STM32無線解決方案提升工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的新質(zhì)生產(chǎn)力
2024年，新質(zhì)生產(chǎn)力是國內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)的"第一熱詞"。對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，協(xié)同效率是提升新質(zhì)生產(chǎn)力的重點。
01 工業(yè)通信領(lǐng)域的無線技術(shù)為什么越來越重要？
工業(yè)無線技術(shù)是目前工業(yè)通信領(lǐng)域的三大主流技術(shù)之一。相比有線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)具有移動性，沒有通信線纜的限制，通信終端可以在通信區(qū)域內(nèi)自由移動或隨意布置；組網(wǎng)快速靈活，覆蓋面積廣，擴(kuò)展能力強(qiáng)，可以組成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，十分容易擴(kuò)展節(jié)點。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)主要分為兩類：一類是ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等短距離通信技術(shù)；另一類是LPWAN（low-power Wide-Area Network），即低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。LPWAN又分為兩類：一類是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)；另一類是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。不同的無線技術(shù)在組網(wǎng)、功耗、通訊距離、安全性等方面各有差別，因此擁有不同的適用場景。
藍(lán)牙和ZigBee短距離無線技術(shù)都具有低成本、低功耗、低功率，安全性高，實施簡單快捷的特點，適合固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離通信。
而LoRa、SigFox等技術(shù)同樣具有低功耗、低速率的特點，但傳輸距離長，適于測距和定位，遠(yuǎn)距離、大量連接以及定位跟蹤等的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如停車、車輛追蹤、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區(qū)等。
隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的不斷深入，這兩種無線技術(shù)在工業(yè)自動化中有了越來越豐富的應(yīng)用場景，如藍(lán)牙技術(shù)可應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測性維護(hù)，工廠設(shè)備智能診斷及預(yù)測性維護(hù)(無線振動傳感器等）, 工業(yè)設(shè)備配置及維護(hù)(參數(shù)配置，運行診斷，無線固件升級) 等。
而LoRa可用于工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制，智慧工廠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。在這些工業(yè)自動化應(yīng)用中都需要解決惡劣工況環(huán)境下等穩(wěn)定性和可靠性，以及無線通信的低延時和廣覆蓋等挑戰(zhàn)，同時還對功耗和成本有嚴(yán)苛要求。
STM32無線MCU產(chǎn)品線可以支持多種無線通信技術(shù)和協(xié)議，廣泛應(yīng)用于各種通信技術(shù)應(yīng)用，包括短距離通信，低功耗廣域網(wǎng)通信，蜂窩通信等應(yīng)用。無線系列是基于在STM32通用MCU的優(yōu)勢基礎(chǔ)上實現(xiàn)高集成度單芯片SoC方案。目前有兩個子系列量產(chǎn)，分別是：
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STM32WBA系列：基于100MHZ Arm® Cortex®-M33內(nèi)核，支持BLE 5.4, Zigbee，OpenThread等多協(xié)議和Matte標(biāo)準(zhǔn)，超低功耗架構(gòu)并符合最新安全法規(guī)要求；
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STM32WB系列：基于Arm® Cortex® -M4 和 M0+的雙核無線MCU，具有高達(dá)1 MB的閃存和256KB RAM，支持BLE 5.4 & Mesh, Zigbee，OpenThread等多協(xié)議和Matte標(biāo)準(zhǔn)；
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STM32WB0系列：基于64 MHz Arm® Cortex® -M0+內(nèi)核，擁有512 KB 閃存/ 64 KB RAM，支持BLE 5.3。
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STM32WL系列：單/雙核架構(gòu)、可支持LoRa等Sub-GHz頻段射頻協(xié)議的SoC射頻芯片。
同時STM32將繼續(xù)保持在STM32無線SoC領(lǐng)域的研發(fā)與投入，即將推出支持Wi-Fi的產(chǎn)品系列，敬請期待。
02 STM32無線系列在典型工業(yè)自動化場景中的應(yīng)用優(yōu)勢
下面我們通過幾個典型的工業(yè)自動化應(yīng)用場景來直觀地了解STM32 無線產(chǎn)品的應(yīng)用優(yōu)勢。
在工業(yè)機(jī)器設(shè)備檢修運維的應(yīng)用場景中，需要對機(jī)器工況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，用以改善工業(yè)設(shè)備的維護(hù)，確保機(jī)器處于最佳性能狀態(tài)，避免意外故障和停機(jī)。STM32WB5MMGH6無線模塊就非常適合這樣的智能工業(yè)預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)。
STM32WB5MMGH6無線模塊模塊基于STM32WB55 無線 MCU，為使用Bluetooth Low Energy、Zigbee、Thread等主流標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)無線通信應(yīng)用提供了完整的子系統(tǒng)，并配備免費的通信協(xié)議棧，開發(fā)人員也可以選用其他的專有協(xié)議。該模塊集成了幾個基本組件，包括天線及其匹配電路、全部無源器件和時鐘晶體。EMC、Bluetooth LE 5.3、Zigbee 3.0 和 OpenThread 標(biāo)準(zhǔn)預(yù)認(rèn)證可以簡化用戶的強(qiáng)制性測試和產(chǎn)品級審批流程，加上 ST開發(fā)資源的全面支持，讓開發(fā)變得更快捷、更容易、更經(jīng)濟(jì)。
STM32WB系列產(chǎn)品特點：
• 雙核架構(gòu)：更高數(shù)據(jù)處理能力，多協(xié)議并發(fā)通信能力，信息安全防護(hù)能力，超低功耗性能。
• 支持多種2.4GHz頻段下的無線協(xié)議：Bluetooth™ LE 5.2，Zigbee 3.0，OpenThread，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的私有協(xié)議，基于BLE HCI/BLE LLD標(biāo)準(zhǔn)的私有協(xié)議。
基于LoRa實現(xiàn)的工業(yè)自動化智能監(jiān)測場景也很多，比如：
• 基于LoRa的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測和電表智能化采集方案，通過手機(jī)或Web端實時查看工廠環(huán)境情況和電量數(shù)據(jù)，可大大提升工廠管理效率，實現(xiàn)降本增效。
• 火電廠鍋爐監(jiān)測方案，通過傳感器對鍋爐膨脹系數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行智能監(jiān)測，利用LoRa基站網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿悠粱駻pp，超過設(shè)置閾值時立即告警以消除潛在威脅。
• 智慧工廠的電機(jī)設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)通過LoRa與物聯(lián)網(wǎng)平臺對接，實時監(jiān)測工廠內(nèi)電機(jī)設(shè)備溫度，確保設(shè)備安全運行。
一些需要在偏遠(yuǎn)且惡劣氣候中擴(kuò)大覆蓋范圍的工業(yè)活動，如石油和天然氣開采和運輸，風(fēng)電場和太陽能園區(qū)，以及采礦廠等，具有多個節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)，在短距離和長距離上都存在布線難題。使用LoRaWAN進(jìn)行監(jiān)控解決方案的邊緣節(jié)點配置，非常適合這種大規(guī)模智能工業(yè)場景。
在這些場景中，無線技術(shù)必須保證以高質(zhì)量的數(shù)據(jù)速率提供長的傳輸距離，還要保持成本效益。
STM32WL在LoRa網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中扮演終端節(jié)點的角色。它與STM32應(yīng)用處理器以及傳感器配合，基于NanoEdge AI Studio和STM32 Cube軟件，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)基于AI的邊緣計算。
STM32WL系列產(chǎn)品特點：
• 單/雙核架構(gòu)：選擇更靈活，多協(xié)議通信能力，信息安全防護(hù)能力，超低功耗性能。
• 可支持4種調(diào)制模式、多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧以及私有協(xié)議棧。
超低功耗架構(gòu)
無論是短距離還是中長距離的工業(yè)自動化使用場景對低功耗都有具體的訴求。STM32WBx和STM32WL系列MCU都采用了低功耗處理內(nèi)核，提供多種工作模式，非常適用于需要延長電池壽命和復(fù)雜功能的應(yīng)用。
STM32WBx和STM32WL系列都基于意法半導(dǎo)體ART Accelerator™技術(shù)，具有豐富的低功耗模式，可以根據(jù)微處理器運行時不同的應(yīng)用需求來適時調(diào)整電壓從而實現(xiàn)功耗的動態(tài)平衡。
▲ STM32WBA55低功耗特性
▲ STM32WL低功耗特性
強(qiáng)大的安全性
STM32無線產(chǎn)品全線支持強(qiáng)大的安全性。STM32WBx和STM32WL系列都內(nèi)置功能安全與信息安全模塊，保障用戶的應(yīng)用。
完善的生態(tài)系統(tǒng)
為方便用戶加快開發(fā)，ST還提供了RF應(yīng)用的集成被動器件（IPD），將RF相關(guān)的10多個被動器件集成起來，配合STM32WB/WL共同使用，讓RF匹配度更好，傳輸質(zhì)量更高。ST的IPD覆蓋從168 MHz及以上的所有射頻應(yīng)用，包括Sub-Giga、WLAN、藍(lán)牙、ZigBee、WiMax、UWB、LTE等，成本結(jié)構(gòu)競爭力強(qiáng)，尺寸小，可降低功耗損失，簡化設(shè)計，提升可靠性，降低BOM，方便定制化設(shè)計。
STM32Wx無線系列MCU系列提供了從硬件、軟件開發(fā)工具等完整的生態(tài)系統(tǒng)，從配置、開發(fā)、下載到監(jiān)控的一站式開發(fā)平臺，構(gòu)建無縫的開發(fā)流程，降低開發(fā)射頻應(yīng)用的門檻，基于STM32強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)，方便用戶更快地上手。