如何设计物联网的低成本Sub-GHz无线接入控制

安全和访问控制是物联网系统设计人员关注的两个关键领域，但实施成本存在重大挑战。本文着眼于使用sub-GHz ISM频段（如Z-Wave）设计安全无线接入控制系统的选项，以降低成本。

未经调节的ISM（工业，科学，医疗）无线乐队在各种应用中都非常受欢迎。欧洲868 MHz和美国915 MHz的sub-GHz频段特别受欢迎，主要是因为实施成本相对较低。

在这些频段运行具有许多优势，从范围开始。这些RF频段的穿透速度明显长于2.5 GHz和5 GHz的更高ISM频段，这为设计人员提供了更多的门禁系统开发选择。

由于使用较少的电源来建立链接，因此可以交换更长的范围以延长电池寿命。试图在范围的最远处或通过门或墙建立链接可能需要更多的功率。限制范围可以延长电池寿命，或者允许更小的电池使用更短的范围，从而减小整个系统的尺寸和成本。最新的射频设计技术和制造技术也在这些频率上得到了很好的建立。这意味着可以将低成本CMOS技术用于收发器，从而增加单个器件中元件的集成度并进一步降低成本。由于这些收发器中的许多收发器也可用于在相同ISM频段中运行的简单无线传感器设计，因此还具有可进一步降低成本的规模优势。

然而，也有缺点。这些乐队非常受欢迎，因此特别拥挤。这意味着必须更多地关注其他系统的干扰。这可能意味着必须在信道上具有更宽的保护频带或必须实现跳频协议，这在过去是不必要的。对于必须安全的系统开发人员来说，这也是一个挑战，例如访问控制和楼宇自动化，以防止意外干扰和故意篡改。较长的范围带来了巨大的好处，但是截获信号的风险也在增加。这些可以被解码以提供访问代码，或者被复制和重新广播。此副本既可以用作中间人攻击，也可以用于访问更广泛的系统，或者在以后重新广播以允许入侵者进入。

这导致了需要将其他安全技术（例如加密和一次性代码）添加到相对简单的系统设计中。

一些组件供应商，如Sigma Designs和Semtech，已经在这些ISM频段开发了自己的协议，以应对访问控制和篡改的挑战，但仍然有低成本，低功耗，远程可用于从头开始构建此类系统的收发器，以封装开发人员自己的专业知识和知识产权。

Silicon Labs的Si4455是一款采用20引脚3 x 3 mm封装尺寸的sub-GHz收发器，可以与低外部材料清单（BOM）数量相结合，既节省空间又具有成本效益。 +13 dBm输出功率和-116 dBm的灵敏度允许更长的工作范围，而18 mA TX（10 dBm），10 mA RX和40 nA待机的低电流消耗可实现电池寿命的折衷，电池尺寸和范围。

图1：Silicon Labs的Si4455提供3 x 3 mm封装的收发器。

通过完全集成天线的所有组件对于GPIO或SPI接口，收发器很容易设计到系统中，并且所有包处理包括前同步码，同步字检测和CRC都由芯片处理，以进一步简化开发。 Silicon Labs的无线开发套件（WDS）用户界面软件为此提供了帮助，该软件以易于使用的格式为广泛的应用程序提供简化的编程选项，从而实现更快，更低风险的开发。虽然最大数据速率为500 Kbit/s，但即使必须使用额外的一次性代码和加密，这对于访问控制系统来说也是足够的。

然而，并非所有组件（如晶体振荡器，电源控制器或巴伦滤波器）都可以集成到硅片中，因此模块可以快速简便地将无线元件添加到访问控制设计。 Microchip表面贴装收发器模块的MRF89XAM9A集成了晶体，内部稳压器，匹配电路和PCB天线。

图2：Microchip的MRF89XAM9A结合了访问控制硬件所需的所有元素。

使用集成模块设计释放开发人员通过广泛的射频和天线设计以及法规遵从性测试，缩短了产品上市时间。这允许开发人员将模块放置在成品内，并且不需要对有意的散热器或RF发射器进行监管测试。但是，为了保持一致性，美国和加拿大必须考虑特定的设置。

在完全测试的模块中实现硬件，软件开发变得更加重要。 MRF89XAM9A模块与Microchip的MiWi开发环境软件堆栈兼容。软件堆栈可以免费下载，包括源代码，并允许快速构建系统。

其他供应商已将自己的协议集成到收发器中，为访问控制提供强大的链接。

Semtech的SX1232是一款完全集成的ISM频段收发器，专为欧洲868 MHz频段使用而优化和美国的915 MHz频段，外部元件最少。它在处理FSK，GFSK，MSK，GMSK和OOK调制的所有操作模式中提供高链路预算和低电流消耗的组合。 143 dB链路预算通过低噪声CMOS接收器前端和高达+20 dBm的发射输出功率实现。提供一对内部功率放大器，允许完全调节操作以获得恒定的RF性能，或直接电源连接以实现最佳效率。这使得它适用于由碱性电池化学物质供电的应用或使用锂电池化学物质的长电池应用，具体取决于访问控制的使用案例要求。

SX1232包括数据包引擎和顶级音序器可以与64字节FIFO一起使用，以自动完成数据包传输，接收和确认的整个过程，而不会产生许多具有片上MCU的收发器常见的功耗损失。该集成将外部BoM降低为无源去耦和阻抗匹配元件，使其适用于在器件的整个工作范围内需要稳定且恒定的RF性能且低至1.8 V的门禁控制应用。

图3：Semtech专门设计了SX1232，以实现可靠射频连接的大链路预算。

SX1232适用于要求高灵敏度和低接收的应用当前。将数字状态机与RF前端耦合，能够在5 x 5 mm QFN 24引脚封装中提供143 dB的链路预算（-123 dBm灵敏度和20 dBm Pout）。针对sub-GHz ISM频段中使用的低调制指数和窄频带操作，故意优化低IF架构。一对sigma-delta ADC处理来自低IF的数据转换，所有后续信号处理和解调都在数字域中执行。数字状态机还控制自动频率校正（AFC），接收信号强度指示（RSSI）和自动增益控制（AGC）。

Sigma Designs将其Z-Wave收发器和控制器组合成一个系统级封装（SiP）模块。 ZM5101在单个8 mm x 8 mm模块内集成了Z-Wave SD3502 SoC（内置微控制器和Z-Wave RF收发器），晶体和无源RF组件，适用于小尺寸，单个微控制器产品，如访问控制。它提供高达100 kbit/s的数据速率，128 kB闪存和16 kB SRAM代码，以及硬件辅助频率捷变，使模块能够从嘈杂的通道切换到其他三个通道，无需通信或软件开销。 1μA的极低睡眠电流满足了对更长电池寿命的不断增长的需求，而128位AES引擎则支持加密链路的需求。

这可以通过Z-Wave协议实现，该协议已在应用层定义，并通过使用ITU-T G.9959 PHY和MAC的综合认证计划实现，该协议是由国际标准维护的Z-Wave联盟。它使用低功耗的sub-1 GHz RF协议，并在网状拓扑中工作。

这样做的主要好处是互操作性内置于应用层，因此可以使用各种各样的设备。这样可以更轻松地构建连接到其他设备（如PC，平板电脑或智能手机）的安全访问控制系统。网络的网格元素意味着Z-Wave网络中的每个设备都可以将信号中继到其他设备，这使得网络可以容易地扩展并且使用更多连接的设备变得更加健壮。最多232个Z-Wave设备可以连接到Z-Wave集线器。 Z-Wave是家庭和小型企业的理想选择。

该协议还通过Z-Ware IP网关参考设计扩展到网络。这允许每个Z-Wave设备（例如锁或访问控制器）具有唯一的IP地址，并且可以支持具有IP功能的应用程序。然后，ZIPR IP网关处理Z-Wave和Z-Wave for IP之间的所有通信，其方式与家庭路由器处理家庭PC和Internet之间的通信类似。

结论

sub-GHz ISM频段的接入控制设计有多种选择。从超低功耗单收发器到标准模块，再到专有协议，设计人员可以利用各种射频链路，通过广泛的功能来缩短产品上市时间，降低设计复杂性，延长电池寿命和性能