物联网通信技术之短距离无线通信技术的解析

物联网之短距离无线通信

物联网（The Internet of Things，简称IOT）是指通过 各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、 连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化 学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

物联网世界的通讯标准介绍

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™、Wi-SUN 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)，其中用户许可证频谱通讯技术主要为 NB-IoT。下图是一个简单的物联网系统架构图。 

短距离无线通信技术：物联网世界的最后一公里

若是根据长短距离无线通信技术的特性进行采用选择，短距离通讯搭配一般微控制器扮演在终端装置上特别是带传感器进行收集数据的重要角色，我们以下表分析几个重要的技术采用因素：

而在众多短距离的通讯技术领域里，又以 IEEE 802.15.x 族群为代表而有许多不同的分支，兹将重要的代表技术整理如下：

WIFI：基于IEEE 802.11标准的无线局域网，可以看作是有线局域网的短距离无线延伸。组建WIFI只需要一个无线AP或是无线路由器就可以，成本较低。

Zigbee：是基于IEEE802.15.4标准的低速、短距离、低功耗、双向无线通信技术的局域网通信协议，又称紫蜂协议。特点是近距离、低复杂度、自组织（自配置、自修复、自管理）、低功耗、低数据速率。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等，其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定，主要用于传感控制应用(Sensor and Control)。可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，单点传输距离在10-75m的范围内, ZigBee是可由一个到65535个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，从标准的75m距离进行无限扩展。ZigBee 节点非常省电，其电池工作时间可以长达6 个月到2 年左右，在休眠模式下可达10 年，下图是Zigbee的组网图（该图来源于网上）

Z-Wave：是由丹麦公司Zensys所一手主导的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术，工作频带为908.42MHz(美国)~868.42MHz(欧洲)，采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式，数据传输速率为9.6 kb~ 40kb/s，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m，适合于窄宽带应用场合。Z-Wave采用了动态路由技术，每一个Z-Wave网络都拥有自己独立的网络地址(HomeID);网络内每个节点的地址(NodeID)，由控制节点(Controller)分配。每个网络最多容纳232个节点(Slave)，包括控制节点在内。Zensys提供Windows开发用的动态库(Dynamically Linked Library, DLL)，开发者该DLL内的API函数来进行PC软件设计。通过Z-Wave技术构建的无线网络，不仅可以通过本网络设备实现对家电的遥控，甚至可以通过Internet网络对Z-Wave网络中的设备进行控制。

Thread: 是一种基于IPv6的、低功耗网状网络技术，主要是为物联网设备提供安全、无缝通信。最初设计Thread是为了针对智能家居和楼宇自动化应用，如电器管理、温度控制、能源使用、照明、安全等，现其范围已扩展至更广泛的物联网应用当中去了。由于Thread使用了6LoWPAN技术，并基于IEEE 802.15.4网状网络协议，因此Thread也是IP可寻址的，其不仅能为低成本、电池供电的设备之间提供有效通信，也支持云和AES加密。

而为了加速Thread协议普及，Nest Labs (Alphabet/Google子公司)、三星、ARM、高通、恩智浦半导体/飞思卡尔、Silicon Labs等公司早于2014年7月组成了“Thread Group”联盟，来推动Thread成为行业标准，并向成员企业的产品提供Thread认证。

蓝牙（Bluetooth）：使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波、基于数据包、有着主从架构的一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换。由蓝牙技术联盟（SIG）管理，IEEE将蓝牙技术列为IEEE 802.15.1，但如今已不再维持该标准，蓝牙技术拥有一套专利网络，可发放给符合标准的设备。蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。每个频道的频宽为1 MHz。蓝牙4.0使用2 MHz 间距，可容纳40个频道。质量好的无线蓝牙耳机电池可以使用时间一般是2-3年，通常是数周。

Wi-SUN（Wireless Smart Ubiquitous Network）技术基于IEEE 802.15.4g、IEEE 802和IETF IPv6标准的开放规范。Wi-SUN FAN是一种网状网络协议，具有自组网功能和自我修复(self-healing)功能，网络中的每个设备都可以与相邻设备通信，讯息可以在网络中的每个节点之间进行非常长距离的跳转。Wi-SUN传输技术的特性在于具备远程传输、安全性、可扩展性高、可互通、容易布建、Mesh网状网络，加上耗电量低的特性（Wi-SUN模块的电池寿命有机会可以使用十年之久），被广泛应用在智能电表及家庭智能能源管理（HEMS）控制器等通讯装置，亦有利于打造广域大规模物联网。

统合先前的整理，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 Thread 的发展最有潜力，其原因包括了以下几点：(1)受到大厂的支持如Google、Arm、三星等，Apple 也在 2018 年加入 Thread 阵营。(2)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。(3)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。下图是一个市场发展的预测统计表。

简单由上图来看，基于 IEEE 802.15.4 为基础相关协议的应用预期仍是成长的，主要是集中在 ZigBee 和 Thread，特别是 Thread。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 Thread 参考设计方案

新唐跟位于英国的 Cascoda 公司合作推出了微控制器加上 802.15.4 内含 MAC(Media Access Control) layer 的Transceiver 的参考设计。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，又由于 Cascoda 的 Transceiver ICs (CA8210, CA8211) 都有内含 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 (Low-MAC Transceiver) 有以下好处：

1. 通讯协议的 API 受 Timing 的影响较小，反应时间快，比较符合标准

2. 对于特定微控制器与 OS 的依存度较小

3. 纯软件处理 MAC 层的作法较没有风险，协定不容易遭窜改，比较安全

由上述的结构图可以实现基于 Cascoda 在无线传输收发器的创新专利达成约 3 倍的无线传输功率提升，比其一般的解决方案可以增加一倍的收发距离同时兼顾超低功耗的表现，换言之对于装配电池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。

新唐 M2351 微控制器由于有充足的资源，除了可利用 TrustZone® 区域放置 OpenThread 通讯协议，仍有剩余内存空间跑上层应用，甚或 RTOS，这些上层应用或 RTOS 可以放到TrustZone® 外的非安全区以充分利用 Armv8-M 的特性做到对外链接网络通讯时的软件安全保障。这样的方案可以带来以下的市场机会：

1. 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 Thread 标准，Cascoda 跟新唐更提供免费的 OpenThread 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，Cascoda 和新唐提供的是一个开放通用平台，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 Thread 终端产品参考设计范例。

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