Le M-Bus sans fil, une solution européenne adaptée

A P P L I C A T I O N
Réseaux industriels sans fil
Le M-Bus « sans fil »,
une solution européenne adaptée
aux compteurs intelligents
Le marché des compteurs intelligents évolue rapidement avec l’avènement de plates-formes
intégrées à consommation ultrafaible. Les déploiements en nombre de solutions Wireless
M-Bus en Europe sont d’ores et déjà attendus. Et l’arrivée de microcontrôleurs à ultrabasse
consommation, associés à des circuits radio sub-GHz sur des architectures flexibles
capables de supporter plusieurs protocoles, va ouvrir la voie à ces applications de volume.
L
e terme Internet des Objets
(IoT, Internet of Things) a
acquis ces dernières années
une énorme popularité avec
l’explosion des réseaux de capteurs
sans fil, des compteurs intelligents,
des dispositifs domotiques et de
l’électronique portée sur soi. Ce
vocable englobe à la fois les réseaux
extérieurs, tels que les réseaux intelligents de distribution d’électricité et
d’éclairage urbain, et les réseaux intérieurs de portée plus courte qui
équipent la maison connectée et
relient les systèmes de sécurité résidentiels et de gestion de l’énergie.
Dans ce paysage, des protocoles logiciels basés sur des standards de
connectivité sans fil offrent une technologie essentielle pour mettre en
œuvre concrètement l’Internet des
objets. Un exemple en est la connectivité sans fil pour les systèmes de
compteurs intelligents. Et l’un des
protocoles sans fil les plus utiles et les
plus cotés pour les compteurs intelligents au cours des dernières années
est le Wireless M-Bus, largement utilisé pour les applications de mesure
à travers toute l’Europe.
Qu’est-ce que le Wireless
M-Bus ?
Le Meter-Bus ou M-Bus est basé sur
des normes européennes pour la
communication des compteurs intelligents. Cette connectivité peut être
filaire ou sans fil, et la norme spécifie
le lien de communication entre les
compteurs intelligents et les collecteurs (ou concentrateurs) de données
(figure 1). La norme s’applique également aux répartiteurs de systèmes
de chauffage et aux dispositifs itiné-
26 / L’EMBARQUÉ / N°11 / 2015
spécifiées par la norme même si les
compteurs sont accessibles individuellement et peuvent supporter sous
certains modes le relais ou l’acheminement des messages. Les débits de
données faibles, les petites tailles de
paquets et l’implémentation réduite
de la pile logicielle apportent une
solution pour installer des équipements à faible consommation
Vivek Mohan,
(figure 2). Cet aspect est critique pour
directeur senior
les compteurs d’eau et de gaz, qui
Produits, MCU
sont alimentés par batterie et ont
et produits sans
fil pour l’IoT,
besoin de fonctionner de manière
Silicon Labs.
fiable pendant plus de 10 ans. Les
fréquences, la modulation choisie
(basée sur la technologie FSK, Frequency Shift Keying) et les bandes
passantes requises par la norme
assurent un meilleur rendement spectral pour ce type d’application que
ceux constatés avec une approche
basée sur des technologies à étalement de spectre. La technologie sousjacente, complètement basée sur des
normes, est disponible
auprès de plusieurs four­
1 ARCHITECTURE DES COMPTEURS CONNECTÉS
nisseurs, ce qui en fait une
La norme européenne M-Bus spécifie le lien de communication
solution compétitive sur le
entre les compteurs intelligents et les collecteurs de données.
marché. De ce fait, la combinaison de tous ces facteurs
fait du Wireless M-Bus une
solution de connectivité rentable pour les applications
de compteurs intelligents en
Europe.
AUTEUR
rants ou stationnaires pour le relevé
des compteurs distants. Wireless
M-Bus, la version sans fil de la norme
M-Bus, existe depuis plus d’une
décennie et connaît une croissance
continue avec de nombreux déploiements à travers l’Europe. Basé sur des
bandes de fréquence situées en dessous du GHz (169 MHz, 434 MHz et
868 MHz), le M-Bus « sans fil » utilise
un simple réseau en étoile pour la
configuration du réseau avec un protocole optimisé selon les besoins des
dispositifs de compteurs intelligents.
Les fréquences en dessous du GHz
assurent de meilleures caractéristiques de propagation que des fréquences plus élevées telles que le
2,4 GHz. Cette longue portée permet
aux ondes radio d’atteindre des
endroits d’accès difficiles comme les
installations souterraines ou les
compteurs placés derrière plusieurs
murs ou obstacles. L’adressage IP et
la topologie de maillage ne sont pas
Quelles normes ?
Quels organismes
de spécification ?
Plusieurs normes et organisations européennes se sont
intéressées au Wireless
M-Bus. Cependant, il n’y a
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Réseaux industriels sans fil
aucun processus commun d’alliance
ou de certification au sein de l’industrie qui soit spécifiquement créé pour
le M-Bus sans fil. En Europe, tous les
périphériques sans fil sous le GHz
doivent être conformes à la norme
ETSI EN 300 220 qui fixe, entre
autres spécifications, les limites
d’émission dans différentes bandes
de fréquence. Le Comité européen
de normalisation (CEN) définit également la norme EN13757, qui comprend six parties différentes. Les parties 3 et 4 sont les plus pertinentes
pour les implémentations Wireless
M-Bus. Les différentes parties spécifient les exigences, de la couche
physique à la couche applicative, à
la fois pour les implémentations
M-Bus filaires et sans fil (voir
tableau I). La dernière version du
standard EN13757, qui a été approuvée en 2013 avec des spécifications
améliorées (plus strictes) dans le
domaine RF, remplace la version précédente de la norme parue en 2005.
En plus des documents de normalisation, des organisations régionales
précisent également l’utilisation du
M-Bus sans fil. Un aspect compliqué
est que chacune de ces régions a des
exigences particulières qui chapeautent la norme et peut choisir
dans celle-ci des modes spécifiques
afin de répondre aux besoins de leur
environnement. GrDF en France,
CIG en Italie et l’OMS Group sont
des exemples de ce type de comportement.
Wireless M-Bus : différents
modes et fréquences
possibles
A ce sujet, le tableau II montre plusieurs modes sans fil spécifiés à
diverses fréquences. Les modes S, T,
C et N sont les plus couramment utilisés avec le mode N gagnant en
popularité dans la bande 169 MHz.
Les modes R et F sont moins fréquents. Par ailleurs, les modes P et Q
ne sont pas utilisés à l’heure actuelle.
Ces modes ont des sous-modes unidirectionnels et bidirectionnels.
Chaque pays européen définit ainsi
ses propres exigences les mieux
adaptées à l’environnement et aux
infrastructures disponibles. Ce qui
permet de satisfaire les entreprises de
service public spécifiques à la région,
mais ajoute dans le même temps des
exigences supplémentaires pour les
fournisseurs y compris les concep-
I.- LES DIFFÉRENTS VOLETS DE LA NORME EN13757
EN13757
OBJET
Partie 1
Communication basique des données entre les compteurs et les collecteurs
Partie 2
Exigences pour la couche physique du M-Bus filaire
Partie 3
Couche applicative
Partie 4
Couches physique et de liaison de données pour le M-Bus sans fil
Partie 5
Mécanismes de relais et de routage pour des améliorations de la portée
Partie 6
Bus local pour les liaisons filaires de courte distance
teurs de semi-conducteurs, les fabricants de compteurs et les développeurs de logiciels. Afin de fournir
une plate-forme commune, la solution complète, comprenant le matériel et le logiciel, doit donc être
architecturée de manière souple et
modulaire de sorte qu’elle puisse
s’adapter à ces exigences régionales
spécifiques. La sécurité et la performance radio sont ici des aspects critiques pour les applications de
compteurs, une règle également
valable pour les exigences additionnelles des différentes régions. Prenons l’exemple de la France et de
l’Italie afin de mettre en évidence
quelques-unes des principales caractéristiques de ces régions.
France et Italie : des
exigences spécifiques
En France, GrDF spécifie l’utilisation
des modes N à 169 MHz. Ces modes
N sont à bande étroite et à faible
débit de données pour une utilisation
efficace du spectre de fréquences. Ils
précisent également un mode de diffusion globale afin de mettre à jour
plusieurs compteurs avec des exigences de sécurité avancées. Un
mode à grande vitesse, baptisé
4GFSK (4-level Gaussian Frequency
Shift Keying), est défini en option
pour soutenir des débits plus élevés,
tout en maintenant un canal à
12,5 kHz à bande passante étroite.
Pour garantir spécifiquement une
meilleure performance radio, une
sensibilité améliorée ainsi qu’un blocage et une sélectivité qui vont
au-delà des exigences standard sont
attendus avec une erreur de déviation de fréquence limitée pour une
tolérance de 0,2 %.
En Italie, l’opérateur CIG se base
également sur le mode d’opération
N dans la bande de fréquence
169 MHz. En outre, CIG suit la spécification italienne UNI TS 1129111-4, qui implique d’apporter
quelques modifications à l’interface
des couches applicatives et de transport. La couche applicative est basée
sur les spécifications DLMS/COSEM
(Device Language Message Specification/ Companion Specification for
Energy Metering) décrites dans la
norme CEI 62056, et la méthode
d’accès au canal repose sur les protocoles Aloha et LBT (Listen Before
Talk). Une fenêtre de diffusion globale est également ouverte pour le
téléchargement du firmware. Les
exigences de la couche physique
sont également spécifiques. Afin
d’atteindre une longue portée, la
puissance émise maximale est de
II.- MODES SANS FIL À DES FRÉQUENCES SOUS LE GHZ
MODE
FRÉQUENCE
(MHZ)
NOTES
S (stationnaire)
868
Les compteurs envoient des données de temps en temps
dans une journée
T (transmissions fréquentes)
868
Les compteurs envoient des données plusieurs fois par jour
C (compact)
868
Version du mode T à débit de données supérieur
N (bande étroite)
169
Système à longue portée et bande étroite
R (réceptions fréquentes)
868
Le collecteur lit plusieurs compteurs sur différents canaux
de fréquence
F (transmission et réception
fréquentes)
433
Fréquentes communications bidirectionnelles
L’EMBARQUÉ / N°11 / 2015 /
27
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Réseaux industriels sans fil
2 COMPARAISON DE LA PILE WIRELESS M-BUS SANS FIL ET DU MODÈLE OSI
Du fait du nombre réduit de couches logicielles de la pile de protocoles M-Bus, ce protocole
de communication peut être implémenté dans moins de 32 Ko de mémoire flash, autorisant
l’utilisation d’un microcontrôleur basse consommation.
+ 27 dBm avec l’exigence supplémentaire de paliers d’au plus 3 dB de
- 27 dBm à + 27 dBm. Les documents
de spécification fournissent des
détails supplémentaires.
Le mode de fonctionnement N spécifié en France et en Italie impose la
détection ultrarapide du préambule
avec un préambule très court limité
à 2 octets. Les émetteurs-récepteurs
sans fil sous le GHz tels que les composants Si446x EZRadioPRO de Silicon Labs peuvent soutenir ces exigences ainsi que d’autres contraintes
spécifiques au Wireless M-Bus.
L’Open Metering Specification (OMS)
et la Dutch Smart Meter Recommendations (DSMR) ont également des
règles spécifiques relatives à la
couche d’application, à l’utilisation
de champs dans la structure de
paquet et à une sécurité renforcée.
Implémenter concrètement
une solution Wireless
M-Bus
Il y a plusieurs options disponibles
pour des solutions de compteurs à base de M-Bus
sans fil, des composants
semi-conducteurs aux
piles logicielles en passant par les modules.
Les composants de base
nécessaires à une solution Wireless M-Bus sans
fil à haute performance
incluent généralement
un microcontrôleur à
faible consommation, un
28 / L’EMBARQUÉ / N°11 / 2015
émetteur-récepteur sub-GHz haute
performance qui puisse décharger le
processeur hôte, et une architecture
de pile modulaire offrant la souplesse
nécessaire au support des exigences
d’une connectivité sans fil. Des outils
de développement complets doivent
également être disponibles pour
concevoir et configurer des compteurs. Le nombre réduit de couches
requises par la pile M-Bus fait que sa
taille peut être implémentée avec
moins de 32 Ko de mémoire flash
selon le mode et le type d’appareil,
ce qui se traduit par une solution
MCU à faible coût du fait des exigences réduites en termes de capacités mémoire flash et RAM. La couche
applicative est définie par l’utilisateur
et peut aussi bien obéir à OMS,
DSMR, DLMS/COSEM qu’à toute
autre personnalisation de la couche
applicative. Le Hardware Application
Layer (HAL) ouvert permet la configuration matérielle de bas niveau de
périphériques tels que les débits en
bauds GPIO ou
UART (figure 2). Ce type d’architecture modulaire permet une flexibilité
maximale afin de soutenir une
grande variété de dispositifs avec une
version commune de la pile. Par
exemple, Silicon Labs offre une solution de plate-forme complète pour
les applications Wireless M-Bus sans
fil qui comprend une pile logicielle
développée par la société allemande
Stackforce, optimisée pour fonctionner sur les microcontrôleurs EFM32
de Silicon Labs basés sur des cœurs
ARM Cortex-M0+, M3 et M4 et des
émetteurs-récepteurs radio sub-GHz
EZRadioPRO. La plate-forme sans fil
MCU EZR32, hautement intégrée et
de petit facteur de forme, combine la
pile sans fil, le MCU et l’émetteur-récepteur. Le tout dans une solution
monopuce idéale pour les conceptions sans fil à espace restreint.
Sur ce type d’architecture, il est
important que le microcontrôleur et
la partie radio supportent divers
modes de fonctionnement à faible
consommation tels que les états de
sommeil et de veille. Il faut aussi
qu’ils aient la capacité de se réveiller
rapidement pour traiter un paquet
entrant, un aspect d’importance pour
les compteurs alimentés par batterie.
Une autre considération matérielle à
prendre en compte est l’autonomie
des périphériques et des interfaces
de capteurs afin de prolonger la vie
de la batterie. Des kits matériels à
fréquence RF adéquate pour soutenir
169 MHz et 868 MHz peuvent également aider lors de la phase initiale
d’évaluation et de débogage. Par
exemple, sur la plate-forme matérielle Wireless M-Bus basée sur le
microcontrôleur sub-GHz EZR32 de
Silicon Labs (photo), le module radio
est optimisé pour fonctionner à différentes fréquences et niveaux
de puissance afin de répondre
aux exigences réglementaires en
Europe, incluant les fréquences de
868 MHz et 169 MHz pour le
M-Bus sans fil avec une
variété d’interfaces et d’options de débogage pour simplifier le développement. n
Cette carte
de développement
et de prototypage
signée Silicon Labs
est optimisée pour
les applications M-Bus
sans fil.
●
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