Bild 1: Schema einer typischen Anwendungssituation für Wireless M-Bus.

Bild 1: Schema einer typischen Anwendungssituation für Wireless M-Bus.STMicroelectronics

Zu den Vorteilen eines Systems, in dem kommunikationsfähige Smart Meter eingesetzt werden, gehört die Möglichkeit, aus den Echtzeit-Verbrauchsdaten das individuelle Energieverbrauchs-Profil der einzelnen Kunden zu erstellen und zu analysieren und die Bedarfsspitzen zu ermitteln. Diese Informationen können nicht nur dem Energieversorger, sondern auch dem Konsumenten dienen. Unter anderem besteht für die EVUs die Möglichkeit, abhängig von der aktuellen Netzbelastung dynamisch variierende Spitzen- und Schwachlast-Tarife anzubieten. Die Kunden wiederum können ihren Energieverbrauch so planen, dass große Verbraucher möglichst außerhalb der Spitzenzeiten betrieben werden, um von den niedrigeren Tarifen zu profitieren. Die EVUs im Gegenzug haben den Vorteil, dass sie weniger Spitzenlast-Kraftwerke benötigen, die nur für die kurzen Spitzenlast-Phasen angefahren werden und in der übrigen Zeit ungenutzt bleiben. Dies verbessert die Effizienz des gesamten Systems im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit und die Zuverlässigkeit. Abgesehen davon erspart die automatische Erfassung der Verbrauchsdaten dem EVU das Ablesen der Zähler durch Personal vor Ort und das Konfigurieren der Lastverteilung, was nicht zuletzt auch die Zahl der menschlichen Bedienfehler reduziert.

Auf einen Blick

Die entscheidenden Elemente im Smart Grid sind die sogenannten Smart Meter, also intelligente Strom-, Gas- und Wasserzähler mit der Möglichkeit der automatischen Fernablesung (Automatic Meter Reading – AMR). Die AMR-Funktion sieht die bidirektionale Kommunikation zwischen Zähler und Versorger vor. Der Abnehmer kann auf diese Weise entweder in regelmäßigen Zeitabständen oder auf Abruf seinen Verbrauch an den Versorger übermitteln, während im Gegenzug das EVU die Möglichkeit hat, Wartungsmaßnahmen vorzunehmen und die einzelnen Abnehmer aus der Ferne zuzuschalten oder vom Netz zu nehmen.

Zwischen Smart Meter und EVU sind verschiedene Netzwerk-Topologien und Verbindungsarten denkbar. Zum Beispiel können die Smart Meter den Datenaustausch per Funk oder per Powerline-Kommunikation (PLC) mit einem lokalen Datenkonzentrator abwickeln, der seinerseits beispielsweise über das Mobiltelefon-Netz mit dem EVU kommunizieren kann. Außerdem sollte ein Smart Meter in der Lage sein, sich mit anderen Zählern wie etwa Wasser-, Gas- oder Wärmezählern zu synchronisieren und Informationen auszutauschen, wofür entweder proprietäre oder standardisierte Protokolle infrage kommen. Für die Umsetzung der AMR-Funktion kommt eine ganze Reihe von Standards in Betracht.

Der Wireless Meter Bus (WM-Bus)

Der M-Bus (Meter Bus) ist ein Standard, der in AMR-Implementierungen für die Fernablesung von Energiezählern verbreitet zum Einsatz kommt. Er entspricht den europäischen Normen EN 13757-2 (Physical Layer und Link Layer) und EN 13757-3 (Application Layer). Außerdem erfüllt der M-Bus die Europäische Norm EN 1434 für Wärmezähler. Das M-Bus-Interface ist für die Zweidraht-Kommunikation (Twisted-Pair-Kabel) ausgelegt und deshalb sehr kosteneffektiv. Sieht man von Ringnetzwerken ab, ermöglicht der M-Bus die Verwendung beliebiger Netzwerk-Topologien (linear, sternförmig und so weiter). Er eignet sich außerdem für große Übertragungsdistanzen. Auf Anfrage übertragen die Zähler ihre Daten an einen Konzentrator, sodass sie lokal oder aus der Ferne verfügbar bleiben.

Eine zusätzliche, mit Funkübertragung arbeitende Variante des M-Bus, der Wireless M-Bus, ist in der Norm EN 13757-4 spezifiziert. Der Wireless M-Bus ist ein offener Standard für das Automatic Meter Reading per Funk mit Frequenzen unter 1 GHz. Die Grundlage hierfür bilden die folgenden Normen:

  • Europäische Norm prEN13757-4:2011 (Zähler-Auslesung per Funk),
  • Europäische Norm EN13757-3:2004 (Spezieller Application Layer – gemeinsam mit M-Bus),
  • ETSI EN 300 220 v2.3.1.

Der Wireless M-Bus wird von den Europäischen Normen EN 13757-4 (Physical Layer und Data Link Layer) definiert, der Application Layer von der Norm EN 13757-3. Der Standard legt die Kommunikation zwischen dezentralen Zählern und mobilen Auslesegeräten, stationären Empfängern, Datensammlern und so weiter fest. Bild 1 skizziert ein typisches Anwendungs-Szenario.

Tabelle 1: Einordnung des Wireless M-Bus in das OSI-Modell.

Tabelle 1: Einordnung des Wireless M-Bus in das OSI-Modell.STMicroelectronics

Der Wireless M-Bus-Standard ist so ausgelegt, dass die batteriebetriebenen Zähler eine lange Batterielebensdauer erzielen, sodass während der normalen Einsatzdauer des Zählers kein Batterietausch erforderlich ist. Die Einordnung des Wireless M-Bus in das OSI-Modell zeigt Tabelle 1. Einige wichtige Merkmale des Wireless M-Bus-Standards sind:

  • Unterstützung für die uni- und bidirektionale Kommunikation mit dem Zähler.
  • Unterstützung verschiedener Kommunikations-Modi (S, C, T, R, F, N) abhängig von den Anforderungen der Applikation.
  • Unterstützung der AES-128 CTR-Verschlüsselung zur Sicherstellung der Datensicherheit.
  • Geeignet für den Betrieb in den lizenzfreien ISM- und SRD-Frequenzbändern mit 169, 433 und 868 MHz.
  • Eingerichtet für Störungs- und Alarmmeldungen.

Weitere Einzelheiten enthält das Dokument zur Norm EN 13757-4. Für den Physical Layer spezifiziert die Norm EN 13757-4 außerdem verschiedene Leistungsklassen, die sich nach der maximalen Sendeleistung und der geringsten Empfänger-Empfindlichkeit des Zählers richten.

Der Data Link Layer der Norm EN 13757-4 unterstützt zwei verschiedene Frame-Formate, nämlich das Frame-Format A und das Frame-Format B. Wird ein standardmäßiger Wireless M-Bus-Frame empfangen, so folgt der Data Link Layer unmittelbar auf die als Präambel dienende Chirp-Sequenz. Der Data Link Layer enthält die Daten dieser Schicht sowie optional auch Nutzdaten des Application Layers. Mit Ausnahme der Modi C und F unterstützen die übrigen Modi nur das Frame-Format A. In den Modi C und F kann das Frame-Format am Muster der als Präambel fungierenden Chirp-Sequenz erkannt werden.

Der Wireless M-Bus ermöglicht auch die Verschlüsselung der Nutzdaten mithilfe optimierter Verschlüsselungs-Modi wie der AES 128 Counter-Mode-Verschlüsselung.

STMicroelectronics hat für sich eine eigene Implementierung eines Wireless M-Bus-Firmware-Stacks entwickelt. Grundlage ist die Zwei-Chip-Plattform von ST bestehend aus dem Sub-1-GHz-Funk-Transceiver Spirit1 und dem extrem sparsamen ARM Cortex-M3-Mikrocontroller STM32L15.

Spirit 1

Bild 2: Der Spirit1 ist ein HF-Transceiver für die drahtlose Übertragung im Frequenzband unter 1 GHz.

Bild 2: Der Spirit1 ist ein HF-Transceiver für die drahtlose Übertragung im Frequenzband unter 1 GHz.STMicroelectronics

Der Spirit1 ist ein sehr wenig Strom verbrauchender und überaus leistungsfähiger HF-Transceiver für die drahtlose Übertragung im Frequenzband unter 1 GHz (Bild 2). Er ist für den Betrieb mit 169, 315, 433, 868 und 915 MHz ausgelegt und unterstützt die Modulationsarten 2-FSK, GFSK, MSK, OOK und ASK. Die von der gewählten Modulationsart abhängige drahtlose Übertragungsrate lässt sich auf Werte zwischen 1 und 500 kBit/s programmieren. Das integrierte Schaltnetzteil des Spirit1 ermöglicht eine sehr geringe Stromaufnahme, die im Empfangsbetrieb (Rx) 9 mA und im Sendebetrieb (Tx) bei +11 dBm 21 mA beträgt. Der Baustein kommt mit sehr wenigen externen diskreten Bauelementen aus und verfügt über ein integriertes, konfigurierbares Basisbandmodem, welches das Datenmanagement, die Modulation und die Demodulation unterstützt. Das Datenmanagement behandelt die Daten in einem proprietären, vollständig programmierbaren Paketformat und ermöglicht auch die Verwendung des zum M-Bus-Standard konformen Formats (mit allen Performance-Klassen). Das PHY-Protokoll des Wireless M-Bus wird vom Spirit1 hardwaremäßig und maschinennah unterstützt.

Energylite Mikrocontroller

Im Wireless M-Bus-Szenario sind die verwendeten Gas-, Wasser- und Wärmezähler in der Regel batteriebetrieben. Sie verlangen deshalb nach sehr energieeffizienten Bauelementen, damit die Batterien möglichst lange halten. Die Energylite-Familie bestehend aus den 8-Bit-Mikrocontrollern der Reihe STM8L und den 32-Bit-MCUs der Reihe STM32L bietet ein hohes Performance-Niveau im Verbund mit extrem geringer Leistungsaufnahme.

Die Reihen STM8L und STM32L sind mit speziellen Features für Anwendungen mit extrem geringer Leistungsaufnahme ausgestattet. Dazu gehören neben ausgefeilten Ultra-Low-Power-Betriebsarten auch eine optimierte, dynamische Stromaufnahme während des Betriebs sowie besonderen Sicherheits-Features. Grundlage der extrem sparsamen Energylite-Plattform ist die 130-nm-Prozesstechnologie von STMicroelectronics, die durch äußerst geringe Leckströme gekennzeichnet ist. Technologie, Architektur und Peripheriefunktionen sind für alle Energylite-Bauelemente einheitlich.

Die Serie STM32L L1 auf Basis eines ARM Cortex-M3-Cores baut das Ultra-Low-Power-Konzept weiter aus, ohne deshalb Kompromisse an der Leistungsfähigkeit mit sich zu bringen. Dabei ist die Serie STM32L L1 nicht nur einfach eine Familie äußerst sparsamer MCUs, sondern sie bringt eine breite Palette an Features und Speichergrößen mit und wird in Gehäusen mit unterschiedlich vielen Pins angeboten. Das Portfolio reicht von 32 bis 384 KByte Flash-Speicher (mit bis zu 48 KByte RAM und 12 KByte echtem Embedded-EEPROM), und die Gehäuse haben zwischen 48 und 144 Pins.

Die innovative Architektur, unter anderem mit Spannungs-Skalierung und einem extrem sparsamen MSI-Oszillator, verleiht den Designs mehr Performance, und dies bei sehr knapp bemessener Leistungsaufnahme. Der große Umfang an integrierter Peripherie zum Beispiel mit USB, LCD-Interface, Operationsverstärker, Komparator, A/D-Wandler mit schneller Ein/Aus-Funktion, D/A-Wandler, kapazitiver Touch-Funktion und AES, macht die Serie STM32 L1 zu einer erweiterungsfähigen Plattform, die allen Anforderungen gerecht werden kann.

Implementierung des Wireless M-Bus-Stacks

Tabelle 2: Die Modi des Wireless M-Bus.

Tabelle 2: Die Modi des Wireless M-Bus.STMicroelectronics

Der Wireless M-Bus-Stack von ST auf Basis der Norm EN 13757-4:2011.10 unterstützt die in Tabelle 2 aufgeführten Modi. Der Protokoll-Stack für den Wireless M-Bus wurde auf Basis der Zwei-Chip-Plattform von ST entwickelt. Dabei implementiert der Spirit1 lediglich einen Teil des Physical Layers. Stattdessen sind der PHY- und der Link-Firmware-Stack in einem äußerst sparsamen STM32L15x mit ARM Cortex-M3-Core implementiert. Die Aufgaben des STM32L sind:

  • Wireless M-Bus Application Layer,
  • Wireless M-Bus Link Layer mit Handling von MAC-Paketen und CRC sowie Encryption/Decryption Initiate/Read,
  • Wireless M-Bus PHY, PHY-Initiierung für Wireless M-Bus sowie Interrupt-Services.
Bild 3: Datentransfer vom Zähler zur GUI.

Bild 3: Datentransfer vom Zähler zur GUI.STMicroelectronics

Die Aufgaben des  Spirit1:

  • Wireless M-Bus-Modi
  • Header-, Sync- und Trailer-Felder
  • Manchester/3-out-of-6-Codierung
  • Sync-Detektierung
  • Tx- und RX-FIFO
  • Daten-Modulation und Demodulation
  • drahtlose Sende- und Empfangsfunktionen

Der Stack unterstützt Geräte der Typen Zähler und Konzentrator (Bild 3).

Bild 4: Daten-Darstellung durch die grafische Benutzeroberfläche.

Bild 4: Daten-Darstellung durch die grafische Benutzeroberfläche.STMicroelectronics

Angeboten wird auch PC-GUI-Software für den Wireless M-Bus. Mit dieser PC-basierten GUI (Graphical User Interface) lassen sich der Status und der ermittelte Energieverbrauch der einzelnen, an das Wireless M-Bus-Netzwerk angeschlossenen Zähler abfragen, und es können die Modi S, T, R und N des Wireless M-Bus konfiguriert werden (Bild 4). Die PC-Software nutzt das HID-Protokoll (Human Interface Device) für die Kommunikation mit dem Concentrator Board beziehungsweise dem Meter Board (Bild 5).

Bild 5: Blockschaltbild des Gas-Meter-Demo-Boards.

Bild 5: Blockschaltbild des Gas-Meter-Demo-Boards.STMicroelectronics

Das Protokoll ist an keinen bestimmten Bus gebunden und lässt sich auf verschiedene Transport-Technologien portieren, darunter auch Bluetooth und andere leitungsgebundene oder drahtlose Technologien. Diese Spezifikation identifiziert das Protokoll, die Prozeduren und die Features, damit einfache Eingabegeräte per USB mit dem HID kommunizieren können.