M-Bus

M-Bus

M-Bus, que es un sistema electrónico doméstico de bajo costo (HES).
Esta documentación sobre el M-Bus es publicada por el Grupo de usuarios de M-Bus, que es una Organización internacional de usuarios y productores de dispositivos M-Bus. El M-Bus (Meter Bus) fue desarrollado para satisfacer la necesidad de un sistema para la red y lectura remota de medidores de servicios públicos, por ejemplo, para medir el consumo de gas o agua en el hogar. Este bus cumple los requisitos especiales de alimentación remota o de batería.
Cuando se los interroga, los medidores entregan los datos se han reunido con un maestro común, que puede ser, por ejemplo, una computadora de mano, conectado a intervalos periódicos para leer todos los medidores de servicios públicos de un edificio. Un método alternativo de recolectar datos centralmente es transmitir lecturas de medidor a través de un módem.

Otras posibles aplicaciones en los sistemas electrónicos domésticos para el M-Bus son los sistemas de alarma, Instalaciones flexibles de iluminación y control de calefacción. Este bus cumple con los requerimientos especiales de los sistemas accionados a distancia, incluyendo a los contadores públicos de consumo.
Cuando se le envía una petición al contador, este devuelve la información que ha recogido para ser almacenada en un sistema común maestro. Este sistema puede ser, por ejemplo, un ordenador portátil, el cual se conecta a intervalos
periódicos para leer todos los contadores públicos de un edificio. Un método alternativo para la recogida agrupada delos datos es transmitir la información leída vía módem.
Otras posibles aplicaciones de Meter-Bus en el entorno del hogar son los sistemas de alarma, instalaciones flexibles de iluminación o el control de la temperatura.


Fig. 1. Ejemplo de sistema M-Bus para la lectura de contadores.II. VISIÓN GLOBAL DE M-BUS
La única topología de red posible para este tipo de sistema, debido a su fiabilidad y coste en el entorno de los contadores públicos de consumo, es la topología bus, la cual se recoge en la figura 2.
El requerimiento más importante es poder llevar a cabo la interconexión de varios centenares de dispositivos a lo largo de grandes distancias (por encima de varios kilómetros).
Puesto que los datos enviados por los contadores se usan para el cómputo final de la factura del abonado, se requiere un alto grado de integridad en la  transmisión por el bus. Por otro lado, es posible dispensar esta información a muy alta velocidad a causa de que, normalmente, sólo es necesario transferir una cantidad reducida de información. Con el fin de garantizar este alto grado de integridad en la transmisión, el bus debe ser especialmente inmune a las interferencias externas a causa del potencial acoplamiento inductivo y capacitivo. También es importante asegurar que el medio de transmisión no requiera apantallamiento, etc.


Fig. 2. Topología bus de red.

Puesto que no existía ningún bus que cumpliese con, entre otros, los anteriores requerimientos, M-Bus fue desarrollado por el profesor Horst Ziegler de la Universidad de Paderborn en cooperación con la filial alemana de Texas Instruments. La tecnología se asienta en el modelo de referencia OSI con el fin
de realizar un sistema abierto que pudiera utilizar casi cualquier protocolo deseado.
Dado que M-Bus no es una red y, por tanto, no necesita la definición de las capas de transporte o sesión, los niveles del 4 al 6 del modelo de referencia se encuentran vacíos, proveyéndose funciones únicamente para las capas física, de
enlace, de red y de aplicación. La tabla 1 muestra, resumidamente, las funciones de cada capa según el modelo OSI y el standard que las cubre en el entorno de la tecnología de M-Bus.


Capa Funciones Standard
Aplicación Estructuras de datos, tipos de datos y acciones EN 1434-3
Presentación – –
Sesión – –
Transporte – –
Red Direccionamiento extendido (opcional) –
Enlace Parámetros de transmisión, direccionamiento,
integridad de los datos
IEC 870
Física Cable, representación a nivel de bit, extensiones de bus, topología, especificaciones eléctricas
M-BusTab. 1. Mapeo de la estructura M-Bus sobre las capas del modelo OSI.
También existe una capa, al lado del conjunto de capas OSI, que sirve para la gestión de estas últimas. Esta capa de gestión reserva direcciones para la gestión de las capas física (direcciones 254 y 255) y de red (dirección 253).
A continuación nos centramos en describir la capa física (standard M-Bus) mencionando someramente el resto de ellas.
. CAPA FÍSICA: M-BUS
M-Bus es un sistema jerárquico cuya comunicación es controlada por un elemento maestro (Central Allocation Logic). Por tanto, M-Bus consiste en un elemento maestro, una cierta cantidad de elementos esclavos (los contadores) y
un cable de conexión de dos hilos telefónico standard para latransferencia serie de los datos. Los equipos terminales se conectan en paralelo al medio de transmisión, tal y como se muestra en la figura 3.
Fig. 3. Diagrama de bloques básico de M-Bus.


Con el fin de permitir la acción a distancia en los contadores, los bits en el bus desde el elemento maestro se representan como sigue: un 1 lógico se corresponde, usualmente, con un voltaje nominal de 36V y un 0 lógico con
24V. De otro lado, la representación de bits en la dirección del elemento esclavo (contador) al maestro se lleva a cabo mediante la modulación del consumo de corriente por parte del primero. Un 1 lógico se representa por un consumo de una corriente constante superior a 1.5mA, mientras que un 0 lógico hace lo propio a través del incremento de consumo, respecto del anterior caso, de entre unos 11 a 20mA. Es decir, realmente, la detección, tanto de una como de otra parte, de un 1 o 0 lógico, depende de la detección de un cambio en el voltaje en el bus de 12V (del maestro al esclavo) o de un cambio en el consumo de corriente por parte del esclavo de entre 11 a 20mA (del esclavo al maestro). Esta señal de comunicación desde el esclavo al maestro es además empleada
en la alimentación de la interfaz, posibilitando el funcionamiento del contador o sensor al que se destine.
Fig. 4. Representación de los bits en M-Bus.


La transmisión de un 0 lógico por parte del contador se traduce en la reducción del voltaje en el bus debido a la impedancia de salida (dependiente a su vez de la longitud del cable), por lo que, dado que la detección de símbolos binarios
se lleva a cabo de manera diferencial, la transmisión de información adopta la política semidúplex.
Un sistema M-Bus se compone de varias zonas, cada una de ellas con su propio conjunto de direcciones, quedando interconectadas gracias a elementos denominados controladores de zona así como por redes de más alto nivel. A
su vez, cada zona se compone de segmentos, los cuales son conectados por turnos gracias a repetidores remotos. Sin embargo, normalmente un sistema M-Bus consiste en un segmento simple, el cual es conectado mediante un repetidor local a un PC que actúa de maestro. Estos repetidores locales
convierten las señales M-Bus en señales adaptadas a la interfaz RS-232. Normalmente, al sistema compuesto del PC más el repetidor local es a lo que se conoce como elemento maestro.
Con el fin de cumplir con los requerimientos de los elementos esclavos (ciertas características de transmisión, accionamiento a distancia, medidas de protección, etc), Texas Instruments desarrolló un circuito integrado ransceptor
conocido por el nombre de TSS721, el cual funciona de interfaz entre el elemento esclavo y el bus. Otras características que proporciona este IC son protección integrada contra polaridad inversa, alimentación constante de 3.3V para el microprocesador, indicación de fallo de voltaje en el bus, etc.


IV. CAPA DE ENLACE
La estructura anteriormente presentada acerca de la capa física impone ciertas condiciones de operación a la capa de enlace: transmisión serie asíncrona semidúplex, rates en el intervalo de los 300 a los 9600 baudios, debido a la estructura maestro-esclavo los elementos esclavos no deben de poder  comunicarse entre sí, etc. El protocolo de la capa de enlace está basado en el standard IEC 870-5, el cual define una serie de protocolos de transmisión para el telecontrol de equipos y sistemas.
El protocolo empleado hace uso de transmisión asíncrona de bits en serie, donde la sincronización se implementa con bits de inicio y parada para cada carácter. El bit de inicio se corresponde con un 0 lógico mientras que el de parada lo hace con un 1 lógico. El carácter transmitido se compone de 8 bits
más uno que se corresponde con un bit de paridad par con el fin de detectar palabras transmitidas erróneamente. La transmisión de los datos se lleva a cabo en orden ascendente, es decir, el primer bit es el menos significativo (LSB).
Fig. 8. Transmisión de un carácter a nivel de enlace en M-Bus.


La figura 9 recoge los tipos de trama que pueden ser intercambiados en el entorno de M-Bus (donde todos los campos de cada uno de los mensajes, salvo indicación explícita, son de 8 bits). Estos se describen a continuación:
 Carácter simple: Consiste en el envío del carácter 229 a modo de confirmación de recepción de datos.
 Trama corta: Tras el carácter inicial, se envían los datos pertenecientes a los campos C (campo decontrol para la indicación del sentido del flujo de datos) y A (campo de dirección para la indicación de la dirección del estinatario en el sentido del envío o del remitente en el sentido de la recepción).
Finalmente se incluyen los campos de checksum para el control de errores y el byte de parada.
 Trama larga: Tras el carácter inicial, el campo L (campo de longitud) se transmite dos veces seguido del carácter inicial otra vez. Seguidamente se sitúan los campos C y A y el campo CI (campo de control de información que es parte de la capa de aplicación y permite la implementación de una variedad de
acciones en el maestro o en los elementos esclavos).
El campo L especifica la cantidad de entradas de datos de usuario más tres, a causa de los campos C, A y CI. Tras las entradas de datos de usuario se transmiten el checksum y el carácter de parada.
 Trama de control: Es idéntica a la trama larga pero sin datos de usuario.


Fig. 9. Formatos de trama en M-Bus


La capa de enlace usa dos tipos de servicio de transmisión:
 Enviar/Confirmar: SND/CON.
 Petición/Respuesta: REQ/RSP.
Los procedimientos de comunicación son los siguientes:
 SD_KE Carácter de control simple
Este procedimiento sirve para empezar tras una interrupción o tras el comienzo de la comunicación. El esclavo, en caso de recibir la trama correctamente, responde con una confirmación consistente en el carácter E5h.
 SD_UD Carácter de control simple
Con este procedimiento el maestro transmite información de usuario al elemento esclavo. El esclavo puede confirmar la recepción correcta de los datos con el envío de un carácter simple (E5h) o no hacer nada en caso contrario; es decir, se sigue un esquema de confirmación positiva.
 REQ_UD2 RSP_UD
El maestro realiza una petición de información al esclavo, como la que podría hacer un ordenador central a un contador doméstico para la posterior tarificación. En caso de una correcta recepción de la petición, el esclavo enviará un mensaje de respuesta con los datos solicitados.
Cuando en la recepción de un mensaje se detecta un fallo (ya sea bien a través del checksum, del bit de paridad o del campo de longitud) y no se envía confirmación positiva, el emisor, tras un tiempo de espera aguardando la confirmación que no llega, reenvía los datos no confirmados varias veces
consecutivamente esperando una respuesta durante un cierto tiempo prefijado. En caso de seguir sin recibir confirmación alguna, el maestro reinicia un procedimiento SND_NKE aguardando el carácter E5h procedente del elemento esclavo.
En caso negativo, se salta al siguiente dispositivo (contador) con el que se quiera establecer comunicación.


V. CAPAS DE RED Y APLICACIÓN
La capa de red se preocupa de la selección de la mejor ruta posible para la comunicación de las partes en la red. La capa de red en el protocolo M-Bus conecta un elemento esclavo con una cierta dirección secundaria, asociada a la dirección primaria de red (253), al bus. La capa de red sólo se habilita con el procedimiento SND_UD de envío de información desde el maestro a un elemento esclavo.
En esta trama debe figurar, en el campo de control de información (CI), el carácter 52h o el 56h para la selección del elemento esclavo con el que se quiere comunicar, a la dirección primaria de red 253.

Por último, en cuanto a la capa de aplicación, el protocolo estandarizado en la norma EN 1434-3 es el empleado en MBus. Dicho protocolo de aplicación define una serie de procedimientos y reglas para el intercambio de datos con contadores domésticos (gas, agua, electricidad, etc). EN 1434-3, sin embargo, cubre únicamente la estructura de datos en el sentido de respuesta, es decir, desde el elemento esclavo al maestro.
Referencias
Iván López Espejo nació en Granada en 1988. Es Ingeniero de Telecomunicación desde el año 2011 por la Universidad de Granada.
Texas Instruments Deutschland GmbH, Applications Report “Designing Applications for the Meter-Bus”. 1994.

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