物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)之短距離無線通信技術(shù)的解析

物聯(lián)網(wǎng)之短距離無線通信

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡(jiǎn)稱IOT）是指通過 各種信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、 連接、互動(dòng)的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化 學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過程的智能化感知、識(shí)別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)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(dú)立尋址的普通物理對(duì)象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。

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(hào)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(dòng)裝置如手機(jī)、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(dòng)通訊技術(shù)，然因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不同于行動(dòng)通訊對(duì)于大帶寬、低延遲等傳輸要求，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)于數(shù)據(jù)封包需求小、對(duì)于延遲容忍程度較大，同時(shí)需要覆蓋更為廣泛或是深入地表等屏蔽較嚴(yán)重的區(qū)域，針對(duì)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(gè)簡(jiǎn)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(jìn)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(jìn)行收集數(shù)據(jù)的重要角色，我們以下表分析幾個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織（自配置、自修復(fù)、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(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等，其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，主要用于傳感控制應(yīng)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(gè)頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，單點(diǎn)傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi), ZigBee是可由一個(gè)到65535個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，從標(biāo)準(zhǔn)的75m距離進(jìn)行無限擴(kuò)展。ZigBee 節(jié)點(diǎn)非常省電，其電池工作時(shí)間可以長達(dá)6 個(gè)月到2 年左右，在休眠模式下可達(dá)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(dǎo)的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)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(hào)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(yīng)用場(chǎng)合。Z-Wave采用了動(dòng)態(tài)路由技術(shù)，每一個(gè)Z-Wave網(wǎng)絡(luò)都擁有自己獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址(HomeID);網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址(NodeID)，由控制節(jié)點(diǎn)(Controller)分配。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多容納232個(gè)節(jié)點(diǎn)(Slave)，包括控制節(jié)點(diǎn)在內(nèi)。Zensys提供Windows開發(fā)用的動(dòng)態(tài)庫(Dynamically Linked Library, DLL)，開發(fā)者該DLL內(nèi)的API函數(shù)來進(jìn)行PC軟件設(shè)計(jì)。通過Z-Wave技術(shù)構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)，不僅可以通過本網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的遙控，甚至可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)對(duì)Z-Wave網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行控制。

Thread:?是一種基于IPv6的、低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(jì)Thread是為了針對(duì)智能家居和樓宇自動(dòng)化應(yīng)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(kuò)展至更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用當(dāng)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(luò)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(dǎo)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(dòng)Thread成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并向成員企業(yè)的產(chǎn)品提供Thread認(rèn)證。

藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和樓宇個(gè)人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）管理，IEEE將藍(lán)牙技術(shù)列為IEEE 802.15.1，但如今已不再維持該標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙技術(shù)擁有一套專利網(wǎng)絡(luò)，可發(fā)放給符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。藍(lán)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(gè)指定的藍(lán)牙頻道分別傳輸數(shù)據(jù)包。每個(gè)頻道的頻寬為1 MHz。藍(lán)牙4.0使用2 MHz 間距，可容納40個(gè)頻道。質(zhì)量好的無線藍(lán)牙耳機(jī)電池可以使用時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的開放規(guī)范。Wi-SUN FAN是一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有自組網(wǎng)功能和自我修復(fù)(self-healing)功能，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備都可以與相鄰設(shè)備通信，訊息可以在網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)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(yuǎn)程傳輸、安全性、可擴(kuò)展性高、可互通、容易布建、Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，加上耗電量低的特性（Wi-SUN模塊的電池壽命有機(jī)會(huì)可以使用十年之久），被廣泛應(yīng)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(rèn)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(jì)模塊是對(duì)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(diǎn)：(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(duì)于軟件通訊協(xié)議的整合非常容易達(dá)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(gè)市場(chǎng)發(fā)展的預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)表。

簡(jiǎn)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(jì)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(jì)。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(fù)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(shí)間快，比較符合標(biāo)準(zhǔn)

2.?對(duì)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(xiǎn)，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(shí)現(xiàn)基于 Cascoda 在無線傳輸收發(fā)器的創(chuàng)新專利達(dá)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(shí)兼顧超低功耗的表現(xiàn)，換言之對(duì)于裝配電池的裝置有更長的電池使用時(shí)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(gè)參考設(shè)計(jì)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(jì)需求，例如無線抄表、遠(yuǎn)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 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(duì)外鏈接網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)的軟件安全保障。這樣的方案可以帶來以下的市場(chǎng)機(jī)會(huì)：

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(jì)平臺(tái)。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(fèi)的 OpenThread Stack 參考設(shè)計(jì)，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(jìn)市場(chǎng)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(gè)開放通用平臺(tái)，非常便于各類需要類短距離通訊的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)，是一個(gè)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(jì)范例。

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