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Grundlegende Architektur eines Verbrauchszähler-SoCs: Die zusätzlichen Peripheriemodule und Funk-tionen, die unter dem Strich die Intelligenz ausmachen, sind durch rote Punktlinien hervorgehoben.
Automatisierungs- & Elektrotechnik

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Kommunikation „intelligenter“ Zähler

Text: Sunil Deep Maheshwari, Freescale Semiconductor Fotos: Freescale Semiconductor
Kommunikationsmodule machen Basiszähler zu „intelligenten“ Zählern. Doch die Möglichkeiten sind vielfältig und nicht alle auf einem Chip vorzuhalten. Die Dimension, die Kommunikationsaspekte annehmen können, wird im Folgenden veranschaulicht.

Wie werden wohl die Verbrauchszähler der nächsten Generation aussehen? Werden wir bei ihnen noch immer mit aktuellen Problemen wie Fehlablesungen, Verteilverlusten, zeitraubender Fehlersuche und Instandsetzen kämpfen? Obwohl wir im Zeitalter der Kommunikation leben, müssen die meisten der heute weltweit installierten Zähler manuell abgelesen werden. Sie unterstützen weder eine Kontrolle noch das Ablesen aus der Ferne. Allein durch die Tatsache, dass die Zähler manuell abgelesen werden müssen, entstehen immense Kosten, und Fehler sind vorprogrammiert. Auch kann eine unterbrochene Versorgung nicht automatisch erkannt werden. Abhilfe dieser Defizite schaffen intelligente Verbrauchszähler.

Die grundlegenden Elemente eines intelligenten Verbrauchszählers entsprechen denen der Basisversion eines elektronischen Zählers. Die intelligente Version unterscheidet sich jedoch darin, dass sie effizienter mit der Außenwelt kommuniziert, einzelne Geräte steuern und überwachen kann, über bessere Anzeigemöglichkeiten verfügt, mehr Rechenleistung und Speicher, Sicherheitsfunktionen und einen Manipulationsschutz hat.

Intelligente Kommunikationsaspekte

Der in der Abbildung rechts oben dargestellte „Kommunikationsblock” steht für ein Kommunikationsprotokoll, das vom jeweiligen intelligenten Zähler unterstützt wird. Einmal unter die Lupe genommen (siehe Abbildung auf Seite 115), macht er die Dimensionen bewusst, die die Kommunikationsaspekte des intelligenten Zählers annehmen können.

Power Line Communication (PLC): Die Power Line Communication, also die Kommunikation über die vorhandene Stromleitung, ist vermutlich die preiswerteste Art der Kommunikation zwischen Zähler oder Kunde und Versorger - zumindest was die Infrastruktur angeht. Obendrein ist PLC auch für HAN-Lösungen (Home Area Networking) sehr beliebt. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann der Zähler mit beliebigen Geräten, die als Slaves konfiguriert werden, interagieren und deren Betrieb je nach erhaltener Anforderung steuern. Auch unterliegt diese Methode keinen Einschränkungen - sie funktioniert durch Wände hindurch und ist immun gegen Störungen durch Funksignale. Unter dem Strich könnte sie daher insgesamt zuverlässiger sein, als manche der funkgestützten Alternativen. Diese Art der Kommunikation setzt ein Power-Line-Modem voraus, das als Schnittstelle zwischen Zähler und Stromleitung dient.

In der Vergangenheit hätte man PLC-Lösungen mit Zero-Crossing- oder Spread-Spectrum-Technologien realisiert. In jüngster Zeit aber verwendet man für die PLC-Kommunikation ein Schmalbandverfahren mit zwei Trägerfrequenzen, welches auch bei vorhandenen Störquellen eine zuverlässigere Kommunikation ermöglicht. Die Kommunikation von Geräten über das HAN innerhalb des Haushalts findet deshalb im C-Band statt, während der Zähler mit dem Stromnetz im A-Band kommuniziert [2].

Kommunikation über GPRS/GSM/CDMA: GPRS (General Packet Radio Service, deutsch: allgemeiner paketorientierter Funkdienst) ist ein weiteres preiswertes Kommunikationsverfahren, das sich für das Übertragen von Daten zwischen Stromzähler und Versorgungsunternehmen bereits existierender Mobilfunknetze bedient. Dieses System setzt voraus, dass der Zähler mit einer SIM-Karte ausgestattet wird, wie sie auch in Handys verwendet wird. Jeder Zähler lässt sich auf diese Weise eindeutig identifizieren. Der Zählerstand kann zusammen mit anderen Daten - zum Beispiel einem Manipulationsalarm - in regelmäßigen Abständen über Dienste wie SMS oder GPRS-Datenkommunikation vom Zähler übermittelt werden. Auf ähnliche Weise können Software-Updates oder Kundeninformationen wie die Stromrechnung oder Mitteilungen vom Versorgungsunternehmen an den Zähler übertragen werden. Auch die Installation von Pre-Paid-Zählern ist auf diese Weise möglich.

Die Kommunikation über Mobilfunk bietet gegenüber der PLC-Technologie den Vorteil, dass sie ohne Optokoppler auskommt. Bei der PLC-Technologie müssen nämlich die Daten über Leitungen übertragen werden, die hohe Spannungen führen. Außerdem muss die Elektronik des Zählers beim PLC-Verfahren vor den hohen Spannungen des Stromnetzes geschützt werden. Auf keinen Fall darf eine direkte Verbindung zwischen den Stromleitungen und dem SoC (System-on-a-Chip, deutsch: Ein-Chip-System) zustande kommen, was dessen Zerstörung zur Folge hätte. Dazu benötigt man entsprechende Schutzmechanismen.

Zigbee- und Infrarot-Schnittstellen (IR): Diese beiden Kommunikationsverfahren sind für eine Kommunikation über kurze Entfernungen konzipiert. Der Ableser könnte mit einem Zigbee- oder IR-Transceiver ausgerüstet am Haus vorbeikommen, sich über sein Handgerät mit dem Zähler verbinden und den Zählerstand, Manipulationsmeldungen und so weiter auslesen. Man benötigt dann zwar immer noch Personal, aber die Ablesung geht schneller vonstatten, die Ablesekosten sinken und durch den Menschen verursachte Fehler konvergieren gegen Null. In HANs können alle Geräte mit dem Zähler oder einem Energie-Gateway über Funk vernetzt werden. Auf diese Weise kann ein Zähler oder ein Energie-Gateway die volle Kontrolle über alle Geräte im Haushalt ausüben und alle Tarifoptionen voll ausschöpfen. Dies ist quasi der Anfang des intelligenten Netzes.

Kommunikation über Ethernet: Ein Zähler kann die Ethernet-Technologie gleich in zweifacher Hinsicht nutzen: für die Kommunikation mit dem Netzwerk des Versorgungsunternehmens und für die Kommunikation mit den Geräten im Haushalt. Ethernet ist aber eher in HAN-Anwendungen verbreitet, beispielsweise zum lokalen Vernetzen von Geräten mit dem Zähler. Darüber hinaus kann der Kunde mit Ethernet über das HAN auf den Zähler und die angeschlossenen Geräte von überall auf der Welt aus zuzugreifen und nach Wunsch steuern. Das Versorgungsunternehmen vergibt an den Kunden eine Zugangs-ID sowie ein Passwort, mit dem sich dieser ins Netzwerk einloggen kann, das Zähler, Versorger und Kunde verbindet.

Smart-Card-Interface: Ein Smart-Card-Interface erweist sich in erster Linie für Pre-Paid-Anwendungen als nützlich. Die Smart-Card funktioniert wie eine Guthabenkarte im Mobilfunknetz. Wird die Karte in den Kartenleser des Zählers eingeführt, so liest dieser das gespeicherte Guthaben aus dem Speicher aus und verringert es je nach Verbrauch. Diese Lösung hat allerdings den Nachteil, dass der Kunde von Zeit zu Zeit Guthaben nachkaufen muss. Versäumt er dies, wird die Versorgung eingestellt. Das Prinzip eignet sich für ein Umfeld, in dem beispielsweise Saisonarbeiter beschäftigt oder kurzfristige Mietverträge abgeschlossen werden. So wird sichergestellt, dass Versorgungsunternehmen für Wasser, Strom und Gas schon im Voraus bezahlt werden und ihre Forderungen nicht eintreiben müssen. Smart-Card-Interfaces werden in der Regel mit Hilfe von Peripheriefunktionen wie SPI (Serial Peripheral Interface) realisiert.

Sicherheitsfunktionen und Manipulationsschutz

All diese komplexen Kommunikationsmodi machen den Zähler auch für Hackerangriffe interessant. Daher spielen der Schutz vor Manipulationen und deren Erkennen eine umso wichtigere Rolle. Ein einfacher Angriffsversuch könnte darin bestehen, das SoC so umzuprogrammieren, dass die Manipulationserkennung deaktiviert wird. Ein Passwortschutz oder ein exklusiver Administratorzugriff der betroffenen Register im SoC beugt hier vor.

Verwundbarer kann ein Stromzähler auch dann sein, wenn der Strom ausgefallen ist und das Gerät nur aus der Pufferbatterie versorgt wird. Auch wenn die Batterie entfernt wird, könnten bestimmte Funktionen des Zählers wie die innere Uhr oder die Manipulationserkennung deaktiviert werden. Das Entfernen der Batterie als Manipulationsangriff zu werten, schützt den Zähler gegen solche Probleme.

Auch die ausgetauschten Daten sind für Angriffe interessant. Per Ethernet vernetzte Zähler könnten leicht als Angriffsziel in Frage kommen. Deshalb sollten auf Netzwerkebene besonders sichere Algorithmen implementiert werden.

Sicherheitsfunktionen und Manipulationserkennung beschränken sich aber keineswegs nur darauf. AMR (Automatic Meter Reading) sorgt zwar für ein einfaches Ablesen der Zähler, aber es öffnet auch Tür und Tor für mögliche Angriffsversuche. Ein Hacker oder auch der Kunde selbst könnten versuchen, in das AMR-Netzwerk einzudringen. Das Verwenden des ANSI/CEA-709.2-Standards in HANs ist eine geeignete Maßnahme.

Die Manipulation der Prepaid-Karte ist ein anderes Thema, welches den Schutz der finanziellen Interessen des Versorgungsunternehmens betrifft. Einer Manipulation der Prepaid-Karten lässt sich durch gute Algorithmen für das Codieren und Dekodieren auf Hard- oder Softwareebene vorbeugen. Unter Sicherheitsaspekten sollte man aber auf jeden Fall den Hardwarelösungen den Vorzug geben.

Intelligentes Aktualisieren von Firmware

Das Ablesen der Zähler setzt die Datenabfrage und -verarbeitung in Echtzeit voraus. Alle Ausfallzeiten schmälern den Umsatz des Versorgungsunternehmens. Würde man daher den Zähler während einer Firmware-Aktualisierung abschalten, so würde dies in einem nicht erfassten Energieverbrauch oder einem Abschalten der Versorgung für den Kunden resultieren. Um ein solches Szenario zu vermeiden, ist es ein Muss, die Firmware bei laufendem Zähler zu aktualisieren. Eine mögliche Lösung könnte darin bestehen, den neuen Code in einem anderen Speicherbereich des SoC abzulegen und dann beim Wiederstart aus einem Low-Power-Modus oder einem Systemreset einzuspielen. Das SoC bootet dann von der Stelle, wo der neue Code abgelegt wurde. Auf diese Weise kann die Software aktualisiert werden, ohne dass die Versorgung des Kunden unterbrochen oder der Zähler neu konfiguriert werden muss.

Erkenntnisse für intelligente Zähler

Einfache elektronische Zähler verfügen nur über begrenzte Kommunikationsfähigkeiten, das heißt, sie haben keine Single-Chip-Lösung für die Kommunikation über GPRS oder Ethernet. Diese Zähler bringen für die grundlegende Kommunikation meist nur Peripheriemodule wie SPI, I²C oder UART mit. Um nun komplexere Kommunikationsprotokolle zu unterstützen, müssen diese SoCs mit weiteren externen Bausteinen beschaltet werden. So können zum Beispiel I²C/SPI/UART eingesetzt werden, um den einfachen Zähler mit einem Chip für die Kommunikation über GPRS oder einem ZigBee-Transceiver zu beschalten, der das gewünschte Kommunikationsprotokoll unterstützt.

Gerade weil das Konzept der intelligenten Zähler so viele mögliche Kommunikationsarten zulässt, ist es schwierig, eine Single-Chip-Lösung zu finden, die auf nur einem Chip alle möglichen Modi wie Ethernet, GPRS, PLC und so weiter bedienen kann. Würde man andererseits alle möglichen Peripheriemodule für GPRS, Ethernet, PLC und so weiter auf einem einzigen Chip integrieren, so würde das nicht nur den Preis für die MCU (Mikrocontroller Unit) nach oben treiben, sondern auch in einem höheren Stromverbrauch resultieren. Es sei denn, man greift auf spezielle Techniken wie Clock-Gating und Low-Power-Architekturen zurück - ebenfalls ein wichtiger Aspekt für Zähleranwendungen.

Das oben Ausgeführte spricht für sich und die enorme Flut von Funktionen zeigt, dass wir bei intelligenten Zählern nicht mehr ganz am Anfang stehen. Tatsächlich eröffnet die Technologie neue Möglichkeiten sowohl für Versorgungsunternehmen, die diesen lukrativen Markt in Angriff nehmen können, als auch für Entwickler, die mögliche Probleme nicht nur erahnen, sondern mit Lösungen aufwarten müssen, bevor diese sich auf die große Zahl der Nutzer auswirken.

Weitere Informationen

[1] Sunil Deep Maheshwari: Elements of Basic Utility Meters (Elemente einfacher Versorgungszähler); www.techonline.com/learning/techpaper/222700808

[2] Barry Haaser: Connecting Smart Homes and Smart Grids to Save Energy (Energie sparen durch die Vernetzung intelligenter Haushalte mit intelligenten Versorgungsnetzen); www.digitalhomedesignline.com/howto/209903204

[3] Prashant Bhargava und Mohit Arora: A “Stitch” in Time: Accurate Timekeeping with On-Chip Compensation (Zeit ohne Knoten: integrierte Kompensation für präzise Taktversorgung), IEEE VLSI Conference 2009; www.computer.org/portal/web/csdl/doi/10,1109/VLSI.Design.2009,70

[4] Anti Tamper: MCF51EM256 Anti Tamper Features a Leap Towards Robust Smart Metering Solution (Antimanipulationsfunktionen des MCF51EM256 - ein Quantensprung für robuste intelligente Zähler); www.freescale.com/files/industrial/doc/brochure/BRMETERING__INT_ISSUE_4_09,pdf

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