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如何設計低成本的sub-GHz無線接入控制物聯(lián)網

安全性和訪問控制是關注的物聯(lián)網系統(tǒng)設計的兩個關鍵領域，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線門禁系統(tǒng)的設計方案。

在不受監(jiān)管的ISM(工業(yè)，科學，醫(yī)學)無線頻段是非常流行的各類應用。子GHz頻段在868兆赫在歐洲和915兆赫，在美國特別流行，多為實施成本相對較低。

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

更長的范圍可以為更長的電池壽命進行交易的較少的功率是用來做一個鏈接。試圖建立一個鏈路，在該范圍的最遠范圍或通過的門或壁可以要求顯著更多的功率。限制的范圍內，然后給出一個更長的電池壽命，或允許用更短的范圍內使用較小的電池，減輕了尺寸和整個系統(tǒng)的成本。最新的射頻設計技術和制造技術也很好，在這些頻率確定。這意味著低成本CMOS技術可用于收發(fā)信機，增加部件的整合在單個設備中，并進一步降低成本。因為許多這些收發(fā)器還可以在工作于相同的ISM頻帶簡單的無線傳感器設計中使用，也有刻度的一個好處就是進一步使成本下降。

然而，也有缺點。這些樂隊都非常受歡迎，因此也特別擁擠。這意味著更多的關注具有其他系統(tǒng)支付干擾。這可能意味著公司將不得不有更廣泛的保護頻帶上的信道或不必實現(xiàn)跳頻協(xié)議，一直沒必要過去。這也是這必須是安全的，例如訪問控制和樓宇自動化，以防止雙方無意干擾和故意篡改系統(tǒng)的開發(fā)是一個挑戰(zhàn)。射程更遠帶來巨大的好處，但攔截信號的風險增加。這些可以被解碼，以提供接入碼或復制和再廣播。該副本可以被用作一個人在這方面的中間人攻擊來訪問更寬的系統(tǒng)，或重新廣播在稍后的時間，讓在入侵者。

這導致了需要進一步的安全技術，如加密和一次性碼，要加入到相對簡單的系統(tǒng)設計。

一些零部件供應商，如Sigma Designs公司和Semtech公司，已經開發(fā)了自己的協(xié)議，在這些ISM頻段，以解決訪問控制和篡改的挑戰(zhàn)，但仍有可用于構建低成本，低功耗，遠距離收發(fā)器從頭這種系統(tǒng)封裝開發(fā)自己的專業(yè)知識和知識產權。

Silicon Labs的Si4455是可與材料很少的外部清單(BOM)結合20引腳3×3毫米封裝尺寸的sub-GHz收發(fā)器計數(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的允許更長的工作范圍，而18毫安TX(10 dBm的)以及10 mA RX和40 nA的待機低功耗使得電池壽命的權衡，電池的大小和范圍。

圖Si4455由Silicon Labs公司

圖1：來自Silicon Labs的該Si4455提供一個收發(fā)信機在一個3×3毫米封裝。

通過從天線到GPIO或SPI接口完全整合所有部件，收發(fā)器是簡單設計到系統(tǒng)中，并且所有的數(shù)據(jù)包的處理，包括前同步碼，同步字檢測和CRC是由芯片處理，以進一步簡化了開發(fā)。這是由Silicon Labs的無線開發(fā)套件(WDS)的用戶界面軟件，提供簡化的編程選項廣泛的在一個易于使用的格式，導致更快和更低的風險開發(fā)的應用程序幫助。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換器濾波器可被集成到一個硅芯片，一個這樣的模塊可以是一個快速簡便的方法，以無線元件添加到訪問控制設計。 Microchip的表面貼裝收發(fā)器模塊的MRF89XAM9A集成晶體，內部穩(wěn)壓器，匹配電路和PCB天線。

MRF89XAM9A從Microchip的圖像

圖2：從微芯片MRF89XAM9A結合了所有需要的訪問控制硬件的元素。

使用一個集成模塊設計，釋放由粗放型射頻和天線設計以及法規(guī)遵從性測試的開發(fā)，從而縮短上市時間。這允許開發(fā)者將模塊成品內，它不需要針對人為輻射或RF發(fā)射器的法規(guī)測試。然而，為了維持一致性，也有必須考慮為美國和加拿大的特定設置。

隨著一個全面的測試模塊，實現(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下載，包括源代碼，并允許系統(tǒng)可以快速建立起來。

其它供應商已經整合自己的協(xié)議進入收發(fā)器提供健壯的鏈接進行訪問控制。

從Semtech公司的SX1232是一個完全集成的ISM頻段收發(fā)器在868 MHz頻段在歐洲和915 MHz頻段的使用，在美國用最少的外部元件的優(yōu)化。它提供了高鏈路預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調制。 143 dB的鏈路預算由低噪聲的CMOS接收器前端和高達20 dBm的發(fā)射輸出功率達到。一對內部功率放大器提供，允許或者完全規(guī)范運作恒定的RF性能，或者實現(xiàn)最佳效率直供連接。這使得它適用于任何應用程序搭載堿性電池化學組成和超長的電池應用中使用鋰電池化學品，根據(jù)訪問控制的用例需求。

該SX1232包括一個數(shù)據(jù)包引擎和頂級音序器，可以用一個64字節(jié)FIFO用于自動數(shù)據(jù)包傳輸，接收和確認的整個過程，而不會產生常見的許多收發(fā)器，配備片上微控制器消費罰款。的集成減少了外部物料清單到被動去耦和阻抗匹配組件，并使其適合于訪問控制應用需要穩(wěn)定和恒定的RF性能在設備的整個工作范圍內降低到1.8V。

升特SX1232的圖

圖3：Semtech公司設計了SX1232專門為可靠的RF連接的大鏈路預算。

該SX1232是為需要高靈敏度的應用和低的接收電流。耦合數(shù)字狀態(tài)機的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)鏈路預算。低中頻架構是故意在子GHz ISM頻段中使用的低調制指數(shù)和窄波段操作最優(yōu)化。一對σ-δ模數(shù)轉換器處理從低IF的數(shù)據(jù)轉換，以在數(shù)字域中執(zhí)行所有隨后的信號處理和解調。數(shù)字狀態(tài)機也控制自動頻率校正(AFC)，接收信號強度指示器(RSSI)，以及自動增益控制(AGC)。

Sigma Designs公司結合了其Z-波收發(fā)器和控制器到一個單一的系統(tǒng)級封裝(SiP)模塊。所述ZM5101結合的Z波SD3502的SoC(具有內置微控制器和Z波RF收發(fā)器)的單個8毫米×8毫米的模塊用于小型，單個微控制器的產品，如訪問內，晶體，和無源RF組件控制。它提供了數(shù)據(jù)傳輸速率高達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的三個人一個沒有通訊或軟件開銷。 1微安的極低睡眠電流地址為更長的電池壽命的不斷增長的需求，而128位AES引擎支持的需要加密的鏈接。

這是可能的通過Z-Wave協(xié)議，這已被定義在應用層，并且通過使用在ITU-T G.9959 PHY和MAC，即由Z-Wave聯(lián)盟保持的國際標準的綜合認證項目。這種采用低功耗低于1 GHz的射頻協(xié)議，并網狀拓撲結構中。

從這樣做的主要好處是，互操作性是在應用層構建的，所以有很多種，將共同努力設備。這使得更容易建立一個安全使用權控制系統(tǒng)，其連接到其他設備如PC，平板電腦或智能手機。網絡的網格體意味著在一Z波網絡的每個設備可以中繼信號到其他設備，這可以使網絡很容易地擴展，甚至更健壯與更多連接的設備進行。高達232 Z-Wave的設備可以連接到Z - Wave的樞紐。 Z-Wave是非常適合家庭和小型企業(yè)。

該協(xié)議還向上延伸進入該網絡與Z潔具IP網關參考設計。這使得每個Z-Wave的設備 - 諸如一個鎖或訪問控制器 - 有一個唯一的IP地址，并且可以支持IP能力的應用程序。該ZIPR IP網關，然后處理所有的在家用路由器處理家用電腦和互聯(lián)網之間的通信方式類似Z-Wave和Z-波的IP之間的通信。

結論

廣泛的選擇存在訪問控制設計在的sub-GHz ISM頻段。從超低功耗單收發(fā)器標準模塊，多達專有協(xié)議，設計人員可以使用的RF鏈路的范圍權衡的時間將產品推向市場，設計的復雜性，電池壽命和性能具有廣泛的功能。