M2351應用系列：短距離無線通信模塊
M2351應用系列
短距離無線通信模塊【802.15.4 Thread】
新唐科技 微控制器應用事業群技術經理 凌立民
什么是802.15.4 Thread
首先我們先來看看物聯網里的主流通訊標準為那些。
根據上圖的整理，我們可以看到物聯網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項標準是需要被討論的，我們可以再看下一張表的說明來了解這些不同標準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: 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據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，所以我們認為提供一套便于開發且具備數據通訊安全考慮特性的短距離參考設計模塊是對業界非常有幫助的。而就以符合IEEE802.15.4的標準中的許多標準如ZigBeePro、Thread、RF4CE，我們發現Thread的發展最有潛力，其原因包括了以下幾點：(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為基礎的協議，對于軟件通訊協議的整合非常容易達成。(3)高度標準化、高度互操作性、高安全性且適合電池供電方式的裝置。下圖是一個市場發展的預測統計表。
簡單由上圖來看，基于IEEE802.15.4為基礎相關協議的應用預期仍是成長的，主要是集中在ZigBee和Thread，特別是Thread。而在應用方面，根據市調資料的整理，是以SmartHome、Medical Devices、Auto Metering、Smart Building和Industrial為主要的應用領域。
NuMicro M2351的Thread參考設計方案
我們跟位于英國的Cascoda公司合作推出了MCU加上802.15.4內含MAC(MediaAccess Control)layer的Transceiver的參考設計。由于M2351可以提供TrustZone®加上XOM功能，所以通訊協議層可以依據程序開發的規劃放在安全區或XOM(eXecute-OnlyMemory)內部，又由于Cascoda的Transceiver ICs(CA8210, CA8211)都有內含MAC層的先期處理(ROM-basedMAC firmware與MACCo-processor)，所以M2351這一端負責MAC層后期處理與其上IP層以上包含應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：
通訊協議的API受Timing的影響較小，反應時間快，比較符合標準
對于特定MCU與OS的依存度較小
彼此純軟件處理MAC層的作法較沒有風險，協定不容易遭竄改，比較安全
我們整理應用架構圖如下：
由上述的結構圖可以實現基于Cascoda在無線傳輸收發器的創新專利達成約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距離同時兼顧超低功耗的表現，換言之對于裝配電池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議的MCU，整個參考設計模塊內含的兩顆主要芯片就可以完全應付通訊與終端產品的設計需求，例如無線抄表、遠距監控、智慧家庭、智能工廠與智能大樓等物聯網應用。
新唐802.15.4 Thread參考設計方案的細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Thread的通訊協議(Thread Stack)做以下的簡圖說明：
所以由上圖可以看到Cascoda公司開發了以硬件MAC為基礎的ROM code來支持Open Thread協議，同時新唐也基于Open Thread把該協議移植到M2351上，由于有充足的資源，M2351還可以再跑上層應用，甚或RTOS，這些上層應用或RTOS可以放到TrustZone®的非安全區來以充分利用Armv8-M的特性做到網絡聯網應用的軟件安全保障。這樣的方案可以帶來以下的市場機會：
是一種高效能的無線收發明。倍增的收訊距離解決了服務范圍的穩定問題。
符合標準的參考設計平臺。完全兼容于現有的802.15.4Thread標準，Cascoda跟新唐更提供免費的OpenThread Stack參考設計，方便通訊軟件協議開發人員做整合。
通訊/監控區域的寬廣覆蓋且兼顧低功耗。
快速跟進市場上的主流應用。802.15.4已經存在于Comcast, AmazonEcho+, Google NEST，Cascoda和新唐提供的是一個開放通用平臺，非常便于各類需要類短距離通訊的產品開發設計，是一個創新、安全又兼具高效能的802.15.4Thread終端產品參考設計范例。
M2351開發板
編輯：zzy 最后修改時間：2022-01-10
