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如何設(shè)計(jì)低成本的sub-GHz無(wú)線接入控制物聯(lián)網(wǎng)

安全性和訪問(wèn)控制是關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，但在執(zhí)行的成本顯著的挑戰(zhàn)。本文著眼于為使用的sub-GHz ISM頻段，如Z-波保持低成本安全的無(wú)線門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

在不受監(jiān)管的ISM(工業(yè)，科學(xué)，醫(yī)學(xué))無(wú)線頻段是非常流行的各類應(yīng)用。子GHz頻段在868兆赫在歐洲和915兆赫，在美國(guó)特別流行，多為實(shí)施成本相對(duì)較低。

工作在這些頻段具有許多優(yōu)點(diǎn)，首先是范圍。這些RF頻帶的滲透是顯著長(zhǎng)于更高ISM頻帶在2.5和5GHz，這給在訪問(wèn)控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)有更多的選擇。

更長(zhǎng)的范圍可以為更長(zhǎng)的電池壽命進(jìn)行交易的較少的功率是用來(lái)做一個(gè)鏈接。試圖建立一個(gè)鏈路，在該范圍的最遠(yuǎn)范圍或通過(guò)的門或壁可以要求顯著更多的功率。限制的范圍內(nèi)，然后給出一個(gè)更長(zhǎng)的電池壽命，或允許用更短的范圍內(nèi)使用較小的電池，減輕了尺寸和整個(gè)系統(tǒng)的成本。最新的射頻設(shè)計(jì)技術(shù)和制造技術(shù)也很好，在這些頻率確定。這意味著低成本CMOS技術(shù)可用于收發(fā)信機(jī)，增加部件的整合在單個(gè)設(shè)備中，并進(jìn)一步降低成本。因?yàn)樵S多這些收發(fā)器還可以在工作于相同的ISM頻帶簡(jiǎn)單的無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)中使用，也有刻度的一個(gè)好處就是進(jìn)一步使成本下降。

然而，也有缺點(diǎn)。這些樂(lè)隊(duì)都非常受歡迎，因此也特別擁擠。這意味著更多的關(guān)注具有其他系統(tǒng)支付干擾。這可能意味著公司將不得不有更廣泛的保護(hù)頻帶上的信道或不必實(shí)現(xiàn)跳頻協(xié)議，一直沒(méi)必要過(guò)去。這也是這必須是安全的，例如訪問(wèn)控制和樓宇自動(dòng)化，以防止雙方無(wú)意干擾和故意篡改系統(tǒng)的開發(fā)是一個(gè)挑戰(zhàn)。射程更遠(yuǎn)帶來(lái)巨大的好處，但攔截信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)增加。這些可以被解碼，以提供接入碼或復(fù)制和再?gòu)V播。該副本可以被用作一個(gè)人在這方面的中間人攻擊來(lái)訪問(wèn)更寬的系統(tǒng)，或重新廣播在稍后的時(shí)間，讓在入侵者。

這導(dǎo)致了需要進(jìn)一步的安全技術(shù)，如加密和一次性碼，要加入到相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

一些零部件供應(yīng)商，如Sigma Designs公司和Semtech公司，已經(jīng)開發(fā)了自己的協(xié)議，在這些ISM頻段，以解決訪問(wèn)控制和篡改的挑戰(zhàn)，但仍有可用于構(gòu)建低成本，低功耗，遠(yuǎn)距離收發(fā)器從頭這種系統(tǒng)封裝開發(fā)自己的專業(yè)知識(shí)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

Silicon Labs的Si4455是可與材料很少的外部清單(BOM)結(jié)合20引腳3×3毫米封裝尺寸的sub-GHz收發(fā)器計(jì)數(shù)既節(jié)省空間和成本效益。在+13 dBm的輸出功率和靈敏度-116 dBm的允許更長(zhǎng)的工作范圍，而18毫安TX(10 dBm的)以及10 mA RX和40 nA的待機(jī)低功耗使得電池壽命的權(quán)衡，電池的大小和范圍。

圖Si4455由Silicon Labs公司

圖1：來(lái)自Silicon Labs的該Si4455提供一個(gè)收發(fā)信機(jī)在一個(gè)3×3毫米封裝。

通過(guò)從天線到GPIO或SPI接口完全整合所有部件，收發(fā)器是簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中，并且所有的數(shù)據(jù)包的處理，包括前同步碼，同步字檢測(cè)和CRC是由芯片處理，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化了開發(fā)。這是由Silicon Labs的無(wú)線開發(fā)套件(WDS)的用戶界面軟件，提供簡(jiǎn)化的編程選項(xiàng)廣泛的在一個(gè)易于使用的格式，導(dǎo)致更快和更低的風(fēng)險(xiǎn)開發(fā)的應(yīng)用程序幫助。而最大的數(shù)據(jù)速率是500千比特/秒，這是很容易足以存取控制系統(tǒng)，即使額外的一次性碼和加密，必須使用。

然而，并非所有的部件，如晶體振蕩器，電源控制器或平衡不平衡轉(zhuǎn)換器濾波器可被集成到一個(gè)硅芯片，一個(gè)這樣的模塊可以是一個(gè)快速簡(jiǎn)便的方法，以無(wú)線元件添加到訪問(wèn)控制設(shè)計(jì)。 Microchip的表面貼裝收發(fā)器模塊的MRF89XAM9A集成晶體，內(nèi)部穩(wěn)壓器，匹配電路和PCB天線。

MRF89XAM9A從Microchip的圖像

圖2：從微芯片MRF89XAM9A結(jié)合了所有需要的訪問(wèn)控制硬件的元素。

使用一個(gè)集成模塊設(shè)計(jì)，釋放由粗放型射頻和天線設(shè)計(jì)以及法規(guī)遵從性測(cè)試的開發(fā)，從而縮短上市時(shí)間。這允許開發(fā)者將模塊成品內(nèi)，它不需要針對(duì)人為輻射或RF發(fā)射器的法規(guī)測(cè)試。然而，為了維持一致性，也有必須考慮為美國(guó)和加拿大的特定設(shè)置。

隨著一個(gè)全面的測(cè)試模塊，實(shí)現(xiàn)了硬件，軟件的開發(fā)變得更加重要。該MRF89XAM9A模塊與Microchip的的MiWi開發(fā)環(huán)境的軟件棧兼容。該軟件堆?？擅赓M(fèi)下載，包括源代碼，并允許系統(tǒng)可以快速建立起來(lái)。

其它供應(yīng)商已經(jīng)整合自己的協(xié)議進(jìn)入收發(fā)器提供健壯的鏈接進(jìn)行訪問(wèn)控制。

從Semtech公司的SX1232是一個(gè)完全集成的ISM頻段收發(fā)器在868 MHz頻段在歐洲和915 MHz頻段的使用，在美國(guó)用最少的外部元件的優(yōu)化。它提供了高鏈路預(yù)算和低電流消耗的組合在所有操作模式處理FSK，GFSK，MSK，GMSK和OOK調(diào)制。 143 dB的鏈路預(yù)算由低噪聲的CMOS接收器前端和高達(dá)20 dBm的發(fā)射輸出功率達(dá)到。一對(duì)內(nèi)部功率放大器提供，允許或者完全規(guī)范運(yùn)作恒定的RF性能，或者實(shí)現(xiàn)最佳效率直供連接。這使得它適用于任何應(yīng)用程序搭載堿性電池化學(xué)組成和超長(zhǎng)的電​​池應(yīng)用中使用鋰電池化學(xué)品，根據(jù)訪問(wèn)控制的用例需求。

該SX1232包括一個(gè)數(shù)據(jù)包引擎和頂級(jí)音序器，可以用一個(gè)64字節(jié)FIFO用于自動(dòng)數(shù)據(jù)包傳輸，接收和確認(rèn)的整個(gè)過(guò)程，而不會(huì)產(chǎn)生常見(jiàn)的許多收發(fā)器，配備片上微控制器消費(fèi)罰款。的集成減少了外部物料清單到被動(dòng)去耦和阻抗匹配組件，并使其適合于訪問(wèn)控制應(yīng)用需要穩(wěn)定和恒定的RF性能在設(shè)備的整個(gè)工作范圍內(nèi)降低到1.8V。

升特SX1232的圖

圖3：Semtech公司設(shè)計(jì)了SX1232專門為可靠的RF連接的大鏈路預(yù)算。

該SX1232是為需要高靈敏度的應(yīng)用和低的接收電流。耦合數(shù)字狀態(tài)機(jī)的RF前端能夠在5×5mm的QFN 24引腳封裝提供143分貝(-123 dBm的靈敏度與20 dBm的噘一起)鏈路預(yù)算。低中頻架構(gòu)是故意在子GHz ISM頻段中使用的低調(diào)制指數(shù)和窄波段操作最優(yōu)化。一對(duì)σ-δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理從低IF的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以在數(shù)字域中執(zhí)行所有隨后的信號(hào)處理和解調(diào)。數(shù)字狀態(tài)機(jī)也控制自動(dòng)頻率校正(AFC)，接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)，以及自動(dòng)增益控制(AGC)。

Sigma Designs公司結(jié)合了其Z-波收發(fā)器和控制器到一個(gè)單一的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)模塊。所述ZM5101結(jié)合的Z波SD3502的SoC(具有內(nèi)置微控制器和Z波RF收發(fā)器)的單個(gè)8毫米×8毫米的模塊用于小型，單個(gè)微控制器的產(chǎn)品，如訪問(wèn)內(nèi)，晶體，和無(wú)源RF組件控制。它提供了數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100 kbit / s的具有128 KB閃存和16 KB的SRAM用于代碼，以及硬件輔助頻率捷變，使模塊從嘈雜的信道切換客場(chǎng)的三個(gè)人一個(gè)沒(méi)有通訊或軟件開銷。 1微安的極低睡眠電流地址為更長(zhǎng)的電池壽命的不斷增長(zhǎng)的需求，而128位AES引擎支持的需要加密的鏈接。

這是可能的通過(guò)Z-Wave協(xié)議，這已被定義在應(yīng)用層，并且通過(guò)使用在ITU-T G.9959 PHY和MAC，即由Z-Wave聯(lián)盟保持的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的綜合認(rèn)證項(xiàng)目。這種采用低功耗低于1 GHz的射頻協(xié)議，并網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

從這樣做的主要好處是，互操作性是在應(yīng)用層構(gòu)建的，所以有很多種，將共同努力設(shè)備。這使得更容易建立一個(gè)安全使用權(quán)控制系統(tǒng)，其連接到其他設(shè)備如PC，平板電腦或智能手機(jī)。網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格體意味著在一Z波網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)設(shè)備可以中繼信號(hào)到其他設(shè)備，這可以使網(wǎng)絡(luò)很容易地?cái)U(kuò)展，甚至更健壯與更多連接的設(shè)備進(jìn)行。高達(dá)232 Z-Wave的設(shè)備可以連接到Z - Wave的樞紐。 Z-Wave是非常適合家庭和小型企業(yè)。

該協(xié)議還向上延伸進(jìn)入該網(wǎng)絡(luò)與Z潔具IP網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計(jì)。這使得每個(gè)Z-Wave的設(shè)備 - 諸如一個(gè)鎖或訪問(wèn)控制器 - 有一個(gè)唯一的IP地址，并且可以支持IP能力的應(yīng)用程序。該ZIPR IP網(wǎng)關(guān)，然后處理所有的在家用路由器處理家用電腦和互聯(lián)網(wǎng)之間的通信方式類似Z-Wave和Z-波的IP之間的通信。

結(jié)論

廣泛的選擇存在訪問(wèn)控制設(shè)計(jì)在的sub-GHz ISM頻段。從超低功耗單收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)模塊，多達(dá)專有協(xié)議，設(shè)計(jì)人員可以使用的RF鏈路的范圍權(quán)衡的時(shí)間將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，電池壽命和性能具有廣泛的功能。