解析歐洲智能型儀表市場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)M-Bus

　　物聯(lián)網(wǎng)連接

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)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照明等遠程戶(hù)外網(wǎng)絡(luò )，以及可連網(wǎng)住家、住宅安保系統和能源管理的短程室內網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)連接和標準型軟件協(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)不錯的例子是：智能型儀表系統的無(wú)線(xiàn)連接。近年來(lái)所出現對智能型儀表最有用的無(wú)線(xiàn)協(xié)議之一就是無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)或無(wú)線(xiàn)，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(shí)或靜態(tài)的遠程抄表裝置上。無(wú)線(xiàn)M-Bus是M-Bus標準的無(wú)線(xiàn)版，存在了超過(guò)十年，并持續在歐洲各地的多項布建中成長(cháng)。以sub-GHz頻段(169 MHz、434 MHz和868 MHz)為基礎，無(wú)線(xiàn)M-Bus采用的是簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò )組態(tài)，協(xié)議則是針對智能型儀表裝置的需求來(lái)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。遠程傳輸可以使無(wú)線(xiàn)電波送達難以觸及的無(wú)線(xiàn)地點(diǎn)，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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )并未被規范在該標準中，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。較低的數據速率和小封裝尺寸可支持以小型軟件堆棧來(lái)實(shí)現的低功耗、遠程解決方案。低功耗對水表和煤氣表至關(guān)重要，因為它們是靠電池來(lái)帶動(dòng)，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(xié)議要來(lái)得有效率。底層技術(shù)可向多家供貨商取得，而且完全是標準型，所以它在市場(chǎng)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(lái)，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)M-Bus相關(guān)的歐洲標準和組織有好幾個(gè)，不過(guò)并沒(méi)有專(zhuān)為無(wú)線(xiàn)M-Bus所建立的共同業(yè)界聯(lián)盟或認證流程。在歐洲，sub-GHz的無(wú)線(xiàn)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(fā)射限值。歐洲標準化委員會(huì )(CEN)也界定了EN13757，它有六個(gè)不同的部分。與無(wú)線(xiàn)M-Bus的實(shí)施最為相關(guān)的是第三和第四部分。這六個(gè)部分規范了從物理層到應用層的要求，對有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)M-Bus的實(shí)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(shí)通過(guò)，加強了無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)M-Bus的使用。有一個(gè)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(huì )從標準中挑選特定的模式來(lái)迎合環(huán)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(huì )更詳細地探討GrDF和CIG的要求。)

　　無(wú)線(xiàn)M-Bus的模式與頻率

　　表2呈現了不同頻率所規范的多個(gè)無(wú)線(xiàn)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(jiàn)，P和Q模式現今則已沒(méi)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(huán)境與基礎設施的要求。這對特定區域的公用事業(yè)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(yè)者、儀表制造商和軟件開(kāi)發(fā)商。如果要提供共同的平臺，包含軟硬件在內的整個(gè)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(wú)線(xiàn)電效能是至關(guān)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(lái)看法國和意大利的例子，并凸顯出這些區域的一些關(guān)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(jìn)階的安全要求，它還規范要以廣播模式來(lái)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(shí)維持窄帶寬的12.5 KHz頻道。特別為了無(wú)線(xiàn)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(lái)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(yǔ)言訊息規格/能源儀表伴隨規格(DLMS/COSEM)為基礎，進(jìn)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(kāi)放。物理層的要求同樣很獨特。為了達到長(cháng)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。其余的細節記載在規格文件中。

　　法國和意大利規范以N模式來(lái)運作，要求超快的前導符檢測，前導符是非常短的2個(gè)字節。像是Silicon Labs的Si446x EZRadioPRO系列的Sub-GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)器就可以支持這些特定的無(wú)線(xiàn)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(kāi)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(xié)議棧到模塊，無(wú)線(xiàn)M-Bus儀表解決方案有多個(gè)現成的選項。高效能無(wú)線(xiàn)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(fā)器，以及可靈活支持各種無(wú)線(xiàn)連接的模塊協(xié)議棧架構。在設計和組構儀表系統時(shí)，還必須要有全套的開(kāi)發(fā)工具。

　　圖2提供了無(wú)線(xiàn)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中運行，根據工作模式和設備類(lèi)型而有所不同，對Flash和RAM的要求減少，也意味著(zhù)這是個(gè)更低成本的MCU解決方案。應用層是由使用者來(lái)界定，或許也會(huì )采用OMS、DSMR、DLMS/COSEM或其他任何自定義的應用層。開(kāi)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(lái)支持各式各樣有共同協(xié)議棧版本的裝置。

　　圖2 - 無(wú)線(xiàn)M-Bus堆棧特性和OSI模式層的比較

　　例如Silicon Labs就為無(wú)線(xiàn)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(kāi)發(fā)的軟件協(xié)議棧，運用在Silicon Labs基于A(yíng)RM Cortex-M0+、M3和M4核心為基礎的EFM32微控制器上，以及EZRadioPRO的sub-GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)器上。高度整合、體積小巧的EZR32無(wú)線(xiàn)微控制器平臺把無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧、微控制器和收發(fā)器結合為單一芯片解決方案，很適合空間有限的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設計。

　　微控制器和無(wú)線(xiàn)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，并能快速喚醒來(lái)處理收發(fā)數據包。這對使用電池供電的儀表尤其重要。另一個(gè)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(cháng)電池壽命。在初步評估和調試階段，基于169 MHz和868 MHz無(wú)線(xiàn)射頻硬件開(kāi)發(fā)套件對用戶(hù)會(huì )很有幫助。圖3所示評估板是以Silicon Labs的EZR32 sub-GHz無(wú)線(xiàn)微控制器為基礎的無(wú)線(xiàn)M-Bus硬件平臺。無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)M-Bus，各種接口和調試選項則能簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)。

　　圖3 - 針對無(wú)線(xiàn)M-Bus應用來(lái)優(yōu)化的無(wú)線(xiàn)硬件平臺實(shí)例

　　總結

　　隨著(zhù)具成本效益的高度整合、超低功耗平臺變得越來(lái)越廣泛，智能型儀表的市場(chǎng)正迅速演進(jìn)。世界各國都訂立了進(jìn)程表，數以百萬(wàn)計的智能型儀表在不久后的將來(lái)就會(huì )上路。歐洲可望大量布建無(wú)線(xiàn)M-Bus，有很多區域也已在實(shí)地試行。超低功耗的微控制器和高效能的sub-GHz無(wú)線(xiàn)IC，加上支持多種協(xié)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(yè)單位節省寶貴的天然資源。

　　Vivek Mohan

　　Silicon Labs公司無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)產(chǎn)品事業(yè)群無(wú)線(xiàn)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，擔任短距無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品應用工程經(jīng)理。在加入Silicon Labs之前，他曾任職于Marvell Semiconductor公司擔任WiFi和Bluetooth無(wú)線(xiàn)SoC產(chǎn)品的應用工程和設計驗證師。Mohan先生擁有南加州大學(xué)(University of Southern California)電氣工程碩士學(xué)位。