iO881A adheres magnetically to the optical interface of the meter

Mit der Feststellung eines dritten Anbieters für intelligente Messsysteme durch das BSI (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik) Anfang 2020, ist der Startschuss für den lange erwarteten „Rollout“ endlich gekommen.

Die Installation von sogenannten intelligenten Messsystemen, also Systemen, die mit Hilfe eines Kommunikationsmoduls kommunizieren können, ist bei einem jährlichen Verbrauch von über 6.000 kWh Pflicht. Jedoch liegt der Verbrauch in vielen Haushalten unter dieser Schwelle, so dass hier  lediglich sogenannte „moderne“ Stromzähler eingebaut werden. Diese verfügen zwar über ein Display, nicht aber über ein Kommunikationsmodul. Eine Bereitstellung der Daten für Mehrwertdienste (Visualisierung von Verbrauchsdaten, Nachweis von Energieeffizienz, etc.) wird somit nicht ohne Weiteres möglich sein.

Bereits mit der Entwicklung des funkbetriebenen optischen Lesekopfes Power Control für die RWE Produktfamilie Smart Home, hat die IMST GmbH wertvolle Erfahrungen im Bereich der optischen Leseköpfe gesammelt.

Basierend darauf bietet die IMST GmbH mit dem Paket iOKE868 for LoRaWAN®, nun eine Version eines bidirektionalen optischen Lesekopfes iO881A an, der die Long-Range Funktechnik LoRaWAN® auf 868 MHz beinhaltet. Mit ihm können Verbrauchsdaten von diversen Zählern sicher in die Cloud übertragen werden, wo Mehrwertdienste die Daten verarbeiten können. Der Lesekopf iO881A ist sowohl für private Haushalte als auch für Gewerbekunden gedacht.

Bereits mit der Entwicklung des funkbetriebenen optischen Lesekopfes Power Control für die RWE Produktfamilie Smart Home, hat die IMST GmbH wertvolle Erfahrungen im Bereich der optischen Leseköpfe gesammelt.

Funktionsbeschreibung

Das Paket iOKE868 for LoRaWAN® beinhaltet neben dem optischen Lesekopf iO881A, eine externe Antenne und ein USB Kabel zum Anschluss einer Batterie oder eines USB Netzteils. Aufgrund seiner LoRaWAN® Zertifizierung, ist die Kompatibilität mit existierenden LoRaWAN® Netzwerken sichergestellt. Ist ein Netz vorhanden, so wird zum Betrieb des Lesekopfes iO881A keine weitere Infrastruktur benötigt.

Der magnetisch haftende Lesekopf iO881A ist einfach zu installieren und einer der wenigen funkbasierten optischen Leseköpfe, der die Anforderungen der IEC62056-21 Norm bzgl. der Größe  einhält. Damit ist sichergestellt, dass ein Zählerschrank bei installiertem Lesekopf auch geschlossen werden kann. Der Lesekopf wird mit einer externen Antenne inklusive eines 2m langen Antennenkabels ausgeliefert. Die ebenfalls magnetisch haftende Antenne kann einfach außerhalb des meist metallischen Schaltschrankes installiert werden und ermöglicht somit eine höhere Reichweite. Des Weiteren existiert aufgrund des 2m langen Antennenkabels ein Freiheitsgrad bei der Wahl des Installationsortes der Antenne. Dies kann insbesondere bei schwierigen Installationsumgebungen z.B. in Kellerräumen einen entscheidenden Vorteil bieten.

Der Lesekopf iO881A „versteht“ die Formate SML und IEC62056-2, welche von den meisten marktüblichen Zählern verwendet werden. Weiterhin werden nicht nur Stromzähler unterstützt, sondern alle elektronischen Verbrauchs- oder Erzeugungszähler (Strom, Photovoltaikanlagen, Wasser, Gas, Wärme, …), die mit entsprechender Infrarotschnittstelle ausgestattet sind.
Der Lesekopf iO881A kann mit dem mitgelieferten USB Kabel an einen PC/Laptop angeschlossen werden. Mit Hilfe des kostenfreien Konfigurationstools WS-Configurator stehen die folgenden Funktionen zur Verfügung:

Allgemeine Geräteinformationen und Software-Update.

Ausgabe aller durch den Lesekopf erkannten OBIS1 Kennzahlen, die der jeweilige Zähler auf der Infrarotschnittstelle ausgibt2.

Ein Direct-Mode, der eine ungefilterte Ausgabe der Infrarotdatensätze auf der USB Schnittstelle ermöglicht.

Einfaches Einbinden des Lesekopfes in ein LoRaWAN® Netzwerk.

Erstellen von bis zu 32 OBIS Filtern aus der Auswahl der erkannten OBIS Kennzahlen.

Erstellen von bis zu 32 Kalenderereignissen (Senden des Gerätestatus, Zählerauslesung und Übertragung) inklusive entsprechender Wiederholraten auf Minuten-, Stunden-, Tages- und Wochenbasis oder auch kontinuierlicher Betrieb.

Zuweisung der konfigurierten OBIS Filter zu den einzelnen Kalenderereignissen. Die eingestellten Filter werden auf die Zählerdatensätze angewandt um das Datenvolumen entsprechend zu reduzieren.

Der Lesekopf iO881A „versteht“ die Formate SML und IEC62056-2, welche von den meisten marktüblichen Zählern verwendet werden.

iO881A. Optical reading head

Der Lesekopf iO881A verfügt neben einem Taster und einer zweifarbigen LED, auch über eine USB Schnittstelle. Über diese Schnittstelle kann der Lesekopf mittels eines Batteriepacks für Standard AA Batterien, oder mit einem USB Netzteil versorgt werden. Aufgrund der niedrigen Stromaufnahme von nur 4µA ist ein Batteriebetrieb über mehrere Jahre möglich3.
Die für den Kalenderbetrieb notwendige Uhrzeit bzw. das Datum, kann von dem jeweiligen LoRaWAN® Netzwerk regelmäßig als ein Kalenderereignis angefordert werden. Der Lesekopf synchronisiert sich dann automatisch regelmäßig mit der Uhrzeit und dem Datum des LoRaWAN® Netzwerks. Dies ermöglicht u.a. Ablesungen zu definierten Stichtagen, wie z.B. jedem 1. oder 15. des Monats.

Der Lesekopf iO881A ist LoRaWAN® zertifiziert und kann somit in allen LoRaWAN Netzen betrieben werden. Dazu sind die entsprechenden Schlüssel des jeweiligen LoRaWAN Netzes mit dem WS-Configurator im Lesekopf zu konfigurieren. Die Übertragung zwischen dem iO881A und dem LoRaWAN Netzwerk erfolgt somit verschlüsselt und authentifiziert.
Der integrierte LoRaWAN® Protokollstapel des iO881A sorgt für die Einhaltung der regulatorisch vorgeschriebenen Duty Cycle4 Anforderungen, so dass bei einer kontinuierlichen Erfassung der Zählerdaten automatisch die erlaubte, höchst mögliche Funkübertragungsrate gewählt wird.

Des Weiteren wird vom LoRaWAN® Protokollstapel über das sogenannte ADR5 (Adaptive Data Rate) Verfahren die Datenrate in Abhängigkeit von der LoRaWAN® Verbindungsqualität optimal geregelt. Dabei hilft speziell die externe Antenne mit dem 2 Meter langen Antennenkabel des iO881A. Sie ermöglicht die Installation der Antenne außerhalb des Schaltschrankes und erlaubt somit, i.d.R. die Nutzung einer höheren Funkdatenrate im Vergleich zu einer integrierten Antenne.

Mit dem iOKE868 LoRaWAN® Zählerdaten einfach und sicher in die Cloud bringen

Ein weitverbreitetes LoRaWAN® Netzwerk ist das des Anbieters TheThingsNetwork (TTN). Laut TTN besteht das LoRaWAN® Netzwerk derzeit aus über 15.700 Gateways. Die Nutzung für Gateways und Endgeräte ist in dieser Basisvariante kostenlos. Neben dem LoRaWAN® Netzwerk wird noch eine Cloud Plattform benötigt, die entsprechenden Daten aufbereitet und visualisiert. Hier bietet TagoIO eine Vielzahl an kostenlosen Möglichkeiten zur Datenaufbereitung,  -Visualisierung, -Analyse und Alarmierung bei kritischen Werten.
Zum Betrieb des Lesekopfes iO881A mit TTN und TagoIO ist bei TagoIO bereits ein sogenannter Connector hinterlegt. Dieser bildet netzseitig den Lesekopf iO881A schon vollständig ab, so dass hier lediglich der Lesekopf iO881A als Gerät (Device) ausgewählt werden muss. Der Connector beinhaltet auch einen Visualisierungsvorschlag, ein sog. Dashboard, und einen sog. Parser (Dateninterpreter), der netzseitig die empfangenen Daten interpretiert und für die Visualisierung aufbereitet.
Eine Inbetriebnahme und eine Visualisierung der Verbrauchsdaten mittels PC/Laptop oder auch mit einem Smart Phone, ist somit in wenigen Schritten möglich. Eine entsprechende Anleitung ist Bestandteil des Paketes iOKE868 for LoRaWAN®. Zusätzlich sind weitere Skripte für andere Plattformen Bestandteil des iOKE868 for LoRaWAN® Paketes. Diese und die entsprechenden Dash-Boards zur Visualisierung, können darüber hinaus nach eigenem Bedarf angepasst und verändert werden.

TagoIO Platform

Eine weitere Alternative ist die Verwendungen des OpenSource Projektes ChirpStack. Mit diesem kostenlosen Software Paket ist der Betrieb eines eigenen LoRaWAN Netzwerkes möglich. Allerdings sind die dafür notwendigen Arbeiten durchaus etwas umfangreicher, so dass diese Alternative für Einzelgeräte i.d.R. nicht sinnvoll erscheint. Da der ChirpStack aber in vielen Gemeinden bzw. Städten in sog. Campusnetzen verwendet wird, stellt die IMST GmbH eine entsprechende Anwendungsanleitung zur Verfügung. Eine Implementierung des ChirpStacks in Verbindung mit einer Influx Datenbank und einer grafana Visualisierung, ist seit Jahren in Kamp-Lintfort erfolgreich in Betrieb.

Grafana data visualisierung

[1] Die Messwerte, Zählerstände, Verbrauchsdaten inkl. deren Einheiten werden in sog. OBIS (“Object Identification System”) Kennzahlen kodiert.
[2] Zähler können je nach Hersteller und Einstellung unterschiedliche OBIS Kennzahlen ausgeben. Für weitere Informationen wird hier auf den Messstellenbetreiber verwiesen.
[3] Die Betriebszeit ist abhängig von der Konfiguration des Systems.
[4] Der Duty Cycle definiert eine gesetzlich geforderte Einschränkung der Sendezeit eines Gerätes.
[5] In einer LoRaWAN Verbindung wird bei schlechter werdender Verbindungsqualität die Datenrate entsprechend reduziert.

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