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物聯(lián)網(wǎng)世界的通訊標(biāo)準(zhǔn)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(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)，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)世界的最后一哩路

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：

 

 

*1: Low-Power Wide-Area Network Range > 1km, 例如: LoRA, SigFox, NB-IoT

*2: Short Range

 

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：

 

數(shù)據(jù)源：各聯(lián)盟網(wǎng)站，新唐整理

 

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(biāo)準(zhǔn)中的許多標(biāo)準(zhǔn)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(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。

 

下圖是一個市場發(fā)展的預(yù)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(yīng)用預(yù)期仍是成長的，主要是集中在 ZigBee 和 Thread，特別是 Thread。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 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(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 (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(yīng)時間快，比較符合標(biāo)準(zhǔn)

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(fēng)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(yīng)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(yīng)用。

 

新唐 802.15.4 Thread 參考設(shè)計方案的細部特點與帶來的市場機會

 

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(yīng)用，甚或 RTOS，這些上層應(yīng)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(luò)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(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 Thread 標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)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。