.

Программное обеспечение, предлагаемое компанией Texas Instruments, включает в себя физический и канальный уровни стека wM-Bus, примеры wM-Bus-приложений для диапазонов частот 169, 433 и 868 МГц.

Отправной точкой для разработки собственного приложения, использующего стандарт wM-Bus, является набор библиотек и примеров, включающий функции приема, передачи данных, поддержку физического уровня wM-Bus. Поддерживаются режимы S- и T- протокола wM-Bus (подробные инструкции – в документе AN067).

Исходные тексты примеров, описанных в AN067, могут быть непосредственно запущены на отладочной плате EXP430FG4618 с подключенным модулем CC1101EM-868. Приложение SmartRF7 Studio совместно с отладочным набором TRXEB+CC1120EM может работать в качестве wM-Bus-сниффера – демонстрационное приложение позволяет принимать пакеты и отображать содержимое пакетов в HEX-коде (опция просмотра принятых пакетов “Packet RX”).

Предлагаемая Texas Instruments реализация стека протоколов wM-Bus для диапазонов 169, 433 и 868 МГц (для РФ актуальны варианты 433 и 868 МГц) позволяет существенно сократить цикл разработки приложений. Поддерживаются следующие аппаратные платформы:

  • связки контроллеров серии MSP430 и приемопередатчиков серий CC110x, CC112x и CC120x;
  • однокристальные системы серий CC430 и СС1310.

Одной из серьезных проблем при реализации нижнего уровня стека протоколов wM-Bus является большой допуск на возможную скорость передачи данных (до ±12% на стороне приемника). Другой проблемой являются наличие разных форматов пакетов (например, формат «А», формат «В»), отличающихся по способу контроля целостности данных (отличное расположение и количество полей контрольных сумм).

Блок обработки пакетов и демодулятор в сериях CC110x,CC112x и CC120x позволяет принимать пакеты wM-Bus с использованием FIFO-буфера, что существенно разгружает контроллер. Указанные серии приемопередатчиков аппаратно поддерживают «манчестерское» кодирование для S-режима wM-Bus. Возможности приемопередатчиков позволяют им будить хост-контроллер только по событию успешного приема пакета с допустимой преамбулой и синхрословом. Обеспечение безопасности возможно за счет модуля шифрования AES-128, встроенного и в приемопередатчики серии CC120x, и в беспроводные контроллеры CC430. Также модуль шифрования имеется у контроллеров семейства MSP430.

Опорное решение от Texas Instruments – отладочный комплект Multiband wM-Bus RF Subsystem

Рис. 1. Внешний вид отладочного комплекта Multiband wM-Bus RF Subsystem

Рис. 1. Внешний вид отладочного комплекта Multiband wM-Bus RF Subsystem

Одним из опорных решений для разработки собственного проекта с применением технологии wM-Bus является отладочный комплект Multiband wM-Bus RF Subsystem – многодиапазонный отладочный комплект для wM-Bus, показанный на рисунке 1 [3].

В основе комплекта – отладочная плата с контроллером MSP430FR4133, стабилизатором питания TPS62730 и сегментным жидкокристаллическим дисплеем. Мезонинная плата с приемопередатчиком СС1120обеспечивает беспроводной интерфейс.

Основные возможности отладочного комплекта:

  • работа в трех диапазонах, определенных в стандарте wM-Bus – 169, 433 и 868 МГц;
  • низкое энергопотребление (даже при активном LCD);
  • примеры исходных текстов программ для реализации физического уровня wM-Bus в режимах C, S, T, F, N;
  • конфигурационные файлы для SmartRF Studio;
  • поддержка нескольких возможных элементов питания (аккумуляторные батареи, солевые или щелочные элементы питания).

Основные целевые области применения – интеллектуальные счетчики с поддержкой wM-Bus, устройства отображения показаний, устройства автоматизации с проприетарными протоколами работы.

Структурная схема отладочного комплекта представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема отладочного комплекта Multiband wM-Bus RF Subsystem

Рис. 2. Структурная схема отладочного комплекта Multiband wM-Bus RF Subsystem

Приемопередатчик CC1120 работает при диапазоне питающих напряжений 2…3,6 В (3,9 В – предельное напряжение), выходной мощности до 15 дБм при потреблении тока 54 мА и при 3,3 В питающего напряжения. Список внешних компонентов, подключенных к CC1120, был оптимизирован для наилучшей производительности в каждой из частотных полос.

Для снижения энергопотребления применен стабилизатор напряжения TPS62730 с фиксированным выходным напряжением 2,1 В. Допустимое входное напряжение стабилизатора – 1,9…3,9 В. TPS62730 автоматически переходит в режим ожидания с током потребления в пределах 30 нА в случае падения входного напряжения ниже заданного порога. Несмотря на миниатюрный 6-выводной QFN-корпус размерами 1х1,5 мм, TPS62730 обеспечивает эффективность преобразования 95% и максимальный выходной ток 100 мА, которого достаточно для питания и приемопередатчика, и контроллера. Рабочая температура всех составных частей отладочного модуля лежит в пределах -40…85°С.

СС1120 отвечает требованиям ETSI категории 1 в полосах частот 169 и 433 МГц и обеспечивает высокую производительность – 9,6 кбит/с при ширине канала 12,5 кГц в соответствии с требованиями документа FCC Narrowbanding Mandate. Кроме того, СС1120 имеет одни из лучших показателей избирательности, чувствительности и блокировки при поддержке режимов wM-Bus:

  • в полосе 169 МГц – все N-режимы;
  • в полосе 433 МГц – режим F;
  • в полосе 868 МГц – режимы S, T, C1, C2.

Рабочее напряжение питания приемопередатчика может достигать 3,6 В, но при этом увеличиваются потери на внутреннем LDO-стабилизаторе СС1120. Для снижения потерь и продления срока работы от автономного источника питания рекомендуется использовать для питания управляющего контроллера и приемопередатчика наименьшее возможное напряжение. Поэтому в отладочном комплекте в качестве стабилизатора питания выбор пал на TPS62730 с фиксированным выходным напряжением 2,1 В.

Для определения оптимальной схемы питания приемопередатчика, контроллера и устройства отображения информации (в данном случае – LCD) необходимо рассчитать так называемый «энергетический бюджет» системы. Суммарный ток потребления складывается из потребления ЖК-дисплея (которое обычно постоянно), потребления приемопередатчика (зависит от режима его работы – приема, передачи или ожидания) и потребления микроконтроллера, выполняющего прикладную задачу. Учитывается также емкость автономного источника питания и эффективность преобразователя напряжения.

В зависимости от приложения, частоты и длительности транзакций, а также – от выходной мощности передатчика, на суммарное потребление приемопередатчика можно закладывать 30…60% общего потребления системы. В приборах, работающих по протоколам wM-Bus (счетчики воды, тепла), передача данных может осуществляться с промежутками от нескольких секунд до нескольких часов. В промежуточные периоды MSP430FR4133 может находиться в режиме пониженного энергопотребления, активными остаются только часы реального времени и поддержка работы ЖК-дисплея (порядка 0,94 мкА при 3 В напряжения питания). СС1120 во время паузы может находиться или в выключенном состоянии, или в режиме пониженного потребления. Процедура инициализации СС1120 при включении питания занимает несколько миллисекунд, вследствие чего выключение устройства на время паузы применимо только для приложений с достаточно длительными паузами между передачами. В остальных случаях предпочтительнее режим энергосбережения с сохранением состояния регистров – потребление в пределах 0,12 мкА при 3 В питания.

Применение ЖК-дисплея – обычная практика для большинства счетчиков ресурсов и устройств отображения информации об объемах потребления. После приемопередатчика ЖК-дисплей занимает второе место по потреблению энергии в системе.

Программное обеспечение Multiband wM-Bus RF Subsystem

Исходные тексты примеров могут быть скомпилированы в среде Code Composer Studio™ (CCS) версии v6.0.1 и выше, отладка программ возможна при подключенной плате MSP-EXP430FR4133. Основное внимание в примерах уделено реализации физического уровня протокола wM-Bus, в связи с чем не проводилась оптимизация работы MSP430 и CC1120 по энергопотреблению. Данный аспект можно восполнить, изучив ряд примеров, представленных на сайте Texas Instruments, по настройке совместной работы контроллеров MSP430 и приемопередатчиков CC1120 [4].

Доступны следующие примеры:

  • реализация wM-Bus[3, 5];
  • программы для микроконтроллеров MSP-EXP430FR4133[4];
  • реализация счетчика расхода воды на базе контроллера с энергонезависимой оперативной памятью и приемопередатчиком CC1120.

Для простоты максимальный размер пакетов ограничен 128 байтами, что соответствует размеру FIFO-буфера приемопередатчика CC1120.

Дополнительно к примерам программ предоставляются конфигурационные файлы для приложения SmartRF Studio 7, при помощи которых можно настроить CC1120 для работы в режимах:

  • S-, T-, C1- и C2- для полосы частот 868 МГц;
  • режима F для 433 МГц;
  • Nabef-, Ncd- и Ng-режимов для 169 МГц.

В демонстрационном приложении одна из плат будет периодически посылать пакеты. Вторая плата используется для приема – на ЖК-экране отображается количество принятых пакетов wM-Bus с корректной контрольной суммой. Работа плат идет в диапазоне 868 МГц.

Демонстрационное приложение позволяет выбрать режим работы платы (прием или передача). Выбор режима работы происходит по нажатию кнопок S1 или S2 на отладочной плате MSP430FR4133LP. После выбора режима передающий узел периодически, по прерыванию таймера реального времени (RTC), будет посылать пакеты. Второй узел принимает, декодирует пакеты, проводит проверку контрольных сумм. Если контрольные суммы в пакетах верны – увеличивается и отображается на ЖК-дисплее значение счетчика принятых пакетов.

При желании передаваемые пакеты можно отследить с помощью утилиты SmartRF Studio 7.

Структура пакетов wM-Bus

Рис. 3. Структура пакетов, передаваемых wM-Bus

Рис. 3. Структура пакетов, передаваемых wM-Bus

Структура передаваемых wM-Bus пакетов аналогична примеру, представленному в документе EN13757-4 (рисунок 3). Пакеты данных режимов S- и T- сформированы по формату А с несколькими полями контрольных сумм CRC16, следующих после каждых 16 байт данных и после первого блока из 9 байт (за исключением поля длины пакета – L).

Режимы F, C, C2OTHER и все N-режимы используют формат пакетов B, в котором допускаются максимум два поля контрольных сумм CRC16 (это минимизирует количество дополнительных служебных байт). Также в пакетах формата B применяется кодирование NRZ, что также позволяет уменьшить количество байт, передаваемых по эфиру. Все это дает формату B следующие преимущества:

  • меньшее время передачи пакета, следовательно, меньшие энергозатраты;
  • уменьшение риска коллизий по приему пакетов;
  • более эффективная пропускная способность;
  • учет поля длины пакета при расчете контрольной суммы CRC16.

Блок обработки пакетов в CC1120 способен автоматически декодировать и определять длину пакета wM-Bus без привлечения ресурсов микроконтроллера.

Рис. 4. Результат работы блока обработки пакетов в СС1120

Рис. 4. Результат работы блока обработки пакетов в СС1120

Для примера на рисунке 4 показаны следующие изменения:

  • изменен идентификатор производителя с 0xAE0C на 0x5133 (выделено желтым цветом);
  • номер производителя 0x12345678, переданный в обратном порядке, выглядит как 0x11111111 (выделено желтым);
  • объем информации 876543 (в BCD коде) замещен значением счетчика, которое увеличивается с каждым переданным пакетом (выделено желтым).

Выделенные зеленым байты отмечают поля, по которым ведется вычисление двух контрольных сумм для пакетов формата А (пакет S2 показан черным шрифтом) и контрольной суммы для пакета формата B (пакет С2 показан синим шрифтом).

Заключение

Связка малопотребляющего микроконтроллера FR4133 и приемопередатчика СС1120 представляет собой экономичную и достаточно производительную платформу для реализации систем, работающих по протоколу wM-Bus в любом требуемом диапазоне частот. Приемопередатчик способен обрабатывать радиопакеты wM-Bus на аппаратном уровне, при этом микроконтроллер не только исполняет стек протоколов wM-Bus, но и занимается выводом информации на дисплей. Новая технология памяти FRAM и встроенный в MSP430FR41330 драйвер ЖКИ-дисплея обеспечивают низкий ток потребления. DC/DC-преобразователь TPS62730 с током собственного потребления 30 нА и КПД до 95% позволяет использовать энергию батареи с максимальной эффективностью при нахождении системы как в состоянии сна, так и в активном режиме. Предложенное схемотехническиое решение и открытый программный код существенно облегчают процесс разработки. Проект может быть легко модифицирован для использования в других системах беспроводной передачи данных.

Литература

  1. Милен Стефанов (Milen Stefanov). Встречайте следующее поколение интеллектуальных счетчиков. (http://www.scanti.ru/bulleten.php?v=412&p=01).
  2. Реализация протокола wM-Bus на основе микроконтроллеров серии MSP430 и приемопередатчиков CC1101. Texas Instruments, Wireless MBUS Implementation with CC1101 and MSP430, Application. (http://www.ti.com/lit/an/swra234a/swra234a.pdf).
  3. Многодиапазонный отладочный комплект для приложений wM-Bus – Multiband (169, 433 and 868 MHz) wM-Bus RF sub-system with Segmented LCD Reference Design (http://www.ti.com/tool/TIDC-Multiband-WMBUS).
  4. Примеры программ для отладочной платы MSP-EXP430FR4133. Texas Instruments, MSP-EXP430FR4133 Software Examples (http://www.ti.com/lit/zip/slac682).
  5. Реализация счетчика расхода воды на базе микроконтроллера с энергонезависимой ферромагнитной оперативной памятью. Texas Instruments, Water Meter Implementation with FRAM Microcontroller Software (http://www.ti.com/lit/zip/tidc664).
  6. Стек протоколов wM-Bus от Texas Instruments – TIDC-Multiband-WMBUS Software (http://www.ti.com/lit/zip/tidcab1).
TI_polovina_Performance_Line
 
Счетчики энергии 1