全自主IP,价格减半……WIoTa助力LPWAN进入新时代
作者 | 物联网智库2022-11-10

随着AIoT深化发展,面对业内涌现的新需求与新机遇,WIoTa针对LPWAN领域应用提供了深度技术优化,通过全自主IP创新、蜂窝化组网技术、同步+异步融合机制、高安全方面的技术和应用创新,已经成功在LPWAN市场中抢下了一席之地,在追求更低功耗、更高性价比基础上,将LPWAN推向新的时代,为LPWAN赋予了更大容量、更广覆盖、更高安全的行业属性,并具备提供综合物联网业务能力。

智次方

作为目前最简单、最低成本的广域物联网连接方案,LPWAN自2015年以来一直是全球物联网产业中万众瞩目的焦点,经过了数年的技术迭代与市场验证,同时伴随着物联网业界对于物联网连接“60%-30%-10%”的结构形成共识,围绕着60%的低功耗广域网市场已经培育出了以燃气、水电表、烟感、电动车、路灯为代表的成熟行业应用。

江山代有才人出,从业界初步认识到LPWAN的价值起,相伴而行的便是多种技术不断推出并开启商用竞赛。也正是在这一过程中,高达亿级的连接数驱动了LPWAN的生态繁荣和成本下降,在激烈的市场竞争中,有不少传统的强者逐渐成为前浪,但是同时不断有行业新贵与创新技术入场竞技。如今,随着AIoT深化发展,面对业内涌现的新需求与新机遇,LPWAN领域行业新贵又该如何突围,打破固有的市场格局呢?

作为国产新星,WIoTa针对LPWAN领域应用提供了深度技术优化,通过全自主IP创新、蜂窝化组网技术、同步+异步融合机制、高安全方面的技术和应用创新,已经成功在LPWAN市场中抢下了一席之地,在追求更低功耗、更高性价比基础上,将LPWAN推向新的时代,为LPWAN赋予了更大容量、更广覆盖、更高安全的行业属性,并具备提供综合物联网业务能力。

LPWAN新锐用“组合拳”直击行业痛点

面向高度碎片化的物联网市场,各行业的需求千差万别,一套技术体系显然无法满足所有场景的差异化通信需求。即使是需要低速率、低功耗、长距离的LPWAN领域,各个细分行业的具体场景也要考虑到很多因素,使得单一的LPWAN技术无法覆盖这一60%连接的领域。而这也给了多样化LPWAN技术体系生存和商用的机会。御芯微认为,面向高度碎片化的物联网市场,各行业的需求千差万别,很难形成技术垄断,凡是能适应市场需求的技术都会有很好的成长空间。

纵观LPWAN技术百舸争流的发展历程,SigFox曾辉煌一时却也黯然退场,LoRa则依托Chirp 扩频的方式,在点对点传输、远距离、低功耗等方面,相较传统FSK和单载波DBPSK等技术获取了比较领先的市场优势。目前LPWAN技术已经实现了成熟的产业应用,但随着AIoT进入产业增长期,行业痛点愈发清晰,现有技术也面临着更大的挑战:

  • 首先,多数LPWAN由于其调制解调方式比较简单,更加注重点对点的通信能力,但随着节点数量的增多,以及同一区域多个应用的网络部署,互相干扰问题日渐突出,特别是对一些具备超高灵敏度的LPWAN技术,在很大范围相近频点都会存在系统性干扰问题,从而限制系统的容量。

  • 其次,现有LPWAN调制解调技术普遍不具备大范围内自适应编码调制以及高阶调制的能力,来适应大容量的应用场景。

  • 第三,现有LPWAN普遍不具备防止恶意干扰的能力,对特殊场景使用存在隐患。

  • 第四,现有LPWAN超低功耗唤醒的方案普遍比较弱,误唤醒和换不醒的矛盾很难解决。

  • 最后,部分LPWAN技术在安全性层面缺乏自主可控,存在不同程度的安全隐患。

御芯微洞察了LPWAN市场的丰富需求点,选择了“大容量、广覆盖、抗干扰、高安全、低成本,以及综合物联网业务能力”的“组合拳”打法来应对行业的切实痛点。

WIoTa网络架构

WIoTa网络架构

首先是大容量——WIoTa的同步模式吸取蜂窝通信同步机制的性能优点,针对IoT上行占比高的特点,设计了深度优化的短消息模式,避免了传统通信协议中复杂的握手机制。在这些创新设计的支撑下,WIoTa同步星型模式具备其他LPWAN不具备的大容量能力,可以在物理层实现多终端的调度,解决通信互干扰问题。在多用户系统超密集场景下,WIoTa的并发量相比其他LPWAN高出了一到两个数量级。

其次是广覆盖——WIoTa通信的设计初衷就是灵活可配置,可支持多种组网方式,包括同步星型模式、异步星型模式和MESH模式等,尽量适应多种通信需求,从而满足更多行业应用,甚至可以联合合作伙伴进行定制化研发。针对实际应用中,AP选址困难、深度覆盖困难的需求,WIoTa通信协议在典型网络的基础上可以配置分层网络,实现更完善的覆盖。例如,面对配电网络设备的多样性与复杂情况,WIoTa采用星型和分层覆盖的方式,可以兼顾容量的深度覆盖,解决电力传输线、地下室场景的信号覆盖问题。WIoTa的AP同步机制,可以支持类蜂窝的组网能力,极大拓展物联网应用的覆盖范围。

第三是抗干扰——WIoTa可以在超低信噪比下工作,物理层创新的设计了可扩展的增强型帧结构,实现了接收灵敏度低于-145dBm,具备较强的抗噪声能力。与此同时,WIoTa信道设计上充分考虑大量连接设备下同频同系统内的干扰问题,采用由终端id与子网id联合产生的随机码做分层加扰,最大程度上避免LoRa、WiFi等在密集场景下自干扰的问题。

第四是高安全——WIoTa物理层独特的帧头设计,将帧头信号与子网id深度绑定。即使在同一带宽配置下,帧头信号也复杂多变。对于恶意监听者,在不具备完全的子网信息与终端信息的前提下,无法对网络信号解析获取传输信息。相对的,恶意发送WIoTa信号也无法对当前网络造成影响,不会导致网络瘫痪。

WIoTa全自主中国芯

目前,基于新一代LPWAN技术的WIoTa芯片UC8288,以及IoTE模组UCM200和AP模组UCM202,已实现规模化商用。

  • UC8288

UC8288是搭载WIoTa通信协议的高集成度SoC芯片,集成了:

  • 32位RISC-V MCU,最高主频达150MHz

  • 高性能低功耗基带处理单元

  • 130MHz-1200MHz射频收发单元(工作带宽从12.5KHz到400KHz)

  • DCXO、PMU单元

  • 12bits ADC、10bits DAC、SPI、UART、I2C、PWM、GPIO等丰富外设

  • PUF(物理不可克隆加密模块)、AES128加解密引擎,完善的代码和空口数据加密机制

UC8288芯片系统框图

UC8288芯片系统框图

  • UCM200

UCM200是WIoTa的基础版IoTE终端模组,由一片UC8288和电阻电容等外围器件组成,配套模组开发板,支持二次开发验证。支持12.5KHz-400KHz带宽,最高3bps/Hz高阶调制,支持同步、异步和Mesh多种组网方式。

UCM200(WIoTa IoTE模组)

UCM200(WIoTa IoTE模组)

  • UCM202

UCM202是WIoTa的基础版AP(网关)模组,也是高性能IoTE(终端)模组。配套IoTE模组进行同步AP星型组网模式的商用部署。

UCM202(WIoTa AP模组)

UCM202(WIoTa AP模组)

对比新一代LPWAN的需求,大容量是UC8288系列芯片/模组的亮点,它最高可以支持1Mbps的吞吐率,同时支持10ppm低成本晶体的远距离传输。基于UC8288,可以形成IoTE终端,配合较高性能MCU和高性能时钟芯片作为AP接入点,同时如果扩展多颗UC8288,可以组成大容量和多通道的AP。

其次,UC8288芯片还具有广覆盖的能力,它支持多种组网和传输模式,这些模式给它带来了丰富的组网功能:

  • 星型同步模式:基于AP调度,最大限度避免同系统干扰,适用于大规模网络,如智慧城市、农业、表计、传感器、工业WIFI替代和工业园区等密集应用场景;

  • 星型异步模式:适用于中小规模网络,如园区自组网、家庭、室内网关等中小规模场景,实现自定义灵活组网;

  • Mesh异步模式:适用于距离分散、流量较小的物联网节点应用,以及去中心化远距离超低功耗数传、控制、报警等应用场景;

  • 点对点异步模式:串口转无线,适用于消费类市场,如玩具类无线控制、图像传输、语音传输等产品新技术应用;

  • 广播组播模式:适合数字对讲、报警、应急管理等业务,以及无蜂窝信号下自组网语音通信需求。

UC8288芯片还具有高抗干扰能力。接收灵敏度可低于-145dBm,与此同时,同频段内可通过不同的子网id区分子系统,子系统间白噪声化处理,只是底噪提高,不会形成系统性的干扰。

高安全性方面,WIoTa协议结合自研基带芯片,支持极强的通信保密需求,包括:PUF 物理不可克隆的密钥管理机制和AES128数据和代码加密引擎。UC8288芯片加密引擎提供PUF、AES以及密钥管理功能。密钥在IoTE中不可读取,不可通过芯片克隆来复制。另外,IoTE与系统可以利用该密钥完成双向认证、数据加密密钥的动态更新。AP也可以在网络第一级将恶意终端排除掉,降低DDOS的危害。

低功耗无疑是LPWAN市场的基础“入场券”。UC8288芯片搭载了自主知识产权的高性能低功耗硬件设计,采用多电源域设计,且电源域电压可调,可实现动态开关各个电源域与动态调整各个电源域电压。此外,引入动态gating技术,当没有访问请求时,硬件会自动对相应电路的时钟进行gating,达到较少动态功耗的效果。与此同时,UC8288芯片提供了丰富多样的低功耗模式,包含cpu gated、retention、sleep模式,可以极大的满足客户的低功耗应用场景。

高性价比对于任何一个行业、任何一项新技术而言,都是其走向普适化、规模化的起点。目前WIoTa通信模组的规模售价已经低至现有市场对标产品一半价格以内,在整个LPWAN市场都具有相当有力的竞争优势。更重要的是,WIoTa从基带射频到MCU软件完全自主研发,没有采购任何一个IP,为其成本下探打下了坚实的基础。御芯微在接受智次方·物联网智库专访时提出,面向物联网的海量市场,成本降低10%、市场容量就可能增加1倍以上。

WIoTa快速应用催生综合物联网解决方案能力

产业应用是技术最好的试炼场,基于新一代LPWAN技术的WIoTa芯片UC8288发布以来,已经在诸多应用场景中大放异彩。

  • 智慧照明

WIoTa单灯控制器

WIoTa单灯控制器

今年夏天,发生在四川的“电力保卫战”便展现了WIoTa在智慧照明领域的实力。当时,四川接连迎来了历史同期最高极端高温、历史同期最少降水量、历史同期最高电力负荷的巨大考验,并启动了三级保供电调控措施,御芯微智慧照明团队配合城市运营单位,通过智慧化管控、策略调光等手段取得了“让电于民”的重要成效。

御芯微早在2021年便已完成了对成都市绕城高速以内的472条街道路灯智慧化改造,部署了三万余套单灯控制器及配电回路控制箱,可基于智慧照明物联管控平台、WIoTa广域通信协议、单灯控制器实现对路灯精细化管理,精准管控路灯的远程开关、调光、策略配置下发等。

其中,智微云智慧照明控制系统由御芯微自主开发,由统一软件系统和多种类型的终端构成,可通过不同产品组合实现多种照明控制功能。在模组端,搭载WIoTa协议的IoTE模组UCM200和AP模组UCM202,内部集成WIoTa通信协议的物理层和MAC层,可以向用户提供AT指令,实现数据通信和终端管理功能,而二者还可以借助WIoTa相互通信,构建城市路灯网络。

  • 智慧畜牧

WIoTa智能耳标

WIoTa智能耳标

针对智慧畜牧领域,智能耳标凭借其实时性、易部署等优势得到了广泛应用,而其小体积与大体量的特点对芯片的供电与成本提出了严苛的要求,一方面需要用小巧耐用的纽扣电池供电,另一方面也需要衡量猪肉的售价与芯片成本之间的收益价值,而这个蕴藏着巨大发展空间的应用市场无疑也是LPWAN技术成长的优渥土壤。然而,仍需要锂电池供电的NB-IoT、LoRa等LPWAN技术在成本上显然很难达到养殖场的预期,从而也限制了其在畜牧产业的大规模推广。

面向畜牧行业的大体量、低功耗、低成本等需求,御芯微便推出了畜牧业专用芯片,集成温度、动作等传感器,通过拥有自主知识产权WloTa物联网协议实时自动上传数据。而基于WloTa的智能耳标只需采用纽扣电池供电,其内置电池更是可以满足猪只的全生命周期耗能。在信号覆盖方面,通过2个WIoTa AP互为备份的配置甚至可以完全覆盖一个拥有几十个圈的大猪场。

  • 数字对讲

WIoTa数字对讲机

WIoTa数字对讲机

针对中短距离的语音应用,WIoTa 8288芯片通过单芯片方式实现了数字对讲的应用,所有的ADC、DAC、按键和语音的压缩与解压都通过片内资源完成,无需增加外部计算单元,客户只需要很少的外围器件便可实现对讲机应用,极大的降低了方案成本。

依托WIoTa可靠的传输性能和覆盖能力,数字对讲方案可在不外挂 PA的情况下满足一般通信需求,此时功耗为传统模拟对讲机的十分之一左右。若需较远距离或超远距离通信,客户也在方案中增加PA来实现超远距离语音通信。WIoTa研发团队也根据语音通信的特点,对协议进行了有针对性的优化,进一步提升了通信效果。

在对讲方式上,由于WIoTa通信协议支持点对点单插消息和点对多的广播消息,用户可以在应用层实现一对一对讲,或者一对多群发功能。同时WIoTa芯片还内置了加密引擎,可以实现语音加密通信,保障通信安全。

更重要的是,由于本身是数字通信,基于WIoTa的对讲机也可以做为带加密功能的数传Modem使用,与手机或电脑搭配,提供区域内的文本传输功能。类对讲方案也可以做为应用落地的参考,如语音对讲门铃、婴幼儿监听、数字广播等,这些应用都可以通过WIoTa协议和SoC芯片进行落地,并节省方案成本。

  • 室内照明控制

WIoTa室内照明开关和控制器

WIoTa室内照明开关和控制器

随着智能家居的普及推广以及技术成熟度不断提升,在室内照明控制场景中,越来越多的家庭选择采用无线控制的方案。而传统的无线控制方案多采用433MHz的方案做无线开关和控制器,虽然成本低廉,使用方便,但是通信能力较弱,通常只能在短距离内进行无线控制,工业场景无法使用,家庭环境也无法满足穿墙需求,同时也没有上层协议,不能进一步提供连通平台或逻辑编程等高级功能。除此方案以外,很多产品也选择了Zigbee、蓝牙和WiFi连接,但也仍存在信号覆盖问题,同时方案成本也相对较高。

针对于此,御芯微推出了基于WIoTa的室内照明管理方案,以较低成本实现照明管理的无线化。WIoTa室内照明控制方案提供大容量的同步联网版和简洁部署的异步版本。其中,同步版本采用AP带终端的方式,更加适合企业办公应用场景,结合平台功能实现照明设备管理、控制以及信息统计功能,实现企业的能耗精细化管理。

此外,简洁部署的异步版本在使用习惯上完全兼容传统照明控制的开关,日常使用和配制管理操作脱离平台依赖,同时又具备远距离和强穿透性优势,可以实现整屋总控、分组控制、预定义逻辑等高级功能。

除灯具的开关控制以外,WIoTa在智能家居中还可以延展更多的全屋智能场景中。WIoTa通用网关可做为一个统一的接入载体,对各种应用和终端进行业务汇聚,向上提供访问接口,向下提供管理和通信汇聚能力。

  • 热力表DTU

WIoTa DTU

WIoTa DTU

随着物联网技术以及无线技术的快速发展,城市的集中供热监控系统也朝着网联化、自动化、智能化方向发展。而供热系统在部署时需要面对节点分布广、建筑物遮挡、地下管网复杂等挑战,对改造升级提出了严苛的技术要求。

而基于WIoTa 技术开发的热力表DTU设备则是具有功耗低,传输距离远,穿透性强灯特点。具体来看,在供热系统中,DTU设备与各类传感器、执行器相连,采集供热一次网和二次网的压力、流量、热水温度以及泵和阀门运行状态灯数据,通过WIoTa 发送到网关,网关将数据汇总上传至上位机,上位机软件对集中供热系统的热源、换热站、管网和热用户的主要运行参数、管网信息、设备运行状况等进行动态监测,进而优化热源调度,保障供热过程的安全,高效运行。

  • 烟感

WIoTa 烟感

WIoTa 烟感

在家居场景中,燃气泄漏是一件极其危险的事情,而如果能够在燃气泄露初期就对燃气阀进行关闭便可有效避免燃气中毒以及火灾的发生。基于UCM200模组开发的烟雾燃气报警装置同时支持烟雾、甲烷、天然气等多种气体监测报警,当报警器探测到气体浓度高于默认阈值或者高于手动设定的阈值时则将触发本地的声光报警,报警器将发出85分贝的刺耳高频声音,同时报警器发送信号切断危险源(如:燃气阀)并通过WloTa物联网协议实时自动上传数据到平台,进而让接入平台的其它设备产生智能联动效果来快速做出响应。

得益于WloTa的超远程传输距离以及强大的信号穿透能力,该报警器还能够在工业厂房、办公大厦、酒店宾馆、学校等场所进行气体监测。设备配有一键自检功能和传感器失效检测,在实时监控气体的同时也可以实现设备定时自检,自检结果不仅在本地以声光方式展示,还能通过WloTa上传平台以及其它设备。同样地,平台也可以发送控制信息来配置或者修改报警装置的参数并远程启动设备自检。设备本地配备超大存储空间来记录设备运行记录以及操作记录、设备报警记录、气体浓度记录等,有助于报警原因的排查和设备状况的分析,这些记录可以通过平台和本地读取。

通过WloTa物联网协议,无需繁琐的布线可以实现数据的网络上传,可以有效的降低设备的安装成本以及使用成本。

总结来看,WIoTa的优势不仅仅在于应用的快速开发,同时还具有极高的可集成性,能够为用户提供综合解决方案。例如,在智慧园区场景下,WIoTa可以把路灯、烟感、DTU、照明、对讲、抄表等功能如积木般搭建在一个体系平台中,形成全园区一张网的管理模式,帮助园区管理者提供高效、低成本的运营方案。

写在最后

近年来,从物联网的终端层到通信层、再到应用层,无一不是呈现百花齐放之势,针对垂直行业的差异化需求,很难有某一种技术可以一以概之。LoRa等传统LPWAN技术珠玉在前,御芯微WIoTa技术则是通过大容量、广覆盖、抗干扰、高安全、低成本以及综合物联网业务能力”的“组合拳”助力LPWAN进入新时代,其从终端到网关,从异步到同步的系列LPWAN芯片/模组已经在市场成功站稳脚跟,并且形成综合物联网整体解决方案能力,助力各行各业的数字化、智能化产业升级!


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2022-11-10