Smart Metering

Drahtlos zählen

17. November 2011, 11:37 Uhr | Von Matthias Schneider
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Drahtlos zählen

Bild 4: Protokollstack von ZigBee SEP 2.0
© ZigBee Alliance

Aktuell arbeitet die ZigBee-Alliance an der Spezifikation für ein komplett neues Protokoll mit dem Namen ZigBee IP, das inkompatibel zu den bisherigen Varianten ist.

ZigBee IP verwendet als Basis die als »6LoWPAN« bekannte IETF-Spezifikation RFC 4944. Diese Adaptionsschicht komprimiert (siehe Bild 4) die für ein WPAN zu großen IPv6- und UDP- beziehungsweise TCP-Header auf ein Format, das eine effiziente Nutzung der maximal 127 Byte Nutzdaten in einem Datenpaket nach IEEE 802.15.4 ermöglicht.

Der ZigBee-Standard definiert aktuell für das nahezu weltweit verfügbare 2,4-GHz-Band 16 Kanäle, für das in den USA und einigen Regionen der Welt verfügbare 915-MHz-Band zehn Kanäle und für das in Europa und verschiedenen anderen Regionen der Welt verfügbare 868-MHz-Band einen Kanal. Da im 868-MHz-Band nur ein Kanal zur Verfügung steht, der auch noch einem Duty-Cycle von 1% unterliegt, lassen sich in diesem Frequenzbereich keine komplexen Netze betreiben.

Aufgrund dieser Einschränkungen im Sub-1-GHz-Bereich gibt es dafür aktuell kaum HF-Chips, und fast alle Applikationen verwenden das 2,4-GHz-Band. Die Datenrate ist durch IEEE 802.15.4 im 2,4-GHz-Band auf 250 KBit/s festgelegt.

Smart-Energy-Profile

Aufbauend auf den aktuellen ZigBee-Protokollen ist speziell für den Bereich des Smart-Meterings das SEP (Smart Energy Profile) spezifiziert worden. Das Anwendungsprofil standardisiert die Schnittstellen und das Format zur Übertragung der relevanten Informationen und zur Kommunikation mit den Endpunkten des ZigBee-Netzwerks (beispielsweise könnte ein Inhouse-Display definierte Nachrichten- und Kommando-IDs besitzen, über die ein Wärmefühler seine Daten an das Display propagieren kann).

In den USA ist SEP 1.0 der De-facto-Standard im Bereich des Smart-Meterings. Dieser wird seit Mitte dieses Jahres durch die Spezifikation SEP 1.1 schon um einige Verbesserungen der Anwendungsschicht erweitert. SEP 1.1 stellt strenge Anforderungen an das zugrunde liegende ZigBee-Protokoll. So müssen zum Beispiel Link-Keys vom Trust-Center und von allen Teilnehmern des Smart-Energy-Netzwerks unterstützt werden, um den geforderten Grad an Sicherheit auf Anwendungsebene zu gewährleisten.

Des Weiteren kann ein Smart-Energy-Netzwerk zum Beispiel nur mit einem ZigBee-Home-Area-Netzwerk (HAN) interagieren, wenn das HAN auch die strengeren Anforderungen an die Übertragungssicherheit des SEP-Netzwerks erfüllt. Mit SEP 2.0 wurde mit dem Entwurf 0.7 im Juli eine neue Version veröffentlicht, die unabhängig von der zugrunde liegenden Netzwerkimplementierung ist, solange diese IPv6 und TCP/UDP unterstützt. Allerdings beschreibt die aktuelle Definition der technischen Voraussetzungen für SEP 2.0 explizit zunächst nur IEEE 802.15.4 und HomePlug als physikalische Schnittstelle.

Bild 5: ZigBee-Modul »iM222A«
© IMST

Mit dem WiMOD-Modul »iM222A« bietet IMST ein Funkmodul an, das in Kombination mit dem aktuellen »Z-Stack« von Texas Instruments den ZigBeePRO-Standard einhält. Das 20 mm x 25 mm große Modul (Bild 5) verfügt über eine Sendeleistung von bis zu +4,5 dBm und weist dabei einen Stromverbrauch von 33,5 mA auf.

Die Empfangsempfindlichkeit liegt bei -97 dBm bei einer Stromaufnahme von 24,3 mA. Generell erzielt der Wireless-M-Bus im Vergleich zu ZigBee größere Reichweiten aufgrund der geringeren Frequenz und der typischerweise höheren Empfindlichkeit. Mit der neuen Version des Standards wird die Reichweite durch Nutzung des 169-MHz-Bandes nochmals erhöht, was aktuell bei den Geräteherstellern auf großes Interesse stößt.

Mit dem Open-Metering-Standard ist auch das Datenformat so standardisiert, dass Geräte verschiedener Hersteller miteinander kommunizieren können. ZigBee ist durch die Nutzung des 2,4-GHz-Bandes nahezu weltweit einsetzbar. Aktuell sind weit mehr als hundert verschiedene Produkte nach SEP 1.X auf dem Markt. Ein großer Vorteil von ZigBee gegenüber Wireless-M-Bus ist die Netzwerkfähigkeit und die sich daraus ergebende Vernetzungsmöglichkeit mit anderen Geräten im Haushalt.

Dadurch gleicht ZigBee die geringeren Reichweiten innerhalb von Gebäuden aus, erfordert aber eine höhere Gerätedichte und einen gewissen Overhead zum Unterhalt solcher Netzstrukturen. Durch die Verwendung einer höheren Datenrate sind die Sendeintervalle in der Regel aber auch kürzer. Mit dem neuen SEP 2.0 ist auch eine direkte IPv6-Unterstützung der Geräte möglich, also direkte Internet-Anbindung.

Zur Auswahl der richtigen Technologie ist es sinnvoll, einen Partner hinzuzuziehen, der technologieunabhängig beraten beziehungsweise für beide Technologien Lösungen anbieten kann. Einen großen Vorteil bietet eine Plattform - etwa das »WiMOD-Starterkit« von IMST - mit dem der Anwender die verschiedenen Technologien schnell und einfach vergleichen kann.

Über den Autor:

Matthias Schneider ist im Sales&Marketing ICS bei IMST tätigl


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