Intelligente Gas- und Wasserzähler
Mikrocontroller mit extrem geringer Leistungsaufnahme existieren bereits seit rund 20 Jahren. Inzwischen hat sich dieses Ultra-Low-Power-Konzept in Sensoren, Verbrauchsmessern und unterschiedlichen batteriebetriebenen Geräten wie Blutzucker-Messgeräten, Thermometern, Armbanduhren als beste Strategie für die Zukunft erwiesen.
Inzwischen hat die Ultra-Low- Power-Technik (ULP) auch Hochfrequenz-Transceiver (HF), Sensoren, Mikrocontroller (MCU) und weitere Halbleiterprodukte für batteriebetriebene Anwendungen erobert. Die große Verbreitung drahtloser Kommunikationsfunktionen in vielen Consumer-Produkten wie Smartphones oder Tablets war ebenfalls nur aufgrund der deutlich sparsameren Halbleiterbausteine möglich. Das Smart-Grid-Segment gilt mit seinen Elektrizitäts-, Wasser-, Gas und Wärmezählern als nächster großer Wachstumsmarkt. Hinzu kommen Home-Gateways sowie Datenkonzentratoren, die die Verbrauchsdaten einzelner intelligenter Zähler, sogenannte Smart Meter, bündeln und an die jeweilige Zentrale weiterleiten. Die Kombination aus Smart Grid und Home Area Network (HAN) wird den Versorgungsunternehmen die Möglichkeit geben, Verbrauchsspitzen abzumildern und dadurch auf den Bau neuer Kraftwerke zu verzichten. Hinzu kommen Kostenvorteile sowie mehr Komfort für Endkunden. Das europäische wM-Bus-Protokoll mit seinen aktuellen Erweiterungen ermöglicht batteriebetriebene Gas-, Wasser- und Wärmezähler in großen Stückzahlen zu installieren. Eine Möglichkeit des Aufbaus eines intelligenten Zählers besteht in der Nutzung einer wM-Bus-Funkverbindung im 868MHz bzw. einem 169MHz-Band.
75kHz Bandbreite für bessere Reichweite
Für die Sub-1GHz-Kommunikation in Europa gilt die Norm ETSI 300 220-1 V2.3.1 (Februar 2010). Die lizenzfrei nutzbaren ISM-Bänder für Verbrauchsmesser-Applikationen mit 868MHz und 433MHz wurden durch ein schmales 75kHz-Band bei 169,4MHz für die Zählerablesung ergänzt. Die maximal zulässige Sendeleistung beträgt +500mW. Das entspricht +27dBm, bei einer Frequenzbelegung von 10%. Der Kanalabstand ist maximal 50kHz, wobei Listen Before Talk (LBT) oder Adaptive Frequency Agility (AFA) genutzt werden können. Eine Sendeleistung von +27dBm bei 169MHz bewirkt größere Übertragungsdistanzen als die bestehenden wM-Bus-Lösungen mit 25mW (+14dBm) bei 868MHz. Sowohl der etablierte T-Modus als auch der moderne C-Modus nutzen zwei verschiedene Frequenzen für die Übertragung zwischen Zähler und Datensammler. Datensammler in T-Modus dürfen bei 868,3MHz mit maximal +14dBm und in C-Modus bei 869,525MHz mit bis zu +27dBm senden. Die Funk-Reichweite von Verbrauchsmessern ist das größte Problem bei der Installation von Smart Metern in dicht besiedelten Gebieten Europas. Mehrgeschossige Gebäude und mehrere Beton- oder Ziegelwände zwischen den HF-Knoten ergeben keine guten Ausgangsbedingungen für die drahtlose Übertragung. In Großbritannien brachten es ZigBee SE1.1-Produkte in Innenstädten nicht auf die nötige Reichweite. Dies will man in Italien oder Frankreich mit einer neuen Generation wM-Bus-fähiger, mit 169MHz arbeitender Smart Meter vermeiden. Die größere Reichweite der 169MHz-Funkübertragung vereinfacht die Systemarchitektur und senkt die Kosten, da keine Repeater benötigt werden. Auch auf die Repeater-Funktionalität in den Zählern kann verzichtet werden. Die Zähler kommen deshalb mit weniger Flash- und RAM-Speicher aus. Durch die geringere Komplexität der Software beschleunigt sich somit die Entwicklung und Zertifizierung der Produkte. Die jüngste Fassung des wM-Bus-Dokuments EN13757-4:2011 sieht einen neuen N-Modus vor, für den die Bandbreite von 75kHz in sechs Kanäle à 12,5kHz unterteilt wurde. Von den Gauß’sche Frequenzumtastung oder Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK)-modulierten Kanälen werden vier mit 4,8kBit/s und zwei mit 2,4kBit/s betrieben. Feldversuche in Frankreich haben gezeigt, dass die größere Reichweite der 169MHz-Technik eine repeater-lose Implementierung von Smart Grid-Netzwerken in Europa realistisch erscheinen lässt. Diese schmalbandige Lösung bei 169MHz ist auf dem besten Weg, sich als Kommunikationsprotokoll für zukünftige Gas- und Wasserzählerinstallationen in mehreren europäischen Ländern durchzusetzen.
Heim- oder Nachbarschaftsnetzwerk aufbauen
Um einen Smart Meter zu bauen, werden neben einem oder mehreren Sensoren für die Messtechnik eine ULP-MCU – zur Aufbereitung der Sensordaten und zur Berechnung des Verbrauchs -, ein Kommunikationssystem und eine Stromversorgung benötigt. Da die Stromversorgung intelligenter Wasser-, Wärme- und Gaszähler mit Batterien erfolgt, ist eine minimale Stromaufnahme Voraussetzung. Außerdem dürfen die Batterien nur ein Mindestmaß an Platz beanspruchen, sodass eine optimale Nutzung der verfügbaren Batteriekapazität unumgänglich ist. Je nach Frequenzbereich und Sendeleistung lässt sich ein wM-Bus-Subsystem für die HAN- oder die Neighbor-Area-Network (NAN)-Kommunikation verwenden. Für eine HAN-Applikation kommt ein Smart Meter mit 868MHz-Technik und dem S-, T- oder C-Modus des wM-Bus-Protokolls in Frage. Im realen Einsatz ergibt ein HF-Chip mit einer Sendeleistung von +10 bis +12dBm, gemessen am Antennenanschluss, zusammen mit dem Antennengewinn von +2dBi innerhalb der von der Norm ETSI 300220 gesetzten Grenze von +14dBm EIRP eine sinnvolle Lösung. Die NAN-Version eines Smart Meters dürfte mit 169MHz arbeiten, wobei die Äquivalente isotrope Sendeleistung oder Equivalent Isotropically Radiated Power (EIRP)-Limit von +27dBm eine sehr gute Reichweite darstellt. Auch für den C2-Modus bei 869,525MHz – diese Betriebsart ist nur für die Übertragung vom Datensammler zum Zähler zulässig – gilt ein Limit von +27dBm, was den NAN-Einsatz ermöglicht. Bei NAN-Lösungen ist allerdings ein externer Leistungsverstärker erforderlich, da die Sendeleistung von +27dBm derzeit von keinem integrierten HF-Transceiver Chip unterstützt wird. Die Hardware des wM-Bus-Subsystems kann wahlweise mit oder ohne externen Leistungsverstärker implementiert werden. Der wM-Bus-Stack lässt sich auf dem Mikrocontroller des Subsystems oder auf dem Applikations-Mikrocontroller installieren. Die Aufteilung der Hard- und Software ist unbedingt vorab festzulegen, wobei die folgenden Kriterien zu beachten sind: – Zertifizierung der Messtechnik und des wM-Bus-Stacks – Echtzeitfähigkeit: Messfunktion und HF-Kommunikation sind zeitkritisch. Es kann Probleme geben, wenn der Mikrocontroller beide Funktionsbereiche gleichzeitig verarbeiten muss. – Field-Upgrades an der Firmware entweder für die Kommunikations-Funktionen allein oder für den kompletten Verbrauchsmesser Hersteller bevorzugen deshalb meist ein modulares Konzept. Messtechnik und Kommunikationsfunktionen besitzen dabei ihren eigenen Mikrocontroller und gestatten Anwendern unabhängig voneinander Produkte hinsichtlich Performance und Preis zu gestalten. Zweifellos ist die Single-MCU-Lösung kostensparend. Die Zertifizierung der Messtechnik gestaltet sich hierbei jedoch komplexer, da ihre Firmware vor Manipulation und anderen Fehlern geschützt werden muss.
