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物聯網的互聯 隨著無線傳感器網絡、智能電表、家庭自動化設施和可穿戴產品的爆炸性增長，物聯網(IoT)一詞已經家喻戶曉。IoT涵蓋了遠距離戶外網絡(例如智能電網和市政照明)和短距離室內網絡(例如家居互聯和住宅安全系統)。許多公司已經為IoT市場推出了創新型解決方案，能夠提供安全狀態檢測等便利化的服務。互聯系統架構通常由大量的無線節點構成，從簡單的遙控設備到帶有可連接互聯網的網關的復雜無線網絡。這些網絡也能夠提供本地化的系統智能和云服務，如圖1所示。在本文中，我們將重點討論目前廣泛使用的Sub-GHz頻段的低功耗、遠距離無線互聯。 圖1 -互聯系統架構 選擇合適的無線解決方案 MCU和無線IC是IoT系統的主要組成部分。用于可連接設備應用的MCU通常提供多種存儲選項和外設選項。如果沒有更多其他器件，那么無線IC(收發器、發射器和接收器)選擇將是與MCU同等重要的復雜抉擇。選擇大多數工作在免費公用頻段的Sub-GHz器件，還是基于ZigBee、Bluetooth Smart或Wi-Fi等標準的2.4GHz器件，是需要仔細考慮的問題。當為給定的IoT應用選擇合適的無線協議時，沒有“一刀切”的解決方案。每一種無線選項都有其自身的優缺點，具體的應用需求(例如網關或電池供電的終端節點)將決定互聯技術的選擇。 圖2 - 傳感器節點架構 在那些要求能效高、電池壽命長(要求電池使用壽命達5-15年)，并且傳輸距離遠的應用中，Sub-GHz私有協議和開放式ZigBee標準是最常用的無線協議。Bluetooth適用于無需額外無線基礎設施的智能手機和平板，提供短距離、點對點連接。Wi-Fi是重視帶寬型應用(例如視頻流和無線熱點連接)最常采用的無線協議。Sub-GHz頻帶非常適合長距離、低功耗、低速率的應用(例如煙感、門窗傳感器)和室外系統(例如天氣臺、智能電表和資產跟蹤器)。 Sub-GHz無線互聯 Sub-GHz技術是需要長距離和低功耗的無線應用的理想選擇。窄帶傳輸能夠將數據傳輸到遠處的集中器，通常可以到幾英里遠，而中間不需要接力傳輸。這種長距離傳輸能力減少了對于多個昂貴基站或中繼器的需求。專利型Sub-GHz協議允許開發者根據自己的特定需求優化無線解決方案，不需要遵守可能給網絡實現帶來限制的標準。雖然許多現有的Sub-GHz網絡采用專利協議，但是業內正在逐步向基于標準的、互操作的系統遷移。例如，IEEE802.15.4g標準正在向全球普及，獲得了多個工業協會(例如Wi-SUN和ZigBee)的采用。在任何標準中，通常都有強制和可選的規格，提前確定適當的參數有助于設備的選擇。下面我們將就Sub-GHz無線網絡中的能源效率和無線傳輸距離，展開詳細論述。 低功耗 為功耗敏感和電池供電型應用設計無線解決方案的開發人員必須關注無線IC的待機電流、低功耗模式和喚醒時間。例如，Silicon Labs的EZRadio和EZRadioPRO Sub-GHz收發器就是這些應用的理想選擇，因為這些節能型無線設備待機模式下僅消耗40nA電流，且保持內存數據不丟失，并且從待機/休眠模式切換到接收模式僅需要440μs。此外，自治特性(例如占空比循環模式)進一步降低了平均接收電流消耗，在間歇性工作的系統中尤為如此。在這種情況下，基于片內集成的可編程的32KHz休眠時鐘，無線電自動從休眠中喚醒并進入接收模式。無線電會根據前導碼檢測和接收信號強度指示來評估信道數據的有效性，僅僅在接收到有效數據包才去喚醒主機MCU。如果沒有有效數據包，無線電自動返回到休眠模式，不會中斷和激活主機MCU。 圖3 - 接收器自治占空比循環 在采用占空比循環模式的應用中，三個主要因素決定了電流消耗：睡眠模式轉變到接收模式所消耗的能量、評估信道數據包有效性所需的時間、以及休眠模式電流。EZRadio和EZRadioPRO收發器的前導碼感應模式極大的減少了信道訪問時間，并且不會降低靈敏度，同時顯著降低了平均接收電流。這些無線電收發器僅需要8位前導碼就能判斷前導符的有效性，而其他傳統Sub-GHz收發器則需要32位。平均接收電流的改善更有利于擁有較長前導符長度和較低數據速率的情形。在這些Sub-GHz收發器中，功率放大器(PA)消耗最大的電流，因此高效的PA設計也是獲得長電池壽命的關鍵。EZRadio和的EZRadioPRO芯片集成了高效的+20dBm PA，能耗僅為85mA，比其他解決方案相比低40mA。在+10dBm輸出功率時，PA消耗僅為18mA，因此可用紐扣電池進行供電。 無線傳輸距離 在任何應用中，采用Sub-GHz無線技術的主要優點是在該頻段的長距離傳輸能力，即使在信號擁擠環境下也不受影響。長距離傳輸系統減少了部署成本，服務相同數量設備時所需要的基站和中繼器更少。在給定的輸出功率下，低頻率傳輸能夠傳輸更遠的距離。根據物理學原理，可以使用Friis公式進行線路損耗分析來解釋這種現象。 公式1， ，其中Pr是接收功率，Pt是發射功率，Gt和Gr是發射器和接收器的天線增益，R是天線之間的距離，λ是波長。 就通常經驗來說，在室外空曠環境下鏈路預算增加6dB將帶來雙倍的傳輸距離。所有其他條件相同的情況下，169MHz頻段的可達距離將優于868/915MHz頻段。因為距離測試對測試環境和設備參數非常敏感，因此很難在不同廠家提供的RF收發器解決方案中進行精確的同類比較。比較時要充分考慮無線電參數(如頻率、輸出功率、帶寬、包結構、天線、位/包錯誤率計算方法等)。在室外空曠環境測試中，EZRadioPRO設備采用標準的高斯移頻鍵控(GFSK)調制方式，高頻段和低頻段傳輸距離都可達到8-10英里(13-16千米)。 表1顯示了EZRadioPRO收發器在不同速率下的鏈路預算情況。 系統傳輸距離是接收器靈敏度和傳輸頻率的函數。靈敏度與信道帶寬成反比，這意味著窄帶會有更高的接收靈敏度。信道帶寬取決于三個因素：數據速率、頻率偏置和晶體振蕩器精度。為使應用進行有效的發送和接收，信道帶寬必須設置到足夠滿足這三個因素。EZRadioPRO器件具有完全可編程的接收帶寬，從200Hz到850KHz，從而能夠在100bps速率下保持-133dBm的靈敏度，這是長距離室外傳感器應用的理想選擇。在一些應用中，采用擴頻機制代替標準的窄帶GFSK調制。較低的數據率需要較寬的頻帶，這樣傳輸效率低，但是傳輸功率也低。增加帶寬帶來的靈敏度損失可通過編碼進行補償，每一個數據位可能被編碼成多個位，在更寬的頻帶中傳輸。這意味著，在相同的凈數據速率下，相對于傳統窄帶GFSK實現來說并沒有直接的靈敏度改善。 從擴頻信號中解碼數據通常需要更長的前導碼來同步，這增加了包的傳輸時間，進而降低了電池使用壽命。基于60-70dB之間的不同頻帶范圍，窄帶系統提供十分出色的臨道抑制能力。展頻信號不易受到干擾。不過，在近距離時，會對其他的窄帶信號或擴頻設備有干擾，將顯著減少編碼系統的傳輸距離。擴頻系統的優勢之一是可以使用更低成本的晶體替代高成本的溫補晶體振蕩器(TCXO)。基于GFSK的窄帶系統通常需要使用TCXO以確保頻率精度和延伸傳輸距離。雖然標準晶體和TCXO之間的成本差異日趨縮小，但是先進的收發器(例如EZRadioPRO)也提供自動頻率補償(AFC)機制，因而可以進一步減少頻率偏移所造成的影響。 圖4 - 窄帶和擴頻信號 結論 低功耗和長距離是確定Sub-GHz無線系統設計方向的關鍵因素。快速信號偵測、幾十納安的超低功耗待機電流、快速狀態轉換時間是構建穩健軟件解決方案的關鍵，能夠有效提升可連接設備應用的系統級能效。IoT市場正在快速演進，各類高集成度、超低功耗的半導體器件以低價格不斷涌現。具有靈活架構的超低功耗MCU和無線IC支持多種協議，將成為實現智能、互聯和低功耗型IoT世界的先導。 Vivek Mohan Silicon Labs公司無線產品資深產品經理 Vivek Mohan是Silicon Labs微控制器和無線產品事業群無線互聯產品(包括Sub-GHz無線電)的資深產品經理。他于2010年加入Silicon Labs，擔任短距離無線產品應用工程經理。在加入Silicon Labs之前，他在Marvell Semiconductor公司擔任無線SoC產品的應用工程和設計驗證師。Mohan先生擁有南加州大學(University of Southern California)電氣工程碩士學位。 |
