M2351應(yīng)用系列｜WiSUN Smart Meter短距離無線通信模塊實例
短距離無線通信模塊實例
WiSUN For Smart Meter
什么是 WiSUN
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。
物聯(lián)網(wǎng)的通訊技術(shù)依照訊號傳輸范圍，可分為短距離與長距離兩大類，其中短距離傳輸技術(shù)依照主要的技術(shù)包括 Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave、Thread、Bluetooth™、NFC 等，其主要應(yīng)用于現(xiàn)行的行動裝置如手機、平板與穿戴式裝置，或是智能家庭、智能工廠與智能照明等領(lǐng)域。而長距離通訊技術(shù)過去主要為 2G、3G、4G 等行動通訊技術(shù)，然因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不同于行動通訊對于大帶寬、低延遲等傳輸要求，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對于數(shù)據(jù)封包需求小、對于延遲容忍程度較大，同時需要覆蓋更為廣泛或是深入地表等屏蔽較嚴(yán)重的區(qū)域，針對上述應(yīng)用，發(fā)展出具備長距離低功耗的通訊技術(shù)，統(tǒng)稱為低功耗廣域網(wǎng)技術(shù) (Low Power Wide Area Network，LPWAN)。若我們考慮到長距離與短距離標(biāo)準(zhǔn)的適用性，則可以看下一張表的說明來了解這些不同標(biāo)準(zhǔn)被使用時的一些考慮因素：
*1: Low-Power Wide-Area Network Range > 1km, 例如 LoRA, SigFox, NB-IoT
*2: Short Range < 100m, 例如 WiSUN, 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)計模塊是對業(yè)界非常有幫助的。而就以符合 IEEE 802.15.4 的標(biāo)準(zhǔn)中的許多標(biāo)準(zhǔn)如 ZigBee Pro、Thread、RF4CE，我們發(fā)現(xiàn) WiSUN 在智能城市的表計類的發(fā)展最有潛力，其原因包括了以下幾點：
受到許多政府的支持如日本、南韓、西歐與美國等。
基于 IP 為基礎(chǔ)的協(xié)議，對于軟件通訊協(xié)議的整合非常容易達(dá)成。
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。
下表是一個各項物聯(lián)網(wǎng)短距離通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的整理表：
數(shù)據(jù)源：各聯(lián)盟網(wǎng)站，新唐整理
由上表來看，基于 IEEE 802.15.4 為基礎(chǔ)相關(guān)協(xié)議的應(yīng)用預(yù)期仍是成長的，特別是 WiSUN 在一些公共事業(yè)項目上的利用。而在應(yīng)用方面，根據(jù)市調(diào)資料的整理，是以 Smart Home、Medical Devices、Auto Metering、Smart Building 和 Industrial 為主要的應(yīng)用領(lǐng)域。
NuMicro M2351 的 WiSUN Smart Meter 參考設(shè)計方案
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-Only Memory) 內(nèi)部，若選擇 Transceiver ICs 有內(nèi)含 MAC 層的先期處理 (ROM-based MAC firmware 與 MAC Co-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 前期處理方案有以下好處：
通訊協(xié)議的 API 受 Timing 的影響較小，反應(yīng)時間快，比較符合標(biāo)準(zhǔn)
對于特定 MCU 與 OS 的依存度較小
此純軟件處理 MAC 層的作法較沒有風(fēng)險，協(xié)定不容易遭竄改
新唐參考設(shè)計方案可以實現(xiàn)基于 WiSUN 在無線傳輸資料做法上的創(chuàng)新，達(dá)成約比其他一般的解決方案增加一倍的收發(fā)距離又能同時兼顧超低功耗的表現(xiàn)，換言之對于一些以電池供電的裝置有更長的電池使用時間。更甚者，不需要加另一顆專注處理無線通信協(xié)議的微控制器，整個參考設(shè)計模塊內(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。
基于 M2351 的 802.15.4 WiSUN 智能電表參考設(shè)計方案的細(xì)部特點與帶來的市場機會
在此，我們再增加對于跑在 M2351 這端 WiSUN 的通訊協(xié)議 (WiSUN Stack) 與符合 Arm PSA 做以下的簡圖說明：
由上圖可看到智能電表開發(fā)商可以將 WiSUN 通訊協(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會：
1 | 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。 |
2 | 符合標(biāo)準(zhǔn)的參考設(shè)計平臺。完全兼容于現(xiàn)有的 802.15.4 WiSUN 標(biāo)準(zhǔn)，新唐更提供免費的 WiSUN Stack 參考設(shè)計，方便通訊軟件協(xié)議開發(fā)人員做整合。 |
3 | 通訊/監(jiān)控區(qū)域的寬廣覆蓋且兼顧低功耗。 |
4 | 快速跟進(jìn)市場上的主流應(yīng)用。802.15.4 已經(jīng)存在于 Comcast, Amazon Echo+, Google NEST，非常便于各類需要類短距離通訊的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計，是一個創(chuàng)新、安全又兼具高效能的 802.15.4 WiSUN 智能表計終端產(chǎn)品參考設(shè)計范例。 |
編輯：zzy 最后修改時間：2022-01-10
