解析歐洲智能型儀表市場的無線M-Bus

　　物聯(lián)網(wǎng)連接

　　隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能型儀表、居家自動(dòng)化裝置和可穿戴電子產(chǎn)品暴增，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)這個(gè)名詞也備受矚目。物聯(lián)網(wǎng)橫跨了智能電表和市區(qū)照明等遠(yuǎn)程戶外網(wǎng)絡(luò)，以及可連網(wǎng)住家、住宅安保系統(tǒng)和能源管理的短程室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。無線連接和標(biāo)準(zhǔn)型軟件協(xié)議為物聯(lián)網(wǎng)提供了至關(guān)重要的使能技術(shù)(Enabling technology)，有個(gè)不錯(cuò)的例子是：智能型儀表系統(tǒng)的無線連接。近年來所出現(xiàn)對(duì)智能型儀表最有用的無線協(xié)議之一就是無線M-Bus，它被廣泛運(yùn)用在歐洲各地的儀表應(yīng)用中。

　　圖1 – 連接儀表系統(tǒng)的架構(gòu)

　　什么是無線M-Bus?

　　Meter-Bus(M-Bus)是以歐洲智能型儀表通訊的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。這種連接可以是有線或無線，該標(biāo)準(zhǔn)則是在規(guī)范智能型儀表和數(shù)據(jù)收集器之間的通訊連接(如圖1所示)。該標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)用在暖氣費(fèi)用分配器和臨時(shí)或靜態(tài)的遠(yuǎn)程抄表裝置上。無線M-Bus是M-Bus標(biāo)準(zhǔn)的無線版，存在了超過十年，并持續(xù)在歐洲各地的多項(xiàng)布建中成長。以sub-GHz頻段(169 MHz、434 MHz和868 MHz)為基礎(chǔ)，無線M-Bus采用的是簡單的星形網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，協(xié)議則是針對(duì)智能型儀表裝置的需求來優(yōu)化。相較于高頻率(如2.4 GHz)，sub-GHz頻率能發(fā)揮較好的傳輸特性。遠(yuǎn)程傳輸可以使無線電波送達(dá)難以觸及的無線地點(diǎn)，比如安裝在地下的設(shè)備，或是在多道墻面和障礙物背后的儀表。

　　IP尋址和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)并未被規(guī)范在該標(biāo)準(zhǔn)中，雖然儀表可個(gè)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(shù)據(jù)速率和小封裝尺寸可支持以小型軟件堆棧來實(shí)現(xiàn)的低功耗、遠(yuǎn)程解決方案。低功耗對(duì)水表和煤氣表至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兪强侩姵貋韼?dòng)，并需要穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)十年以上。該標(biāo)準(zhǔn)所要求的頻率、調(diào)制模式(以FSK為基礎(chǔ))和帶寬使它在譜頻上比通行的譜頻型協(xié)議要來得有效率。底層技術(shù)可向多家供貨商取得，而且完全是標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)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(biāo)準(zhǔn)與組織

　　與無線M-Bus相關(guān)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)和組織有好幾個(gè)，不過并沒有專為無線M-Bus所建立的共同業(yè)界聯(lián)盟或認(rèn)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(guī)格的各種帶寬訂立發(fā)射限值。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)也界定了EN13757，它有六個(gè)不同的部分。與無線M-Bus的實(shí)施最為相關(guān)的是第三和第四部分。這六個(gè)部分規(guī)范了從物理層到應(yīng)用層的要求，對(duì)有線和無線M-Bus的實(shí)施都是如此。表1列出這些部分及內(nèi)容提要。

　　最新版的EN13757是在2013年時(shí)通過，加強(qiáng)了無線射頻的規(guī)格(更嚴(yán)格)，以取代原本2005年版的標(biāo)準(zhǔn)。除了標(biāo)準(zhǔn)文件，區(qū)域組織也規(guī)范了無線M-Bus的使用。有一個(gè)棘手的地方是，這些區(qū)域在標(biāo)準(zhǔn)上各有獨(dú)特的要求，而且/或許會(huì)從標(biāo)準(zhǔn)中挑選特定的模式來迎合環(huán)境的需要。這些團(tuán)體的例子有法國的GrDF、意大利的CIG，以及OMS集團(tuán)。(我們會(huì)更詳細(xì)地探討GrDF和CIG的要求。)

　　無線M-Bus的模式與頻率

　　表2呈現(xiàn)了不同頻率所規(guī)范的多個(gè)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(fēng)行。R和F模式比較少見，P和Q模式現(xiàn)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(dú)特的區(qū)域要求

　　歐洲各國都有為本身界定出最能配合現(xiàn)有環(huán)境與基礎(chǔ)設(shè)施的要求。這對(duì)特定區(qū)域的公用事業(yè)公司很有用，但卻對(duì)供貨商增添了額外的要求，包括半導(dǎo)體設(shè)計(jì)業(yè)者、儀表制造商和軟件開發(fā)商。如果要提供共同的平臺(tái)，包含軟硬件在內(nèi)的整個(gè)解決方案就必須架構(gòu)得靈活且模塊化，這樣才能適應(yīng)獨(dú)特的區(qū)域要求。在儀表的應(yīng)用上，安全和無線電效能是至關(guān)重要的層面，它則反應(yīng)在這些不同區(qū)域所規(guī)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(qū)域的一些關(guān)鍵特性。

　　法國的GrDF規(guī)范，169 MHz所使用的是“N”模式。它是窄頻、低數(shù)據(jù)速率的模式，以有效率地使用頻譜。連同進(jìn)階的安全要求，它還規(guī)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(shù)據(jù)速率，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)要求，頻率偏離的容許誤差則是嚴(yán)格的0.2%。

　　意大利的CIG也是根植于以N模式來運(yùn)作169 MHz頻段。此外，CIG還采用了意大利的UNI TS 11291-11-4規(guī)格，使應(yīng)用層接口和傳輸層必須有所調(diào)整。應(yīng)用層是以裝置語言訊息規(guī)格/能源儀表伴隨規(guī)格(DLMS/COSEM)為基礎(chǔ)，進(jìn)出頻道的方法則是以ALOHA和LBT為基礎(chǔ)。廣播窗口也為了固件升級(jí)的目的而開放。物理層的要求同樣很獨(dú)特。為了達(dá)到長程，最大發(fā)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(xì)節(jié)記載在規(guī)格文件中。

　　法國和意大利規(guī)范以N模式來運(yùn)作，要求超快的前導(dǎo)符檢測，前導(dǎo)符是非常短的2個(gè)字節(jié)。像是Silicon Labs的Si446x EZRadioPRO系列的Sub-GHz無線收發(fā)器就可以支持這些特定的無線M-Bus要求。

　　對(duì)于應(yīng)用層、封包結(jié)構(gòu)所使用的字段和加強(qiáng)安全性，開放式計(jì)量系統(tǒng)(OMS)和荷蘭智能型儀表推薦(DSMR)也有特殊的規(guī)定。

　　解決方案

　　從半導(dǎo)體器件、軟件協(xié)議棧到模塊，無線M-Bus儀表解決方案有多個(gè)現(xiàn)成的選項(xiàng)。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(jié)省主處理器資源的高效能sub-GHz收發(fā)器，以及可靈活支持各種無線連接的模塊協(xié)議棧架構(gòu)。在設(shè)計(jì)和組構(gòu)儀表系統(tǒng)時(shí)，還必須要有全套的開發(fā)工具。

　　圖2提供了無線M-Bus協(xié)議棧和OSI模式的高階比較，很顯然，M-Bus協(xié)議棧所要求的層次較少。協(xié)議?？梢栽诓坏?2 KB的Flash中運(yùn)行，根據(jù)工作模式和設(shè)備類型而有所不同，對(duì)Flash和RAM的要求減少，也意味著這是個(gè)更低成本的MCU解決方案。應(yīng)用層是由使用者來界定，或許也會(huì)采用OMS、DSMR、DLMS/COSEM或其他任何自定義的應(yīng)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(gòu)能以最大的彈性來支持各式各樣有共同協(xié)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(yīng)用提供了全套的平臺(tái)解決方案，其中包含由Stackforce GmBH所開發(fā)的軟件協(xié)議棧，運(yùn)用在Silicon Labs基于ARM Cortex-M0+、M3和M4核心為基礎(chǔ)的EFM32微控制器上，以及EZRadioPRO的sub-GHz無線收發(fā)器上。高度整合、體積小巧的EZR32無線微控制器平臺(tái)把無線協(xié)議棧、微控制器和收發(fā)器結(jié)合為單一芯片解決方案，很適合空間有限的無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

　　微控制器和無線電很重要的特點(diǎn)是，要能支持各種低功耗模式，如休眠和待機(jī)，并能快速喚醒來處理收發(fā)數(shù)據(jù)包。這對(duì)使用電池供電的儀表尤其重要。另一個(gè)硬件考慮則是對(duì)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(píng)估和調(diào)試階段，基于169 MHz和868 MHz無線射頻硬件開發(fā)套件對(duì)用戶會(huì)很有幫助。圖3所示評(píng)估板是以Silicon Labs的EZR32 sub-GHz無線微控制器為基礎(chǔ)的無線M-Bus硬件平臺(tái)。無線電的硬件優(yōu)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(diào)試選項(xiàng)則能簡化開發(fā)。

　　圖3 - 針對(duì)無線M-Bus應(yīng)用來優(yōu)化的無線硬件平臺(tái)實(shí)例

　　總結(jié)

　　隨著具成本效益的高度整合、超低功耗平臺(tái)變得越來越廣泛，智能型儀表的市場正迅速演進(jìn)。世界各國都訂立了進(jìn)程表，數(shù)以百萬計(jì)的智能型儀表在不久后的將來就會(huì)上路。歐洲可望大量布建無線M-Bus，有很多區(qū)域也已在實(shí)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(xié)議的彈性架構(gòu)，將起到帶頭作用，使智能、連接與節(jié)能的儀表應(yīng)用能為消費(fèi)者和公用事業(yè)單位節(jié)省寶貴的天然資源。

　　Vivek Mohan

　　Silicon Labs公司無線產(chǎn)品資深產(chǎn)品經(jīng)理

　　Vivek Mohan是Silicon Labs物聯(lián)網(wǎng)微控制器暨無線產(chǎn)品事業(yè)群無線連接產(chǎn)品(包括Sub-GHz)的資深產(chǎn)品經(jīng)理。他于2010年加入Silicon Labs，擔(dān)任短距無線產(chǎn)品應(yīng)用工程經(jīng)理。在加入Silicon Labs之前，他曾任職于Marvell Semiconductor公司擔(dān)任WiFi和Bluetooth無線SoC產(chǎn)品的應(yīng)用工程和設(shè)計(jì)驗(yàn)證師。Mohan先生擁有南加州大學(xué)(University of Southern California)電氣工程碩士學(xué)位。