죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

무선 연결을 스마트 계측기에 통합하는 방법

PDF 다운로드

글/Jeff Shepard, Digi-Key 북미 편집자

무선 연결은 전기, 물, 가스, 커뮤니티 열 분산 네트워크용 스마트 계측기에 필수적이지만 무선 트랜시버를 처음부터 설계하는 것은 까다롭고 시간이 많이 걸리는 작업이다. 스마트 계측기 응용 제품에는 미국의 FCC Part 15와 FCC Part 90, 유럽의 ETSI EN 300 220, ETSI EN 303 131, 일본의 ARIB STD T67, T108, 중국의 SRRC 등 다양한 국제 표준을 충족하는 고성능 무선 솔루션이 필요하다. 고성능 무선 솔루션은 최대 500kbps까지 데이터 전송률을 지원해야 한다. 여기에는 보안 암호화와 인증이 포함되어야 하고 소형이면서 최대 +85℃인 까다로운 환경에서 작동해야 한다. 많은 응용 제품에서 배터리 수명은 수년간 지속되어야 한다.

설계자는 이러한 과제를 해결하기 위해 스마트 계측기 응용 제품의 수요에 따라 RF 트랜시버 IC 또는 완전한 RF 트랜시버 모듈 중에서 선택할 수 있다. 최대 +16dBm의 출력 전력으로 140dB을 초과하는 RF 링크 버짓을 보장하며 SIGFOX™, 무선 M-Bus, 6LowPAN, IEEE 802.15.4g 네트워킹 연결을 지원하는 RF 트랜시버 IC를 사용할 수 있다. 무선 M-Bus 프로토콜 스택 또는 LoRa, (G)FSK, (G)MSK, BPSK 등 다수의 무선 통신 변조를 지원하는 RF 모듈을 사용할 수 있으며 다양한 응용 제품의 요구 조건을 충족하고 ETSI EN 300 220, EN 300 113, EN 301 166, FCC CFR 47 part 15, part 24, part 90, part 101과 ARIB STD-T30, T-67, T-108이 포함된 광범위한 국제 규격을 준수하는 적응형 대역폭, 확산 인자, 전송 전력, 코딩 속도에 대한 옵션이 있다. 이러한 모듈은 안테나만 있으면 되는 완전한 RF 시스템이며 보안 암호화 및 인증, 배터리 수명 연장을 위한 초저전력 모드를 포함한다.

이 기사에서는 무선 스마트 계측기 설계자가 직면한 연결 문제를 검토하고 가능한 솔루션을 살펴본다. 그런 다음 안테나 통합 시 설계 고려 사항과 함께 STMicroelectronics, Move-X, Radiocrafts의 RF 트랜시버 IC와 RF 모듈이 포함된 다양한 옵션을 알아본다.

설계자가 직면하는 가장 먼저 해야 할 결정 중 하나는 통신 프로토콜 선택이다. 일반적인 선택으로는 근거리 무선 통신(NFC), Bluetooth, Bluetooth SMART, 사물 인터넷용 Wi-Fi(IoT용 Wi-Fi), 서브 기가헤르츠(SubGHz)가 있다. 고려해야 하는 네 가지 중요한 요소가 있다.

• 필요한 데이터 처리량

• 저전력 모드

• 필요한 전송 범위

• 웹 액세스 필요성

IoT용 Wi-Fi는 최대 데이터 전송이 필요한 응용 제품에 최선의 선택지가 될 수 있지만 최고 전력 요구 사항도 있다. SubGHz에는 중간 수준의 전력만 필요하고 최대 전송 범위를 제공하지만 기타 통신 프로토콜은 다양한 성능 트레이드 오프 세트를 제공한다(그림 1).

[그림 1] IoT용 Wi-Fi는 처리량과 전력 소비가 가장 높지만 SubGHz는 중간 수준의 전력 수요로 가장 확장된 범위를 제공한다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

많은 스마트 계측기 응용 제품에는 다년간의 배터리 수명이 필요하며 이로 인해 IoT용 Wi-Fi 같은 기술 사용이 어렵다. 다행히 이러한 응용 제품은 데이터 처리량 요구 사항이 비교적 제한되어 있으며 NFC, Bluetooth Smart, Bluetooth 또는 SubGHz 기술을 사용할 수 있다. NFC는 전력 소비가 낮아서 매력적이지만 마찬가지로 낮은 데이터 처리량과 범위로 인해 스마트 계측기 응용 제품에 대한 고려 대상에서 제외될 수 있다.

게다가 스마트 계측기 전체 설계는 전력 소비를 결정하는 데 중요한다. 장치를 가능한 저전력 상태로 유지하고 필요한 가장 짧은 시간 동안만 활성 상태로 진입은 무선 스마트 계측기에서 배터리 수명을 연장하는 핵심 요소이다. 모듈 기반 또는 이산 소자 무선 주파수(RF) 통신 구현 사용 중 선택은 설계 성공의 또다른 요소이다. 해당 결정을 내릴 때 성능, 솔루션 크기, 실장 면적 유동성, 인증, 출시 기간, 비용 요구 사항을 고려한다.

RF 모듈 사용의 이점

RF 모듈은 완전한 통신 서브 시스템이다. 여기에는 RF IC, 발진기, 필터, 전력 증폭기와 다양한 수동 소자가 포함될 수 있다. 모듈 솔루션을 사용하는 RF 전문 지식이 필요하지 않기 때문에 설계자는 스마트 계측기 설계의 다른 측면에 집중할 수 있다. 일반적인 RF 모듈은 필요한 표준에 맞게 보정되고 인증된다. 또한 모듈에는 안테나 통합을 용이하게 하고 신호 손실을 최소화하는 네트워크 정합 회로망이 포함된다. 안테나는 모듈 솔루션을 사용하여 내부나 외부에 있을 수 있다.

모듈은 설계에 간단히 통합된다. 설계 통합의 간소화는 처리해야 할 복잡한 이산 소자 RF 장치가 없고 표준 인쇄 회로 기판(PCB) 기반 모듈이 있기 때문에 제조 공정 플로우로 확장된다. 모듈 제조사는 이미 통합 RF 시스템의 미묘한 차이를 모두 처리했다. 모듈을 사용하면 인증 획득, 필요한 효율성과 전체 성능 수준 달성, 시장 출시 기간 단축과 같은 이산 소자 RF 설계와 관련된 위험을 줄일 수 있다.

이산 소자 IC 구현의 이점

이산 소자 IC 설계는 더 복잡하지만 비용, 솔루션 크기, 폼 팩터에 관해 중요한 이점을 제공할 수 있다. 모듈은 대개 IC 기반 솔루션보다 비용이 더 많이 든다. RF 서브 시스템 설계가 대량으로 생산되는 경우 IC 기반 솔루션 설계에 추가된 비용은 제조 비용을 절감하여 상쇄된다. 또한 여러 무선 스마트 계측기 플랫폼에 일반적인 RF 서브 시스템을 사용하여 전체 생산량을 늘리고 장기 비용을 더욱 절감할 수 있다.

이산 소자 IC 기반 설계는 모듈 기반 솔루션보다 거의 항상 더 작다. 이는 공간 집약적 응용 제품에서 중요한 고려 사항이 될 수 있다. 이산 소자 IC 설계는 실장 면적을 더 작게 차지하면서도 사용 가능한 공간에 맞도록 더 쉽게 형성될 수 있다.

SubGHz RF 트랜시버 IC

SubGHz 대역에서 이산 소자 IC 기반 솔루션이 필요한 설계자는 4mm x 4mm QFN24 패키지에서 작동 온도 범위가 -40℃ ~ +105℃인 고성능 초저전력 RF 트랜시버 IC인 S2-LP를 사용할 수 있다(그림 2). 기본 설계는 433MHz, 512MHz, 868MHz, 920MHz의 산업, 과학 및 의료용(ISM) 라이선스가 필요 없는 대역과 근거리 무선 장치(SRD) 대역에서 작동한다. 선택적으로 S2-LP는 413Mhz ~ 479MHz, 452Mhz ~ 527MHz, 826Mhz ~ 958MHz, 904Mhz ~ 1055MHz 등 다른 주파수 대역에서 작동하도록 프로그래밍할 수 있다. 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK, ASK를 포함한 다양한 변조 방식을 구현할 수 있다. S2-LP는 장거리 통신 범위에 대해 140dB을 초과하는 RF 링크 버짓이 있으며 미국, 유럽, 일본, 중국의 규제 요구 사항을 충족한다.

[그림 2] 이 RF IC는 +105°C에서 작동하도록 지정되어 있고 4mm x 4mm QFN24로 패키징되어 있다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

설계자는 S2-LP를 사용할 때 통합 공정을 간소화하기 위해 860Mhz ~ 930MHz 주파수 작동에 대해 S2-LP에 공액 정합된 50Ω 공칭 입력이 있는 BALF-SPI2-01D3 초소형 발룬을 사용할 수 있다. 이는 정합 회로망과 고조파 필터를 통합하며 비전도성 유리 기판에 IPD(Integrated Passive Device) 기술을 사용하여 최적화된 RF 성능을 제공한다.

S2-LP를 사용하고 868MHz ISM 대역에서 작동하는 설계는 X-NUCLEO-S2868A2 확장 기판을 사용하여 개발할 수 있다(그림 3). X-NUCLEO-S2868A2는 주변 장치 인터페이스(SPI) 연결과 범용 입/출력(GPIO) 핀을 사용하여 STM32 Nucleo 마이크로 컨트롤러에 연결된다. 저항기를 기판에 추가하거나 기판에서 제거하면 일부 GPIO가 변경될 수 있고 기판은 Arduino UNO R3와 ST Morpho 커넥터와 호환할 수도 있다.

[그림 3] X-NUCLEO-S2868A2 확장 기판은 868MHz ISM 대역을 사용하여 설계 개발 속도를 높일 수 있다. (이미지 출처: Digi-Key)

통합을 간소화하는 RF 모듈

빠르게 시장에 출시하고 전력을 적게 소비해야 하는 응용 제품의 경우 MAMWLE-00 모듈이 시스템 통합을 간소화할 수 있다. 이는 RF 출력에 50Ω U.FL 커넥터를 사용하며 16.5mm x 15.5mm x 2mm 패키지에 48MHz Arm® Cortex® M4 32비트 RISC 코어가 있다. 이 RF 모듈에는 여러 가지 저전력 작동 상태 선택이 있다. 이 RF 모듈은 대역폭, 확산 인자(SF), 전력, 코딩 속도(CR)에 대한 다양한 옵션을 사용하여 LoRa, (G)FSK, (G)MSK, BPSK 등 여러 무선 통신 변조를 구현한다(그림 4). 내장형 하드웨어 암호화/암호 해독 가속기는 유한체(Galois Field)에 대해 RSA(Rivest Shamir Adleman), 디피-헬먼, 또는 타원 곡선 암호화(ECC)를 위한 PKA용 고급 암호화 표준(AES, 128비트 및 256비트), 공용 키 가속기(PKA)와 같은 여러 표준을 구현할 수 있다.

[그림 4] MAMWLE-00 모듈에서 설계자는 절전 모드와 다양한 RF 변조 표준을 선택할 수 있다. (이미지 출처: Digi-Key)

M-Bus RF 모듈

M-Bus 무선 프로토콜을 사용하면 설계자는 차폐형 표면 실장 패키지에서 12.7mm x 25.4mm x 3.7mm인 Radiocrafts의 RC1180-MBUS RF 트랜시버 모듈을 경험할 수 있다(그림 5). 이 RF 모듈에는 구성 및 직렬 통신을 위해 1핀 안테나 연결과 UART 인터페이스가 있다. 이는 무선 M-Bus 표준형 S모드, T모드, R2모드를 충족하고 868MHz 주파수 대역의 12개 채널에서 작동하며 라이선스 없이 사용하기 위한 유럽 무선 규정에 따라 작동되도록 사전 인정되었다.

[그림 5] Radiocrafts의?RC1180-MBUS?RF 트랜시버 모듈을 사용하여 구현 가능한 M-Bus 무선 프로토콜(이미지 출처: Digi-Key

M-Bus 무선 통신 모듈 개발 키트가 포함된 RC1180-MBUS3-DK 센서 기판을 사용하면 설계자가 실장 센서 모듈을 신속히 평가하고 응용 제품을 조정하며 시제품을 만들 수 있다. 여기에는 SMA 수 커넥터가 있는 두 개의 50Ω 1/4파장 단극 안테나와 두 개의 USB 케이블, USB 전원 공급 장치가 포함되어 있다(그림 6). 이 개발 키트는 센서 기판용 집선기, 게이트웨이 및/또는 수신기가 될 수 있다.

[그림 6] SMA 수 커넥터가 있는 두 개의 50Ω 1/4파장 단극 안테나와 두 개의 USB 케이블, USB 전원 공급 장치가 포함되어 있는 M-Bus 개발 키트(표시되지 않음). (이미지 출처: Digi-Key)

안테나 통합

Radiocrafts는 안테나를 RF 모듈에 연결할 때 안테나를 50Ω에 일치하는 RF 핀에 직접 연결할 것을 권장한다. 안테나를 RF 핀에 연결할 수 없는 경우 RF 핀과 안테나 커넥터 사이의 PCB 트레이스는 50Ω 전송 라인이어야 한다. 유전체 상수가 4.8인 2층 FR4 PCB의 경우 마이크로스트립 전송 라인 폭은 기판 두께의 1.8배여야 하고, 전송 라인은 하단에 접지면을 가진 PCB의 상단에 있어야 한다. 예를 들어 표준 1.6mm 두께인 2층 FR4 PCB를 사용할 경우 마이크로스트립 전송 라인의 폭은 2.88mm(1.8mm x 1.6mm)이어야 한다.

1/4파장 휩 안테나는 구현하기에 가장 간단하고 접지면 위에 사용될 경우 37Ω 임피던스를 가지며 일반적으로 50Ω 일치 회로가 필요하지 않다. 그 대신, 접지면이 PCB 뒷면에서 제거된 구리 트레이스를 사용하여 PCB 안테나를 제작할 수 있다. 나머지 PCB에는 균형추 역할을 하는 안테나만큼 큰 접지면이 있어야 한다. PCB 안테나가 1/4파장보다 짧을 경우 50Ω 정합 회로망을 추가해야 한다.

요약

무선 스마트 계측기에 사용할 수 있도록 다양한 무선 프로토콜 중에서 선택하는 경우 설계자는 데이터 처리량, 전력 소비, 전송 범위와 웹 액세스 필요성 등 여러 요인을 고려해야 한다. 또한 RF IC와 모듈 간의 선택에는 솔루션 크기, 비용, 유연성, 출시 기간, 규정 준수 및 기타 요인 간의 트레이드 오프가 포함된다. 적절한 RF 프로토콜을 식별하고 IC와 모듈 중 선택하고 기본 RF 시스템이 설계되면 안테나 통합은 성공적인 무선 스마트 계측기를 개발하는 데 매우 중요한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>