借力MCU/sub-GHz收发器 无线M-Bus加速智能仪表普及

作者：Silicon Labs物联网微控制器兼无线产品资深产品经理Vivek Mohan

无线M-Bus将推进智能型仪表市场发展。因应智能能源发展趋势，半导体从业者已积极投入M-Bus相关芯片、软件协议栈及模组布局，如推出整合超低功耗MCU与高效能sub-GHz无线IC的单芯片方案，可望加速智能型仪表应用普及。

随着无线传感器网路、智能型仪表、居家自动化装置和穿戴式电子产品暴增，物联网(IoT)这个名词也备受瞩目。物联网横跨了智能电表和市区照明等长程户外网路，以及可联网住家、住宅安保系统和能源管理的短程室内网路。 

物联网的连接

无线连接和标准型软件协定为物联网提供了至关重要的使能技术（Enabling Technology），有个不错的例子是智能型仪表系统的无线连接。近年来所出现对智能型仪表最有用的无线协定之一就是无线M-Bus（Meter-Bus），它被广泛运用在欧洲各地的仪表应用中。 

无线M-Bus探析

M-Bus是以欧洲智能型仪表通信的标准为基础。这种连接可以是有线或无线，该标准则是在规范智能型仪表和资料搜集器之间的通信连接(图1)。该标准也应用在暖气费用分配器和临时或静态的远端抄表装置上。

                                                          图1连接仪表系统的架构

无线M-Bus是M-Bus标准的无线版，存在了超过10年，并持续在欧洲各地的多项布建中成长。以sub-GHz频段（169MHz、434MHz和868MHz）为基础，无线M-Bus采用的是简单的星形网络组态，协议则是针对智能型仪表装置的需求来优化；相较于高频率（如2.4GHz），sub-GHz频率能发挥较好的传输特性。远程传输可以使无线电波送达难以触及的无线地点，像是安装在地下的设备，或是在多道墙面和障碍物背后的仪表。 

IP定址和网状网络并未被规范在该标准中，虽然仪表可个别定址，并且/或许能支援中继或路由某些模式的信息。较低的资料速率和小封包尺寸可支援以小型软件协议栈来实施的低功耗、远程解决方案；低功耗对水表和煤气表至关重要，因为它们是靠电池来带动，并需要稳定运转10年以上。 

该标准所要求的频率、调变（以FSK为基础）和频宽，使它在谱频上比通行的谱频型协议要来得有效率。底层技术可向多家供应商取得，而且完全是标准型，所以它在市场上是非常具竞争力的解决方案，并有利于消费者。这些因素加起来，无线M-Bus在欧洲便成了具成本效益的智能型仪表连接解决方案。

无线M-Bus相关标准与组织

与无线M-Bus相关的欧洲标准和组织有好几个，不过并没有专为无线M-Bus所建立的共同业界联盟或认证流程。在欧洲，sub-GHz的无线装置全都必须遵守ETSI EN 300 220，它是在为其他规格的各种带宽订立发射限值。欧洲标准化委员会(CEN)也界定了EN13757，它有六个不同的部分。与无线M-Bus的实施最为相关的是第三和第四部分。这六个部分规范了从物理层到应用层的要求，对有线和无线M-Bus的实施都是如此。表1列出这些部分及内容提要。

表1 - EN13757标准的各部分摘要

最新版的EN13757是在2013年时通过，加强了无线射频的规格(更严格)，以取代原本2005年版的标准。除了标准文件，区域组织也规范了无线M-Bus的使用。有一个棘手的地方是，这些区域在标准上各有独特的要求，而且/或许会从标准中挑选特定的模式来迎合环境的需要。这些团体的例子有法国的GrDF、意大利的CIG，以及OMS集团 (我们会更详细地探讨GrDF和CIG的要求) 。

无线M-Bus模式与频率

表2呈现了不同频率所规范的多个无线模式。S、T、C和N是最常用的模式，而且N模式在169 MHz频段中日益风行。R和F模式比较少见，P和Q模式现今则已没人使用。这些模式都有单向与双向的次模式(sub mode)。

表2 - sub-GHz频率的无线模式

独特的区域要求

欧洲各国都有为本身界定出最能配合现有环境与基础设施的要求。这对特定区域的公用事业公司很有用，但却对供货商增添了额外的要求，包括半导体设计业者、仪表制造商和软件开发商。如果要提供共同的平台，包含软硬件在内的整个解决方案就必须架构得灵活且模块化，这样才能适应独特的区域要求。在仪表的应用上，安全和无线电效能是至关重要的层面，它则反应在这些不同区域所规范的额外要求上。我们来看法国和意大利的例子，并凸显出这些区域的一些关键特性。

法国的GrDF规范，169 MHz所使用的是“N”模式。它是窄频、低数据速率的模式，以有效率地使用频谱。连同进阶的安全要求，它还规范要以广播模式来更新仪表。高速4GFSK模式则是选择式界定，以支持较高的数据速率，同时维持窄带宽的12.5 KHz频道。特别为了无线电的效能与提升灵敏度，阻隔和灵敏度可望超越并高于标准要求，频率偏离的容许误差则是严格的0.2%。意大利的CIG也是根据N模式来运作169MHz频段。 

此外，CIG还采用了意大利的UNI TS 11291-11-4规格，使应用层接口和传输层必须有所调整。应用层是以装置语言信息规格/能源仪表伴随规格(DLMS/COSEM)为基础，进出频道的方法则是以ALOHA和LBT为基础。广播窗口也为了固件升级的目的而开放。物理层的要求同样很独特。为了达到远程，最大发射功率是+27 dBm，并额外要求3 dB为一阶，从-27 dBm到+27 dBm。其余的细节记载在规格文件中。

法国和意大利规范以N模式来运作，要求超快的前导符检测，前导符是非常短的2个字节。像是Silicon Labs的Si446x EZRadioPRO系列的Sub-GHz无线收发器就可以支持这些特定的无线M-Bus要求。

对于应用层、封包结构所使用的字段和加强安全性，开放式计量系统（OMS）和荷兰智能型仪表推荐（DSMR）也有特殊的规定。 

无线M-Bus仪表解决方案实作

从半导体元件、软件协议栈到模组，无线M-Bus仪表解决方案有多个现成的选项。高效能无线M-Bus解决方案必备的核心元件包括低耗能微控制器（MCU）、可以卸载主处理器的高效能sub-GHz收发器，以及提供弹性来支持各种无线连接要求的模组协议栈架构。在设计和组构仪表系统时，还必须要有全套的开发工具。 

图2提供了无线M-Bus协议栈和OSI模式的高阶比较，并突显出协议栈所要求的层次较少；依照模式和装置类型，协议栈大小可存放在小于32KB的Flash中。在Flash和RAM的要求降低下，这等于减少了微控制器解决方案的成本。应用层是由使用者来界定，或许也会采用OMS、DSMR、DLMS/COSEM或其他任何自定的应用层。开放的硬件抽象层(HAL)能为周边装置从事低阶的硬件组构，像是GPIO或UART的波特率。这种模组架构能以最大的弹性来支援各式各样有共同协议栈版本的装置。例如：芯科就为无线M-Bus应用提供了全套的平台解决方案，其中包含由Stackforce公司所开发的优化软件协议栈，以运用在芯科基于ARM Cortex-M0+、M3和M4核心的EFM32微控制器上，以及EZRadioPRO的sub-GHz无线收发器上。高度整合、体积小巧的EZR32无线微控制器平台把无线协议栈、微控制器和收发器结合为单一芯片解决方案，很适合空间有限的无线型设计。

                                          图2：无线M-Bus协议栈特性和OSI模式层的比较

微控制器和无线电很重要的是，要能支持各种低功耗模式，如休眠和待机，并能快速苏醒来处理收发数据包，这对使用电池供电的仪表尤其重要。另一个硬件考量则是对周边装置的支持，以及能自主运行而延长电池寿命的传感器介面。 

在初步评估和除错阶段，配合已针对169MHz和868MHz无线射频调试好的硬件套件也会有帮助。图3范例是以芯科的EZR32 sub-GHz无线微控制器为基础的无线M-Bus硬件平台。

                                                图3：针对无线M-Bus应用优化的无线硬件平台实例

无线电的硬件是优化成不同的频率和功耗，以配合欧洲在管制上的要求，包括868MHz和169MHz的无线M-Bus，而各种介面和除错选项则能简化开发。

无线M-Bus将为大势所趋

随着高度整合、超低功耗的平台以及具有成本效益的价位变得越发广泛，智能型仪表市场正迅速演进，世界各国都订立了时程，数以百万计的智能型仪表在不久后的将来就会上路。欧洲可望大量布建无线M-Bus，有很多区域也已在实地试行。 

超低功耗的微控制器和高效能的sub-GHz无线IC，加上支援多种协定的弹性架构，将发挥带头作用，使智能、连接与节能的仪表应用能为消费者和公用事业单位节省宝贵的天然资源。