M2351應(yīng)用系列：短距離無線通信模塊
M2351應(yīng)用系列
短距離無線通信模塊【802.15.4 Thread】
新唐科技 微控制器應(yīng)用事業(yè)群技術(shù)經(jīng)理 凌立民
什么是802.15.4 Thread
首先我們先來看看物聯(lián)網(wǎng)里的主流通訊標(biāo)準(zhǔn)為那些。
根據(jù)上圖的整理，我們可以看到物聯(lián)網(wǎng)的通訊方式大概可分為長距離與短距離(LongRange Wireless and Short Range Wireless)兩大類, 而這兩大類里又有許多細(xì)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是需要被討論的，我們可以再看下一張表的說明來了解這些不同標(biāo)準(zhǔn)被使用時(shí)的一些考慮因素。
*1: Low-Power Wide-Area Network Range > 1km, 例如: LoRA, SigFox, NB-IoT
*2: Short Range < 100m, 例如: ZigBee, Thread, Z-Wave or Bluetooth
由上表可以清楚的了解到在帶傳感器收集數(shù)據(jù)的終端裝置上有需要用到的無線通信比較像是屬于短距離的方案，所以我們認(rèn)為提供一套便于開發(fā)且具備數(shù)據(jù)通訊安全考慮特性的短距離參考設(shè)計(jì)模塊是對(duì)業(yè)界非常有幫助的。而就以符合IEEE802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)中的許多標(biāo)準(zhǔn)如ZigBeePro、Thread、RF4CE，我們發(fā)現(xiàn)Thread的發(fā)展最有潛力，其原因包括了以下幾點(diǎn)：(1)受到大廠的支持如Google、Arm、三星等，Apple也在2018年加入Thread陣營。(2)基于IP為基礎(chǔ)的協(xié)議，對(duì)于軟件通訊協(xié)議的整合非常容易達(dá)成。(3)高度標(biāo)準(zhǔn)化、高度互操作性、高安全性且適合電池供電方式的裝置。下圖是一個(gè)市場發(fā)展的預(yù)測統(tǒng)計(jì)表。
簡單由上圖來看，基于IEEE802.15.4為基礎(chǔ)相關(guān)協(xié)議的應(yīng)用預(yù)期仍是成長的，主要是集中在ZigBee和Thread，特別是Thread。而在應(yīng)用方面，根據(jù)市調(diào)資料的整理，是以SmartHome、Medical Devices、Auto Metering、Smart Building和Industrial為主要的應(yīng)用領(lǐng)域。
NuMicro M2351的Thread參考設(shè)計(jì)方案
我們跟位于英國的Cascoda公司合作推出了MCU加上802.15.4內(nèi)含MAC(MediaAccess Control)layer的Transceiver的參考設(shè)計(jì)。由于M2351可以提供TrustZone®加上XOM功能，所以通訊協(xié)議層可以依據(jù)程序開發(fā)的規(guī)劃放在安全區(qū)或XOM(eXecute-OnlyMemory)內(nèi)部，又由于Cascoda的Transceiver ICs(CA8210, CA8211)都有內(nèi)含MAC層的先期處理(ROM-basedMAC firmware與MACCo-processor)，所以M2351這一端負(fù)責(zé)MAC層后期處理與其上IP層以上包含應(yīng)用層的處理游刃有余。如此包含MAC前期處理方案(Low-MACTransceiver)有以下好處：
通訊協(xié)議的API受Timing的影響較小，反應(yīng)時(shí)間快，比較符合標(biāo)準(zhǔn)
對(duì)于特定MCU與OS的依存度較小
彼此純軟件處理MAC層的作法較沒有風(fēng)險(xiǎn)，協(xié)定不容易遭竄改，比較安全
我們整理應(yīng)用架構(gòu)圖如下：
由上述的結(jié)構(gòu)圖可以實(shí)現(xiàn)基于Cascoda在無線傳輸收發(fā)器的創(chuàng)新專利達(dá)成約3倍的無線傳輸功率提升(約5dB)，比其一般的解決方案可以增加一倍的收發(fā)距離同時(shí)兼顧超低功耗的表現(xiàn)，換言之對(duì)于裝配電池的裝置有更長的電池使用時(shí)間。更甚者，不需要加另一顆專注處理無線通信協(xié)議的MCU，整個(gè)參考設(shè)計(jì)模塊內(nèi)含的兩顆主要芯片就可以完全應(yīng)付通訊與終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，例如無線抄表、遠(yuǎn)距監(jiān)控、智慧家庭、智能工廠與智能大樓等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
新唐802.15.4 Thread參考設(shè)計(jì)方案的細(xì)部特點(diǎn)與帶來的市場機(jī)會(huì)
在此，我們?cè)僭黾訉?duì)于跑在M2351這端Thread的通訊協(xié)議(Thread Stack)做以下的簡圖說明：
所以由上圖可以看到Cascoda公司開發(fā)了以硬件MAC為基礎(chǔ)的ROM code來支持Open Thread協(xié)議，同時(shí)新唐也基于Open Thread把該協(xié)議移植到M2351上，由于有充足的資源，M2351還可以再跑上層應(yīng)用，甚或RTOS，這些上層應(yīng)用或RTOS可以放到TrustZone®的非安全區(qū)來以充分利用Armv8-M的特性做到網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的軟件安全保障。這樣的方案可以帶來以下的市場機(jī)會(huì)：
是一種高效能的無線收發(fā)明。倍增的收訊距離解決了服務(wù)范圍的穩(wěn)定問題。
符合標(biāo)準(zhǔn)的參考設(shè)計(jì)平臺(tái)。完全兼容于現(xiàn)有的802.15.4Thread標(biāo)準(zhǔn)，Cascoda跟新唐更提供免費(fèi)的OpenThread Stack參考設(shè)計(jì)，方便通訊軟件協(xié)議開發(fā)人員做整合。
通訊/監(jiān)控區(qū)域的寬廣覆蓋且兼顧低功耗。
快速跟進(jìn)市場上的主流應(yīng)用。802.15.4已經(jīng)存在于Comcast, AmazonEcho+, Google NEST，Cascoda和新唐提供的是一個(gè)開放通用平臺(tái)，非常便于各類需要類短距離通訊的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)，是一個(gè)創(chuàng)新、安全又兼具高效能的802.15.4Thread終端產(chǎn)品參考設(shè)計(jì)范例。
M2351開發(fā)板
編輯：zzy 最后修改時(shí)間：2022-01-10
