智能電表是創建智能家居的核心。能夠測量家庭的總體電力使用量并將數據反饋給公用事業公司是管理公用電網負荷并最終減少消費者賬單的關鍵因素。

為電表添加無線連接是使用最新的RF模塊相對簡單。它們提供經認證可用于特定地理區域的所有RF連接。但是，這些模塊需要連接到儀表以直接獲取數據，或者連接到正在消耗電流的傳感器。這可以通過低成本的8位微控制器相對容易地完成。

使用未經調節的1 GHz以下頻段對于智能電表設計具有許多優勢。較低的頻率可以在較長的距離內提供較低的數據速率，從而為系智能電表每天只需要發送少量數據，因此數據速率很低。這允許使用更長的范圍，并且與諸如ZigBee的協議非常不同，ZigBee可以在2.4GHz下承載更多數據。使用低于1 GHz的頻段還可以避免來自2.4 GHz信號源（如Wi-Fi，藍牙和微波爐）的潛在干擾，這進一步降低了建立可靠無線鏈路所需的功率。

德州儀器的最新射頻芯片已被證明在這些較低頻率下，在最遠10 km的距離內攜帶低數據速率（幾kbyte/s）。這有兩個優點：可以將更多設備連接到單個集線器或集中器，或者可以顯著降低RF收發器的功耗。這允許系統架構師優化功耗和范圍的平衡。例如，幾條房屋的街道可以通過低于1 GHz的鏈路連接到街道中的集中器，從而避免在每個家庭中使用寬帶集線器。

模塊支持不同的無線網絡拓撲，例如點對點，點對多點，對等和網狀網絡，具體取決于系統架構。網狀網絡允許相鄰單元鏈接在一起并攜帶數據，從而大大擴展了覆蓋范圍。這會影響數據速率，但對于智能電表網絡來說，節省成本比數據速率更重要，并且有足夠的空間來支持網狀網絡。

RF模塊

Anaren的A1101R04C是可用于智能電表設計的1 GHz以下RF模塊的一個很好的例子，它將晶體，內部穩壓器，匹配電路和濾波器集成到可以輕松安裝在電路板上的表面貼裝設計中。9 x 12 x 2.5 mm模塊通過U.FL連接器使用外部天線，用于433.05至434.79 MHz的歐洲頻段，非常適合實現低功耗無線連接，無需處理廣泛的RF設計和法規遵從性，并且提供快速上市時間。

圖1：A1101R04C 1 GHz以下RF模塊。

模塊經過100％測試，可提供一致的性能，模塊化認證允許OEM將帶有認可天線的模塊放置在成品中不得不對故意散熱器進行昂貴的監管測試。

天線設計

對于智能電表等應用，如家庭中安裝了該設備，全向天線模式使設備可以在任何方向上同樣良好地工作。類似地，對于對等或點對多點應用，期望全向模式，因此所有節點都具有公平的通信機會。 A1101R04C具有經批準的近全向單極天線，但重要的是要注意，末端輻射方向圖不僅取決于天線，還取決于地平面，外殼和安裝環境。

天線匹配提供正確的負載發射放大器實現最高輸出功率，以及正確的負載，為接收低噪聲放大器（LNA）實現最佳靈敏度和所需范圍。模塊中的電源管理可確保內部功能的穩定供電，并為低功耗睡眠模式提供方法（在這種情況下，大多數收發器都已斷電）。

Interface

物理層提供數據，符號和RF信號之間的轉換，而MAC層是邏輯鏈路層的一部分，并提供幀處理，尋址和媒體訪問服務。物理層和MAC層的寄存器和命令通過SPI串行接口暴露給微控制器，這可以由8位微控制器（如Microchip PIC12）處理。下面詳細討論如何使用PIC12以及如何實現SPI接口。

物理層和MAC層功能通過SPI總線通過可尋址寄存器和執行命令進行訪問。接收或發送的數據也可通過SPI總線訪問，并實現為FIFO寄存器（Tx和Rx各64字節）。

要發送，數據幀放在FIFO中;這可能包括目的地地址。給出發送命令，該命令將根據寄存器的初始設置發送數據。為了接收數據，給出接收命令，該命令使單元“監聽”傳輸，并且當發生一個時，將接收的幀放入FIFO中。當既不需要發送也不接收時，設備可以進入空閑模式，從中可以快速重新進入接收或發送模式，或者進入低功耗睡眠模式，在發送或接收操作之前也需要晶體啟動。

使用模塊

該模塊基于德州儀器（TI）的CC1101收發器IC。收發器的所有控制線都在模塊級提供，以完全控制其操作。

圖2：A1101R04C子1 GHz RF模塊中的CC1101收發器。

After初始設置寄存器，模塊可以以幾種不同的方式運行。對于不頻繁數據傳輸的應用，收發器將處于“睡眠”模式以節省功率（200nA）。從那里它將被喚醒，然后進入“空閑”模式。作為喚醒過程的一部分，晶體振蕩器啟動（約240μs），微控制器接口通電。在發送或接收之前，需要啟動頻率合成器（“FS_Wakeup”），并且在關閉電源（或暫停一段時間）后，需要校準VCO/PLL的控制環路。

數據幀被加載到發送FIFO中并進入TX模式。收發器將在完成后傳輸數據并進入“空閑”模式。發送完成后，進入RX模式等待應答幀。一旦接收到幀，收發器將再次進入“空閑”模式。如果在給定超時內沒有接收到確認幀，則將重新發送數據幀。如果確認幀指示接收到數據，則將發送下一個數據幀。在成功傳輸最后一個數據幀后，收發器將再次進入“睡眠”模式。

為了符合歐洲的輸出功率限制，最大輸出功率為10 mW（10 dBm），如果模塊以10％的占空比運行。如果需要100％占空比，全時操作，則對于小于250 kHz帶寬的信號，輸出功率應限制為1 mW（0 dBm），對于大于250的信號，輸出功率應限制在-13 dBm/10 kHz kHz。

重要的是要注意模塊的輸出功率隨環境溫度而變化。為了獲得盡可能好的范圍并同時保持認證合規性，可以根據溫度調整輸出功率，以在整個溫度范圍內保持近似恒定的輸出功率。如果未實施溫度相關控制，則用戶必須使用所有溫度的最低功率值，以便將功率保持在認證限制范圍內。

與智能儀表的接口

模塊與系統其余部分之間的鏈接是SPI串行，這可以通過相對簡單的微控制器（如Microchip PIC12）來處理。如果儀表已經是數字，則可以從儀表獲取數據，或者使用集成的模數轉換器轉換霍爾效應電流傳感器（如Melexis MLX91205或Allegro Microsystems ACS711）的信號。這些可直接從現有儀表系統測量功率。

PIC12單片機

PIC12使用增強型中檔8位CPU內核，具有49條指令，中斷功能，自動上下文保存和具有溢出和下溢復位功能的16級硬件堆棧。為了提高編碼的靈活性，可以使用直接，間接和相對尋址模式，兩個文件選擇寄存器（FSR）提供讀取程序和數據存儲器的能力。

圖3：PIC12單片機顯示用于連接RF模塊的SPI接口，以及用于連接外部器件（如霍爾效應電流傳感器）的模數轉換接口模塊。

SPI接口

SPI接口是將RF模塊連接到系統其余部分的關鍵。該同步協議允許主設備發起與從設備的通信以交換數據。它由PICmicro MCU通過稱為同步串行端口或主同步串行端口的硬件模塊實現。該模塊允許兩個或更多設備之間的高速串行通信，并且相當容易實現。

圖4：PIC12單片機的內核顯示SSP和MSSP模塊。時鐘信號由主機提供，用于提供同步和控制數據何時可以更改以及何時有效讀取。由于SPI是同步的，它具有時鐘脈沖和數據，使其與RS-232和其他不使用時鐘脈沖的異步協議不同，因此需要精確的時序。這意味著時鐘可以在不中斷數據的情況下變化，因為數據速率將隨時鐘頻率的變化而變化。這使得SPI成為微控制器時鐘不精確時的理想選擇，例如通過低成本的RC振蕩器。

當傳輸數據時，必須先讀取輸入數據，然后再嘗試傳輸。如果未讀取輸入數據，則數據將丟失，因此SPI模塊可能會被禁用。傳輸完成后總是讀取數據，即使數據在應用程序中沒有用。每個設備有兩條數據線，一條用于輸入，一條用于輸出，但數據總是在SPI設備之間交換 - 沒有設備可以只是一個“發射器”或只是一個“接收器”。這些數據交換由時鐘線SCK控制，SCK由主設備控制。數據通常在SCK的上升沿或下降沿期間發生變化。通常，從選擇信號將控制何時訪問器件。當系統中存在多個從站時，必須使用此信號，但當電路中只有一個從站時，該信號可以是可選的。該從選擇（SS）信號向從機指示主機希望在該從機設備與其自身之間啟動SPI數據交換。信號通常為低電平有效，因此該線路上的低電平表示SPI處于活動狀態，而高電平表示信號不活動。它通常用于提高系統的抗噪性。其功能是復位SPI從器件，以便接收下一個字節。

SSP或MSSP控制器模塊允許實現SPI或I2C。 MSSP中的“M”代表“主”，它與如何處理I2C數據有關，因此它不會影響其SPI性能，因此可以將MSSP或SSP模塊用于SPI。

SSPSR是移位寄存器對于SPI模塊，將數據移入和移出器件。數據以環路傳輸到下一個移位寄存器，從PIC12的SDO引腳移出并進入RF模塊的SDI引腳。一旦在兩個器件之間交換了一個字節的數據，就會將其復制到SSPBUF寄存器。然后用戶軟件讀取SSPBUF。

用戶代碼將儀表的使用日期寫入SSPBUF，然后自動傳送到SSPSR。

以PIC為主，這個過程將啟動數據傳輸。從器件選擇信號通過低電平啟動SPI傳輸來激活，一旦進行一個字節傳輸就返回高電平狀態。

結論

1 GHz以下的免許可頻段為低電平提供了機會智能電表的成本，低功耗鏈路。避免2.4 GHz頻段的干擾以及更大的穿透，允許更長的范圍和更低的功耗，這兩者都有助于降低系統成本。通過預先批準的RF模塊，可以輕松地將這些無線鏈路添加到電表設計中。然后，可以使用低成本，簡單的微控制器來處理模塊與儀表其余部分以及其他傳感器之間的SPI接口。所有這些相結合，為智能電網提供堅固，可靠的系統設計。