如何設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)的低成本Sub-GHz無線接入控制

安全和訪問控制是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計人員關(guān)注的兩個關(guān)鍵領(lǐng)域，但實施成本存在重大挑戰(zhàn)。本文著眼于使用sub-GHz ISM頻段（如Z-Wave）設(shè)計安全無線接入控制系統(tǒng)的選項，以降低成本。

未經(jīng)調(diào)節(jié)的ISM（工業(yè)，科學，醫(yī)療）無線樂隊在各種應(yīng)用中都非常受歡迎。歐洲868 MHz和美國915 MHz的sub-GHz頻段特別受歡迎，主要是因為實施成本相對較低。

在這些頻段運行具有許多優(yōu)勢，從范圍開始。這些RF頻段的穿透速度明顯長于2.5 GHz和5 GHz的更高ISM頻段，這為設(shè)計人員提供了更多的門禁系統(tǒng)開發(fā)選擇。

由于使用較少的電源來建立鏈接，因此可以交換更長的范圍以延長電池壽命。試圖在范圍的最遠處或通過門或墻建立鏈接可能需要更多的功率。限制范圍可以延長電池壽命，或者允許更小的電池使用更短的范圍，從而減小整個系統(tǒng)的尺寸和成本。最新的射頻設(shè)計技術(shù)和制造技術(shù)也在這些頻率上得到了很好的建立。這意味著可以將低成本CMOS技術(shù)用于收發(fā)器，從而增加單個器件中元件的集成度并進一步降低成本。由于這些收發(fā)器中的許多收發(fā)器也可用于在相同ISM頻段中運行的簡單無線傳感器設(shè)計，因此還具有可進一步降低成本的規(guī)模優(yōu)勢。

然而，也有缺點。這些樂隊非常受歡迎，因此特別擁擠。這意味著必須更多地關(guān)注其他系統(tǒng)的干擾。這可能意味著必須在信道上具有更寬的保護頻帶或必須實現(xiàn)跳頻協(xié)議，這在過去是不必要的。對于必須安全的系統(tǒng)開發(fā)人員來說，這也是一個挑戰(zhàn)，例如訪問控制和樓宇自動化，以防止意外干擾和故意篡改。較長的范圍帶來了巨大的好處，但是截獲信號的風險也在增加。這些可以被解碼以提供訪問代碼，或者被復制和重新廣播。此副本既可以用作中間人攻擊，也可以用于訪問更廣泛的系統(tǒng)，或者在以后重新廣播以允許入侵者進入。

這導致了需要將其他安全技術(shù)（例如加密和一次性代碼）添加到相對簡單的系統(tǒng)設(shè)計中。

一些組件供應(yīng)商，如Sigma Designs和Semtech，已經(jīng)在這些ISM頻段開發(fā)了自己的協(xié)議，以應(yīng)對訪問控制和篡改的挑戰(zhàn)，但仍然有低成本，低功耗，遠程可用于從頭開始構(gòu)建此類系統(tǒng)的收發(fā)器，以封裝開發(fā)人員自己的專業(yè)知識和知識產(chǎn)權(quán)。

Silicon Labs的Si4455是一款采用20引腳3 x 3 mm封裝尺寸的sub-GHz收發(fā)器，可以與低外部材料清單（BOM）數(shù)量相結(jié)合，既節(jié)省空間又具有成本效益。 +13 dBm輸出功率和-116 dBm的靈敏度允許更長的工作范圍，而18 mA TX（10 dBm），10 mA RX和40 nA待機的低電流消耗可實現(xiàn)電池壽命的折衷，電池尺寸和范圍。

圖1：Silicon Labs的Si4455提供3 x 3 mm封裝的收發(fā)器。

通過完全集成天線的所有組件對于GPIO或SPI接口，收發(fā)器很容易設(shè)計到系統(tǒng)中，并且所有包處理包括前同步碼，同步字檢測和CRC都由芯片處理，以進一步簡化開發(fā)。 Silicon Labs的無線開發(fā)套件（WDS）用戶界面軟件為此提供了幫助，該軟件以易于使用的格式為廣泛的應(yīng)用程序提供簡化的編程選項，從而實現(xiàn)更快，更低風險的開發(fā)。雖然最大數(shù)據(jù)速率為500 Kbit/s，但即使必須使用額外的一次性代碼和加密，這對于訪問控制系統(tǒng)來說也是足夠的。

然而，并非所有組件（如晶體振蕩器，電源控制器或巴倫濾波器）都可以集成到硅片中，因此模塊可以快速簡便地將無線元件添加到訪問控制設(shè)計。 Microchip表面貼裝收發(fā)器模塊的MRF89XAM9A集成了晶體，內(nèi)部穩(wěn)壓器，匹配電路和PCB天線。

圖2：Microchip的MRF89XAM9A結(jié)合了訪問控制硬件所需的所有元素。

使用集成模塊設(shè)計釋放開發(fā)人員通過廣泛的射頻和天線設(shè)計以及法規(guī)遵從性測試，縮短了產(chǎn)品上市時間。這允許開發(fā)人員將模塊放置在成品內(nèi)，并且不需要對有意的散熱器或RF發(fā)射器進行監(jiān)管測試。但是，為了保持一致性，美國和加拿大必須考慮特定的設(shè)置。

在完全測試的模塊中實現(xiàn)硬件，軟件開發(fā)變得更加重要。 MRF89XAM9A模塊與Microchip的MiWi開發(fā)環(huán)境軟件堆棧兼容。軟件堆?？梢悦赓M下載，包括源代碼，并允許快速構(gòu)建系統(tǒng)。

其他供應(yīng)商已將自己的協(xié)議集成到收發(fā)器中，為訪問控制提供強大的鏈接。

Semtech的SX1232是一款完全集成的ISM頻段收發(fā)器，專為歐洲868 MHz頻段使用而優(yōu)化和美國的915 MHz頻段，外部元件最少。它在處理FSK，GFSK，MSK，GMSK和OOK調(diào)制的所有操作模式中提供高鏈路預算和低電流消耗的組合。 143 dB鏈路預算通過低噪聲CMOS接收器前端和高達+20 dBm的發(fā)射輸出功率實現(xiàn)。提供一對內(nèi)部功率放大器，允許完全調(diào)節(jié)操作以獲得恒定的RF性能，或直接電源連接以實現(xiàn)最佳效率。這使得它適用于由堿性電池化學物質(zhì)供電的應(yīng)用或使用鋰電池化學物質(zhì)的長電池應(yīng)用，具體取決于訪問控制的使用案例要求。

SX1232包括數(shù)據(jù)包引擎和頂級音序器可以與64字節(jié)FIFO一起使用，以自動完成數(shù)據(jù)包傳輸，接收和確認的整個過程，而不會產(chǎn)生許多具有片上MCU的收發(fā)器常見的功耗損失。該集成將外部BoM降低為無源去耦和阻抗匹配元件，使其適用于在器件的整個工作范圍內(nèi)需要穩(wěn)定且恒定的RF性能且低至1.8 V的門禁控制應(yīng)用。

圖3：Semtech專門設(shè)計了SX1232，以實現(xiàn)可靠射頻連接的大鏈路預算。

SX1232適用于要求高靈敏度和低接收的應(yīng)用當前。將數(shù)字狀態(tài)機與RF前端耦合，能夠在5 x 5 mm QFN 24引腳封裝中提供143 dB的鏈路預算（-123 dBm靈敏度和20 dBm Pout）。針對sub-GHz ISM頻段中使用的低調(diào)制指數(shù)和窄頻帶操作，故意優(yōu)化低IF架構(gòu)。一對sigma-delta ADC處理來自低IF的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，所有后續(xù)信號處理和解調(diào)都在數(shù)字域中執(zhí)行。數(shù)字狀態(tài)機還控制自動頻率校正（AFC），接收信號強度指示（RSSI）和自動增益控制（AGC）。

Sigma Designs將其Z-Wave收發(fā)器和控制器組合成一個系統(tǒng)級封裝（SiP）模塊。 ZM5101在單個8 mm x 8 mm模塊內(nèi)集成了Z-Wave SD3502 SoC（內(nèi)置微控制器和Z-Wave RF收發(fā)器），晶體和無源RF組件，適用于小尺寸，單個微控制器產(chǎn)品，如訪問控制。它提供高達100 kbit/s的數(shù)據(jù)速率，128 kB閃存和16 kB SRAM代碼，以及硬件輔助頻率捷變，使模塊能夠從嘈雜的通道切換到其他三個通道，無需通信或軟件開銷。 1μA的極低睡眠電流滿足了對更長電池壽命的不斷增長的需求，而128位AES引擎則支持加密鏈路的需求。

這可以通過Z-Wave協(xié)議實現(xiàn)，該協(xié)議已在應(yīng)用層定義，并通過使用ITU-T G.9959 PHY和MAC的綜合認證計劃實現(xiàn)，該協(xié)議是由國際標準維護的Z-Wave聯(lián)盟。它使用低功耗的sub-1 GHz RF協(xié)議，并在網(wǎng)狀拓撲中工作。

這樣做的主要好處是互操作性內(nèi)置于應(yīng)用層，因此可以使用各種各樣的設(shè)備。這樣可以更輕松地構(gòu)建連接到其他設(shè)備（如PC，平板電腦或智能手機）的安全訪問控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格元素意味著Z-Wave網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備都可以將信號中繼到其他設(shè)備，這使得網(wǎng)絡(luò)可以容易地擴展并且使用更多連接的設(shè)備變得更加健壯。最多232個Z-Wave設(shè)備可以連接到Z-Wave集線器。 Z-Wave是家庭和小型企業(yè)的理想選擇。

該協(xié)議還通過Z-Ware IP網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計擴展到網(wǎng)絡(luò)。這允許每個Z-Wave設(shè)備（例如鎖或訪問控制器）具有唯一的IP地址，并且可以支持具有IP功能的應(yīng)用程序。然后，ZIPR IP網(wǎng)關(guān)處理Z-Wave和Z-Wave for IP之間的所有通信，其方式與家庭路由器處理家庭PC和Internet之間的通信類似。

結(jié)論

sub-GHz ISM頻段的接入控制設(shè)計有多種選擇。從超低功耗單收發(fā)器到標準模塊，再到專有協(xié)議，設(shè)計人員可以利用各種射頻鏈路，通過廣泛的功能來縮短產(chǎn)品上市時間，降低設(shè)計復雜性，延長電池壽命和性能