Sub-GHz-Transceiver für smart meter Messwerte störungsfrei übertragen

Sichere Datenübertragung über weite Strecken mit wenig Energie per Funk.
Sichere Datenübertragung per Funk über weite Strecken mit wenig Energie.

Elektronische Zähler zur Abrechnung von elektrischer Energie, Gas oder Wasser erfordern eine sichere und robuste Datenübertragung. Um Daten mit wenig Energie per Funk zu übertragen, eignet sich der Frequenzbereich unterhalb 1 GHz, für den Lapis Semiconductor neue Transceiver entwickelt hat.

Der weltweite Trend zum Einsatz von elektronischen Verbrauchszählern (Smart Meter) für Elektrizität, Gas und Wasser begann mit der Initiative einer früheren US-Regierung. Die Länder in Europa haben es sich daraufhin zum Ziel gesetzt, bis 2020 72 % der alten mechanischen Zähler durch neue elektronische Zähler zu ersetzen. Beim Aufbau der hierfür nötigen Infrastruktur werden die Versorgungsunternehmen allerdings mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert. Viele Probleme beim Betrieb heutiger elektronischer Verbrauchszähler sind auf eine unzureichende Robustheit der Datenübertragung zurückzuführen, wobei insbesondere Datenverluste durch Interferenzen mit 2,4-GHz-Funknetzen auftreten, wie z.B. WLAN.

Viele elektronische Zähler der ersten Generationen nutzen für die Funkkommunikation das oft überlastete 2,4-GHz-Band, das nur eine eingeschränkte Reichweite ermöglicht. Dagegen arbeiten die neuesten elektronischen Zähler im Frequenzband von 190 bis 900 MHz, das auch als Sub-GHz-Bereich bezeichnet wird. Dort lassen sich weit höhere Reichweiten realisieren und zugleich die Nachteile des 2,4-GHz-Bandes umgehen.

Besser im Sub-GHz-Bereich

In den ISM-Bändern im Sub-GHz-Bereich sind im Gegensatz zum 2,4-GHz-Band deutlich weniger Funksysteme aktiv, die Ursache von Interferenzen sein könnten. Bei diesen Frequenzen sind größere Reichweiten erzielbar, wodurch auch eine Funkkommunikation zur Rückseite von Gebäuden möglich wird. Daher geht der Trend bei Neuinstallationen in den Ländern, in denen bisher elektronische Zähler mit 2,4-GHz-Band-Funktechnik installiert wurden, zum Sub-GHz-Funk.

Verschiedene Aspekte wie nationale Vorschriften, Betreiber der Infrastruktur und regionale Besonderheiten sind die treibende Kraft bei der Verbreitung elektronischer Zähler (Bild 1). Es ist zu erwarten, dass vor allem in Regionen mit rasant wachsenden Bevölkerungszahlen, wie beispielsweise Indien, das Prinzip von Angebot und Nachfrage die größte treibende Kraft sein wird. Andererseits treffen auch hochentwickelte Länder Maßnahmen zur Strukturierung eines Kommunikationsnetzes mit elektronischen Zählern auf kommunaler Ebene mit dem Ziel, den CO2-Ausstoß weiter reduzieren zu können.

Anforderungen an die Funkkommunikation

Die in elektronischen Zählern eingesetzte Funkkommunikation muss sehr robust, stromsparend und zuverlässig sein. Da die erfassten Messwerte die Grundlage für Gebühren und Nutzungsentgelte sind, ist eine sichere Datenübertragung unverzichtbar, um fehlende oder fehlerhaft übertragene Daten zu vermeiden. Übertragungsprobleme lassen sich jedoch nicht nur durch die Robustheit der Funkkommunikation, sondern häufig auch durch die verwendeten Geräte vermeiden.

Der Aspekt des geringen Energiebedarfs ist vor allem bei Gas- und Wasserzählern sehr wichtig, da sie in der Regel nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind und trotz ihrer geringen Baugröße mit eingebauten Batterien über zehn Jahre funktionsfähig sein müssen. Aber auch elektronische Elektrizitätszähler müssen bei Stromausfällen reagieren können, wenn im Stromnetz Probleme auftauchen.

Da die übertragenen Messdaten letztendlich die Basis für die Gebührenforderungen an die Verbraucher sind, muss die Funkkommunikation so sicher sein, dass ein Abhören und Verfälschen dieser Daten nicht möglich ist. Dies wird durch die Verschlüsselung der Messdaten erreicht und stellt eine zwingende Funktion der Kommunikation dar.

Sub-GHz-Funk-ICs für Smart Meters

Speziell für den Einsatz in elektronischen Zählern hat Lapis Semiconductor eine Serie von Funk-ICs für den Sub-GHz-Bereich und Mikrocontroller entwickelt. Damit lassen sich elektronische Zähler realisieren, die sich für eine weltweite Vermarktung an die jeweiligen nationalen Bestimmungen anpassen lassen. Die Funk-Transceiver-ICs der Reihe ML7345 für den Sub-GHz-Bereich sind für die Verarbeitung von Datenraten zwischen 1,2 kbit/s und 100 kbit/s ausgelegt und beherrschen die Modulationsarten FSK (Frequency Shift Keying), GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), 4FSK sowie 4GFSK. Sie eignen sich nicht nur für verschiedene Frequenzbänder und Kommunikationsstandards in den jeweiligen Ländern und Regionen (Tabelle), sondern sie können in allen Funkknoten in einem Smart-Meter-Netzwerk eingesetzt werden.

Für Elektrizitätszähler kommen relativ komplexe, vermaschte Kommunikationsnetzwerke zum Einsatz. Im Gegensatz dazu geht bei elektronischen Gas- und Wasserzählern der Trend zu einem relativ einfachen sternförmigen Netzwerk, bei dem z.B. alle elektronische Zähler eines Hauses über ein Gateway verbunden sind und nur dieses Gateway eine Verbindung zur Außenwelt hält. Lapis hat für die unterschiedlichen Netzwerke optimierte ICs entwickelt – mit einheitlichem Gehäuse und gleicher Pin-Anordnung. Dadurch ist es möglich, eine einheitliche Baugruppe zu entwickeln, die beim Bestücken durch Wechsel auf einen anderen Transceiver-IC leicht den Anforderungen des jeweiligen Zielmarktes angepasst werden kann. Die einfache und schnelle Anpassung wird auch durch standardisierte Treiber-Software unterstützt, von den verschiedenen Funkkommunikations-Stacks bis hin zu den Steuerregistern. Zur Software-Unterstützung arbeitet Lapis auch mit europäischen Partnern für Wireless-M-Bus zusammen, einem führenden europäischen Kommunikationsstandard für elektronische Zähler.