Il tema degli smart meter, o contatori intelligenti, è di grande attualità e molti progettisti elettronici sono oggi alle prese con la realizzazione di questi prodotti e della relativa infrastruttura di comunicazione. La definizione di smart meter copre però una grande varietà di possibili soluzioni, diverse tra loro sotto vari aspetti: il tipo di utenza (elettricità, gas, acqua, calore), il tipo di rete utilizzabile per la comunicazione a monte (rete cablata, rete wireless a breve raggio, rete wireless a lungo raggio), l'area geografica di riferimento (con i relativi standard e le specificità del mercato) ecc. Altrettanto varie sono le caratteristiche delle aziende che affrontano la realizzazione di questi prodotti: a seconda delle risorse a loro disposizione, alcune di esse sono più inclini a sviluppare autonomamente la soluzione dalla A alla Z, altre preferiscono avvalersi di moduli funzionali pronti per l'uso. Anche le preferenze del singolo progettista devono essere tenute nella giusta considerazione, ad esempio per quanto riguarda la scelta dei microcontrollori; la familiarità con una determinata architettura, infatti, può incidere significativamente sui tempi di sviluppo. Per tutti questi motivi, è importante poter contare su un partner competente e imparziale, che sia in grado di comprendere le esigenze del cliente e di consigliare i componenti più adatti, scelti nell'ambito di un'offerta completa e qualificata. Un partner, insomma, che sia “smart” almeno quanto i contatori. Un distributore a forte contenuto tecnico come Avnet Memec è in grado di offrire questo tipo di servizio, grazie a un gruppo di professionisti specializzati nelle applicazioni di smart metering e a una linecard di aziende leader che offrono numerose opzioni per ciascuno dei diversi blocchi funzionali.
Contatori per utenze elettriche
I contatori per le utenze elettriche sono ovviamente connessi alla rete elettrica, a differenza dei contatori per le utenze gas e acqua che generalmente sono del tutto scollegati da essa. Si tratta di una differenza sostanziale: nel caso dei contatori per utenze elettriche, infatti, la disponibilità di energia consente di scegliere liberamente il microcontrollore senza vincoli di consumo energetico; inoltre grazie alla tecnologia Plc (Power Line Communication) la comunicazione a monte del contatore può sfruttare i cavi della rete elettrica, il che consente di fare a meno di soluzioni wireless. Gli aspetti principali nella progettazione di un contatore per utenze elettriche sono quindi la scelta del front-end analogico che rileva i consumi di tensione e corrente e la scelta del sistema Plc. Per quanto riguarda il front-end analogico, Maxim offre una famiglia di System-on-Chip specificamente rivolti a queste applicazioni, comprendenti un core 8051 e un processore di segnali metrologico a 32 bit. Anche Cirrus Logic offre una famiglia di analog front-end, caratterizzati da alta linearità e funzioni di calcolo integrate per tutte le grandezze elettriche. La scelta della soluzione Plc è influenzata da fattori geografici e dall'architettura complessiva dell'infrastruttura Ami (Advanced Metering Infrastructure). Echelon vanta una lunga esperienza in questo settore, è ampiamente affermata in vari paesi tra cui l'Italia (nei contatori Enel) ed è in grado di offrire tutti i componenti necessari per realizzare un'infrastruttura Ami per le utenze elettriche. Maxim è specializzata nei modem Plc, settore in cui può vantare alcuni primati tecnologici, ed è affermata ad esempio nel mercato francese.
La scelta del microcontrollore
Come si è detto, generalmente i contatori per i consumi di gas e acqua sono del tutto scollegati dalla rete elettrica, pertanto devono essere alimentati a batteria. Il parametro principale nella scelta del microcontrollore per questi contatori è quindi il consumo, che determina la durata delle batterie. L'offerta Avnet Memec comprende molti microcontrollori a basso e bassissimo consumo, diversi tra loro anche per l'architettura del core e per la gamma di periferiche integrate. Energy Micro, ad esempio, produce la famiglia dei microcontrollori Gecko, nelle versioni TinyGecko, Gecko, GiantGecko e LeopardGecko (basati su core ARM Cortex-M3) e ZeroGecko (basato su core Arm Cortex-M0), con consumi a partire da 160 microampere per megahertz. Alcuni modelli Energy Micro integrano periferiche autonome e bus interni per collegare tra loro queste periferiche per realizzare operazioni concatenate senza l'intervento della Cpu. Inoltre la periferica autonoma Low Energy Sense permette di ridurre il consumo medio di un contatore di almeno 4 volte rispetto alla concorrenza. Anche Renesas realizza una vasta gamma di microcontrollori a basso consumo, basati sul core proprietario RL78 a 16 bit, che grazie alle risorse hardware integrate consentono di ridurre le dimensioni e il costo del sistema. Ad essi si affiancano i processori a 32 bit V850, dotati di numerose interfacce seriali, e i Cisc a 32 bit RX200 e RX600. Sempre da Renesas giunge un microcontrollore appositamente progettato per le applicazioni di smart metering parte della famiglia RX200, e in particolare RX200/21A la cui caratteristica principale è quella di avere 7 Adc sigma-delta a 24 bit a bordo. SiliconLabs, invece, offre una famiglia di microcontrollori a basso consumo basati su architettura Risc 8051 compatibile (e in rilascio la versione a 32bit con stesso set di periferiche), tutti dotati di interfaccia integrata per soluzioni tattile capacitivo e periferiche specifiche per il mercato del metering; alcuni modelli della famiglia, inoltre, integrano anche un regolatore di tensione che consente al dispositivo di accettare alimentazioni fino a un minimo di 0,9 volt, prolungando così l'autonomia delle batterie alcaline.
Comunicazioni wireless locali
Generalmente la gestione dei contatori per le utenze gas e acqua prevede il collegamento wireless con un concentratore locale (ruolo che può essere svolto anche da un contatore per utenza elettrica). Questi collegamenti a breve raggio sfruttano di solito le bande Ism e, in molti casi, lo standard Wireless-Mbus. Per la realizzazione di questa funzione sono disponibili molte opzioni, che si differenziano in primo luogo per il livello di integrazione. SiliconLabs, ad esempio, offre le “wireless Mcu” della famiglia Si100x/1x, dispositivi che integrano un microcontrollore e il transceiver EZRadioPRO. Questi dispositivi comprendono l'amplificatore di potenza, l'amplificatore a basso rumore e l'algoritmo per la “antenna diversity”. Recentemente si è resa disponibile la nuova famiglia di transceiver Si446x, che amplia il range di frequenza operativa fino a 169MHz e migliora ulteriormente le prestazioni RF di questi dispositivi. In alternativa, la famiglia Si4xxx di SiliconLabs comprende anche dispositivi che svolgono unicamente la funzione di trasmettitore o ricevitore. Anche Maxim realizza una vasta gamma di ricevitori, trasmettitori e ricetrasmettitori per la banda Ism, caratterizzati da un “link budget” elevato. Altre opzioni sono offerte da Semtech, il cui catalogo comprende modelli con “link budget” elevato e altri a bassissimo consumo (assorbimento di corrente inferiore a 3 milliampere in ricezione). La gamma delle opzioni per radio Ism comprende anche un chipset composto da un circuito ibrido realizzato da IPDiA e dal chip Semtech SX1211; una progetto di riferimento per Wireless-Mbus basato sul chip SiliconLabs Si4431.
Comunicazioni wireless verso l'infrastruttura
Nei casi in cui la tecnologia Plc non sia utilizzabile, la comunicazione tra i concentratori e l'infrastruttura a monte deve sfruttare connessioni wireless. Se la distanza da coprire è limitata, una delle opzioni possibili è lo standard Wi-Fi e anche in questo caso l'offerta di Avnet Memec comprende opzioni caratterizzate da diversi livelli di integrazione. Per quanto riguarda i singoli circuiti integrati, CSR offre ad esempio il dispositivo CSR6026 che costituisce una soluzione Wi-Fi single-chip dotata anche della parte Mac che alleggerisce il carico di lavoro della Mpu. Lo stesso dispositivo viene utilizzato da APM per realizzare un completo modulo Wi-Fi comprendente supporto per amplificatore di potenza e interfaccia host Sdio. L'offerta di moduli Wi-Fi include anche i prodotti Wi2Wi, basati su chip Marvell e comprendenti i driver software; questa soluzione consente a tutti gli utilizzatori di accedere alla tecnologia Marvell, un produttore che tratta questi prodotti tipicamente per applicazioni ad altissimi volumi. Altri moduli Wi-Fi sono offerti da Laird Technologies; tra le caratteristiche di questi prodotti è compreso un processore che esegue lo stack per la rete e fornisce un'interfaccia seriale per comandi AT. Nel caso di distanze più lunghe, la comunicazione wireless tra il concentratore dei dati e l'infrastruttura del gestore può sfruttare la rete della telefonia cellulare. Questo tipo di soluzione può essere realizzata con i moduli Gsm/Gprs/Edge/Umts/Hsdpa di Sierra Wireless, specialista della comunicazione M2M, comprendente quattro famiglie di prodotti. L'offerta Sierra comprende anche un modulo Gprs che misura solo 15 x 18 millimetri.
