Datenkommunikation Wireless-M-Bus – der neue Smart-Metering-Standard?

Wegen der Klima- und Energieeffizienz-Problematik wurden Gesetzesänderungen in Deutschland und Europa initiiert. Smart-Metering-Verbrauchszähler sollen demnach künftig ihre Daten weitermelden. Per Funk könnte dies z.B. über den Wireless-M-Bus erfolgen.

Zielsetzung der neuen Gesetze sind eine monatliche Abrechnung bei Strom und Gas – wie bei der Telefonrechnung – und eine damit einhergehende Sensibilisierung des Verbrauchers zur Reduzierung des Energiebedarfs. Ab 2010 müssen Neubauten mit Smart- Meter-Zählern ausgestattet sein, ab 2018 dann alle Gebäude.

Welcher Funkstandard?

Lange Zeit galt ZigBee als der dafür geeignete Standard. Da sich seine Einführung verzögerte und Feldtests in Bezug auf die Reichweite enttäuschend ausfielen, wurde seitens der Versorger über Alternativen nachgedacht. Unter Leitung der Rheinenergie aus Köln wurde über einen neuen Funk-Standard für die drahtlose Zählerauslesung diskutiert. Diese Gespräche führten zur Gründung der Open-Metering- Gruppe unter dem Dach der Figawa (Bundesvereinigung der Firmen im Gas- und Wasserfach e.V.), KNX und des ZVEI. Die OMS-Gruppe (Open Metering System) teilte sich in zwei Arbeitsgruppen auf, die AG1 und die AG2. Die AG1 sollte die Spezifikation der Mindestanforderungen an die Primärkommunikation Sensor/Aktor zur MUC (Multi Utility Communication) sowie die damit zusammenhängenden Details der Endgeräte definieren. Zielsetzung war die Umsetzung auf Basis bestehender Normen.

In der AG2 „Spezifikation“ wurden die Mindestanforderungen an die Tertiär- Kommunikation MUC zu AMM (Automated Meter Management), Back Office und die Details der Funktionseinheit MUC definiert sowie die funktionale Ausstattung der MUC. Die MUC hat in einem OMS die Bedeutung des Datensammlers sowie die Kommunikation zwischen Zählern und „Außenwelt“ zu handhaben.

Somit wurde in der AG1 die drahtlose Kommunikationsschnittstelle definiert und mit dem Namen „wireless-M-Bus“ (wM-Bus) versehen. Mitglieder der AG1 waren u.a. Prof. Dr. Horst Ziegler (Paderborn), Amber wireless, Elster Hydrometer, Qundis, Rheinenergie, Scatterweb, Techem etc. Aufgrund der vorliegenden Erfahrungen sowie durchgeführter Feldtests entschied man sich für das 868-MHz-Band. Die Protokollstruktur wurde angelehnt an die des drahtgebundenen M-Bus. Die technischen Eckdaten für die Funktechnik definierte man in der AG1 wie in Tabelle 1 gezeigt.

Aufbau des Protokolls

Angelehnt an die bestehenden Funk- Standards Bluetooth und ZigBee kann die wM-Norm EN13757-4 (s. Tabelle 2 und [1]) verglichen werden mit dem HCI bei Bluetooth oder dem IEEE 802.15.4 bei ZigBee (Bild 1). Darüber kommen dann Spezifika wie z.B. die Netzwerkstruktur bei ZigBee und zum Schluss das Profil.

Wie die Erfahrungen bei Bluetooth gezeigt haben, wurde der Standard in dem Moment akzeptiert, in dem die unterschiedlichen Geräte sich „verstanden“, was durch die Profile SPP, FTP, DUN etc. erreicht wurde. Im wM-Bus-Standard unterscheidet man die Modi R, S, T, die in weitere Betriebsarten unterteilt sind (siehe Tabelle 2).

Diese Betriebsarten wurden für die unterschiedlichen Zähleranwendungen konzipiert. Die Unterscheidungen liegen in der Übertragungsrichtung (uni- oder bidirektional), Codierung, Chiprate, Übertragungsfrequenz, Frequenzhub und Präambelaufbau. Für den wM-Bus- Standard wurde nun (Juli 2009) das Profil „OMS“ verabschiedet. Die OMS-Daten werden AES-verschlüsselt.

EN13757-1DLMS based application layer
EN13757-2Physical and Link Layer wired
EN13757-3Application Layer
EN13757-4Physical and Link Layer (Modes R,S,T)
EN13757-5Repeating for Mode R
Tabelle 2: Die einzelnen EN13757-Derivate

Unabhängig von der deutschen Normierungsarbeit wurde in den Niederlanden der NTA-Standard erarbeitet, der große Ähnlichkeiten zum wM-Bus aufweist. Während der Arbeiten am OMS-Standard bildete man eine Task- Force aus NTA und OMS, um eine Kompatibilität zwischen beiden Standards herzustellen. Auf Basis des MAC-Layers kommunizieren diese Systeme heute miteinander. 

Technische Lösungen: Zähler, MUC und OMS-Repeater

Für die Zählerintegration steht nach der o.g. Spezifikation eine uni- oder eine bidirektionale Funkverbindung zur Verfügung. Je nachdem, in welchem Modus (R, S, T) die Zähler betrieben werden sollen, besteht die Möglichkeit eines Rückkanals. So werden Stromzähler meist den T-Mode verwenden, Gas- und Wasserzähler den S-Mode. Die Auswahl der Modi hängt mit der Funktionsvielfalt des Zählers zusammen. Sollen auch Werte in den Zähler geschrieben oder Funktionen abgefragt werden, ist eine bidirektionale Kommunikation notwendig. Auf der Zählerseite kann damit ein Sender-, aber auch ein Transceiver-Modul verwendet werden. Die MUC muss alle Zählertypen und Modi empfangen und Informationen versenden können. Somit wird ein Transceiver notwendig. Die Kombination der verschiedenen Zähler und Modi verlangt ein permanentes Umschalten der Empfangsmodi R, S, T. Die Erfahrung wird zeigen, ob die MUC mit nur einem Transceiver- Modul auskommen wird oder zwei verwenden muss, um sicherzustellen, dass keine Telegramme durch den Umschaltvorgang verlorengehen.

Die OMS-Spezifikation definiert auch die Verwendung eines Repeaters; sie geht davon aus, dass es Installationen geben wird, in denen die Distanz zwischen Zähler und MUC zu groß ist. Diese Lücke soll eben durch einen OMS-Transceiver gefüllt werden, der die Daten empfängt und weiterleitet.

Produkte in der Praxis

Mit Amber wireless hat der zu Arrow Central Europe gehörende Distributions-Geschäftsbereich Sasco einen Anbieter von wM-Bus-Modul- Lösungen im Portfolio und bietet dem Markt unterschiedliche Funk-Module für wM-Bus-Applikationen an.

Das Modul AMB8425-M nutzt beispielsweise die Chips CC2500 und den MSP430F2x von Texas Instruments. Darauf ist der komplette wM-Bus- Stack integriert. Für den versierten MSP-Anwender ist auch der wM-Bus- Stack als Objekt-Code verfügbar, so dass eigene Anwendungen realisierbar sind. Im Zählerbereich bietet das viele Vorteile, da dort der MSP weit verbreitet ist. In diesem Fall besteht auch die Möglichkeit, nur den Transceiver AMB8400 zu verwenden und den Stack auf dem externen MSP-Prozessor laufen zu lassen. So lässt sich eine platzsparende und kostengünstige Lösung aufbauen. Ganz neu ist der wM-Bus- USB-Stick (Bild 2). Damit erfolgt ein einfacher Zugang auf den PC. Der Stick eignet sich für Entwicklungszwecke oder auch für Serviceanwendungen.

 

 

Literatur

  [1] Banz, Th.: „Wireless-M-Bus“, Amber wireless GmbH.