Sub-GHz无线访问控制物联网系统设计方案

　　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，但在实施成本方面存在重大挑战。本文着眼于使用 Z-Wave 等 sub-GHz ISM 频段设计安全无线访问控制系统的选项，以保持低成本。

　　不受管制的 ISM（工业、科学、医疗）无线频段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。

　　在这些频段中运行具有许多优势，首先是范围。这些射频频段的渗透率明显长于 2.5 GHz 和 5 GHz 的更高 ISM 频段，这为设计人员在访问控制系统的开发中提供了更多选择。

　　更长的续航里程可以换取更长的电池寿命，因为用于连接的电量更少。试图在范围的最远范围或通过门或墙壁建立链接可能需要更多的电力。限制范围可以延长电池寿命，或者允许在更短的范围内使用较小的电池，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在这些频率上也很成熟。这意味着收发器可以使用低成本 CMOS 技术，从而提高单个器件中组件的集成度，并进一步降低成本。由于这些收发器中的许多也可用于在相同 ISM 频段运行的简单无线传感器设计，因此还具有规模优势，可进一步降低成本。

　　但是，也有缺点。这些乐队非常受欢迎，因此特别拥挤。这意味着必须更加注意其他系统的干扰。这可能意味着必须在信道上拥有更宽的保护频带或必须实施跳频协议，而这在过去是不必要的。这对于必须安全的系统开发人员来说也是一个挑战，例如访问控制和楼宇自动化，以防止意外干扰和蓄意篡改。更长的距离带来了巨大的好处，但也增加了拦截信号的风险。这些可以被解码以提供访问代码，或复制和重新广播。该副本既可以用作中间人攻击以访问更广泛的系统，也可以在以后重新广播以让入侵者进入。

　　这导致需要将进一步的安全技术（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，例如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，但仍有低成本、低功耗、远程收发器可用于构建此类系统从头开始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 sub-GHz 收发器，采用 20 引脚 3 x 3 mm 封装尺寸，可与低外部物料清单 （BOM） 数量相结合，既节省空间又具有成本效益。+13 dBm 的输出功率和 –116 dBm 的灵敏度可实现更长的工作范围，而 18 mA TX（10 dBm 时）、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 提供采用 3 x 3 mm 封装的收发器。

　　通过完全集成从天线到 GPIO 或 SPI 接口的所有组件，收发器易于设计到系统中，包括前导码、同步字检测和 CRC 在内的所有数据包处理均由芯片处理，进一步简化了开发。这得益于 Silicon Labs 的无线开发套件 （WDS） 用户界面软件，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，从而加快和降低开发风险。虽然最大数据速率为 500 Kbit/s，但这对于访问控制系统来说已经足够了，即使必须使用额外的一次性代码和加密。

　　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）都可以集成到硅芯片中，因此模块可以成为将无线元件添加到访问控制设计中的一种快速简便的方法。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。

　　使用集成模块设计使开发人员无需进行大量的射频和天线设计以及法规遵从性测试，从而加快产品上市时间。这允许开发人员将模块放置在成品中，并且不需要对有意辐射器或射频发射器进行监管测试。但是，为了保持一致性，必须考虑美国和加拿大的特定设置。

　　随着硬件在经过全面测试的模块中实现，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。

　　其他供应商已将他们自己的协议集成到收发器中，以提供用于访问控制的稳健链路。

　　SX1232 _Semtech 是一款完全集成的 ISM 频段收发器，经过优化，可用于欧洲的 868 MHz 频段和美国的 915 MHz 频段，且外部组件最少。它在处理 FSK、GFSK、MSK、GMSK 和 OOK 调制的所有操作模式中提供了高链路预算和低电流消耗的组合。143 dB 链路预算是通过低噪声 CMOS 接收器前端和高达 +20 dBm 的发射输出功率实现的。提供了一对内部功率放大器，允许完全调节操作以实现恒定的射频性能，或直接连接电源以实现最佳效率。这使其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用例要求。

　　SX1232 包括一个数据包引擎和顶级排序器，可与 64 字节 FIFO 一起使用，以自动化数据包传输、接收和确认的整个过程，而不会产生许多具有片上 MCU 的收发器常见的消耗损失。该集成将外部 BoM 减少为无源去耦和阻抗匹配组件，使其适用于需要在低至 1.8 V 的设备的整个工作范围内保持稳定和恒定射频性能的访问控制应用。

　　图 ：Semtech 专门为大量链路预算设计了 SX1232，以实现可靠的射频连接。

　　SX1232 适用于需要高灵敏度和低接收电流的应用。将数字状态机与能够在 5 x 5 mm QFN 24 引线封装中提供 143 dB（-123 dBm 灵敏度和 20 dBm Pout）链路预算的射频前端相耦合。低中频架构专门针对 sub-GHz ISM 频段中使用的低调制指数和窄带操作进行了优化。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）、接收信号强度指示器 （RSSI） 和自动增益控制 （AGC）。

　　Sigma Designs 已将其 Z-Wave 收发器和控制器组合成一个单一的系统级封装 （SiP） 模块。ZM5101在单个 8 mm x 8 mm 模块中结合了 Z-Wave SD3502 SoC（带有内置微控制器和 Z-Wave 射频收发器）、晶体和无源射频组件，适用于小尺寸、单微控制器产品，例如接入控制。它提供高达 100 kbit/s 的数据速率，128 kB 闪存和 16 kB SRAM 用于代码，以及硬件辅助的频率捷变，使模块能够从嘈杂的通道切换到其他三个通道之一，而无需通信或软件开销。 1 µA 的极低睡眠电流满足了对更长电池寿命日益增长的需求，而 128 位 AES 引擎支持加密链路的需求。

　　这可以通过在应用层定义的 Z-Wave 协议以及使用 ITU-T G.9959 PHY 和 MAC（由 Z-Wave 联盟维护的国际标准）的综合认证计划来实现。这使用低功率低于 1 GHz 的射频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在应用程序层，因此有多种设备可以协同工作。这使得构建安全的访问控制系统变得更加容易，该系统链接到其他设备，如 PC、平板电脑或智能手机。网络的网状元素意味着 Z-Wave 网络中的每个设备都可以将信号中继到其他设备，这使得网络可以轻松扩展，并通过更多连接的设备变得更加健壮。多达 232 个 Z-Wave 设备可以连接到 Z-Wave 集线器。Z-Wave 非常适合家庭和小型企业。

　　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（例如锁或门禁控制器）拥有唯一的 IP 地址，并且可以支持支持 IP 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，其方式类似于家庭路由器处理家庭 PC 和 Internet 之间的通信。

　　结论

　　sub-GHz ISM 频段的访问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，设计人员可以利用射频链路的范围来权衡上市时间、设计复杂性、电池寿命和性能以及各种特性.