如何设计低成本的sub－GHz无线接入控制物联网

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如何设计低成本的sub-GHz无线接入控制物联网

安全性和访问控制是关注的物联网系统设计的两个关键领域，但在执行的成本显著的挑战。本文着眼于为使用的sub-GHz ISM频段，如Z-波保持低成本安全的无线门禁系统的设计方案。

在不受监管的ISM(工业，科学，医学)无线频段是非常流行的各类应用。子GHz频段在868兆赫在欧洲和915兆赫，在美国特别流行，多为实施成本相对较低。

工作在这些频段具有许多优点，首先是范围。这些RF频带的渗透是显著长于更高ISM频带在2.5和5GHz，这给在访问控制系统的开发设计有更多的选择。

更长的范围可以为更长的电池寿命进行交易的较少的功率是用来做一个链接。试图建立一个链路，在该范围的最远范围或通过的门或壁可以要求显著更多的功率。限制的范围内，然后给出一个更长的电池寿命，或允许用更短的范围内使用较小的电池，减轻了尺寸和整个系统的成本。最新的射频设计技术和制造技术也很好，在这些频率确定。这意味着低成本CMOS技术可用于收发信机，增加部件的整合在单个设备中，并进一步降低成本。因为许多这些收发器还可以在工作于相同的ISM频带简单的无线传感器设计中使用，也有刻度的一个好处就是进一步使成本下降。

然而，也有缺点。这些乐队都非常受欢迎，因此也特别拥挤。这意味着更多的关注具有其他系统支付干扰。这可能意味着公司将不得不有更广泛的保护频带上的信道或不必实现跳频协议，一直没必要过去。这也是这必须是安全的，例如访问控制和楼宇自动化，以防止双方无意干扰和故意篡改系统的开发是一个挑战。射程更远带来巨大的好处，但拦截信号的风险增加。这些可以被解码，以提供接入码或复制和再广播。该副本可以被用作一个人在这方面的中间人攻击来访问更宽的系统，或重新广播在稍后的时间，让在入侵者。

这导致了需要进一步的安全技术，如加密和一次性码，要加入到相对简单的系统设计。

一些零部件供应商，如Sigma Designs公司和Semtech公司，已经开发了自己的协议，在这些ISM频段，以解决访问控制和篡改的挑战，但仍有可用于构建低成本，低功耗，远距离收发器从头这种系统封装开发自己的专业知识和知识产权。

Silicon Labs的Si4455是可与材料很少的外部清单(BOM)结合20引脚3×3毫米封装尺寸的sub-GHz收发器计数既节省空间和成本效益。在+13 dBm的输出功率和灵敏度-116 dBm的允许更长的工作范围，而18毫安TX(10 dBm的)以及10 mA RX和40 nA的待机低功耗使得电池寿命的权衡，电池的大小和范围。

图Si4455由Silicon Labs公司

图1：来自Silicon Labs的该Si4455提供一个收发信机在一个3×3毫米封装。

通过从天线到GPIO或SPI接口完全整合所有部件，收发器是简单设计到系统中，并且所有的数据包的处理，包括前同步码，同步字检测和CRC是由芯片处理，以进一步简化了开发。这是由Silicon Labs的无线开发套件(WDS)的用户界面软件，提供简化的编程选项广泛的在一个易于使用的格式，导致更快和更低的风险开发的应用程序帮助。而最大的数据速率是500千比特/秒，这是很容易足以存取控制系统，即使额外的一次性码和加密，必须使用。

然而，并非所有的部件，如晶体振荡器，电源控制器或平衡不平衡转换器滤波器可被集成到一个硅芯片，一个这样的模块可以是一个快速简便的方法，以无线元件添加到访问控制设计。 Microchip的表面贴装收发器模块的MRF89XAM9A集成晶体，内部稳压器，匹配电路和PCB天线。

MRF89XAM9A从Microchip的图像

图2：从微芯片MRF89XAM9A结合了所有需要的访问控制硬件的元素。

使用一个集成模块设计，释放由粗放型射频和天线设计以及法规遵从性测试的开发，从而缩短上市时间。这允许开发者将模块成品内，它不需要针对人为辐射或RF发射器的法规测试。然而，为了维持一致性，也有必须考虑为美国和加拿大的特定设置。

随着一个全面的测试模块，实现了硬件，软件的开发变得更加重要。该MRF89XAM9A模块与Microchip的的MiWi开发环境的软件栈兼容。该软件堆栈可免费下载，包括源代码，并允许系统可以快速建立起来。

其它供应商已经整合自己的协议进入收发器提供健壮的链接进行访问控制。

从Semtech公司的SX1232是一个完全集成的ISM频段收发器在868 MHz频段在欧洲和915 MHz频段的使用，在美国用最少的外部元件的优化。它提供了高链路预算和低电流消耗的组合在所有操作模式处理FSK，GFSK，MSK，GMSK和OOK调制。 143 dB的链路预算由低噪声的CMOS接收器前端和高达20 dBm的发射输出功率达到。一对内部功率放大器提供，允许或者完全规范运作恒定的RF性能，或者实现最佳效率直供连接。这使得它适用于任何应用程序搭载碱性电池化学组成和超长的电​​池应用中使用锂电池化学品，根据访问控制的用例需求。

该SX1232包括一个数据包引擎和顶级音序器，可以用一个64字节FIFO用于自动数据包传输，接收和确认的整个过程，而不会产生常见的许多收发器，配备片上微控制器消费罚款。的集成减少了外部物料清单到被动去耦和阻抗匹配组件，并使其适合于访问控制应用需要稳定和恒定的RF性能在设备的整个工作范围内降低到1.8V。

升特SX1232的图

图3：Semtech公司设计了SX1232专门为可靠的RF连接的大链路预算。

该SX1232是为需要高灵敏度的应用和低的接收电流。耦合数字状态机的RF前端能够在5×5mm的QFN 24引脚封装提供143分贝(-123 dBm的灵敏度与20 dBm的噘一起)链路预算。低中频架构是故意在子GHz ISM频段中使用的低调制指数和窄波段操作最优化。一对σ-δ模数转换器处理从低IF的数据转换，以在数字域中执行所有随后的信号处理和解调。数字状态机也控制自动频率校正(AFC)，接收信号强度指示器(RSSI)，以及自动增益控制(AGC)。

Sigma Designs公司结合了其Z-波收发器和控制器到一个单一的系统级封装(SiP)模块。所述ZM5101结合的Z波SD3502的SoC(具有内置微控制器和Z波RF收发器)的单个8毫米×8毫米的模块用于小型，单个微控制器的产品，如访问内，晶体，和无源RF组件控制。它提供了数据传输速率高达100 kbit / s的具有128 KB闪存和16 KB的SRAM用于代码，以及硬件辅助频率捷变，使模块从嘈杂的信道切换客场的三个人一个没有通讯或软件开销。 1微安的极低睡眠电流地址为更长的电池寿命的不断增长的需求，而128位AES引擎支持的需要加密的链接。

这是可能的通过Z-Wave协议，这已被定义在应用层，并且通过使用在ITU-T G.9959 PHY和MAC，即由Z-Wave联盟保持的国际标准的综合认证项目。这种采用低功耗低于1 GHz的射频协议，并网状拓扑结构中。

从这样做的主要好处是，互操作性是在应用层构建的，所以有很多种，将共同努力设备。这使得更容易建立一个安全使用权控制系统，其连接到其他设备如PC，平板电脑或智能手机。网络的网格体意味着在一Z波网络的每个设备可以中继信号到其他设备，这可以使网络很容易地扩展，甚至更健壮与更多连接的设备进行。高达232 Z-Wave的设备可以连接到Z - Wave的枢纽。 Z-Wave是非常适合家庭和小型企业。

该协议还向上延伸进入该网络与Z洁具IP网关参考设计。这使得每个Z-Wave的设备 - 诸如一个锁或访问控制器 - 有一个唯一的IP地址，并且可以支持IP能力的应用程序。该ZIPR IP网关，然后处理所有的在家用路由器处理家用电脑和互联网之间的通信方式类似Z-Wave和Z-波的IP之间的通信。

结论

广泛的选择存在访问控制设计在的sub-GHz ISM频段。从超低功耗单收发器标准模块，多达专有协议，设计人员可以使用的RF链路的范围权衡的时间将产品推向市场，设计的复杂性，电池寿命和性能具有广泛的功能。