| von Roland Gehrmann

Mikrocontroller als Plattform für stromsparende Smart Meter

ARM Cortex-M3-Mikrocontroller bieten eine ideale Plattform für stromsparende, hochleistungsfähige Embedded-Systeme wie Smart Meter. Internet-Anbindung ist heute eine wichtige Voraussetzung für jede Anwendung, die sich „smart” (intelligent) nennen will. Umfangreiche Unterstützung bei der Integration des Web-Servers ist daher eine wichtige Voraussetzung für Entwickler, die eine optimale Plattform für neue Smart-Designs bereitstellen wollen.

Das Konzept des intelligenten Stromnetzes (Smart Grid) hat sich als Reaktion auf die weltweite Besorgnis über den Klimawandel und die Nachhaltigkeit fossiler Brennstoffe entwickelt. Auch die stetig steigenden Anforderungen an das Stromnetz tragen dazu bei, da immer mehr elektrische und elektronische Geräte zum Bestandteil unseres täglichen Lebens werden.

Durch eine 2-Wege-Kommunikation zwischen den Stromversorgungsunternehmen und den beim Endverbraucher vorhandenen Einrichtungen, sind die Versorger mithilfe von Smart-Grid-Anwendungen in der Lage, den Verbrauch besser zu verwalten. Damit lässt sich ein übermäßiger Spitzenverbrauch verhindern und ein nachhaltiger Verbrauch über einen längeren Zeitraum fördern. Eine wichtige Funktion ist beispielsweise die Tarifanpassung, damit Geräte beim Endverbraucher weniger dringliche Aufgaben in Zeiten mit geringerem Energiebedarf erledigen können. Intelligente Geräte nutzen somit stets den kostengünstigsten Strom, was Geld einspart und eine effiziente und wirtschaftliche Nutzung der erzeugten Energie garantiert.

Das Smart Grid zur Realität machen

Der Übergang von herkömmlichen Netz-Infrastrukturen und Geräten hin zu einem Smart-Modell ist ein erheblicher Aufwand, der die landesweite Aufrüstung gewöhnlicher Stromzähler auf neue Smart Meter erfordert. Diese sind dann imstande, Daten mit dem Versorgungsunternehmen auszutauschen, Daten wie zum Beispiel Tarifinformationen zu speichern und die Stromversorgung für Geräte vor Ort beim Endanwender zu steuern. Die Geräte selbst müssen auch aufgerüstet werden, um auf Ein-/Aus-Befehle des Smart Meters reagieren zu können. Hier ergeben sich also zahlreiche Möglichkeiten für Embedded-Systeme, die eine intelligentere Nutzung von Energie im Haushalt der Zukunft ermöglichen.

Obwohl die genaue elektronische Messung des Stromverbrauches heute längst etabliert ist, sind die Ansätze zur Umsetzung intelligenter Funktionen weniger ausgereift und entwickeln sich schnell weiter. Die Funktionen und das Design von Smart Metern ändern sich schnell, sobald der Markt die Anforderungen und die beste Möglichkeit, diese umzusetzen, neu festlegt. Zu den wichtigen Funktionen, die sich mittlerweile etabliert haben, zählen eine äußerst stromsparende Plattform sowie verschiedene Möglichkeiten der Datenanbindung, die erforderlich ist, um mit dem Versorgungsunternehmen in Kontakt zu treten. Dies geschieht meist über die Netzleitung (Powerline) oder über eine Funkverbindung. Hinzu kommen die Anbindung von Endgeräten im Haushalt und der Support für eine Internet-basierte Kommunikation, mit der Verbraucher ihr Haus bzw. ihre Wohnung und entsprechende Geräte aus der Ferne, zum Beispiel über ein Smartphone oder über einen PC steuern können.

Als Gateway zwischen dem Energieversorger, angebundenen Geräte und dem Hausbesitzer kann das Smart Meter zur Vision eines komfortablen, fernbedienbaren Hauses beitragen. Der Besitzer kann dann die Heizung, das Licht, Sicherheitseinrichtungen und andere Komfortfunktionen von überall aus über das Internet ansteuern.

Die Grundlage des Smart Meters

Heute gibt es eine Vielzahl von Mikrocontrollern, die den Standard-Prozessor-Core ARM Cortex-M3 mit Ethernet- und USB-Schnittstellen und der Möglichkeit kombinieren, ein externes Funk- oder Powerline-Modem anzuschließen. Solche Bausteine sind ideal für fortschrittliche Stromzähler und lassen sich auch in verschiedenen Sensor- und Steuerungsanwendungen einsetzen.

Die Integration einer Internet-Anbindung kann allerdings etwas komplex sein. Obwohl der Mikrocontroller die notwendigen Hardware-Funktionen bietet, wie zum Beispiel einen 10/100/1000 Ethernet-Controller, muss der Entwickler die Web-Server-Software eigenständig integrieren. Die Wahl der geeigneten Software kann komplex und verwirrend sein und erfordert den Vergleich vieler unterschiedlicher Angebote von Drittanbietern. Die Leistungsfähigkeit und Qualität des Endergebnisses hängt dann von einer zufriedenstellenden Interaktion zwischen dem Web-Server, dem Mikrocontroller und seinem Betriebssystem ab.

Mit der TMPM369-Serie vereint Toshiba Electronics die Vorteile des ARM Cortex-M3 Core mit umfangreicher Peripherie für die Datenanbindung und industrielle Steuerungen, wie zum Beispiel CAN2.0B, 10/100 Ethernet und USB, mehrere A/D- und D/A-Wandler-Kanäle und präzise Timer. Toshibas integrierter Oscillation Frequency Detector (OFD) in Hardware-Ausführung garantiert, dass Haushaltsgeräte den obligatorischen Sicherheitsstandard IEC 60730 (Klasse B) erfüllen. Entwickler können eine Internet-Anbindung für Geräte wie Smart Meter als auch für industrielle Steuerungen und Datennetzwerk-Einrichtungen schnell implementieren, indem sie Toshibas Entwicklungs-Umgebung nutzen, das eine einfache und effiziente Integration eines Web-Servers auf einem Mikrocontroller ermöglicht.

Für dieses System arbeitet Toshiba mit dem Tool-Anbieter Atollic und dem Embedded-Software-Spezialisten Segger zusammen. Seggers embOS/IP Web-Server ist ein CPU-unabhängiger TCP/IP- und HTTP-Stack, der in das Betriebssystem embOS integriert ist. Der Stack ist so optimiert, dass er in einer kostengünstigen Embedded-Umgebung effizient arbeitet. Er nimmt nur wenig Speicherplatz ein, weist eine einfache Treiberstruktur auf und bietet eine API, über die sich Applikationen mit Standard-C-Socket-Bibliothek einfach portieren lassen.

Optimierte Embedded Web-Server

Der embOS/IP Web-Server bietet Transport-, Netzwerk- und Link-Layer-Protokolle, die das HTML-Protokoll auf Anwendungsebene unterstützen (Bild 1). Der Stack lässt sich auch für zusätzliche Anwendungen erweitern, indem andere Applikations-Layer-Protokolle wie FTP und SMTP hinzugefügt werden.

Der Web-Server ermöglicht es einem Embedded-System wie beispielsweise einem Smart Meter, Webseiten mit dynamisch generierten Inhalten darzustellen. Er bietet eine Common Gateway Interface (CGI) Anbindung und unterstützt alle Funktionen, die von einem Embedded-System benötigt werden, u.a. mehrere Verbindungen, Authentifizierung und Formulare. Ein wesentlicher Vorteil für Embedded-Lösungen ist deren geringe RAM-Nutzung, was durch intelligentes Buffer-Handling erreicht wird. Entwickler können damit die Gesamtgröße, die Kosten und den Stromverbrauch der Lösung minimieren. Der Web-Server HTML-Stack kann mit jedem RFC-konformen TCP/IP-Stack verwendet werden.

Bild 2 beschreibt die Strategie des Web-Servers für das Handling von HTTP-Anfragen (Requests). Eine übergeordnete Task wartet auf eine eingehende Verbindung und weist die Anfrage auf eine untergeordnete Task zu. Bei jedem Empfang einer Anfrage extrahiert der Web-Server die Parameter für das Handling der Webseite und leitet Befehle an die Benutzeranwendung weiter. Der Screen-shot in Bild 3 zeigt, wie der Web-Server zur Ausgabe von Systeminformationen verwendet werden kann.

Markteinführung

Das optimierte System umfasst Mikrocontroller; einen effizienten Embedded-Web-Server sowie Entwicklungs-, Code-Analyse- und Testautomatisierungs-Tools in Atollics True Studio, True Analyzer und True Inspector. Damit vereinfacht und beschleunigt sich die Entwicklung vernetzter Smart Devices. Eine weitere Hilfe bei der Entwicklungsarbeit bietet das Starterkit (STK) in Bild 4. Mit dieser Plattform kann die Softwareentwicklung praktisch sofort beginnen. Als fertig einsetzbare Hardware unterstützt das Kit die Entwicklung verschiedener Embedded-Anwendungen und bietet zahlreiche Anwenderschnittstellen, eine Motorsteuerungsschnittstelle sowie Standard-Datenanbindung.

Durch die Vereinigung dieser Ressourcen wird eine Entlastung der Entwickler bei der Auswahl, Integration und Optimierung eines Embedded Web-Servers für die Kommunikation von Smart Metern über das Internet erreicht.

Roland Gehrmann

: Roland Gehrmann ist Manager Consumer and Industrial IC Marketing bei Toshiba Electronics Europe.

(jj)

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