Norská společnost Radiocrafts AS rozšířila svoje portfolio malých kompaktních vestavných převodníčků pro realizaci bezdrátové komunikace různých protokolů. Novinkou je na první pohled od ostatních RF modulů k nerozeznání modul pro bezdrátovou verzi průmyslové sběrnice M-BUS, označované jako Wireless M-BUS. Ta primárně slouží pro realizaci automatických měřících systémů AMR (Automatic Metering Reading) se vzdáleně připojenými snímači. Obecně více o drátové verzi sběrnice M-BUS najdete v článku "M-BUS (Meter-Bus) - základní popis komunikačního protokolu".

Bezdrátová verze Wireless M-Bus definovaná standardem EN 13757-4:2005 specifikuje bezdrátový přenos dat primárně mezi vodoměry, elektroměry a měřiči tepla, případně koncentrátory, s centrálním databázovým, vyhodnocovacím či řídicím systémem. Prakticky na úrovni fyzické vrstvy OSI modelu protokolu M-BUS realizuje místo sériového přenosu po zkrouceném páru bezdrátový přenos vzduchem. A to i v rámci plně síťové komunikace více jednotek. Tento systém je již v Evropě plně akceptován jako základ nových AMI instalací (Advanced Metering Infrastructure).

Právě prostřednictvím vestavných RF modulů společnosti Radiocraft s označením RC1180-MBUS, které pracují ve funkci transceiverů, tedy v obousměrném režimu, kdy jeden modul umožňuje jak vysílat, tak přijímat. Moduly realizované povrchovou montáží na destičce rozměrů 12,7 x 25,4 x 3,3 mm, včetně účinného stínění. Protistranou k rozhraní pro připojení vysílací/přijímací antény je klasické sériové UART rozhraní, kterým se provádí jak užitečný přenos dat, tak nastavení modulu.

Historie sběrnice Wireless M-Bus

Nejdříve trošku z krátké historie sběrnice Wireless M-Bus. Kořeny této bezdrátové komunikace jsou samozřejmě v klasické drátové variantě M-BUS. Na základě potřeby vzniku specializované komunikační směrnice pro vzdálené měření a odečítání stavu měřičů byl na začátku roku založen nový evropský komunikační standard M-BUS s označením EN 13757 "Communication system for meters and remote reading of meters", tedy komunikační systém pro měřiče a vzdálené čtení měřičů. V současné době se skládá z následujících částí:

• EN13757-1:2002 Data exchange (Výměna dat)
• EN13757-2:2004 Physical and link layer (Fyzická a linková vrstva)
• EN13757-3:2004 Dedicated application layer (Aplikační vrstva)

O této základní specifikaci sběrnice M-BUS se můžete podrobněji dočíst v článku "M-BUS (Meter-Bus) - základní popis komunikačního protokolu".

Poslední roky však v mnoha aplikacích začal klasickou drátovou komunikaci vytlačovat bezdrátový radiový přenos dat a stává se stále populárnější, hlavně z důvodu snadnější instalace a případného rozšíření. Na tento trend standard M-BUS (EN13757) zareagoval v roce 2005 rozšířením o protokol EN13757-4:2005 Wireless meter readout, tedy v současné době populárněji označovaný jako Wireless M-BUS, vzhledem k drátové verzi zahrnuje specifikaci fyzické a datové linkové hladiny OSI modelu. Na něj pak na vyšších hladinách přímo navazuje aplikační vrstva (EN13757-3:2004 Dedicated application layer), která je již shodná s klasickým M-BUSem.

Bližší popis protokolu Wireless M-BUS

Wireless M-BUS specifikuje měřící zařízení (meter device/Slave/klient) a tzv. další zařízení. To obvykle představuje koncentrátor fungující jako centrální jednotka (Server/Master). Konkrétně protokol EN13757-4 popisuje fyzickou spojovací (datovou linkovou) komunikační vrstvu, která definuje:

• Parametry radiového přenosu
• Formát rámce paketů
• Přístupové metody

Režimy radiového přenosu

V prvním případě je definováno několik režimů označených jako S, T a R představující 3 různé různé přenosové rychlosti, které se dále dělí na režim 1 a 2, což značí jednosměrný či obousměrný přenos dat – viz níže uvedená tabulka:

Tabulka režimů komunikace Wireless M-BUS

Zatímco jednosměrná komunikace v režimu T1 se například hodí pro přenos informací od měřičů tepla a vodoměrů, obousměrný režim T2 též umožňuje mimo četní stavu měřičů a přenosu naměřených dat snímačů i zpětně ovládat různé akční členy (ventily), časovou synchronizaci a distribuci šifrovacích klíčů. Mimo jiné právě režim T1/T2 byl vyvinutý pro systémy s častým přenosem. V opačném případě lze použít pomalejší režim modulů, například S. Ten nejlépe slouží v takových systémech, kde stačí malý objem informací pravidelně přenášet např. jednou za den (např. pravidelný přenos stavu vodoměru bytů do pevné centrální jednotky v domě). Ale v aplikacích velmi častým přenosem, kde se přenášejí data několikrát za hodinu nebo častěji a nebo kde se nárazově přenáší velký objem dat (mobilní odečet stavů měřičů), je výhodnější právě režim T, kde rychlý přenos dat rychlostí 100 kb/s se vyznačuje velmi krátkým komunikačním časem a tedy i mimo jiné malou spotřebu el. energie vysílačem. Dvoucestná komunikace T2 je také velmi vhodná pro bateriově napájené měřiče, přičemž přijímač je aktivní ještě cca 2 až 3 ms po přenosu dat. Pouze pokud koncentrátor potvrdí zaslanou zprávu v tomto časové úseku, bude přijímač dále přijímat další příkazy.

Režim R2 je spíše vhodný pro speciální případy tam, kde je nutné přenášet jen velmi malé množství dat a informací na velkou vzdálenost, protože komunikační rozhraní (např. poduly Radiocarfts - viz níže) vykazují největší citlivost. Zde můžete jako v jediném systému si ručně zvolit 1 z 10 komunikačních kanálů, narozdíl od režimů S a T je kanál již předdefinovaný a automaticky se zvolí při zvolení režimu S nebo T.

Radiová komunikace

Bezdrátová komunikace Wireless M-BUS fyzicky probíhá ve 12 kanálech v bezplatném vysílacím pásmu ISM okolo frekvence 868 MHz (2 kanály 868.3 a 868.95 MHz jsou využívaný režimu S a T, 10 uživatelem volitelných kanálů 868.03 + n x 0.06 MHz v režimu R2), přičemž každý z výše uvedených režimů vyžaduje různé požadavky. Těmi například jsou specifikovaný kanál, přesnost frekvence, toleranci přenosové rychlosti atd. Velmi dobrá je stabilita frekvence až 27 let (dle údaje výrobce). V případě použití čtvrtvlné antény (délky 8,2 cm), tak na přímou viditelnost vysílací a přijímacího modulu je komunikační dosah 500 až 600 m.

Princip komunikace

Jak již bylo zmíněno výše, komunikace má hvězdicovitou struktury, kdy několik měřících jednotek / snímačů přenáší svá naměřená data jedné centrální jednotce, obvykle tvořené koncentrátorem. Ten tedy obvykle slouží pro příjem a shromaždování dat z několika měřících míst, z dále uvedených důvodů nikdy neinicializuje (nezahajuje) vzájemnou komunikaci. Pracuje tedy jako server (Master), tzn. že jen stále naslouchá a čeká na navázání komunikace měřící jednotkou a jí inicializovaný přenos dat. Ta tedy pracuje jako klient (Slave). V případě nastavené obousměrné komunikace přechází měřič/snímač do přijímacího režimu pouze po krátký čas jím navázané komunikaci. Pouze v tomto momentu může koncentrátor vyslat nějaké jednotce řídící data. Časování je rozdílné pro různé režimy a je přesně specifikováno ve standardu.

Adresování

Adresování ve Wireless M-BUS sběrnici je převzato z klasického drátové verze M-BUSu. Zde však pouze klientské jednotky (měřiče/snímače) mají přidělenou adresu a využívají ji jak při příjmu, tak při vysílání. Každý koncentrátor by měl obsahovat tabulku adres, se kterými může komunikovat, resp. od kterých má přijímat data. Tato tabulka se obvykle vytváří automaticky během instalace / registrování nové jednotky do sítě. Samozřejmě je možné se obejít i bez ní, ale pak lze přijímat všechny snímače či měřiče v dosahu. Toho se dá využít jen v malých sítích. Ve většině aplikací však Wireless M-BUS asi bude spíše alternativní technologií ke klasické drátové sběrnicí M-BUS. Ale někdy může být výhodné tyto dvě verze kombinovat prostřednictvím tzv. mostů (bridge) - viz obrázky níže.

Formát paketů bezdrátového přenosu

Moduly pracující jako radiové modemy splňující standard Wireless M-BUS (např. níže popsané moduly RC1180-MBUS1) se chovají následovně: Nadřazené aplikace (například M-BUS měřící jednotka či koncentrátor) realizující aplikační vrstvu standardu M-BUS vyšlou svá data do RF modemu v podobě následující zprávy:

Komunikační modul pracující jako modem dle požadavků standardu Wireless M-BUS automaticky přidá následující pole:

• Řídicí pole C (Command field)
• Označení výrobce ManID (Manufacture ID)
• Unikátní komunikační adresy založené parametrech uložených v paměti modulu (Address)
• Případně se ještě na závěr přidá informace o síle přijímaného signálu RSSI (Received Signal Strength Indicator)

Takovýto paket se pak zašifruje (obvykle algoritmem AES-128) a přenáší se vzduchem. V případě, že se realizuje jen bezdrátové tunelování přenosu mezi dvěma Wireless M-BUS modemy, je povolen i režim bez zasílání adresy a jí přidružených informacích o měřící jednotce. Rámec se pak výrazně zjednoduší a vypadá takto:

Obsah pole APP_LAYER je pak již dán aplikační hladinou definovanou ve standardu M-BUS, je tedy shodný s obsahem pro klasický drátový M-BUS přenos. Komunikace mezi měřící jednotkou a RF modemem či mezi koncentrátorem a RF modem obvykle probíhá prostřednictvím sériového přenosu UART, jako je tomu u modulů Radiocrafts RC1180-MBUS. Zde není problém provést převod a přenos nejen po RS-232, ale i například po RS-485 či USB.

Napájení a spotřeba

Další důležitou vlastností je možnost bateriového napájení měřicích zařízení. V případě bezdrátové komunikace je výhodné například měřiče tepla nebo vodoměry napájet jen bateriově a tím eliminovat jakoukoliv nutnost pokládání kabelů. To ale znamená velmi omezenou spotřebu elektrické energie, aby baterie vydržely co nejdéle, alespoň několik let. V současné době v případě napájení modulu lze dosáhnout životnost na jednu baterii až 20 let. Aby to však bylo možné, řízení přenosu dat musí co nejčastěji přecházet do nízkopříkonového stavu (sleep mode) a vysílat data jen v nutných případech v co nejkratších časových slotech. Proto také centrální zařízení (koncentrátor), který obvykle slouží pro příjem a shromaždování dat z několika měřících míst, nikdy nesmí inicializovat vzájemnou komunikaci.

Například bateriově napájený plynoměr přenáší jen jednou za hodinu zašifrovaný datový packet, včetně časové známky, ID číslo zařízení, stav čtení a stav ventilu. Vysílací proud modulu je 37 mA, zatímco spotřeba přijímače je jen 22 mA, přičemž spotřeba během „spaní“ je max. 1 mirkoA (typicky 0,1 mikroA). V případě režimu T2 je aktivní doba vysíláni 11 ms, přičemž na vyhodnocení snímač požaduje 4 ms a přidává k průměrné spotřebě proud 0,14 mikro A. V případě přechodu do úsporného režimu, který spotřebovává vždy jen max. 0,1 mikroA je výdrž baterie prakticky dána její životností.

Wireless M-BUS modul RC1180-MBUS

RF moduly RC1180-MBUS, stručně představné výše, je možné realizovat jak měřící/snímací jednotku (klient), tak koncentrátor či komunikační most. I když v mnoha průmyslových aplikacích bude asi vyhodnocení realizováno specializovaným procesorem či systémem, v jednodušších případech lze základní zpracování realizovat přímo uvnitř těchto modemů.

Obecné parametry modulů RC1180-MBUS:

• Frekvenční pásmo: 868 - 870 MHz
• Počet kanálů: 12 (2 v režimu S a T + 10 volitelných v režimu R2)
• Šířka kanálu: 100 kHz
• Přenosová rychlost: 4,8 až 100 kb/s (dle režimu)
• Výstupní výkon: -20 dBm až 9 dBm (nastavitelný)
• Max. citlivost: -98 až -107 dBm (dle režimu)
• Napájecí napětí: 2.0 až 3.6 V DC
• Spotřeba el. energie: 22 mA (RX), 37 mA (TX)
• Spotřeba v nízkopříkonovém režimu: 0,2 mikroA

Parametry jednotlivých režimů RF modulů Radiocraft RC1180-MBUS

Modul jako základní modem

Jednou ze základních cest je využít RC1180-MBUS modul jako standardní bezdrátový modem. To znamená, že samotné datové zprávy jsou generovány mimo modul, například nějakým externím kontrolérem a jsou přenášeny do modulu prostřednictvím sériové UART komunikace (aplikační vrstva je tedy realizována externími obvody). Modul tak například sám řídí TX/RX časování pro obousměrnou komunikaci, ale rozhodnutí, kdy, co vysílat je řízeno externě, stejně jako to, kdy přejít do sleep módu, přejít do režimu příjmu apod. Prostřednictvím UART rozhraní lze modul i nastavit do požadovaného přenosového režimu S / T / R, nastavit vysílací výkon, zvolit funkci měřiče či koncentrátoru (režim klient či server), komunikační kanál, adresu apod. Takový základní modul najdete u výrobce pod příponou "Feature Set 1" (tedy s označením RC1180-MBUS1).

I přesto, že většinu částí aplikace vykonává externí kontrolér, mohou se vyskytnout některé funkce, které je nejlepší přímo provádět samotným modulem. Takovou funkcí je například kódování komunikace. Modul přímo podporuje šifrování AES-128, které je teď doporučováno na úkor původně preferovaného šifrování DES, které je již zastaralé. Algoritmus AES běží na koprocesoru, což výrazně pomáhá zrychlit šifrování, zatímco je spotřeba snížena na minimum.

Koncentrátor, který běžně obsahuje velké množství výpočetního výkonu, je toho dobrým příkladem. Následující obrázek ukazuje základní princip využití RF modulu RC1180-MBUS jak v koncentrátoru, tak v jednotlivých měřicích zařízeních a snímačích. Zde je pro příklad zobrazena jen jednocestná komunikace (režim T1/S1), ale podobné sekvence lze použít i pro dvojcestnou komunikaci. Nastavení, konfigurace a i samotná instalace musí probíhat již s ohledem na používaný režim.

Modul s implementovanou aplikací - "Feature Set 2" a "Feature Set 3"

Pokud využijeme modul RC1180-MBUS jen jako modem, zůstane u něj mnoho zajímavých funkcí zcela nevyužito. Tohoto přebytečného výpočetního výkonu, periferií i paměti lze využít pro vykonávání nepříliš rozsáhlých aplikací, které tak lze realizovat v mikrokontroléru přímo uvnitř modulu a není tak nutné instalovat vnější procesor. Mezi vlastnostmi, které jsou u RC1180-MBUS modulů k dispozici najdete:

• 8bitové MCU
• Paměť: 4 kB EEPROM
• Podpora šifrování AES-128
• Obvod reálných hodin (RTC)
• 32bit. časovač / oscilátor nízkopříkonového režimu pro probuzení v definovaných intervalech
• A/D převodník pro připojení snímačů
• Nastavení RTC hodin
• Ukládání proměnných, jako sledované hodnoty, šifrovací klíč apod. ve flash paměti
• Generování kompletní zprávy aplikace založené na datech v paměti
• Zasílání zašifrovaných zpráv a čekání na odpověď
• Dekódovat zprávy a na základě jejich obsahu řídit akční členy (ventil, termostat apod.)

Moduly také mají k dispozici nastavitelné vstupně-výstupní vývody:

• Vstup čítání pulsů
• Výstup pro řízení ventilu
• Vstup pro potvrzovací (kvitovací tlačítko)
• Výstup na alarm

Příkladem jsou konkrétně upravené a periferiemi vybavené moduly s označením RC1180-MBUS2 (Feature Set 2) a RC1180-MBUS3 (Feature Set 3):

RC1180-MBUS2 (Feature Set 2)

První z nich, tj. "Feature Set 2", je již od výrobce upraven pro pro snadnou realizaci doplněného Wireless M-BUS standardu splňujícího požadavky specifikace NTA8130/DSMR, která byla přijata v Holansku. Toto provedení modul tak již v sobě integruje funkce jako je podpora instalačního módu pro registraci adres koncových jednotek (měřičů) u hlavní master jednotky (koncentrátoru). Ta přijímá tzv. ADI zprávy (Access Demand Install message) obsahující identifikační číslo ID (adresu) jednotek, které dále mohou Master jednotce zasílat svá data. Jinak řečeno: Koncentrátor převezme data pouze od snímače / měřiče, který je již u něj registrován. Dále obsahuje funkci filtrace, automatické potvrzování došlých zpráv v režimu T2 a právě zmíněné šifrování AES-128, které dnes patří mezi ty nejbezpečnější. Podle specifikace NTA8130/DSMR lze připojit až 8 slave jednotek (snímačů) a je možné provozovat pouze režimy T1 a T2 (S a R zde není povoleno používat).

RC1180-MBUS3 (Feature Set 3)

Druhá uvedená výbava s označením "Feature Set 3" je nejnovější model v nabídce Radiocraftu a je připravena pro snadnou realizaci jednosměrné či obousměrné Wireless M-BUS komunikaci splňující požadavky specifikace německé organizace OMS (Open Metering System). Podporovány jsou režimy S1, S2, T1, T2 (R2 zde není povoleno používat).

Pro tyto účely je již předem vybaven automatickým potvrzováním došlých zpráv, šifrováním / dešifrování pomocí algoritmu AES-128, automatické filtrování adres a řízení přístupu (Automatic access number handling and accessibility check), automatické generování zpráv (Automatic message generation) a mailbox pro zprávy v případě Master jednotky v obousměrných režimech T2 a S2. Tímto modulem lze tak realizovat měřící jednotku, Master jednotku nebo opakovač (Repeater). Z pohledu konfigurace sítě je možné zároveň na jeden Master (koncentrátor) "pověsit" až 64 Slave jednotek (měřiče) - splnění specifikace OMS.

Závěr

Komunikační síť M-BUS byla vyvinuta jako úzce specializovaná datová síť hlavně pro oblast měření spotřeby a MaR (Měření a Regulace). Rozšíření o bezdrátovou Wireless M-BUS pak představuje soudobý logický postup v dalším vývoji podobných průmyslových sběrnic, protože prostě bezdrátová komunikace a její výhody (žádné náročné pokládky kabelů a stavební úpravy), představuje v mnoha aplikacích velké zjednodušení řízení celé aplikace. I když zatím aktuálně není Wireless M-BUS ještě příliš rozšířen, bude dle mého názoru v budoucnu využíván stejně často, jako teď jeho drátové verze.

Pozn. Výrobky norské společnosti Radiocrafts v ČR a na Slovensku distribuuje a prodává společnost Macroweil (www.macroweil.cz).

DOWNLOAD & Odkazy

• Podrobný popis M-BUS standardu v angličtině a němčině - http://www.m-bus.com, http://www.m-bus.de:
• Stránky společnosti Radiocrafts - http://www.radiocrafts.com/index.php?sideID=429&ledd1=330
• Přímý odkaz na datasheet - http://www.radiocrafts.com/uploads/rc1180-mbus_data_sheet_2_10.pdf
• Český článek o průmyslové sběrnici M-BUS - M-BUS (Meter-Bus) - základní popis komunikačního protokolu
• PDF dokument o návrhu M-BUS komunikace elektroměru - Konstrukce odečtu elektroměru přes M-BUS
• Další odkazy na stránky o Wireless M-BUS:
  • www.cyantechnology.com
  • http://amber-wireless.de/156-1-AMB8425-M.html
  • http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/AN361.pdf
  • http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/AN361.pdf
  • http://www.xemtec.com/34-0-Wireless-M-Bus.html
  • http://www.metering.com/node/13550