万物智联时代背景下,水表、电表、燃气表、热量表等计量终端不仅需要准确采集、记录用户用量数据,还需要通过可靠的通信链路将数据按需(实时/高频/定期)上传至集中器/网关,再经由回传网络汇聚到管理平台,从而实现远程抄表、用量分析、阶梯计费、异常诊断、欠费提醒和用能优化等业务闭环。
然而,各类计量终端的部署场景十分多元,覆盖城市、乡村及工业地块,普遍存在点位分散、安装环境复杂、电池长期供电、运维周期漫长等特征;想要高效完成海量计量数据的汇聚上传,就需要搭建一张匹配终端部署特点的智能计量网络。
这张网络不仅要具备良好的通信覆盖能力,还要能兼顾终端功耗、网络部署成本和系统扩展性等多个维度——其中,Sub-1GHz无线通信方案凭借绕射能力强、穿透损耗低、传输距离远和通信功耗低等多种优势,已成为实现计量数据集中上传的重要技术路线之一。
Sub-1GHz射频芯片,智能计量网络中的底层通信基石
Sub-1GHz射频芯片是搭建Sub-1GHz无线通信方案的底层通信基石,工作在全球免许可 ISM(工业、科学和医疗)频段中;相较于BLE、Wi-Fi等2.4GHz射频芯片,Sub-1GHz射频芯片更适用于存在低速率与小数据量传输需求的智能计量、环境感知与工业监测应用场景中。
Sub-1GHz无线通信效果示意图
对于安装位置分散、覆盖环境复杂的智能计量终端而言,Sub-1GHz射频芯片工作在较低频率中,具备较低的自由空间路径损耗,且其还可通过合理配置发射功率、接收灵敏度、天线和信道参数,进一步优化通信链路预算,为远程数据采集提供良好的无线通信基础。
此外,不同国家地域对于无线计量系统的通信频段、信道带宽、调制方式和发射功率往往具有不同要求,而Sub-1GHz射频芯片具备着较宽的频率配置范围以及多种调制方式,可以为不同地区和项目提供更灵活的硬件选型空间。
从协议栈的层级划分上看,Sub-1GHz射频芯片只负责无线信号的收发、调制和解调等物理层(PHY)功能,而数据链路层、网络层和应用层相关协议逻辑,则由主控MCU配合相应软件栈实现。
基于Sub-1GHz射频硬件平台,支撑不同通信协议开发路线
如上图所示,只要Sub-1GHz射频芯片的运行频段、调制方式、数据率等PHY参数满足要求,开发者即可基于芯片的物理层通信能力自主设计私有通信协议,也可以根据目标标准和应用需求,面向行业规范开发适配W-Mbus、Wi-SUN等标准化协议体系的无线通信方案。
CMT2310A,高性能Sub-1GHz射频收发芯片
例如,CMT2310A就是一款采用高集成度射频收发架构,支持多种调制方式及数据包处理功能,工作频率覆盖113~960MHz的高性能Sub-1GHz无线射频收发芯片,可为不同国家和地区的智能电表、水表、气表等智能计量设备提供灵活的射频硬件基础,适应不同地区的频段规划与无线通信需求。
在通信性能方面,CMT2310A具有最高+20dBm的可配置发射功率,接收灵敏度最高可达-122dBm(433.92MHz、2.4kbps、2FSK)——在智能计量场景中,较高的发射功率与接收灵敏度能够提供更大的无线链路预算设计空间,有助于提升复杂安装环境下的通信可靠性和覆盖能力,满足远距离抄表及计量终端与集中器之间的无线数据传输需求。
在运行功耗层面,CMT2310A支持多种低功耗工作模式,可根据系统通信需求灵活配置收发状态——其中,Duty-Cycle工作模式和超低功耗接收模式(SLP)可帮助系统降低无线接收过程中的平均功耗。
另外,开发者还可结合计量设备的数据采集周期、接收窗口和通信时序,设计合理的无线工作策略,在满足定时抄表、数据上报及下行指令接收等通信需求的同时,降低终端能耗,延长电池供电型计量设备的使用寿命。
在调制方式方面,CMT2310A支持OOK、2(G)FSK、4(G)FSK和G(MSK)调制方式,FSK数据速率最高可达500kbps,OOK数据速率最高可达300kbps——开发者还可根据目标应用的通信距离、数据传输速率、信道带宽及功耗预算,对射频参数进行配置,以适应不同国家和地区的频段规范、通信协议及智能计量应用需求。
另外,CMT2310A还集成了自动频率校正(AFC)、三种不同特性的时钟恢复系统(CDR)、有效信号监测功能(PJD、RSSI)、超低功耗接收(SLP)和Duty-Cycle接收、快速发射或接收跳频、载波侦听多路访问(CSMA)、自动ACK和数据重发、天线分集等多种特色功能。
这些功能可帮助智能计量设备提升信号检测与接收判决能力,增强无线通信对频率偏差和复杂无线环境的适应性,并通过信道侦听、自动应答、数据重发及天线分集等机制,改善数据传输的可靠性与通信效率,以满足智能计量系统长期运行、远程抄读和稳定组网的应用需求。
