【应用】借力Sub-GHz 无线M-Bus加速智能仪表普及

时间： 2019-07-30 来源：Silicon Labs

技术问答

物联网的连接
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。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（如芯科的EFM32、EZR32等）与高效能Sub-GHz无线IC（如EZRadioPRO系列等）的单芯片方案，可望加速智能型仪表应用普及。

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。

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。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。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。

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。

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EZR32LG 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。

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Si446x无线收发器的direct Tx发射模式，支持同步和异步模式。同步模式比异步模式多了TX_DATA_CLK。Si446x 默认是同步模式。可以通过修改MODEM_MOD_TYPE寄存器的TX_DIRECT_MODE_TYPE位来选择同步或异步模式，可以阅读Si446x API文档中TX_DIRECT_MODE_TYPE位的详细说明。

技术问答发布时间 : 2017-05-10