Netzwerke und
Netzwerke und KommunikationDer Wireless-M-Bus-Standardin der Praxis des ProduktentwicklersTypisches Anlagenschema für ein wM-Bus-Netzwerk mit Endgeräten, Gateway und RepeaterZuverlässige und energieeffiziente Funk lösungensind eine Schlüsseltechnologie für die digitaleVerbrauchsdatenerfassung. Der Wireless M-Bus(wM-Bus) hat sich dabei als praxisbewährterStandard etabliert – insbesondere in Kombinationmit dem Open Metering Standard (OMS).Doch neben Normen und Spezifikationen sindes vor allem die technischen Details und Erfahrungswerteaus der Umsetzung, die für Entwicklerund Systemplaner entscheidend sind. Aus diesemBlickwinkel werden in diesem Beitrag vieleAspekte von der Auswahl geeigneter Betriebsmodiüber die Integration in bestehende Systemebis hin zu typischen Herausforderungen bei Funkreichweite,Energiebedarf und Produktentwicklungbetrachtet.IK Elektronik ist seit 1996 Spezialist für die Entwicklungund Fertigung von Funkelektronik. Einwichtiges Arbeitsfeld war und ist dabei die Entwicklungvon Messgeräten und Gateways für dieÜbertragung von Verbrauchsdaten, so etwa fürdie Fernauslesung von Strom-, Wasser-, GasundWärmezählern in der Gebäude- und Versorgungstechnik.Als einheitlicher Funkstandard hat sich für dieseAnwendungen Wireless M-Bus und als daraufaufbauendes Kommunikationsprotokoll der OpenMetering Standard (OMS) durchgesetzt.Zusammen mit namhaften Kunden und Partnernvor allem im deutschsprachigen Raum entstandenbei IK Elektronik bereits zahlreiche Produkteund Lösungen, die wM-Bus/OMS integrieren.Dabei hat IK Elektronik umfangreiche Erfahrungenmit diesem Funkstandard gesammelt.Spezifische Themen waren dabei immer energiesparendeFunkübertragung, Antennentechnik,System integration und normgerechte Produktentwicklung.Der Wireless M-Busist ein europäischer Standard gemäß EN 13757-4für die drahtlose Kommunikation zwischen Verbrauchszählernund Datenerfassungsgeräten.Er wurde von der Open Metering System Groupverwendet und weiterentwickelt, um den steigendenAnforderungen an die Fernablesungvon Zählern in der Energie- und Wasserwirtschaftgerecht zu werden. Als drahtlose Erweiterungdes kabel gebundenen M-Bus ermöglichtder wM-Bus die effiziente und zuverlässigeÜbertragung von Verbrauchsdaten wie Strom-,Wasser-, Gas- und Wärmeverbrauch.Die Kommunikation erfolgt bei wM-Bus in denlizenzfrei nutzbaren Sub-GHz-Frequenzbändernbei 868, 433 und 169 MHz, die aufgrund ihrer physikalischenEigenschaften im Vergleich zu denhöheren Frequenzen für WLAN, Bluetooth etc.(2,4 GHz und höher) eine bessere Durchdringungvon Hindernissen und damit eine größereReichweite bieten.Die notwendige CE-Konformitätserklärung fürwM-Bus wird nach der EU-Standard EN 300 220für den Funk herangezogen. Für EMV, Safety undCyber Security sind es die EU-Standards EN 301489, EN 62368 und EN 18031.Betriebsmodi im Überblick:Von S1- bis F-ModusJe nach Anwendung stehen im wM-Bus Standardverschiedene Betriebsmodi zur Verfügung.Diese unterscheiden sich u.a. hinsichtlich Frequenz,Datenrate, Energiebedarf und Kommunikationsrichtung.Der Buchstabe codiert dengrundsätzlichen Betriebsmodus, die nachfolgendeZiffer gibt an, ob die Kommunikation uni-(1) oder bidirektional (2) erfolgt.• S1-Modus (868 MHz)Unidirektionaler Betrieb, bei dem der Zählerperiodisch Daten sendet. Er wird häufig fürAnwendungen genutzt, bei denen der Zählerautonom in regelmäßigen Abständen seinenParameter S1-Mode T1-Mode C1-ModeFrequenzbereich 868,0 bis 868,6 MHz 868,7 bis 869,2 MHz 868,7 bis 869,2 MHzDatenrate 32,768 kBit/s 100 kBit/s 100 kBit/sCodierung Manchester 3 aus 6 NRZAutor:Dipl.-Ing. Jens RiedelTeamleiter EntwicklungIK Elektronik GmbHwww.ik-elektronik.comModulation FSK FSK FSKSendeintervall (max.) 4 Stunden 15 min 15 minÜberblick der wichtigsten Parameter für die drei wichtigsten Betriebsmodi bei 868 MHz40 Haus und Elektronik 3/2025
Netzwerke und KommunikationMesswert übermittelt, z.B. für die monatlicheVerbrauchsabrechnung von Haushalten. DerModus wird bei neuentwickelten Produkten durchden C1-Mode ersetzt. Datenrate: 32,768 kBit/s• T1-Modus (868 MHz)Unidirektionaler Betrieb mit häufigeren Übertragungenals S1. Er eignet sich für Anwendungen,die eine zeitnahe Datenübermittlung erfordernund ist ideal für Smart-Metering-Systeme, dieden Verbrauch regelmäßig in kurzen Zeitintervallenübermitteln müssen. Der Modus wird beineuentwickelten Produkten zunehmend durchden C1-Mode ersetzt.• C1-Modus (868 MHz)Unidirektionaler Betrieb mit häufigen Übertragungen.Er ist die Weiterentwicklung desT1-Modus und bietet im Vergleich dazu einehöhere Energieeffizienz durch ein kompakteresCodierungsverfahren, d.h. eine geringereBruttodatenmenge im Vergleich zum T-Mode.• C2-Modus (868 MHz)Bidirektionaler Betrieb, ermöglicht sowohl dasSenden von Verbrauchsdaten als auch dasEmpfangen von Steuerbefehlen. Er ist besondersgeeignet für Anwendungen, bei deneneine Fernkonfiguration oder Steuerung desZählers erforderlich ist, z.B. bei modernenStrom zählern und dynamischen Tarifmodellenfür Strom.• N1-Modus (169 MHz)Für Anwendungen mit großer Reichweite undniedriger Datenrate, wie z.B. Gas- und Wasserzählern.Aufgrund der niedrigeren Frequenz undder damit verbundenen guten Durchdringungvon Hindernissen ist dieser Modus besondersgut für den Einsatz über größere Entfernungenoder zur Überbrückung mehrerer Wände/Etagenin Gebäuden geeignet.• R2-Modus (Multi-ChannelEmpfänger, 868 MHz)Für batteriebetriebene Empfänger, die eineerweiterte Präambel für das Wecken erfordert.Er kann wahlweise bis zu zehn Frequenzkanälemit hochgenauem Frequenzteilungsmultiplexaufweisen. Die Kommunikation erfolgtmit 4,8 kcps Wecksignal, gefolgt von einem4,8-kcps-Nachrichtenkopf.• F-Modus (434 MHz)Dieser Modus zeichnet sich aus durch sehrgeringe Datenrate (2,4 kBit/s) für die Übertragungweniger Informationen über eine großeEntfernung.Funkinfrastrukturund EnergieeffizienzFür die Nutzung von wM-Bus wird immer einGateway benötigt, das die Daten der Endgeräteempfängt und weiterleitet. Das Gateway kannentweder stationär verbaut sein oder mobil (walkby, drive by) verwendet werden. Überall dort,SendeintervallEnergie für denFunk [Jahr]wo die Funkreichweite aufgrund der baulichenGegebenheiten eingeschränkt ist, z.B. in Kellerräumen,können zur Erhöhung der FunkreichweiteRepeater eingesetzt werden.Bei batterieversorgten Gateways ist eine Auslesungder Endgeräte (Messgeräte) nur in bestimmtenZeiträumen möglich. Dies bedeutet, dass fürEchtzeitanwendungen (z.B. Alarmierungsmeldungvon Rauchwarnmelder) ein netzversorgtes Gatewaynotwendig ist, das dauerhaft empfängt. DesWeiteren zeigt sich hierbei auch eine Schwachstelleder Technik hinsichtlich der effektiven Frequenznutzung.Der Großteil der ausgesendetenNachrichten der Endgeräte wird nicht empfangenund weiterverarbeitet und geht somit verloren.Wie effizient die Aussendung aber erfolgt, zeigtdie entsprechende Tabelle.Hinweise:• Die Batterielebensdauer bezieht sich nur aufdie Funkschnittstelle. Zusätzliche Elektronik –wie ein Controller zur Erfassung der Messwerte– kommen energetisch noch hinzu.• Berücksichtigt ist eine Batterie mit einer Selbstentladungvon 1% pro Jahr, 180 Byte Paketgröße,Sendestrom 22 mA, C-Mode.• Es handelt sich um reine Rechenwerte. Batterielaufzeiten>20 Jahren sind praktisch nichtrelevant, d.h. in dem Fall wird eine kleinere Batterieverwendet.Typische Anwendungsfelderzur VerbrauchsdatenerfassungDer wM-Bus wird hauptsächlich in der automatisiertenVerbrauchsdatenerfassung (AutomaticMeter Reading, AMR) und im erweiterten Messwesen(Advanced Metering Infrastructure, AMI)eingesetzt. Durch die drahtlose Kommunikationkönnen Versorgungsunternehmen Zählerdateneffizient und kostengünstig aus der Ferne auslesen,was die Digitalisierung der Ablesung ermöglichtund aufwändige manuelle Ablesungenvermeidet oder reduziert. Die Nutzung von Sub-GHz-Frequenzen ermöglicht eine zuverlässigeDatenübertragung auch in schwierigen Umgebungen,wie z. B. Kellern oder in Schächten, indenen sich viele Zähler befinden.Das wM-Bus-Protokoll eignet sich aber nichtnur für die Übertragung von Zählerdaten,Rechnerische Batterielebensdauer mitCR2032 (180 mAh) CR-2 (850 mAh) CR-AG (2400 mAh)1 min ~ 80 mAh ~ 1,8 Jahre ~ 8,5 Jahre ~ 21 Jahre15 min ~ 16 mAh ~ 9 Jahre > 40 Jahre -60 min ~ 12,5 mAh ~ 11,5 Jahre - -Batterienutzungsdauer bei verschiedenen Sendeintervallen für unterschiedliche Batteriegrößensondern kann auch andere Daten übertragen(z.B. Sensordaten, Steuerdaten, Statusdaten). Eskann damit sehr umfassend für die Entwicklungvon entsprechenden Produkten genutzt werden.Vergleichmit alternativen FunkprotokollenIm Vergleich zu bekannten drahtlosen Protokollenwie WLAN, ZigBee oder Bluetooth bietet derwM-Bus spezifische Vorteile für Smart-Metering-Anwendungen:• hohe ReichweiteDank der Nutzung von Sub-GHz-Frequenzen(statt 2,4 GHz oder höher) bietet der wM-Buseine größere Reichweite und bessere Durchdringungvon Hindernissen und im Gebäude.• bessere EnergieeffizienzDer wM-Bus ist für Anwendungen mit geringemEnergieverbrauch optimiert, was in derRegel eine Batterielebensdauer von mehr alszehn Jahren ermöglicht.• hohe SicherheitDie Funkkommunikation ist mit AES-128verschlüsselt. Zudem stehen verschiedeneSicherheitsmodi zur Verfügung bis hin zu einerauthentifizierten One-Pass-Verschlüsselung/-Entschlüsselung.• geringe KostenDie Funktechnik ist ausgereift und verhältnismäßigeinfach und kostengünstig realisierbar.Es fallen keine laufenden Kosten durch Lizenzgebührenoder Nutzungsentgelte an.• StandardisierungAls europäischer Standard gewährleistet derwM-Bus Interoperabilität zwischen Gerätenverschiedener Hersteller und einen problemlosenEinsatz in den Ländern der EU.Im Vergleich zum Funkstandard LoRa erreichtwM-Bus höhere Datenraten und damit kürzereSendezeiten, was sich positiv auf den Energieverbrauchauswirkt. Darüber hinaus ist die Vielfaltder für wM-Bus einsetzbaren Bauteile wesentlichhöher, was eine Abhängigkeit von nur wenigenLieferanten vermeidet und die Verfügbarkeitverbessert.Haus und Elektronik 3/2025 41
