物聯(lián)網(wǎng)之短距離無線通信

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡稱IOT）是指通過 各種信息傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、 連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化 學、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網(wǎng)絡接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，它讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡。

物聯(lián)網(wǎng)世界的通訊標準介紹

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?、Wi-SUN 等，其主要應用于現(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)，然因應物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)應用對于數(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重的區(qū)域，針對上述應用，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)，其中用戶許可證頻譜通訊技術(shù)主要為 NB-IoT。下圖是一個簡單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖。?

短距離無線通信技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)世界的最后一公里

若是根據(jù)長短距離無線通信技術(shù)的特性進行采用選擇，短距離通訊搭配一般微控制器扮演在終端裝置上特別是帶傳感器進行收集數(shù)據(jù)的重要角色，我們以下表分析幾個重要的技術(shù)采用因素：

而在眾多短距離的通訊技術(shù)領(lǐng)域里，又以 IEEE 802.15.x 族群為代表而有許多不同的分支，茲將重要的代表技術(shù)整理如下：

WIFI：基于IEEE 802.11標準的無線局域網(wǎng)，可以看作是有線局域網(wǎng)的短距離無線延伸。組建WIFI只需要一個無線AP或是無線路由器就可以，成本較低。

Zigbee：是基于IEEE802.15.4標準的低速、短距離、低功耗、雙向無線通信技術(shù)的局域網(wǎng)通信協(xié)議，又稱紫蜂協(xié)議。特點是近距離、低復雜度、自組織（自配置、自修復、自管理）、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡層(NWK)、應用層(APL)等，其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規(guī)定，主要用于傳感控制應用(Sensor and Control)?？晒ぷ髟?.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，單點傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi), ZigBee是可由一個到65535個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，從標準的75m距離進行無限擴展。ZigBee 節(jié)點非常省電，其電池工作時間可以長達6 個月到2 年左右，在休眠模式下可達10 年，下圖是Zigbee的組網(wǎng)圖（該圖來源于網(wǎng)上）

Z-Wave：是由丹麥公司Zensys所一手主導的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡的短距離無線通信技術(shù)，工作頻帶為908.42MHz(美國)~868.42MHz(歐洲)，采用FSK(BFSK/GFSK)調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6 kb~ 40kb/s，信號的有效覆蓋范圍在室內(nèi)是30m，室外可超過100m，適合于窄寬帶應用場合。Z-Wave采用了動態(tài)路由技術(shù)，每一個Z-Wave網(wǎng)絡都擁有自己獨立的網(wǎng)絡地址(HomeID);網(wǎng)絡內(nèi)每個節(jié)點的地址(NodeID)，由控制節(jié)點(Controller)分配。每個網(wǎng)絡最多容納232個節(jié)點(Slave)，包括控制節(jié)點在內(nèi)。Zensys提供Windows開發(fā)用的動態(tài)庫(Dynamically Linked Library, DLL)，開發(fā)者該DLL內(nèi)的API函數(shù)來進行PC軟件設(shè)計。通過Z-Wave技術(shù)構(gòu)建的無線網(wǎng)絡，不僅可以通過本網(wǎng)絡設(shè)備實現(xiàn)對家電的遙控，甚至可以通過Internet網(wǎng)絡對Z-Wave網(wǎng)絡中的設(shè)備進行控制。

Thread:?是一種基于IPv6的、低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術(shù)，主要是為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供安全、無縫通信。最初設(shè)計Thread是為了針對智能家居和樓宇自動化應用，如電器管理、溫度控制、能源使用、照明、安全等，現(xiàn)其范圍已擴展至更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應用當中去了。由于Thread使用了6LoWPAN技術(shù)，并基于IEEE 802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議，因此Thread也是IP可尋址的，其不僅能為低成本、電池供電的設(shè)備之間提供有效通信，也支持云和AES加密。

而為了加速Thread協(xié)議普及，Nest Labs (Alphabet/Google子公司)、三星、ARM、高通、恩智浦半導體/飛思卡爾、Silicon Labs等公司早于2014年7月組成了“Thread Group”聯(lián)盟，來推動Thread成為行業(yè)標準，并向成員企業(yè)的產(chǎn)品提供Thread認證。

藍牙（Bluetooth）：使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波、基于數(shù)據(jù)包、有著主從架構(gòu)的一種無線技術(shù)標準，可實現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。由藍牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）管理，IEEE將藍牙技術(shù)列為IEEE 802.15.1，但如今已不再維持該標準，藍牙技術(shù)擁有一套專利網(wǎng)絡，可發(fā)放給符合標準的設(shè)備。藍牙使用跳頻技術(shù)，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)包，通過79個指定的藍牙頻道分別傳輸數(shù)據(jù)包。每個頻道的頻寬為1 MHz。藍牙4.0使用2 MHz 間距，可容納40個頻道。質(zhì)量好的無線藍牙耳機電池可以使用時間一般是2-3年，通常是數(shù)周。

Wi-SUN（Wireless Smart Ubiquitous Network）技術(shù)基于IEEE 802.15.4g、IEEE 802和IETF IPv6標準的開放規(guī)范。Wi-SUN FAN是一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議，具有自組網(wǎng)功能和自我修復(self-healing)功能，網(wǎng)絡中的每個設(shè)備都可以與相鄰設(shè)備通信，訊息可以在網(wǎng)絡中的每個節(jié)點之間進行非常長距離的跳轉(zhuǎn)。Wi-SUN傳輸技術(shù)的特性在于具備遠程傳輸、安全性、可擴展性高、可互通、容易布建、Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡，加上耗電量低的特性（Wi-SUN模塊的電池壽命有機會可以使用十年之久），被廣泛應用在智能電表及家庭智能能源管理（HEMS）控制器等通訊裝置，亦有利于打造廣域大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)。

統(tǒng)合先前的整理，我們認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 的標準中的許多標準如 ZigBee Pro、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：(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，對于軟件通訊協(xié)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(fā)展的預測統(tǒng)計表。

簡單由上圖來看，基于 IEEE 802.15.4 為基礎(chǔ)相關(guān)協(xié)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(jù)市調(diào)資料的整理，是以 Smart Home、Medical Devices、Auto Metering、Smart Building 和 Industrial 為主要的應用領(lǐng)域。

NuMicro M2351的 Thread 參考設(shè)計方案

新唐跟位于英國的 Cascoda 公司合作推出了微控制器加上 802.15.4 內(nèi)含 MAC(Media Access Control) layer 的Transceiver 的參考設(shè)計。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，又由于 Cascoda 的 Transceiver ICs (CA8210, CA8211) 都有內(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-MAC Transceiver) 有以下好處：

1.?通訊協(xié)議的 API 受 Timing 的影響較小，反應時間快，比較符合標準

2.?對于特定微控制器與 OS 的依存度較小

3. 純軟件處理 MAC 層的作法較沒有風險，協(xié)定不容易遭竄改，比較安全

由上述的結(jié)構(gòu)圖可以實現(xiàn)基于 Cascoda 在無線傳輸收發(fā)器的創(chuàng)新專利達成約 3 倍的無線傳輸功率提升，比其一般的解決方案可以增加一倍的收發(fā)距離同時兼顧超低功耗的表現(xiàn)，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(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付通訊與終端產(chǎn)品的設(shè)計需求，例如無線抄表、遠距監(jiān)控、智慧家庭、智能工廠與智能大樓等物聯(lián)網(wǎng)應用。

新唐 M2351 微控制器由于有充足的資源，除了可利用 TrustZone? 區(qū)域放置 OpenThread 通訊協(xié)議，仍有剩余內(nèi)存空間跑上層應用，甚或 RTOS，這些上層應用或 RTOS 可以放到TrustZone? 外的非安全區(qū)以充分利用 Armv8-M 的特性做到對外鏈接網(wǎng)絡通訊時的軟件安全保障。這樣的方案可以帶來以下的市場機會：

1. 倍增的收訊距離解決了服務范圍的穩(wěn)定問題。

2. 符合標準的參考設(shè)計平臺。完全兼容于現(xiàn)有的 802.15.4 Thread 標準，Cascoda 跟新唐更提供免費的 OpenThread 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. 快速跟進市場上的主流應用。802.15.4 已經(jīng)存在于 Comcast, Amazon Echo+, 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(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 Thread 終端產(chǎn)品參考設(shè)計范例。

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