نظام ناقل العداد اللاسلكي Wireless M-Bus

تم تصميم “Wireless M-Bus” ليكون حلاً قوياً وموفراً للطاقة وطويل المدى للاتصالات اللاسلكية يعمل في نطاقات “ISM” الخالية من الترخيص، حيث تم نشر معيار “Wireless M-Bus” لأول مرة في عام 2003م وتم تحسينه منذ ذلك الحين بناءً على التعليقات الواردة من عدة آلاف من التركيبات الميدانية في بيئات قاسية للغاية.

ما هو ناقل العداد اللاسلكي Wireless Meter Bus؟

ناقل العداد اللاسلكي “wM-Bus”: هو معيار أوروبي “EN 13757-4” يحدد الاتصال بين عدادات الاستخدام ومسجلات البيانات أو المحاور أو بوابات العدادات الذكية.

تم تطوير الناقلة اللاسلكية “M-Bus” كمعيار لتلبية احتياجات الشبكة الأوروبية من عدادات الوسائط وأنظمة القراءة عن بُعد، وتشكل الأساس لبنية تحتية جديدة للقياس المتقدم “AMI”، كما تم استخدام تردد “M-Bus” والتوصيلات اللاسلكية الفرعية “GHz” لعدة سنوات، ولكنّه لا يزال يتطور للتكيف مع البيئات المتغيرة والاستفادة من التطورات التكنولوجية، بما في ذلك ظهور إنترنت الأشياء.

يحدد معيار “Wireless M-Bus” من “EN13757-4: 2014-2” رابط اتصال التردد اللاسلكي بين عدادات المياه والغاز والحرارة والكهرباء وأجهزة جمع البيانات، حيث يتم قبوله على نطاق واسع في أوروبا للقياس الذكي أو تطبيقات بنية Hلقياس المتقدمة “AMI”، كما تم استهداف ناقل “M-Bus” اللاسلكي في الأصل للعمل في النطاق “868 ميجاهرتز”، ممّا يوفر مفاضلة جيدة بين نطاق التردد اللاسلكي وحجم الهوائي ويوفر ميزانية ارتباط مناسبة لنطاق شبكة المنطقة المنزلية داخل المباني.

تمت إضافة نطاقي “ISM” آخرين “169 ميجاهرتز” و”433 ميجاهرتز” لاحقاً إلى مواصفات “wM-Bus”، ممّا يوفر حلولاً ضيقة النطاق مع ميزانية ارتباط أعلى بشكل ملحوظ، وبالتالي تمكين حلول طويلة المدى مثل شبكات منطقة العاصمة في المدن المكتظة بالسكان.

تعتمد شبكة “M-Bus” اللاسلكية على شبكة طوبولوجيا نجمية مع أجهزة رئيسية وأخرى تابعة موصوفة في معيار “EN 13757″، والتي تضم عدداً من أوضاع التشغيل المختلفة “S” و”T” و”R” و”C” بتردد “868 ميجا هرتز” و”F” بتردد “433 ميجا هرتز” و”N” بتردد “169 ميجا هرتز”، كما تقدم “ST” مجموعة من أجهزة الإرسال والاستقبال الفرعية بسرعة “1 جيجاهرتز” والميكروكونترولر “STM32” جنباً إلى جنب مع مجموعة كبيرة من مكتبات البرامج، بما في ذلك بروتوكول البرامج الثابتة المجاني لـ “wM-Bus” للتقييم وتنفيذ نموذج لبوابة “wM-Bus” بالإضافة إلى أدوات الأجهزة التي تتيح السرعة تطوير ونشر شبكات “wM-Bus”.

• “ISM” هي اختصار لـ ” Industrial, Scientific and Medical”.

• “EN” هي اختصار لـ “European Standard”.

• “AMI” هي اختصار لـ “Advanced Metering Infrastructure”.

• “STM32” هي اختصار لـ “STMicroelectronics”.

ما هو بروتوكول M-Bus اللاسلكي؟

• تكوين شبكة نجمة مع أجهزة إرسال اختيارية.

• بروتوكول خفيف الوزن لتكلفة منخفضة وتبديد منخفض للطاقة.

• دعم للاتصال أحادي الاتجاه أو ثنائي الاتجاه.

• خيارات تردد “868 ميجاهرتز” أو “433 ميجاهرتز” أو “169 ميجاهرتز”.

• دعم التشفير والمصادقة “AES-128”.

• تعمل على نطاقات “ISM” بدون ترخيص.

• توفير أجهزة الإنذار والأعطال.

• معدل نقل البيانات من “2.4 كيلوبت في الثانية” إلى “100 كيلوبت في الثانية” حسب الوضع والتردد.

• نطاق عملي يبلغ “500 متر” عند “868 ميجا هرتز” و”2000 متر” عند “169 ميجا هرتز”.

• يدعم عمر بطارية طويل من “15-20 سنة” في التطبيقات المجربة ميدانياً.

• طبقة مادية وطبقة “MAC” بالإضافة إلى إطار عمل لطبقة التطبيق المحددة بواسطة معيار “EN 13757”.

• تفاصيل طبقة التطبيق المحددة بواسطة “OMS” للاستخدامات السائدة.

• لهجة اختيارية أخرى لحالات الاستخدام، حيث توجد الأجهزة في أماكن يصعب الوصول إليها “WIZE”.

• لهجتان اختياريتان لحالات الاستخدام الخاص “GrDF” و”CIG”.

يحدد بروتوكول “M-Bus” اللاسلكي الاتصال بين استجابة جهاز القياس، وأجهزة الاستشعار وبوابات التحكم “MUCs”، حيث هناك 3 أوضاع تشغيل “S” و”T” و”R” لمختلف المتطلبات والاتصال أحادي الاتجاه وثنائي الاتجاه للأنظمة المتنقلة أو الثابتة، أمّا بالنسبة لنطاق الاتصال الطويل تستخدم وحدات التردد اللاسلكي نطاق تردد من “868 ميجاهرتز” إلى “870 ميجاهرتز” مع عرض قناة يبلغ “100 كيلو هرتز” ومعدل بيانات يبلغ “16.4 كيلو بت في الثانية”، كما يمكن تشفير الاتصال باستخدام خوارزمية “AES” حوالي “128 بت”، لذلك هناك حماية كافية ضد الاستماع والهجمات، وعلاوة على ذلك هناك ميزات أمان إضافية مثل الحماية من هجمات إعادة التشغيل.

يعتمد بروتوكول “Wireless M-bus “على شبكة خاصة غير مشغلة، ومن أجل التشغيل تتطلب شبكة لاسلكية “M-bus” بوابات تسمح بالاتصال بين جميع أجهزة الاستشعار ونظام معلومات بعيد، كما يعتبر “868 ميجاهيرتز” تقليديا هو النطاق الأكثر استخداماً، وفي المجال الحر تكون المسافات التي يمكن تغطيتها بين المستشعر والمكثف في حدود “1 كم”، حيث يعد استخدام شبكة راديو “868 ميجا هرتز” داخل المبنى أكثر تعقيداً، كما يمكن أن تشكل الأقسام الداخلية مشكلة كبيرة أمام إرسال الموجة وقد تتطلب استعمال أجهزة إعادة الإرسال.

ملاحظة:“OMS” هي اختصار لـ “Open Metering Systems Group” و”MAC” هي اختصار “Media Access Control”.

ملاحظة:“GrDF” هي اختصار لـ “Gaz Reseau Distribution France” و”CIG” هي اختصار لـ “Comitato Italiano Gaz”.

ملاحظة:“AES” هي اختصار لـ “Advanced Encryption Standard”.

كيفية نقل البيانات مع M-bus:

يجب الإعلان عن الجهاز باعتباره الجهاز الرئيسي في نظام قادر على ناقل المجال، وهذا مسؤول أيضاً عن جمع البيانات من الرقيق وتخزينها أو معالجتها حسب الحاجة، كما يتم بعد ذلك تهيئة الاتصال عن طريق التصويت على قراءة العداد المرسلة من الرئيس إلى الناقل، ووفقاً لذلك قد يكون هناك مسؤول واحد فقط في الشبكة، وإلّا فسيكون هناك خطر عنونة خاطئة، وعندما يكون هناك اتصال بين المكونات يمكن تزويد ناقل المجال بالطاقة عبر الأطراف.

يتم اتخاذ موقف المسؤول إمّا عن طريق جهاز كمبيوتر به محول مستوى أو بواسطة جهاز مستقل، حيث كقاعدة عامة، يصل إرسال بيانات الاستهلاك إلى سرعة تتراوح من “300 باود” إلى “9600 باود”، وعند استخدام “M-bus”، يثبت إهمال الهيكل الثابت أنّه مفيد، حيث يمكن بعد ذلك تشكيل المشاركين حسب الحاجه كسلسلة أو يمكن أن يتخذوا شكل بنية نجمة، كما يقتصر عدد العدادات القابلة للاستخدام على “250 في مقطع”، ولكن يمكن زيادة المجموع دون مشاكل إلى مضاعف باستخدام أجهزة إعادة الإرسال والتي تُستخدم بشكل خاص للتركيبات الكبيرة والمعقدة، وعندما يرسل المسؤول استفساراً إلى الأجهزة الطرفية تجيب الأجهزة الطرفية عن طريق تعديل استهلاك الطاقة، ومع هذا الشكل من نقل البيانات، من المهم أن تبقى قيمة التيار الهادئ دائماً ثابتة ضمن الحدود.

نقاط القوة والضعف في M-bus:

• إنّه غير مكلف ويسهل تحقيقه وله تركيب محمي ضد القطبية المعكوسة.

• يمكن تزويد جميع المحطات بالتيار عبر الناقلة، وتتوفر دوائر واجهة بسيطة ومتكاملة.

• بفضل الاتصال الرقمي عبر ناقل العداد، يصبح من الممكن تحديد قيم القياس الدقيقة ونقلها إلى التركيبات النهائية للتقييم.

• يمكن تشغيل العديد من الأجهزة الطرفية على جزء واحد، ويمكن توسيع الشبكة حسب الرغبة عن طريق أجهزة إعادة الإرسال.

• يتيح “M-bus” تسجيل استهلاك التركيبات على مسافات كبيرة باستخدام مودم رئيسي.

• على سبيل المثال، يجب اعتبار التوحيد القياسي ضمن مستوى البروتوكول غير مكتمل، بحيث يجب ضمان التوافق العام مع وحدة التقييم قبل استخدام جهاز طرفي جديد، والمقابس المستخدمة للتوصيل ليست موحدة ونقل البيانات غير مناسب للتحكم في العملية.