解析歐洲智能型儀表市場的無線M－Bus

Silicon Labs Vivek Mohan

物聯(lián)網(wǎng)連接

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能型儀表、居家自動化裝置和可穿戴電子產(chǎn)品暴增，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）這個名詞也備受矚目。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），有個不錯的例子是：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，它被廣泛運用在歐洲各地的儀表應(yīng)用中。

什么是無線M－Bus？

Meter－Bus（M－Bus）是以歐洲智能型儀表通信的標(biāo)準為基礎(chǔ)。這種連接可以是有線或無線，該標(biāo)準則是在規(guī)范智能型儀表和數(shù)據(jù)收集器之間的通信連接（如圖1所示）。該標(biāo)準也應(yīng)用在暖氣費用分配器和臨時或靜態(tài)的遠程抄表裝置上。無線M－Bus是M－Bus標(biāo)準的無線版，存在了超過十年，并持續(xù)在歐洲各地的多項布建中成長。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)議則是針對智能型儀表裝置的需求來優(yōu)化。相較于高頻率（如2.4GHz），sub－GHz頻率能發(fā)揮較好的傳輸特性。遠程傳輸可以使無線電波送達難以觸及的無線地點，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。

圖1 連接儀表系統(tǒng)的架構(gòu)

IP尋址和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)并未被規(guī)范在該標(biāo)準中，雖然儀表可個別尋址，并且或許能支持中繼或路由某些模式的信息。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現(xiàn)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帶動，并需要穩(wěn)定運轉(zhuǎn)十年以上。該標(biāo)準所要求的頻率、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)準型，所以它在市場上是非常具有競爭力的解決方案，并有利于消費者。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)準與組織

與無線M－Bus相關(guān)的歐洲標(biāo)準和組織有好幾個，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)準化委員會（CEN）也界定了EN13757，它有6個不同的部分。與無線M－Bus的實施最為相關(guān)的是第3和第4部分。這6個部分規(guī)范了從物理層到應(yīng)用層的要求，對有線和無線M－Bus的實施都是如此。

最新版的EN13757是在2013年時通過，加強了無線射頻的規(guī)格（更嚴格），以取代原本2005年版的標(biāo)準。除了標(biāo)準文件，區(qū)域組織也規(guī)范了無線M－Bus的使用。有一個棘手的地方是，這些區(qū)域在標(biāo)準上各有獨特的要求，或許會從標(biāo)準中挑選特定的模式來迎合環(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。

無線M－Bus的模式與頻率

表1呈現(xiàn)了不同頻率所規(guī)范的多個無線模式。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）。

表1 sub－GHz頻率的無線模式

獨特的區(qū)域要求

歐洲各國都有為本身界定出最能適合現(xiàn)有環(huán)境與基礎(chǔ)設(shè)施的要求。這對特定區(qū)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(dǎo)體設(shè)計業(yè)者、儀表制造商和軟件開發(fā)商。如果要提供共同的平臺，包含軟硬件在內(nèi)的整個解決方案，就必須使架構(gòu)靈活且模塊化，這樣才能適應(yīng)獨特的區(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，它則反映在這些不同區(qū)域所規(guī)范的額外要求上。法國和意大利的例子可以凸顯出這些區(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，同時維持窄帶寬的12.5kHz頻道。特別為了無線電的效能與提升靈敏度，阻隔和靈敏度有望超越并高于標(biāo)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 模式來運作169MHz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)用層是以裝置語言信息規(guī)格／能源儀表伴隨規(guī)格（DLMS／COSEM）為基礎(chǔ)，進出頻道的方法則是以ALOHA 和LBT 為基礎(chǔ)。廣播窗口也出于固件升級的目的而開放。物理層的要求同樣很獨特。為了達到長程，最大發(fā)射功率是＋27dBm，并額外要求3dB為一階，從－27dBm 到＋27dBm。其余的細節(jié)記載在規(guī)格文件中。

法國和意大利規(guī)范以N 模式來運作，要求超快的前導(dǎo)符檢測，前導(dǎo)符是非常短的2個字節(jié)。Silicon Labs的Si446xEZRadioPRO 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。

對于應(yīng)用層、封包結(jié)構(gòu)所使用的字段和加強安全性，開放式計量系統(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現(xiàn)成的選項。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)計和組構(gòu)儀表系統(tǒng)時，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)議棧可以在不到32KB的Flash中運行，根據(jù)工作模式和設(shè)備類型而有所不同，對Flash和RAM 的要求減少，也意味著這是個更低成本的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

Silicon Labs就為無線M－Bus應(yīng)用提供了全套的平臺解決方案，其中包含由Stackforce GmBH 所開發(fā)的軟件協(xié)議棧，運用在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。

微控制器和無線電很重要的特點是，要能支持各種低功耗模式，如休眠和待機，并能快速喚醒來處理收發(fā)數(shù)據(jù)包。這對使用電池供電的儀表尤其重要。另一個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電池壽命。在初步評估和調(diào)試階段，基于169MHz和868MHz無線射頻硬件開發(fā)套件對用戶會很有幫助，例如以Silicon Labs的EZR32sub－GHz無線微控制器為基礎(chǔ)的無線M－Bus硬件平臺。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)試選項則能簡化開發(fā)。

結(jié) 語

歐洲有望大量布建無線M－Bus，有很多區(qū)域也已在實地試行。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)用能為消費者和公用事業(yè)單位節(jié)省寶貴的天然資源。

Vivek Mohan：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。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)計驗證師。