如何將無線連線整合至智慧儀表

對於水電、瓦斯和社區供暖網路的智慧儀表而言，無線連線相當重要，但從頭開始設計無線收發器既困難又耗時。智慧儀表應用需要高效能的無線解決方案且須符合多種國際標準，包括美國的 FCC Part 15 和 Part 90、歐洲的 ETSI EN 300 220、ETSI EN 303 131、日本的 ARIB STD T67、T108，以及中國的 SRRC。這類儀表需要支援高達 500 kbps 的數據傳輸率。也必須具備安全加密和驗證功能，外型也要小巧，並可在高達 +85°C 的嚴苛環境中工作。許多應用要求具備長達數年的電池續航力。

為了因應這些挑戰，設計人員可以依據智慧儀表應用的需求，選擇使用 RF 收發器 IC，或選擇使用完整的 RF 收發器模組。RF 收發器 IC 可保證 RF 鏈路預算超過 140 dB，輸出功率高達 +16 dBm，並且支援 SIGFOX™、Wireless M-Bus、6LowPAN 和 IEEE 802.15.4g。RF 模組可支援 Wireless M-Bus 協定堆疊或多種無線電調變，例如 LoRa、(G)FSK、(G)MSK 和 BPSK；提供適應性頻寬、展頻因數、傳輸功率和編碼率等選項，以滿足各種應用需求，並符合多種國際規範，包括 ETSI EN 300 220、EN 300 113、EN 301 166、FCC CFR 47 Part 15、24、90、101，以及 ARIB STD-T30、T-67 和 T-108。這些模組都是完整的 RF 系統，僅需要一根天線，並且含有安全加密和驗證功能以及超低功率模式，可延長電池續航力。

本文將檢視無線智慧儀表設計人員所面臨的連線難題，並探討可能的解決方案。然後會介紹一系列選項，包括 STMicroelectronics、Move-X 和 Radiocrafts 推出的 RF 收發器 IC 及 RF 模組，以及整合天線時的設計考量因素。

設計人員面臨的首要決策之一就是選擇通訊協定。常見的選項包括近場通訊 (NFC)、藍牙、智慧型藍牙、物聯網 Wi-Fi (Wi-Fi for IoT) 以及 Sub Gigahertz (SubGHz)。有四個重要因素要納入考量：

• 需要的數據傳輸量
• 低功率模式
• 需要的傳輸範圍
• 對網路存取的需求

對於需要最大數據傳輸量的應用來說，Wi-Fi for IoT 是最佳選擇，但對功率的要求也最高。而 SubGHz 只需要中等功率並可提供最大傳輸範圍，其他通訊協定則有不同的效能取捨 (圖 1)。

圖 1：Wi-Fi for IoT 具有最大傳輸量和功耗，而 SubGHz 則提供最寬廣的範圍且只有中等功率需求。(圖片來源：STMicroelectronics)

許多智慧儀表應用需要長達數年的電池續航力，因此使用 Wi-Fi for IoT 這類技術極具挑戰性。幸好，這些應用對數據傳輸量的需求也相對較少，因此可受惠於 NFC、智慧型藍牙、藍牙或 SubGHz 技術。而 NFC 固然功耗極低，很具吸引力，但其數據輸送量和傳輸範圍也同樣很小，因此在考量智慧儀表應用時，可排除此選項。

此外，智慧儀表的整體設計對於確定功耗至關重要。儘可能讓元件長時間保持在低功耗狀態，並在需要的最短時間內進入活動狀態，是延長無線智慧儀表電池續航力的關鍵因素。選擇模組式還是離散式無線射頻 (RF) 通訊方案，也會影響設計成功與否。在決定時，請考慮效能、解決方案尺寸、覆蓋區彈性、認證、上市時間和成本等要求。

使用 RF 模組的好處

RF 模組是完整的通訊子系統，可能包含 RF IC、振盪器、濾波器、功率放大器和多種被動元件。使用模組解決方案不需要有任何 RF 專業技能，因此能讓設計人員專注於設計智慧儀表的其他方面。典型 RF 模組在出廠時就已經過校準，並且通過必要標準的認證。此外，這類模組還包含網路匹配電路，可簡化天線的整合，並可將任何訊號損耗減至最小。在模組化解決方案中，天線可內建或外接。

這些模組可輕鬆整合到設計中。設計整合的簡易性也會延伸到製造流程，原因就在於沒有複雜的離散式 RF 元件需要處理，而只用一個以標準印刷電路板 (PCB) 為基礎的模組。模組製造商已經處理好 RF 系統整合時的所有細節。使用模組可降低離散式 RF 設計的相關風險，例如取得認證、達到所需的效率和整體效能等級，以及加快上市時間等。

實作離散式 IC 的好處

雖然這類實作比較複雜，但是離散式 IC 設計在成本、解決方案尺寸和外形等方面，具有重要優勢。在大多數情況下，模組的成本會比 IC 解決方案更高。在大量使用 RF 子系統設計的情況下，設計 IC 解決方案所增加的成本，可由較低的製造成本進行補償。此外，還可以在多個無線智慧儀表平台上使用通用的 RF 子系統，進而增加整體產量，進一步降低長期成本。

離散式 IC 設計幾乎都比以模組式解決方案還小。對於空間有限的應用來說，這是重要的考量因素。除了佔用的面積更小之外，離散式 IC 設計還能依照空間來塑造適合的形狀。

Sub GHz RF 收發器 IC

設計人員若需要 SubGHz 頻段的離散式 IC 解決方案，可以考慮使用 S2-LP 高效能超低功率 RF 收發器 IC，其工作溫度範圍介於 -40°C 至 +105°C，採用 4 x 4 mm 的 QFN24 封裝 (圖 2)。基本設計可在工業、科學、醫療 (ISM) 的免執照頻段下操作，也可在 433、512、868 和 920 MHz 的短距裝置 (SRD) 頻段下工作。此外，也可以將 S2-LP 編程為在其他頻段工作，例如 413-479、452-527、826-958 和 904-1055 MHz。可以實作多種調變機制，包括 2(G)FSK、4(G)FSK、OOK 和 ASK。S2-LP 的 RF 鏈路預算大於 140 dB，適合遠距通訊，且符合美國、歐洲、日本和中國的法規要求。

圖 2：這款 RF IC 的額定工作溫度高達 +105°C，採用 4 x 4 mm QFN24 封裝尺寸。(圖片來源：STMicroelectronics)

若想在使用 S2-LP 時簡化整合流程，設計人員可以使用 BALF-SPI2-01D3 超小型平衡不平衡轉換器，其標稱輸入為 50 Ω，可與 S2-LP 共軛匹配，達到 860 - 930 MHz 頻段的運作。此轉換器整合了匹配網路和諧波濾波器，並在非導電玻璃基板上使用整合式被動元件 (IPD) 技術，可提供最佳化的 RF 效能。

若想在設計中使用 S2-LP 並且在 868 MHz 的 ISM 頻段運作，則可使用 X-NUCLEO-S2868A2 擴充板進行開發 (圖 3)。X-NUCLEO-S2868A2 可使用序列周邊裝置介面 (SPI) 連線和通用型輸入輸出 (GPIO) 引腳，連接到 STM32 Nucleo 微控制器。在擴充板上增加或拆除電阻即可更改某些 GPIO。此外，此擴充板可相容於 Arduino UNO R3 和 ST morpho 連接器。

圖 3：X-NUCLEO-S2868A2 擴充板可以加速開發在 868 MHz ISM 頻段運作的設計。(圖片來源：DigiKey)

RF 模組可簡化整合作業

對於需要快速上巿和低功耗的應用，MAMWLE-00 模組可簡化系統整合作業。此模組使用 50 Ohm U.FL 連接器來進行 RF 輸出，具有 48 MHz Arm® Cortex® M4 32 位元 RISC 核心，採用 16.5 x 15.5 x 2 mm 封裝。此 RF 模組有多種低功耗工作狀態可供選擇。可實作多種無線電調變，如 LoRa、(G)FSK、(G)MSK 和 BPSK，並提供多種頻寬、展頻因數 (SF)、功率和編碼率 (CR) 選項 (圖 4)。具有嵌入式硬體加密／解密加速器，可實作多種標準，如先進加密標準 (AES，128 位元和 256 位元) 和公鑰加速器 (PKA)，以及用於伽羅瓦域的 Rivest-Shamir-Adleman (RSA)、Diffie-Hellmann 或橢圓曲線加密 (ECC)。

圖 4：MAMWLE-00 模組能讓設計人員選擇省電模式和多種 RF 調變標準。(圖片來源：DigiKey)

M-Bus RF 模組

若使用 M-Bus 無線協定，設計人員可以選擇 Radiocrafts 的 RC1180-MBUS RF 收發器模組，其尺寸為 12.7 x 25.4 x 3.7 mm，採用屏蔽式表面黏著封裝 (圖 5)。這款 RF 模組具有單引腳天線連接，並有一個 UART 介面可用於配置和序列通訊。此模組符合 Wireless M-Bus 規格，支援 S、T 和 R2 模式，可在868 MHz 頻段的 12 的頻道內工作，並且通過預先認證，可依據歐洲無線電規範免執照操作。

圖 5：M-Bus 無線協定可以使用 Radiocrafts 的 RC1180-MBUS RF 收發器模組來實作 (圖片來源：DigiKey)

RC1180-MBUS3-DK 感測器板搭配 M-Bus 無線電模組開發套件，即可讓設計人員輕鬆快速地評估板載感測器模組、調整應用並製作原型。含有兩個帶 SMA 公頭連接器的 50 Ω 四分之一波長單極天線、兩條 USB 纜線和一個 USB 電源供應器 (圖 6)。此開發套件可當作感測器板的集中器、閘道器和／或接收器。

圖 6：此 M-Bus 開發套件板包含兩個帶 SMA 公頭連接器的 50 Ω 四分之一波長單極天線、兩條 USB 纜線和一個 USB 電源供應器 (未顯示)。(圖片來源：DigiKey)

天線整合

將天線連接至 RF 模組時，Radiocrafts 建議將天線直接連接至與 50 Ω 匹配的 RF 引腳。如果無法將天線連接至 RF 引腳，RF 引腳與天線連接器之間的 PCB 走線則應採用 50 Ω 傳輸線。若是雙層 FR4 PCB 板，且介電常數為 4.8，微帶傳輸線的寬度應為板厚度的 1.8 倍。傳輸線應位於 PCB 板的頂端，且接地面應位於 PCB 板的底部。例如，當使用標準的 1.6 mm 厚雙層 FR4 PCB 板，微帶傳輸線的寬度應為 2.88 mm (1.8 x 1.6 mm)。

四分之一波鞭型天線是最簡單的實作方式，在接地面上方使用時具有 37 Ω 阻抗，而且通常不需要 50 Ω 的匹配電路。或者，也可以使用銅質走線製作 PCB 天線，並將 PCB 板背面的接地面拆除。PCB 的其他部位應具有接地面，大小最好與天線相同，確保平衡配重。如果 PCB 天線比四分之一波更短，則應添加 50 Ω 匹配網路。

總結

在選擇無線智慧儀表的無線協定時，設計人員需要考慮多個因素，包括數據傳輸量、功耗、傳輸範圍，以及對網路存取的需求。此外，在選擇 RF IC 或模組時，還要在解決方案尺寸、成本、彈性、上市時間、規範合規性和其他因素之間權衡取捨。確定適當的 RF 協定後，選擇 IC 或模組、設計基本的 RF 系統以及整合天線，都對無線智慧儀表成功開發與否至關重要。