Uso inalámbrico de corto alcance en un sistema de multímetro

Una de las tendencias más claras en el reciente evento Metering Europe 2006 en Copenhague fue que los fabricantes de medidores y las empresas de servicios públicos están poniendo mayor énfasis en el uso de redes de comunicaciones para agregar valor a sus sistemas y respaldar las inversiones en infraestructura en curso. cuadrado. Las ventajas de los sistemas de lectura automática de contadores (AMR) basados ​​en portadores de línea eléctrica (PLC) o redes celulares como GSM están bien documentadas en esta publicación.

Sin embargo, con un mayor despliegue de la infraestructura troncal AMR, existe la posibilidad de reforzar los servicios adicionales al confiar en la red de comunicación existente. Uno de esos servicios complementarios es el sistema de multimedidores, o lo que Ed Finamore denominó en el número 3 de 2006 de esta revista una "solución integrada de servicios múltiples". Esto podría incluir, por ejemplo, agregar un medidor de gas o agua a la función de medidor de electricidad.

Esto ciertamente tiene sentido cuando la empresa de servicios públicos en cuestión proporciona más de un servicio, pero también abre oportunidades de licencia de ancho de banda de red para empresas de servicios públicos que no son competidoras y que no tienen dicha red. Por lo tanto, es similar al modelo de operador de red virtual que se encuentra en el mundo celular, donde los operadores pueden arrendar capacidad de red de operadores establecidos sin tener que invertir ellos mismos en la infraestructura de alta intensidad.

De esta manera, el medidor eléctrico actúa como un concentrador de datos y una puerta de comunicación para diversas aplicaciones. La ventaja de usar el medidor de electricidad como un nodo concentrador es su acceso a la red principal, así como la orientación de las empresas de medidores de electricidad en la implementación de sistemas AMR.

¿Qué es la conexión inalámbrica de corto alcance?

Suponiendo que el nodo concentrador utiliza una red troncal GSM, PLC o incluso PSTN, el uso de redes inalámbricas de corto alcance para acceder a ese nodo es atractivo debido a su bajo costo y su potencial de vida útil de la batería mucho mayor que las tecnologías de la competencia.

La ventaja de costo relativa de la tecnología inalámbrica de corto alcance puede ser hasta ocho veces mayor que la de una solución GSM comparable. Se puede lograr una vida útil de la batería de más de diez años mediante el uso de ciclos de trabajo bajos, es decir, encendiendo la energía durante un pequeño porcentaje del tiempo, junto con los modos de bajo consumo disponibles en las radios y microcontroladores modernos. El uso de la tecnología inalámbrica de corto alcance como un "puente" a la red existente se muestra en la Figura 1.

¿Qué tipo de inalámbrico de corto alcance?

El apodo "inalámbrico de corto alcance" cubre una amplia gama de tecnologías, incluidas WLAN, Bluetooth, ZigBee y tecnologías inalámbricas patentadas. Cuál elegir depende de dos aspectos importantes que se describen a continuación.

Con licencia vs. sin licencia

Tal vez la primera consideración sea si se debe usar espectro sin licencia o con licencia. El espectro con licencia, por supuesto, no es gratuito, pero ofrece un entorno de radio que está casi libre de interferencias, casi gratis porque nunca se puede atender a los usuarios deshonestos, aunque se puede recurrir al regulador local de telecomunicaciones. Las bandas con licencia a menudo permiten potencias de salida más altas que las sin licencia, lo que puede aumentar el alcance del enlace de radio.

La parte del espectro sin licencia, a menudo denominada bandas ISM (Industrial, Científica, Médica), ofrece el beneficio del acceso gratuito al espectro de radio tan pronto como lo permitan ciertas regulaciones con respecto a la potencia de salida, las emisiones recreativas, etc. respeto Si bien es cierto que hay un crecimiento en el número de usuarios en las bandas sin licencia, incluidos los usuarios itinerantes de WLAN, Bluetooth, ZigBee y otros nodos, la mayoría de ellos se concentran en las bandas ISM globales de 2,4 GHz y 5,8 GHz. La operación en estas bandas congestionadas es posible mediante el uso de esquemas de resistencia a la interferencia como los que se usan en Bluetooth y ZigBee, es decir. salto de frecuencia y espectro ensanchado respectivamente. Alternativamente, uno puede operar en las bandas de subGHz, que han atraído menos uso debido a la falta de uniformidad de la banda en todo el mundo. La Tabla 1 resume las bandas globales sin licencia por debajo de 1 GHz.

Tabla 1. Resumen de las bandas sub-GHz disponibles en todo el mundo

Frecuencia (MHz)	Región geográfica	Canalización	Regulación	máx. potencia de salida
902 – 928	Estados Unidos de América, Canadá, Australia	≤500kHz	FCC Parte 15	1W
863-870	Europa	≤100kHz	EN 300 220 (abril de 2006)	25 mW
470 – 510 630-787	Porcelana	≤200kHz	Oficina de Gestión de Radio PR China	50 mW
908.5 – 914	Corea del Sur	-	Actualmente banda CT-2	-
426/429 950 – 956	Japón	25kHz -	Banda recomendada ARIB T67	10 mW -
450 – 470	Estados Unidos de América, Canadá	25kHz	FCC Parte 90	2 mW

Intervalo

El segundo tema importante a considerar es el requisito de alcance. Por lo general, una frecuencia más baja brindará un mejor rango, por lo que muchas empresas de medición buscan la región sub-GHz del espectro por este motivo. Esto es especialmente importante cuando los medidores se pueden colocar debajo del concreto, como suele ser el caso de los medidores de agua, o cuando hay una barrera entre el medidor remoto y el nodo de recolección.

ZigBee tiene como objetivo superar las malas cualidades de propagación de 2,4 GHz mediante el uso de una red de malla donde el tráfico puede pasar a través de múltiples nodos para llegar a su punto final. Esto se muestra en la Figura 2. Sin embargo, esto requiere implementar una cierta densidad de nodos para aprovechar este "salto múltiple" y no resuelve el problema del medidor subterráneo porque la pérdida de ruta puede ser demasiado alta para el siguiente nodo en la red conseguir el camino correcto. Muchos fabricantes de ZigBee han tratado de reducir este problema proporcionando diseños de referencia que permiten una etapa de refuerzo externa, pero a costa de un mayor consumo de corriente.

Muchos ingenieros de RF usan el modelo de dos rayos deterministas (DTR) para estimar el rango de comunicación para un escenario de línea de visión. Esto se puede utilizar como una cifra de referencia para comparar con otras soluciones. Por ejemplo, con el ADF7021 de Analog Devices (transceptor de RF sub-GHz), es posible generar una salida de + 13 dBm o 20 mW sin una etapa de amplificación externa. A 4,8 kbps, la sensibilidad es de -119 dBm, lo que da un presupuesto de enlace total de 132 dB, suponiendo antenas de ganancia unitaria. Con alturas de antena de 3 m y 1 m respectivamente para imitar una instalación típica, el alcance teórico es de 3,4 km. Esto corresponde bien a un rango de línea de visión medido de 3,2 km con el ADF7021. Por supuesto, las paredes y los techos presentarán más pérdida de trayectoria, típicamente de 10 a 15 dB para una pared y de 12 a 27 dB para un piso, según el material utilizado. Incluso agregar una pérdida de 40dB para tener en cuenta la pérdida de propagación a través de paredes y techos dará un alcance de alrededor de 200 m con el ADF7021, que debería ser suficiente para la mayoría de los hogares sin necesidad de un repetidor.

Topologías de redes inalámbricas

Varias empresas de medición están investigando el uso de redes de malla, y en particular ZigBee, para superar algunos de los problemas de propagación descritos en 2,4 GHz y también para proporcionar una función de autorreparación, a medida que el tráfico se hace posible. redirigido alrededor de un nodo defectuoso o inactivo. Hasta ahora, solo ha habido unos pocos casos publicados de la implementación de una red de malla inalámbrica en una aplicación de medición.

Asi que En sí mismas, las tecnologías de red de malla inalámbrica requieren una cantidad moderada de implementación para aprovechar al máximo las características de autorreparación que abordan sus desarrolladores, que pueden ser costosas en ciertas condiciones topológicas.

Alternativamente, una red en estrella proporciona una topología más simple y puede usar funciones como el escalado dinámico de potencia, donde el nodo del concentrador de datos puede solicitar a una unidad remota que reduzca su potencia de salida si el receptor recibe una intensidad de señal excesiva. Esto es similar a lo que se hace en los sistemas celulares y tiene la ventaja de niveles más bajos de interferencia mutua (entre sus propios sistemas) y también la posibilidad de aumentar la duración de la batería debido a los niveles de señal más bajos. Este tipo de enfoque se considera difícil de implementar en una red de malla distribuida. En el caso de aplicaciones de múltiples contadores donde una unidad remota necesita conectarse al nodo central de datos, una red en estrella parece atractiva porque no requiere el costo adicional de los nodos repetidores.

Duración de la batería

La duración de la batería del sistema de los dispositivos de corto alcance se puede aumentar significativamente encendiendo periódicamente el dispositivo y pasando el resto del tiempo en modo ultra bajo. Por ejemplo, el ADF7021 tiene una corriente de apagado de 100 nA. Si bien la obtención y transmisión de cifras de consumo de corriente son importantes para estimar la duración promedio de la batería del sistema, también es importante asegurarse de que la radio se alimente de manera eficiente en fases para minimizar la corriente promedio consumida. Las compañías de baterías como Tadiran afirman que es posible una vida útil de la batería de 20 años con sus baterías híbridas, por lo que cada micro-Coulomb ahorrado es importante para lograr una operación de varios años.

Resumen

Los sistemas de medidores múltiples parecen ser una solución atractiva para las empresas de servicios públicos que han implementado una red de comunicaciones troncal para AMR y desean aprovechar su inversión existente al conectarse a otros medidores en un entorno residencial, como medidores de gas y agua. La tecnología inalámbrica de corto alcance, y especialmente la inalámbrica sub-GHz, parece ser una solución atractiva para una solución de este tipo y está atrayendo mucho interés de las empresas de medición de todo el mundo. El ADF7021 de Analog Devices, con su capacidad para operar de 85 MHz a 940 MHz, se puede utilizar como una solución mundial con modificaciones menores de hardware y software. Además, su sensibilidad, la mejor de su clase, ayuda a lograr el alcance, incluso cuando las unidades remotas están bloqueadas en la línea de visión del nodo de recolección por paredes y pisos de concreto. Para obtener más información, consulte la página del producto ADF7021 en el sitio web de Analog Devices.

Referencias

1. Dispositivos inalámbricos de corto alcance: diseño de un sistema global sin licencia para frecuencias <1 GHz, por Austin Harney y Conor O'Mahony. www.analog.com/library/analogDialogue/archives/40-03/wireless_srd.html

2. La consolidación de la industria impulsa el mercado de resistencia a los antimicrobianos de EE. UU. en proceso de maduración, por Ed Finamore. Medición Internacional, Número 3 2006.

3. Página del producto ADF7021: www.analog.com (escriba “ADF7021” en el campo de búsqueda)