Smart Metering Drahtlos zählen

Mehr alternative Energien und effizienterer Umgang mit Energieressourcen - das sind die Vorgaben von Öffentlichkeit und Politik an Energieversorgungsunternehmen und Verbraucher. Die notwendige Steigerung des Anteils der alternativen Energien im Energiemix erfordert mehr »Intelligenz« in den Energienetzen. Die notwendigen Voraussetzungen werden in dem Themenkomplex »intelligentes Stromnetz« oder »Smart Grid« entwickelt.

Neben den Einsparungen durch die gesetzlich vorgeschriebene Verbesserung der Energieeffizienz von Geräten und Gebäuden liegt das größte Einsparpotenzial bei den Anwendern selbst. So fordern beispielsweise das »Gesetz zur Öffnung des Messwesens bei Strom und Gas für Wettbewerb« und das »Energiewirtschaftsgesetz« aus dem Jahre 2008 bei neueren Gebäuden sowohl die Einführung »intelligenter« Zähler (Smart Meter) als auch die Bereitstellung von last- beziehungsweise tagesabhängigen Tarifen, soweit dies technisch machbar und wirtschaftlich zumutbar ist.

Darüber hinaus wird dem Verbraucher das Recht auf eine monatliche Abrechnung eingeräumt. Aus diesen Forderungen resultieren die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Verbrauchserfassung und der damit einhergehenden Datenübertragung. Neben bereits etablierten drahtgebundenen Bussystemen wie KNX, M-Bus, etc. finden immer mehr Funktechnologien ihre Verbreitung.

Wireless M-Bus

Die europäische Norm EN 13757 standardisiert europaweit die Fernauslesung von Gas-, Strom- und Wasserzählern. Im aktuell gültigen Teil 4 der Norm wird die drahtlose Variante des M-Bus‘ im lizenzfreien 868-MHz-Band spezifiziert. In der neuen Draft-Version des Teils 4, die im September 2011 veröffentlicht wurde und voraussichtlich im Jahr 2012 in eine gültige Norm überführt wird, finden sich auch Varianten im lizenzfreien 433-MHz-Band und im neuen Metering-Band bei 169 MHz.

Aufgrund der größeren Wellenlänge lassen sich in diesen Bändern im Vergleich zu 868-MHz-basierten Lösungen bei gleichem Linkbudget größere Reichweiten insbesondere innerhalb von Gebäuden erzielen. Darüber hinaus sind innerhalb des 169-MHz-Bandes Sendeleistungen bis 500 mW erlaubt. Mit den Betriebsarten S1, S2, T1, T2 und R2 beschreibt der aktuell gültige Standard fünf Betriebsmodi.

Bei den Betriebsarten S1 und T1 handelt es sich um unidirektionale, bei den Modi S2, T2 und R2 um bidirektionale. Die S-Modi sind für den stationären Betrieb optimiert, bei dem die Zähler mehrmals am Tag mit einer Datenrate von 32,768 KBit/s ihre Daten senden. Die T-Betriebsarten sind für eine Kommunikation mit mobilen Datensammlern ausgelegt, bei der die Zähler mit einer Datenrate von 90 KBit/s bis 110 KBit/s ein sehr kurzes Telegramm in Intervallen von einigen Sekunden übertragen.

Im R2-Modus weckt ein Funkpaket die Zähler auf, sie kommunizieren anschließend mit einer Datenrate von 4,8 KBit/s. Durch die Kommunikation auf mehreren Kanälen können im R2-Modus auch mehrere Zähler parallel abgefragt werden. Die Auswahl der Betriebsart hängt im Wesentlichen ab vom Anwendungsfall, vom Gerätetyp (Zähler oder andere Geräte), von der benötigten Datenrate, vom Energieverbrauch und den HF-Parametern.

Für die einzelnen Betriebsarten schreibt der Wireless-M-Bus-Standard sehr enge Toleranzen für die HF-Parameter vor. Durch die engen Vorgaben bezüglich der Frequenztoleranzen (S- und T-Modus: ±50 kHz; R2-Modus: ±17 kHz) ergeben sich hohe Anforderungen für die initiale Genauigkeit und die Temperaturabhängigkeit der Mittenfrequenz der einzelnen Systemkomponenten.

Der Standard definiert drei Leistungsklassen, die sich durch die jeweilige minimale Sendeleistung und minimale Empfindlichkeit des Empfängers unterscheiden. In der höchsten Leistungsklasse beträgt die minimale Sendeleistung für Zähler +5 dBm ERP (Effective Radiated Power = abgestrahlte Leistung an der Antenne) und für alle anderen Geräte min. +8 dBm ERP.

Die maximale Sendeleistung ist durch regulatorische Zulassungsvorschriften im 868-MHz-Band auf +14 dBm (25 mW) begrenzt. Eine wesentliche Anforderung an Smart-Metering-Systeme ist eine gute Reichweite innerhalb von Gebäuden und selbstverständlich eine lange Lebensdauer der Batterie.

Die hohe Reichweite wird durch großes Linkbudget und die hohe Batterielebensdauer durch geringen Stromverbrauch erzielt. Neben der Sendeleistung, die durch regulatorische Zulassungsvorschriften begrenzt ist, ist die Empfindlichkeit des Empfängers von entscheidender Bedeutung für das Link-Budget und somit auch für die Reichweite eines Funksystems.

Um ein möglichst großes Link-Budget zu erhalten, ist es in der Regel effizienter, die Empfindlichkeit bezüglich des Stromverbrauches zu optimieren, als die Sendeleistung zu vergrößern. Dies gilt besonders bei batteriebetriebenen Geräten.

Exemplarische Messungen der Empfindlichkeiten in der höchsten Leistungsklasse mit typischen M-Bus-Paketen am Wireless-M-Bus-Modul »iM871A« von IMST sind in Bild 1 dargestellt. Mit den gemessenen Empfindlichkeitswerten und einer Sendeleistung von bis zu +14 dBm ERP können im Freifeld Reichweiten bis zu etwa 3000 m erzielt werden.

Da ein Verbrauchszähler in der Regel nur selten kommuniziert, existiert neben dem Stromverbrauch für den Sende- und den Empfangsfall ein weiterer wichtiger Parameter, der die Betriebszeit eines batteriebetriebenen Gerätes wesentlich bestimmt: die Stromaufnahme im so genannten Sleep-Modus.

Mit dem Wireless-M-Bus-Modul iM871A (Bild 2) bietet IMST ein Funkmodul samt Software-Stack an, das die Anforderungen der höchsten Leistungsklasse des Standards erfüllt. In Verbindung mit der Software »Wireless M-Bus Studio« ist eine einfache Konfiguration und Statusauswertung des Moduls möglich. Die Sendeleistung kann von -7 dBm bis +14 dBm eingestellt werden.

Die Empfindlichkeit liegt je nach Modus zwischen -109 dBm und -101 dBm und bietet somit über den gesamten geforderten Frequenzoffset-Bereich einen ausreichenden Abstand zu den Grenzwerten von 4 dB im S-Modus, 3 dB im R2-Modus und 1 dB im T-Modus. Der Stromverbrauch des Moduls liegt im Sendebetrieb mit +10 dBm typisch bei 25,5 mA und im Empfangs-betrieb typisch bei 21,6 mA.

Im Sleep-Modus beträgt der typische Stromverbrauch 200 nA. Dieser kann bei Bedarf noch bis auf 50 nA reduziert werden.

ZigBee

ZigBee basiert auf dem Standard IEEE 802.15.4, der die PHY- und die MAC-Schicht des OSI-Schichtenmodells für WPAN (Wireless Personal Area Networks) spezifiziert.

Die ZigBee-Alliance hat im Wesentlichen die Netzwerkschicht, die Transportschicht und das Application-Framework spezifiziert (Bild 3).

Mit ZigBee lassen sich die Netztopologien Stern, Baum und Masche realisieren.

Unabhängig von der Applikation sind drei Rollen im Netz definiert:

  • Koordinator - das »Gehirn« des Netzes, existiert in jedem Netz nur einmal.
  • Router - Knoten mit Routingfunktion.
  • Endpunkte - Knoten, die keine Routingfunktion besitzen und mit Batterien oder Energy-Harvestern betrieben werden.

Die Maschentopologie, eine dynamische Adressvergabe sowie ein robuster Routing-Algorithmus ermöglichen die Verwaltung von großen, selbstheilenden Netzwerken. Ausfälle von Routern oder Störungen in Teilen des Netzwerkes können erkannt und durch eine Anpassung des Routingpfades kompensiert werden. Dies erfordert dynamische Routingtabellen in allen Routern und eine dauerhafte Verfügbarkeit der Router, weshalb sie typischerweise nicht batteriebetrieben sein können.

In der Planungsphase muss die maximale Netzgröße und die Netztopologie bereits festgelegt werden, da es sonst später beim Netzausbau zu erheblichen Einschränkungen kommen kann. Bis heute sind mit ZigBee und ZigBee PRO zwei ZigBee-Protokollvarianten im Einsatz, die beide einen Ad-hoc-Routing-Algorithmus verwenden, jedoch nur begrenzt kompatibel sind.