STM32无线解决方案提升工业物联网的新质生产力

cathy 发布于：周五, 04/26/2024 - 11:02 ，关键词：

2024年，新质生产力是国内社会经济的“第一热词”。对于工业物联网应用来说，协同效率是提升新质生产力的重点。我们行业应用系列的第一篇文章（行业应用篇 | “高智靓” STM32 GUI解决方案助力工业物联网系统的可视化）分享了工业自动化场景中移动设备或远端设备的GUI应用趋势与STM32的解决方案，这些设备在传输数据时也需要借助无线连接实现数据通讯，所以无线连接将是发挥协同作用的关键。

01、工业通信领域的无线技术为什么越来越重要？

工业无线技术是目前工业通信领域的三大主流技术之一。相比有线网络，无线网络具有移动性，没有通信线缆的限制，通信终端可以在通信区域内自由移动或随意布置；组网快速灵活，覆盖面积广，扩展能力强，可以组成多种拓扑结构，十分容易扩展节点。

工业物联网的无线通信技术主要分为两类：一类是ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术；另一类是LPWAN（low-power Wide-Area Network），即低功耗广域网通信技术。LPWAN又分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。不同的无线技术在组网、功耗、通讯距离、安全性等方面各有差别，因此拥有不同的适用场景。

蓝牙和ZigBee短距离无线技术都具有低成本、低功耗、低功率，安全性高，实施简单快捷的特点，适合固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离通信。

而LoRa、SigFox等技术同样具有低功耗、低速率的特点，但传输距离长，适于测距和定位，远距离、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用，如停车、车辆追踪、智慧工业、智慧城市、智慧社区等。

随着工业物联网的不断深入，这两种无线技术在工业自动化中有了越来越丰富的应用场景，如蓝牙技术可应用于状态监控和预测性维护，工厂设备智能诊断及预测性维护(无线振动传感器等）, 工业设备配置及维护(参数配置，运行诊断，无线固件升级) 等。

而LoRa可用于工业远程监测及控制，智慧工厂无线传感器网络等。在这些工业自动化应用中都需要解决恶劣工况环境下等稳定性和可靠性，以及无线通信的低延时和广覆盖等挑战，同时还对功耗和成本有严苛要求。

STM32 无线MCU产品线可以支持多种无线通信技术和协议，广泛应用于各种通信技术应用，包括短距离通信，低功耗广域网通信，蜂窝通信等应用。无线系列是基于在STM32通用MCU的优势基础上实现高集成度单芯片SoC方案。目前有两个子系列量产，分别是：

STM32WBA系列：基于100MHZ Arm® Cortex®-M33内核，支持BLE 5.4, Zigbee，OpenThread等多协议和Matte标准，超低功耗架构并符合最新安全法规要求；
STM32WB系列：基于Arm® Cortex® -M4 和 M0+的双核无线MCU，具有高达1 MB的闪存和256KB RAM，支持BLE 5.4 & Mesh, Zigbee，OpenThread等多协议和Matte标准；
STM32WB0系列：基于64 MHz Arm® Cortex® -M0+内核，拥有512 KB 闪存/ 64 KB RAM，支持BLE 5.3。

STM32WL系列：单/双核架构、可支持LoRa等Sub-GHz频段射频协议的SoC射频芯片。

同时STM32将继续保持在STM32无线SoC领域的研发与投入，即将推出支持Wi-Fi的产品系列，敬请期待。

02、STM32无线系列在典型工业自动化场景中的应用优势

下面我们通过几个典型的工业自动化应用场景来直观地了解STM32 无线产品的应用优势。

在工业机器设备检修运维的应用场景中，需要对机器工况进行持续监测，用以改善工业设备的维护，确保机器处于最佳性能状态，避免意外故障和停机。STM32WB5MMGH6无线模块就非常适合这样的智能工业预测性维护系统。

STM32WB5MMGH6无线模块模块基于STM32WB55 无线 MCU，为使用Bluetooth Low Energy、Zigbee、Thread等主流标准开发无线通信应用提供了完整的子系统，并配备免费的通信协议栈，开发人员也可以选用其他的专有协议。该模块集成了几个基本组件，包括天线及其匹配电路、全部无源器件和时钟晶体。EMC、Bluetooth LE 5.3、Zigbee 3.0 和 OpenThread 标准预认证可以简化用户的强制性测试和产品级审批流程，加上 ST开发资源的全面支持，让开发变得更快捷、更容易、更经济。

STM32WB系列产品特点：

双核架构：更高数据处理能力，多协议并发通信能力，信息安全防护能力，超低功耗性能。
支持多种2.4GHz频段下的无线协议：Bluetooth™ LE 5.2，Zigbee 3.0，OpenThread，基于IEEE 802.15.4标准的私有协议，基于BLE HCI/BLE LLD标准的私有协议。

基于LoRa实现的工业自动化智能监测场景也很多，比如：

基于LoRa的室内环境监测和电表智能化采集方案，通过手机或Web端实时查看工厂环境情况和电量数据，可大大提升工厂管理效率，实现降本增效。
火电厂锅炉监测方案，通过传感器对锅炉膨胀系数等数据进行智能监测，利用LoRa基站网关将数据传输到移动屏或App，超过设置阈值时立即告警以消除潜在威胁。
智慧工厂的电机设备温度监测系统通过LoRa与物联网平台对接，实时监测工厂内电机设备温度，确保设备安全运行。

一些需要在偏远且恶劣气候中扩大覆盖范围的工业活动，如石油和天然气开采和运输，风电场和太阳能园区，以及采矿厂等，具有多个节点和网关的复杂监控系统，在短距离和长距离上都存在布线难题。使用LoRaWAN进行监控解决方案的边缘节点配置，非常适合这种大规模智能工业场景。

在这些场景中，无线技术必须保证以高质量的数据速率提供长的传输距离，还要保持成本效益。

STM32WL在LoRa网络应用中扮演终端节点的角色。它与STM32应用处理器以及传感器配合，基于NanoEdge AI Studio和STM32 Cube软件，对传感器数据进行分析，实现基于AI的边缘计算。

STM32WL系列产品特点：

单/双核架构：选择更灵活，多协议通信能力，信息安全防护能力，超低功耗性能。
可支持4种调制模式、多种标准协议栈以及私有协议栈。

超低功耗架构

无论是短距离还是中长距离的工业自动化使用场景对低功耗都有具体的诉求。STM32WBx和STM32WL系列MCU都采用了低功耗处理内核，提供多种工作模式，非常适用于需要延长电池寿命和复杂功能的应用。

STM32WBx和STM32WL系列都基于意法半导体ART Accelerator™技术，具有丰富的低功耗模式，可以根据微处理器运行时不同的应用需求来适时调整电压从而实现功耗的动态平衡。

▲ STM32WBA55低功耗特性

▲ STM32WL低功耗特性

强大的安全性

STM32无线产品全线支持强大的安全性。STM32WBx和STM32WL系列都内置功能安全与信息安全模块，保障用户的应用。

完善的生态系统

为方便用户加快开发，ST还提供了RF应用的集成被动器件（IPD），将RF相关的10多个被动器件集成起来，配合STM32WB/WL共同使用，让RF匹配度更好，传输质量更高。ST的IPD覆盖从168 MHz及以上的所有射频应用，包括Sub-Giga、WLAN、蓝牙、ZigBee、WiMax、UWB、LTE等，成本结构竞争力强，尺寸小，可降低功耗损失，简化设计，提升可靠性，降低BOM，方便定制化设计。