Low-Power-Funk für intelligente Metering-Anwendungen

Eine Schlüsselfunktion intelligenter Messsysteme ist es, zuverlässig und energieeffizient Daten zu übermitteln – oft über Jahre hinweg mit einer einzigen Batterie. Dazu haben sich verschiedene Funkstandards etabliert, die für geringe Datenraten, große Reichweite und niedrigen Energiebedarf ausgelegt sind. Insbesondere Low-Power-Wide-Area-Netzwerke (LPWAN) wie Wireless M-Bus (wM-Bus), Long-Range WAN (LoRaWAN) und Mioty spielen eine zentrale Rolle. Diese Technologien nutzen das lizenzfreie Sub-1-GHz-ISM-Band, das aufgrund seiner guten Ausbreitungseigenschaften auch innerhalb von Gebäuden von Vorteil ist.

Für flächendeckende Vernetzung gewinnt der Mobilfunkstandard Narrowband IoT (NB-IoT) an Bedeutung. NB-IoT nutzt Frequenzen innerhalb des LTE-Netzes und bietet hohe Datensicherheit bei vergleichsweise geringer Leistungsaufnahme. Damit eignet es sich für Anwendungen, die kleine Datenmengen über große Entfernungen übertragen – und über lange Zeit mit sehr wenig Energie auskommen müssen.

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Kommunikationsstandards im Smart Metering

Der Wireless M-Bus, definiert in der Norm EN 13757-4:2014-2, hat sich in Europa für Gas-, Wasser-, Wärme- und Stromzähler etabliert. Da er Sub-Gigahertz-Frequenzen nutzt, erreicht er gute Durchdringungseigenschaften in Innenräumen. Er ist für Anwendungen im Gebäudemanagement sowie im Smart Home prädestiniert, etwa bei Thermostaten zur Heizungssteuerung oder für Alarmeinrichtungen. Der Open Metering Standard (OMS) baut auf wM-Bus auf und gewährleistet Interoperabilität zwischen Zählern unterschiedlicher Hersteller.

LoRaWAN, basierend auf der Chirp-Spread-Spectrum-Technologie (CSS, Frequenzspreizung), ist ebenfalls in der Sub-Gigahertz-Region aktiv. Es ermöglicht mehr als 10 km Reichweite bei niedrigen Datenraten und geringem Energiebedarf. Mioty nutzt eine Telegram-Splitting-Multiple-Access-Technik (TSMA), die besonders resistent gegenüber Störungen ist und sich für große Netze mit vielen Endgeräten eignet.

NB-IoT operiert innerhalb der lizenzierten LTE-Frequenzbänder – in Europa typischerweise bei 800 MHz (Band 20) und 900 MHz (Band 8). Dank der Nutzung bestehender Mobilfunkinfrastruktur gewährleistet NB-IoT eine großflächige Abdeckung und robuste Datenübertragung.

Use Case: Batteriebetriebene Wasserzähler

Bild 1 illustriert die funkbasierte Vernetzung intelligenter Zähler. Ein praktisches Beispiel ist die Verbindung eines Wasserzählers mit einem NB-IoT-Modul. Das ST87M01 von STMicroelectronics ist ein speziell für das Smart Metering entwickeltes Funkmodul, welches Daten von der Messeinheit über das Mobilfunknetz an Cloud-Dienste überträgt. Der Sensor erfasst die Durchflussmenge, sendet die Daten per wM-Bus an ein Gateway mit integriertem NB-IoT-Modem und leitet sie anschließend über einen Mobilfunkanbieter ins Internet weiter. Die Daten stehen dann für Monitoring, Abrechnung oder Verbrauchsanalyse zur Verfügung.

Das ST87M01, das sowohl den Messgeräte- als auch den Automatisierungsmarkt adressiert, erfüllt die Anforderungen der Spezifikation 3GPP TS 36.521-1 (NB2, Release 15). Es ist für den Austausch kleiner Datenmengen über lange Zeiträume optimiert und vereint geringe Stromaufnahme mit einer robusten Funkverbindung sowie langer Produktlebensdauer.

Das Beispiel in Bild 2 zeigt einen Wasserzähler mit einem Evaluierungsboard, das den STM32WL33-Chip enthält. Er misst den Durchfluß in der Wasserzählerröhre und sendet die Information über den wM-Bus per Funk zum Datensammler, der das NB-IoT-Modul ST87M01 enthält. Dort werden die Daten vorverarbeitet und dann über NB-IoT und Mobilfunk dem Internet zugeführt.

Das NB-IoT im Detail: Frequenzbänder und Datenraten

Narrowband-IoT nutzt ein 180-kHz-Spektralband innerhalb des LTE-Bands (Bild 3). Während bei LTE die kurzzeitige Übertragung großer Datenmengen im Mittelpunkt steht, fokussiert NB-IoT auf Zuverlässigkeit, möglichst kurze Latenzen und Energieeinsparung.

Der Uplink erfolgt über SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access), der Downlink über OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Die Bänder 8 und 20 in Europa verwenden 880 bis 915 MHz beziehungsweise 832 bis 862 MHz im Uplink sowie 925 bis 960 MHz beziehungsweise 791 bis 821 MHz im Downlink. Ein reserviertes Band von 180 kHz für NB-IoT im LTE-Spektrum führt zu einer Datenrate von bis zu 127 kbit/s im Downlink und bis zu 159 kbit/s im Uplink. Modulationstechniken wie BPSK (Binary Phase Shift Keying) und QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) unterstützen die robuste Übertragung kleiner Datenpakete.

NB-IoT-Geräte arbeiten bidirektional – sie empfangen und senden zeitversetzt über dieselbe Antenne. Für die Authentifizierung im Netz ist eine SIM-Karte nötig. Wiederholungen von Nachrichtenpaketen sichern die Übertragung auch bei schlechten Empfangsbedingungen ab.

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Dank Power-Saving Mode (PSM) und Extended Discontinuous Reception (eDRX) können batteriebetriebene NB-IoT-Zähler über viele Jahre wartungsfrei betrieben werden. Während PSM den Tiefschlafmodus aktiviert, reduziert eDRX – das Gerät achtet ohne volle Netzwerkverbindung auf zusätzliche Daten aus dem NB-IoT-/LTE-Mobilfunknetz – die Empfangsaktivität, ohne die Erreichbarkeit wesentlich zu beeinträchtigen (Bild 4).

Hardwareplattformen für Smart Meter

STMicroelectronics bietet mit dem ST87M01 ein Modul an, das sowohl NB-IoT als auch wM-Bus unterstützt (Bild 5). Es arbeitet mit einer Ausgangsleistung von 23 dBm (200 mW) und ist in einem 51-Pin-LGA-Gehäuse von 10,6 mm x 12,8 mm verfügbar. Eine externe Antenne kann kundenspezifisch angepasst werden.

Der integrierte DSP-Chipsatz mit Software-Defined Radio ermöglicht flexible Funkkonfigurationen von 700 MHz bis 2,4 GHz sowie Modulationstechniken mit dem Fokus auf NB-IoT und wM-Bus – derzeit werden die wM-Bus Modes T1 und C1 unterstützt. Die Funkmischer und -filter arbeiten firmwaregesteuert. Ein Secure Core überwacht die Betriebsprozesse, während die Steuerung über serielle AT-Kommandos erfolgt: Das Modul wird als Modem verwendet, welches über die serielle UART-Schnittstelle von einem externen Host-Mikroprozessor/-Mikrocontroller gesteuert wird.

Neben der reinen Kommunikation erlaubt das Modul auch satellitenbasierte Ortung (GNSS) für Anwendungen in der Logistik. Zukünftige Firmware-Updates sollen Wi-Fi Sniffing auf 2,4 GHz und zusätzliche Sub-1-GHz-Frequenzen für das Metering unterstützen.

Im Einsatz von Medizin bis industriellem IoT

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Wearable-Sensoren: Mehr als nur Schrittzähler

Wearable-Sensoren prägen Gesundheit und IoT: Bewegungssensoren überwachen Sportler, optische Sensoren messen Vitalwerte, chemische Sensoren erleichtern Diabetesmanagement. Bis 2035 könnte der Markt 7,2 Mrd. US-Dollar erreichen – mit neuen Technologien im Fokus.Mehr Hintergründe gibt es hier.

Weitere Bausteine für Zähleranwendungen

Neben Funkmodulen stellt STMicroelectronics eine Vielzahl ergänzender Komponenten zur Verfügung: Neben den oben vorgestellten ST87M01-Modulen etwa die Produktlinie STMWL3xx mit Unterstützung für wM-Bus, Mioty, 6LoWPAN und proprietäre Protokolle. Das SoC integriert einen LC-Sensoreingang und kann kompakte 96-Segment-Displays ansteuern. Dank seiner Features kann er auch in preissensitiven Heizkostenverteilern eingesetzt werden, die dank stromsparender Sensor- und Funktechnik nur mit einer Batterie über viele Jahre im Betrieb sind.

Die STM32WL5x-Produktlinie unterstützt neben LoRaWAN auch (G)FSK, (G)MSK und BPSK. Damit lassen sich Reichweiten von mehr als 10 km realisieren. Ergänzt wird das Portfolio durch MEMS-Sensoren für Messungen von Druck, Ultraschall, Vibrationen und Stößen sowie zur Manipulationserkennung; des Weiteren Bausteine für Leistungsmessung, Power Line Communication (PLC) und Power-Management-ICs für effiziente Batterieschaltungen, Spannungswandler sowie Reglerbausteine im Metering-Segment.

Fazit: Funkmodule als Schlüssel zur Energieeffizienz

Der Markt für intelligente Messsysteme wächst kontinuierlich, nicht zuletzt aufgrund der EU-Richtlinien zur Steigerung der Energieeffizienz in Gebäuden und Infrastrukturen. Energieeinsparung, Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit rücken immer stärker in den Fokus. Funkmodule wie das ST87M01 leisten hier einen Beitrag, da sie geringe Stromaufnahme, robuste Übertragung und flexible Hardwareintegration vereinen. Mit Sub-Gigahertz-Technologien wie NB-IoT, wM-Bus oder LoRaWAN schaffen sie die Grundlage für skalierbare Smart-Meter-Netze. Ergänzt um Sensorik-, Power-Management- und Kommunikationslösungen sowie umfassenden Engineering Support, unterstützen sie die effiziente Umsetzung von Smart-Metering-Lösungen – von der Messeinheit bis zur Cloud. (laa)