M2351应用系列｜WiSUN Smart Meter短距离无线通信模块实例
短距离无线通信模块实例
WiSUN For Smart Meter
什么是 WiSUN
首先我们先来看看物联网里的主流通讯标准为那些。
物联网的通讯技术依照讯号传输范围，可分为短距离与长距离两大类，其中短距离传输技术依照主要的技术包括 Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave、Thread、Bluetooth™、NFC 等，其主要应用于现行的行动装置如手机、平板与穿戴式装置，或是智能家庭、智能工厂与智能照明等领域。而长距离通讯技术过去主要为 2G、3G、4G 等行动通讯技术，然因应物联网应用不同于行动通讯对于大带宽、低延迟等传输要求，许多物联网应用对于数据封包需求小、对于延迟容忍程度较大，同时需要覆盖更为广泛或是深入地表等屏蔽较严重的区域，针对上述应用，发展出具备长距离低功耗的通讯技术，统称为低功耗广域网技术 (Low Power Wide Area Network，LPWAN)。若我们考虑到长距离与短距离标准的适用性，则可以看下一张表的说明来了解这些不同标准被使用时的一些考虑因素：
*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带传感器收集数据的终端装置上有需要用到的无线通信比较像是属于短距离的方案，所以我们认为提供一套便于开发且具备数据通讯安全考虑特性的短距离参考设计模块是对业界非常有帮助的。而就以符合 IEEE 802.15.4 的标准中的许多标准如 ZigBee Pro、Thread、RF4CE，我们发现 WiSUN 在智能城市的表计类的发展最有潜力，其原因包括了以下几点：
受到许多政府的支持如日本、南韩、西欧与美国等。
基于 IP 为基础的协议，对于软件通讯协议的整合非常容易达成。
高度标准化、高度互操作性、高安全性且适合电池供电方式的装置。
下表是一个各项物联网短距离通讯技术标准的整理表：
数据源：各联盟网站，新唐整理
由上表来看，基于 IEEE 802.15.4 为基础相关协议的应用预期仍是成长的，特别是 WiSUN 在一些公共事业项目上的利用。而在应用方面，根据市调资料的整理，是以 Smart Home、Medical Devices、Auto Metering、Smart Building 和 Industrial 为主要的应用领域。
NuMicro M2351 的 WiSUN Smart Meter 参考设计方案
由于 M2351 可以提供 TrustZone 加上 XOM 功能，所以通讯协议层可以依据程序开发的规划放在安全区或 XOM (eXecute-Only Memory) 内部，若选择 Transceiver ICs 有内含 MAC 层的先期处理 (ROM-based MAC firmware 与 MAC Co-processor)，所以 M2351 这一端负责 MAC 层后期处理与其上 IP 层以上包含应用层的处理游刃有余。如此包含 MAC 前期处理方案有以下好处：
通讯协议的 API 受 Timing 的影响较小，反应时间快，比较符合标准
对于特定 MCU 与 OS 的依存度较小
此纯软件处理 MAC 层的作法较没有风险，协定不容易遭窜改
新唐参考设计方案可以实现基于 WiSUN 在无线传输资料做法上的创新，达成约比其他一般的解决方案增加一倍的收发距离又能同时兼顾超低功耗的表现，换言之对于一些以电池供电的装置有更长的电池使用时间。更甚者，不需要加另一颗专注处理无线通信协议的微控制器，整个参考设计模块内含的两颗主要芯片就可以完全应付通讯与终端产品的设计需求，例如无线抄表、远距监控、智慧家庭、智能工厂与智能大楼等物联网应用。
基于 M2351 的 802.15.4 WiSUN 智能电表参考设计方案的细部特点与带来的市场机会
在此，我们再增加对于跑在 M2351 这端 WiSUN 的通讯协议 (WiSUN Stack) 与符合 Arm PSA 做以下的简图说明：
由上图可看到智能电表开发商可以将 WiSUN 通讯协议移植到 M2351 上，由于有充足的资源，M2351 还可以再跑上层应用，甚或 RTOS，这些上层应用或 RTOS 可以放到 TrustZone 的非安全区来以充分利用 Armv8-M 的特性做到网络联网应用的软件安全保障。这样的方案可以带来以下的市场机会：
1 | 是一种高效能的无线收发明。倍增的收讯距离解决了服务范围的稳定问题。 |
2 | 符合标准的参考设计平台。完全兼容于现有的 802.15.4 WiSUN 标准，新唐更提供免费的 WiSUN Stack 参考设计，方便通讯软件协议开发人员做整合。 |
3 | 通讯/监控区域的宽广覆盖且兼顾低功耗。 |
4 | 快速跟进市场上的主流应用。802.15.4 已经存在于 Comcast, Amazon Echo+, Google NEST，非常便于各类需要类短距离通讯的产品开发设计，是一个创新、安全又兼具高效能的 802.15.4 WiSUN 智能表计终端产品参考设计范例。 |
编辑：zzy 最后修改时间：2022-01-10
