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物聯網連接 隨著無線傳感器網絡、智能型儀表、居家自動化裝置和可穿戴電子產品暴增，物聯網(IoT)這個名詞也備受矚目。物聯網橫跨了智能電表和市區照明等遠程戶外網絡，以及可連網住家、住宅安保系統和能源管理的短程室內網絡。無線連接和標準型軟件協議為物聯網提供了至關重要的使能技術(Enabling technology)，有個不錯的例子是：智能型儀表系統的無線連接。近年來所出現對智能型儀表最有用的無線協議之一就是無線M-Bus，它被廣泛運用在歐洲各地的儀表應用中。 圖1 – 連接儀表系統的架構 什么是無線M-Bus? Meter-Bus(M-Bus)是以歐洲智能型儀表通訊的標準為基礎。這種連接可以是有線或無線，該標準則是在規范智能型儀表和數據收集器之間的通訊連接(如圖1所示)。該標準也應用在暖氣費用分配器和臨時或靜態的遠程抄表裝置上。無線M-Bus是M-Bus標準的無線版，存在了超過十年，并持續在歐洲各地的多項布建中成長。以sub-GHz頻段(169 MHz、434 MHz和868 MHz)為基礎，無線M-Bus采用的是簡單的星形網絡組態，協議則是針對智能型儀表裝置的需求來優化。相較于高頻率(如2.4 GHz)，sub-GHz頻率能發揮較好的傳輸特性。遠程傳輸可以使無線電波送達難以觸及的無線地點，比如安裝在地下的設備，或是在多道墻面和障礙物背后的儀表。 IP尋址和網狀網絡并未被規范在該標準中，雖然儀表可個別尋址，并且/或許能支持中繼或路由某些模式的訊息。較低的數據速率和小封裝尺寸可支持以小型軟件堆棧來實現的低功耗、遠程解決方案。低功耗對水表和煤氣表至關重要，因為它們是靠電池來帶動，并需要穩定運轉十年以上。該標準所要求的頻率、調制模式(以FSK為基礎)和帶寬使它在譜頻上比通行的譜頻型協議要來得有效率。底層技術可向多家供貨商取得，而且完全是標準型，所以它在市場上是非常具競爭力的解決方案，并有利于消費者。這些因素加起來，無線M-Bus在歐洲便成了具成本效益的智能型儀表連接解決方案。 標準與組織 與無線M-Bus相關的歐洲標準和組織有好幾個，不過并沒有專為無線M-Bus所建立的共同業界聯盟或認證流程。在歐洲，sub-GHz的無線裝置全都必須遵守ETSI EN 300 220，它是在為其他規格的各種帶寬訂立發射限值。歐洲標準化委員會(CEN)也界定了EN13757，它有六個不同的部分。與無線M-Bus的實施最為相關的是第三和第四部分。這六個部分規范了從物理層到應用層的要求，對有線和無線M-Bus的實施都是如此。表1列出這些部分及內容提要。 最新版的EN13757是在2013年時通過，加強了無線射頻的規格(更嚴格)，以取代原本2005年版的標準。除了標準文件，區域組織也規范了無線M-Bus的使用。有一個棘手的地方是，這些區域在標準上各有獨特的要求，而且/或許會從標準中挑選特定的模式來迎合環境的需要。這些團體的例子有法國的GrDF、意大利的CIG，以及OMS集團。(我們會更詳細地探討GrDF和CIG的要求。) 無線M-Bus的模式與頻率 表2呈現了不同頻率所規范的多個無線模式。S、T、C和N是最常用的模式，而且N模式在169 MHz頻段中日益風行。R和F模式比較少見，P和Q模式現今則已沒人使用。這些模式都有單向與雙向的次模式(sub mode)。 獨特的區域要求 歐洲各國都有為本身界定出最能配合現有環境與基礎設施的要求。這對特定區域的公用事業公司很有用，但卻對供貨商增添了額外的要求，包括半導體設計業者、儀表制造商和軟件開發商。如果要提供共同的平臺，包含軟硬件在內的整個解決方案就必須架構得靈活且模塊化，這樣才能適應獨特的區域要求。在儀表的應用上，安全和無線電效能是至關重要的層面，它則反應在這些不同區域所規范的額外要求上。我們來看法國和意大利的例子，并凸顯出這些區域的一些關鍵特性。 法國的GrDF規范，169 MHz所使用的是“N”模式。它是窄頻、低數據速率的模式，以有效率地使用頻譜。連同進階的安全要求，它還規范要以廣播模式來更新儀表。高速4GFSK模式則是選擇式界定，以支持較高的數據速率，同時維持窄帶寬的12.5 KHz頻道。特別為了無線電的效能與提升靈敏度，阻隔和靈敏度可望超越并高于標準要求，頻率偏離的容許誤差則是嚴格的0.2%。 意大利的CIG也是根植于以N模式來運作169 MHz頻段。此外，CIG還采用了意大利的UNI TS 11291-11-4規格，使應用層接口和傳輸層必須有所調整。應用層是以裝置語言訊息規格/能源儀表伴隨規格(DLMS/COSEM)為基礎，進出頻道的方法則是以ALOHA和LBT為基礎。廣播窗口也為了固件升級的目的而開放。物理層的要求同樣很獨特。為了達到長程，最大發射功率是+27 dBm，并額外要求3 dB為一階，從-27 dBm到+27 dBm。其余的細節記載在規格文件中。 法國和意大利規范以N模式來運作，要求超快的前導符檢測，前導符是非常短的2個字節。像是Silicon Labs的Si446x EZRadioPRO系列的Sub-GHz無線收發器就可以支持這些特定的無線M-Bus要求。 對于應用層、封包結構所使用的字段和加強安全性，開放式計量系統(OMS)和荷蘭智能型儀表推薦(DSMR)也有特殊的規定。 解決方案 從半導體器件、軟件協議棧到模塊，無線M-Bus儀表解決方案有多個現成的選項。高效能無線M-Bus解決方案必備的核心器件包括：低耗能微控制器(MCU)、可以節省主處理器資源的高效能sub-GHz收發器，以及可靈活支持各種無線連接的模塊協議棧架構。在設計和組構儀表系統時，還必須要有全套的開發工具。 圖2提供了無線M-Bus協議棧和OSI模式的高階比較，很顯然，M-Bus協議棧所要求的層次較少。協議棧可以在不到32 KB的Flash中運行，根據工作模式和設備類型而有所不同，對Flash和RAM的要求減少，也意味著這是個更低成本的MCU解決方案。應用層是由使用者來界定，或許也會采用OMS、DSMR、DLMS/COSEM或其他任何自定義的應用層。開放的硬件抽象層(HAL)用于配置周邊硬件，如GPIO或UART波特率。這種模塊架構能以最大的彈性來支持各式各樣有共同協議棧版本的裝置。 圖2 - 無線M-Bus堆棧特性和OSI模式層的比較 例如Silicon Labs就為無線M-Bus應用提供了全套的平臺解決方案，其中包含由Stackforce GmBH所開發的軟件協議棧，運用在Silicon Labs基于ARM Cortex-M0+、M3和M4核心為基礎的EFM32微控制器上，以及EZRadioPRO的sub-GHz無線收發器上。高度整合、體積小巧的EZR32無線微控制器平臺把無線協議棧、微控制器和收發器結合為單一芯片解決方案，很適合空間有限的無線產品設計。 微控制器和無線電很重要的特點是，要能支持各種低功耗模式，如休眠和待機，并能快速喚醒來處理收發數據包。這對使用電池供電的儀表尤其重要。另一個硬件考慮則是對周邊裝置和傳感器接口的支持，這些也能夠有助于延長電池壽命。在初步評估和調試階段，基于169 MHz和868 MHz無線射頻硬件開發套件對用戶會很有幫助。圖3所示評估板是以Silicon Labs的EZR32 sub-GHz無線微控制器為基礎的無線M-Bus硬件平臺。無線電的硬件優化成不同的頻率和功耗，以適合歐洲管制的要求，包括868 MHz和169 MHz的無線M-Bus，各種接口和調試選項則能簡化開發。 圖3 - 針對無線M-Bus應用來優化的無線硬件平臺實例 總結 隨著具成本效益的高度整合、超低功耗平臺變得越來越廣泛，智能型儀表的市場正迅速演進。世界各國都訂立了進程表，數以百萬計的智能型儀表在不久后的將來就會上路。歐洲可望大量布建無線M-Bus，有很多區域也已在實地試行。超低功耗的微控制器和高效能的sub-GHz無線IC，加上支持多種協議的彈性架構，將起到帶頭作用，使智能、連接與節能的儀表應用能為消費者和公用事業單位節省寶貴的天然資源。 Vivek Mohan Silicon Labs公司無線產品資深產品經理 Vivek Mohan是Silicon Labs物聯網微控制器暨無線產品事業群無線連接產品(包括Sub-GHz)的資深產品經理。他于2010年加入Silicon Labs，擔任短距無線產品應用工程經理。在加入Silicon Labs之前，他曾任職于Marvell Semiconductor公司擔任WiFi和Bluetooth無線SoC產品的應用工程和設計驗證師。Mohan先生擁有南加州大學(University of Southern California)電氣工程碩士學位。 |
