M2351应用系列：短距离无线通信模块

新唐科技 微控制器应用事业群技术经理 – 凌立民 (Robert Ling)

什么是802.15.4 Thread
首先我们先来看看物联网里的主流通讯标准为那些。


根据上图的整理，我们可以看到物联网的通讯方式大概可分为长距离与短距离(Long Range Wireless and Short Range Wireless)两大类,  而这两大类里又有许多细项标准是需要被讨论的，我们可以再看下一张表的说明来了解这些不同标准被使用时的一些考虑因素。

*1: Low-Power Wide-Area Network Range > 1km, 例如: LoRA, SigFox, NB-IoT
*2: Short Range < 100m, 例如: ZigBee, Thread, Z-Wave or Bluetooth

由上表可以清楚的了解到在带传感器收集数据的终端装置上有需要用到的无线通信比较像是属于短距离的方案，所以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
我们跟位于英国的Cascoda公司合作推出了MCU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MCU与OS的依存度较小
3.        彼此纯软件处理MAC层的作法较没有风险，协定不容易遭窜改，比较安全
我们整理应用架构图如下：


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(美国、中国、台湾与南韩)达成约3倍的无线传输功率提升(约5dB)，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MCU，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802.15.4 Thread参考设计方案的细部特点与带来的市场机会
在此，我们再增加对于跑在M2351这端Thread的通讯协议(Thread Stack)做以下的简图说明：


所以由上图可以看到Cascoda公司开发了以硬件MAC为基础的ROM code来支持Open T
Thread协议，同时新唐也基于Open Thread把该协议移植到M2351上，由于有充足的资源，M2351还可以再跑上层应用，甚或RTOS，这些上层应用或RTOS可以放到TrustZone®的非安全区来以充分利用Armv8-M的特性做到网络联网应用的软件安全保障。这样的方案可以带来以下的市场机会：
(A)        是一种高效能的无线收发明。倍增的收讯距离解决了服务范围的稳定问题。
(B)        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。
(C)        通讯/监控区域的宽广覆盖且兼顾低功耗。
(D)        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。