M2351應用系列｜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網里的主流通訊標準為那些。
物聯網的通訊技術依照訊號傳輸范圍，可分為短距離與長距離兩大類，其中短距離傳輸技術依照主要的技術包括 Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave、Thread、Bluetooth™、NFC 等，其主要應用于現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域。而長距離通訊技術過去主要為 2G、3G、4G 等行動通訊技術，然因應物聯網應用不同于行動通訊對于大帶寬、低延遲等傳輸要求，許多物聯網應用對于數據封包需求小、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重的區域，針對上述應用，發展出具備長距離低功耗的通訊技術，統稱為低功耗廣域網技術 (Low Power Wide Area Network，LPWAN)。若我們考慮到長距離與短距離標準的適用性，則可以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 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 IEEE 802.15.4 的標準中的許多標準如 ZigBee Pro、Thread、RF4CE，我們發現 WiSUN 在智能城市的表計類的發展最有潛力，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 為基礎的協議，對于軟件通訊協議的整合非常容易達成。
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。
下表是一個各項物聯網短距離通訊技術標準的整理表：
數據源：各聯盟網站，新唐整理
由上表來看，基于 IEEE 802.15.4 為基礎相關協議的應用預期仍是成長的，特別是 WiSUN 在一些公共事業項目上的利用。而在應用方面，根據市調資料的整理，是以 Smart Home、Medical Devices、Auto Metering、Smart Building 和 Industrial 為主要的應用領域。
NuMicro M2351 的 WiSUN Smart Meter 參考設計方案
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-Only Memory) 內部，若選擇 Transceiver ICs 有內含 MAC 層的先期處理 (ROM-based MAC firmware 與 MAC Co-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
此純軟件處理 MAC 層的作法較沒有風險，協定不容易遭竄改
新唐參考設計方案可以實現基于 WiSUN 在無線傳輸資料做法上的創新，達成約比其他一般的解決方案增加一倍的收發距離又能同時兼顧超低功耗的表現，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議的微控制器，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。
基于 M2351 的 802.15.4 WiSUN 智能電表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 WiSUN 的通訊協議 (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商可以將 WiSUN 通訊協議移植到 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：
1 | 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。 |
2 | 符合標準的參考設計平臺。完全兼容于現有的 802.15.4 WiSUN 標準，新唐更提供免費的 WiSUN Stack 參考設計，方便通訊軟件協議開發人員做整合。 |
3 | 通訊/監控區域的寬廣覆蓋且兼顧低功耗。 |
4 | 快速跟進市場上的主流應用。802.15.4 已經存在于 Comcast, Amazon Echo+, Google NEST，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 802.15.4 WiSUN 智能表計終端產品參考設計范例。 |
編輯：zzy 最后修改時間：2022-01-10
