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Wireless M-Bus

Betriebsarten und regionale Applikationsprofile

23. August 2021, 06:00 Uhr   |  Jeanna Norin

Betriebsarten und regionale Applikationsprofile
© cigdem - shutterstock.com

Elektronische Verbrauchszähler, die ihre Daten per Funk übertragen.

Speziell für den Einsatz in elektronischen Verbrauchszähler wurde in Europa der Wireless M-Bus entwickelt. Er kann Daten über große Distanzen und durch Wände und Decken effizient übertragen – und bietet Flexibilität für die Anpassung an regionale Anforderungen.

Bei der Entwicklung von elektronischen Durchflussmessern oder Elektrizitätszählern, die per Funk Daten übertragen, muss das Umfeld des jeweiligen Messgeräts berücksichtigt werden. Denn diese Geräte werden oftmals in Verbindungsgängen, an verschiedenen Punkten in großen Wohnblöcken oder Einkaufszentren oder auch in Kellern installiert. Wenn eine solche Messeinheit per Funk eine Verbindung mit einem Datensammler oder Gateway aufnehmen muss, müssen die Signale nicht selten Hindernisse wie etwa Betonwände oder -decken durchdringen und größere Entfernungen überbrücken – nicht gerade ideale Bedingungen für eine Funkübertragung.

Eine weitere Herausforderung bei der Entwicklung eines Verbrauchsmessers – abhängig von seinem Einsatzort – besteht darin, dass diese Messgeräte mit größter Wahrscheinlichkeit von verschiedenen Energieversorgungs-Unternehmen (EVUs) in unterschiedlichen Städten und Ländern ausgelesen werden sollen, in denen jeweils eigene Regeln und Vorschriften gelten. Für Entwickler, die die richtige Frequenz für eine bestimmte Region in Europa herausfinden wollen, ist es nicht gerade einfach zu ermitteln, welche Standards für die jeweilige Anwendung gelten und wo man eigentlich ansetzen soll. Durch die Schaffung eines Sub-GHz-Standards für europäische Staaten trägt der Wireless M-Bus ein gutes Stück dazu bei, diese Unklarheiten zu beseitigen.

Worum handelt es sich beim Wireless M-Bus?

Der Wireless M-Bus (wM-Bus) ist der einzige europäische Standard für das Auslesen von Verbrauchsmessern per Funk. Diese Norm hat auf dem gesamten Kontinent große Verbreitung erlangt, und dementsprechend groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Verbrauchsmesser oder Heizkostenverteiler, der heute in Europa installiert wird, auf dieser Norm basiert (Bild). Der wM-Bus beruht auf der Europa-Norm (EN) 13757-4, und diese wiederum bezieht sich auf die Kommunikation zwischen Verbrauchsmessern und Datensammlern, so genannten Gateways.

Geografische Verbreitung des Wireless M-Bus.
© Texas Instruments

Bild. Der Wireless M-Bus (wM-Bus) ist ein europäischer Standard für das Auslesen von Verbrauchsmessern per Funk, der auch außerhalb Europas genutzt wird.

Der wM-Bus ist ein kostengünstiges und stromsparendes Funknetzwerk mit sternförmiger Struktur, das die nicht lizenzierten ISM-Bänder (Industry, Scientific, Medical) nutzt. Da der wM-Bus im Sub-GHz-Bereich arbeitet, kann das Funksignal Betonwände durchdringen und große Übertragungsdistanzen erreichen, wobei die Netzwerke bis zu 1.000 Knoten pro Gateway umfassen können. Die Verfügbarkeit von Betriebsarten für das 868-MHz-, das 433-MHz- und das 169-MHz-Band erlaubt Einzugsbereiche von mehreren Kilometern.

Auswahl unter verschiedenen Betriebsarten

Zunächst gilt es herauszufinden, in welchem Frequenzbereich der Verbrauchsmesser arbeiten soll. Hierzu sollte der Entwickler sich mit den verschiedenen Betriebsarten des wM-Bus befassen.

Es stehen insgesamt acht Betriebsarten zur Auswahl, die in den drei zuvor erwähnten Frequenzbändern arbeiten. Große Verbreitung haben allerdings nur vier Modi erlangt. Die Betriebsarten legen fest, wie der Verbrauchsmesser arbeitet.

  • Der S-Modus (Stationary) eignet sich für Verbrauchsmesser, die nur wenige Male täglich Daten übertragen müssen.
  • Der T-Modus (Frequent Transmit) bietet sich dagegen für Fälle an, in denen jeden Tag größere Datenmengen zu übermitteln sind.
  • Noch höhere Datenraten kann der C-Modus (Compact) übertragen.

Alle drei genannten Betriebsarten arbeiten im 868-MHz-Band.

Wenn die Datenraten nicht so hoch sind, das Netzwerk jedoch eine große Fläche abdecken soll, kommt ein Schmalband-Netzwerk im 169-MHz-Band in Frage. Der für seine große Reichweite bekannte N-Modus (Narrowband) kann eine dreimal so große Fläche abdecken wie die Betriebsarten S, T und C.

Die weiteren Betriebsarten R, F, P und Q sind weniger verbreitet.

Welche Applikationsprofile gibt es?

Um den stark variierenden Einsatzanforderungen in den verschiedenen europäischen Ländern gerecht zu werden, existieren für den wM-Bus mehrere Applikationsprofile, die von unterschiedlichen Arbeitsgruppen anhand jeweils eigener Prioritäten ausgearbeitet wurden.

Zu den größeren Arbeitsgruppen zählt mit mehr als 50 Mitgliedern die Open Metering System Group (OMS) [1]. Ursprung der OMS-Gruppe war ein Zusammenschluss deutscher Unternehmen, die sich eine standardisierte Kommunikationsschnittstelle wünschten. Zu diesem Zweck konzentrierten sie sich auf die Anwendungsschicht des wM-Bus-Stacks. OMS basiert auf 868 MHz und wird in mehreren Implementierungen in Deutschland und Umgebung eingesetzt. In jüngerer Zeit hat die OMS-Gruppe auch Spezifikationen für nicht-europäische Regionen wie Russland, Indien, Australien und den Nahen Osten sowie Nord- und Südamerika erstellt.

Ein weiteres, auf die Anwendungsschicht fokussiertes Profil ist DSMR (Dutch Smart Meter Requirements) [2]. Dieses arbeitet ebenfalls im 868-MHz-Band und umfasst mehrere spezielle Anleitungen für unterschiedliche Durchflussmesser und Elektrizitätszähler. Das DSMR-Profil wird vorwiegend in niederländischen Zählern genutzt.

Nicht alle Profile beruhen auf dem 868-MHz-Band. Zum Beispiele nutzen die Profile des italienischen Gasversorgers Comitato Italiano Gas (CIG) und des französichen Gasversorgers Gaz Reseau Distribution France (GrDF) die Betriebsart N im 169-MHz-Band. Das auf Italien konzentrierte CIG-Profil unterstützt eine Ausgangsleistung von +27 dBm und entspricht der technischen Spezifikation (TS) 11291 der Ente Nazionale Italiano di Unificazione (UNI). Das in Frankreich angesiedelte Profil GrDF hat die anspruchsvollsten Anforderungen an den wM-Bus vorgegeben und verlangt bessere Empfindlichkeits- und Störfestigkeitseigenschaften als die Norm EN 13757-4.

Eine interessante Abwandlung des GrDF-Profils findet sich bei der Wize Alliance, die sich des 169-MHz-Bands bedient und abgesehen von Smart Metern auch Smart-City-Anwendungen in Europa und Afrika abdeckt [3].

Anpassungsfähigkeit bietet Investitionssicherheit

In der schnelllebigen Welt der Funkübertragungsstandards können nur wenige Akteure länger existieren als ihre Konkurrenten. Mit seinem über 15-jährigen Bestehen gehört der wM-Bus inzwischen zu den ältesten und konstantesten Vertretern. Wichtig ist dies für Smart Grids, in denen Installationen zehn Jahre und länger auf dem Markt bleiben. Mit der Entscheidung für den wM-Bus erhalten Anwender die Gewissheit, einen Standard gewählt zu haben, der neben klar definierten Profilen auch unterschiedliche Betriebsarten, angepasst an die jeweiligen Erfordernisse, zu bieten hat.

Wo sollte bei der Nutzung des wM-Bus angesetzt werden?

Wenn Sie die verschiedenen Standards studiert und herausgefunden haben, welches Profil in Ihrer Region das richtige ist, geht es im nächsten Schritt um das Ermitteln einer Technik, die sich für Ihren Frequenzbereich und Ihren Markt eignet.

Texas Instruments beispielsweise hat Wireless-Mikrocontroller entwickelt, deren Funktransceiver so flexibel ist, dass sich mit ein und demselben IC sämtliche Frequenzen, Betriebsarten und Profile des wM-Bus abdecken lassen. Die Sub-GHz-Wireless-MCU CC1310 etwa wird mit Flash-Speicherkapazitäten von 32, 64 und 128 KB angeboten. Sollten Sie für Ihre Anwendung jedoch mehr Flash-Speicher benötigen, gibt es innerhalb der CC1310-Familie auch pinkompatible Varianten mit größerem Flash-Speicher. Dies hilft Ihnen, Ihre Verbrauchsmesser zukunftssicher zu machen, und erlaubt das Hinzufügen weiterer Standards wie zum Beispiel WiSUN (Wireless Smart Utility Network) oder Mioty für Smart-City-Anwendungen. Von der CC1310-Familie gibt es außerdem die Dual-Band-Variante CC1352 für den Fall, dass Sie Ihren Zähler durch mit Bluetooth Low Energy ergänzen möchten.

Als Starthilfe für die Software gibt es von Texas Instruments einen gebührenfrei nutzbaren Software-Stack auf Basis der CC1310-Plattform [4]. Dieser wM-Bus-Stack wird in mehr als zehn Ländern in ganz Europa eingesetzt. Für den Stack-Support verfügt Texas Instruments in Oslo (Norwegen) über ein eigenes Applikations-Team, das bei der individuellen Anpassung des Stacks und bei der Portierung auf bestimmte Hardwareplattformen eng mit der Firma Stackforce aus Eschbach, Deutschland, zusammenarbeitet.

Wenn Sie ungern mit einzelnen Halbleiterbausteinen arbeiten möchten und stattdessen Funkmodule bevorzugen, sollten Sie sich zum Beispiel mit dem Modul RDCR-3P-RADIO-MOD von Radiocrafts befassen [5]. Dieses Unternehmen arbeitet bereits seit längerer Zeit mit Texas Instruments zusammen, ist Mitglied der OMS-Arbeitsgruppe und hat Module im Programm, die eigens für den wM-Bus ausgelegt sind.

Ein guter Ausgangspunkt für eine Entwicklung mit wM-Bus-Interface ist ein Referenzdesign, wie das TIDA-010050 von Texas Instruments [6]. Damit lässt sich ein AMR-fähiger (AMR, Automatic Meter Reading) Wasserzähler realisieren, der äußerst wenig Strom aufnimmt. Kern des Zählers ist der Wireless-Mikrocontroller CC1312.

Literatur

[1] Open Metering System – Why OMS. OMS-Group e. V., Website, https://oms-group.org/en/open-metering-system/why-oms.

#[2] P3 Companion Standard – Dutch Smart Meter Requirements. Netbeheer Nederland –WG DSMR, Version: 4.2.3, 13. Februar 2019, www.netbeheernederland.nl/_upload/Files/Slimme_meter_15_9e94f87c14.pdf.

[3] Why Wize? Wize Alliance, Website, www.wize-alliance.com/Why-Wize/Technology.

[4] WMBUS – Wireless M-Bus Protocol Software. Texas Instruments, Website, www.ti.com/tool/WMBU.

[5] RDCR-3P-RADIO-MOD, Radiocrafts embedded radio modules. Texas Instruments, Website, www.ti.com/tool/RDCR-3P-RADIO-MOD.

[6] Ultra-low power water flow measurement for AMR reference design, TIDA-010050. Texas Instruments, Website, www.ti.com/tool/TIDA-010050.

[7] Stefanov, M. und Ermesjø, T.: Wireless M-Bus Implementation withCC112x/ CC120xHigh Performance Transceiver Family. Texas Instruments, Application Note AN121, 2013, www.ti.com/lit/an/swra423/swra423.pdf.

[8] CC13xx Combined wM-Bus C-Mode and T-Mode. Texas Instruments, Application Report SWRA522E, Oktober 2018, www.ti.com/lit/an/swra522e/swra522e.pdf.

[9] CC13xxw M-Bus S-Mode. Texas Instruments, Application Report SWRA512A, Oktober 2018, www.ti.com/lit/an/swra512a/swra512a.pdf.

[10] Ultra-Low-Power OMS v4.1.2 Compliant wM-Bus Stack Implementation With CC1310 and CC1350. Texas Instruments, TI TechNotes, SWRA602, Oktober 2018, www.ti.com/lit/an/swra602/swra602.pdf.

[11] Complete Wireless M-Bus Solution. Texas Instruments, 2014, www.ti.com/lit/wp/slat149b/slat149b.pdf.

Die Autorin

Jeanna Norin, Texas Instruments
© Texas Instruments

Jeanna Norin, Texas Instruments

Jeanna Norin

ist bei Texas Instruments Produktmarketingmanagerin für Europa, den Nahen Osten und Afrika für Funk-ICs im Sub-1-GHz-Bereich. Sie bringt fast 15 Jahre technisches Fachwissen mit, nachdem sie ihre Karriere bei TI in den USA im Account Management im Vertrieb begonnen hat. Heute leitet Norin von Oslo, Norwegen, aus das Produktmarketing für Sub-1-GHz-ICs. Sie schloss ihr Elektrotechnikstudium an der Texas A&M University mit einem B. Sc. in Computerwissenschaften ab.

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