如何设计低成本的物联网无线接入控制

　　安全和访问控制是物联网系统设计者关注的两个关键领域，但在实现成本方面存在重大挑战。本文着眼于设计的选项使用亚GHz ISM频段如Z-Wave保持低成本无线安全接入控制系统。
　　不受管制的ISM(工业、科学、医疗)无线波段在各种应用中极为流行。在欧洲的868兆赫和美国的915兆赫的亚GHz频段特别受欢迎，主要是相对较低的实施成本。
　　在这些波段中运行有很多优点，从范围开始。这些射频带的穿透率明显高于ISM频段的2.5 GHz和5 GHz，这为设计者在访问控制系统的开发上提供了更多的选择。
　　更长的续航时间可以用来换取更长的电池寿命，因为较少的电源用于连接。试图在距离最远的地方或通过门或墙壁建立一个连接需要更多的能量。限制范围，然后给予更长的电池寿命或允许较小的电池使用较短的范围内，减少整个系统的大小和成本。最新的RF设计技术和制造技术也在这些频率下建立起来。这意味着低成本CMOS技术可用于收发信机，增加单个设备的集成，进一步降低成本。因为这些收发器也可以用在同一ISM频段的简单无线传感器设计中，也有利于进一步降低成本。
　　然而，也有缺点。这些乐队很受欢迎，所以特别拥挤。这意味着必须对其他系统的干扰给予更多的关注。这意味着必须在一个通道上拥有更宽的保护频带，或者必须执行过去没有必要的跳频协议。对于那些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，以防止无意干扰和蓄意篡改。更长的距离带来了巨大的好处，但是截获信号的风险增加了。这些可以被解码以提供访问代码，或复制和重新广播。该副本可以用作中间人攻击，以便访问更广泛的系统，或在稍后时间重新广播以允许入侵者进入。
　　这导致需要进一步的安全技术，如加密和一次性代码，添加到相对简单的系统设计中。
　　一些零部件供应商，如Sigma Designs和Semtech公司，已经开发出自己的协议在这些频段的解决访问控制和篡改的挑战，但仍有低成本、低功耗、远程收发器，可用于构建这样的系统从零开始封装开发自己的专长和知识产权。
　　Silicon Labs的si4455是在一个20引脚3 x 3毫米的封装尺寸，可以结合材料低外部比尔亚GHz收发器(BOM)算是空间的效率和成本效益。+ 13 dBm的输出功率和灵敏度为116 dBm允许更长的工作范围，而低电流消耗18毫安的TX(在10 dBm)，10毫安RX，和40毫安待机允许权衡电池寿命，电池的大小和范围。
　　从Silicon Labs si4455图


　　图1：从Silicon Labs的si4455提供在一个3×3毫米封装收发器。
　　通过充分整合所有组件从天线到GPIO或SPI接口，收发信机的简单设计成一个系统，所有的数据包处理包括前导码、同步字检测、CRC处理芯片的发展进一步简化。这是由Silicon Labs的无线开发套件帮助(WDS)的用户界面的软件，提供了简化的一系列在一个易于使用的格式，结果在速度和低风险的开发应用程序选项。而最大数据速率为500 kbit/s，这是很容易足够的访问控制系统即使额外的一次性密码和加密必须使用。
　　然而，不是所有的组件，如晶体振荡器，电源控制器或巴伦滤波器可以被集成到一个硅芯片，所以模块可以方便快捷地对访问控制的设计加上无线单元。从芯片表面贴装模块mrf89xam9a集成了晶体，内部电压调节器，匹配电路和PCB天线。
　　图像mrf89xam9a从芯片


　　图2：从芯片的mrf89xam9a结合所有元素的访问控制的硬件需要。
　　使用集成模块设计可以让开发人员从广泛的RF和天线设计以及法规遵从性测试中解脱出来，从而更快地进入市场。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rf发射机进行监管测试。然而，为了保持一致性，美国和加拿大必须考虑特定的设置。
　　随着硬件在一个完全测试的模块中实现，软件开发变得更加重要。的mrf89xam9a模块芯片的MIWI开发环境软件栈兼容。软件栈是免费下载的，包括源代码，并允许系统快速建立起来。
　　其他供应商已将自己的协议集成到收发器中，以提供访问控制的健壮链接。
　　从Semtech的sx1232是一个完全集成的ISM频段收发器用于欧洲的868 MHz频段的优化和915 MHz频段在美国用最少的外部元件。它提供了较高的链路预算和低电流消耗在所有操作模式处理FSK，MSK，GMSK和GFSK，OOK调制。143分贝链路预算是通过一个低噪声CMOS接收器前端和高达20 dBm的发射输出功率。提供一对内部功率放大器，允许对RF性能恒定的完全调节操作，或直接供电连接以获得最佳效率。这使得它适合于碱性电池化学的应用程序或使用锂电池化学制品的长电池应用程序，这取决于访问控制的用例要求。
　　的sx1232包括分组引擎和顶级的音序器，可以用一个64字节的FIFO来实现数据传输的整个过程中，接收和确认没有多收发器具有一个片上MCU招致消费处罚常见。该集成减少了外部BOM到无源去耦和阻抗匹配组件，使其适合于在整个设备工作范围内保持稳定和恒定RF性能需要的接入控制应用，降低到1.8 V。
　　Semtech公司sx1232图


　　图3：Semtech公司专门设计的一种可靠的RF连接的链路预算的sx1232大。
　　的sx1232是专为需要高灵敏度和低接收电流的应用。耦合的数字状态机可提供143 dB的链路预算射频前端(在20 dBm的123 dBm的灵敏度噘嘴一起)在一个5×5毫米QFN封装24引脚封装。为低调制指数和窄带操作，在亚GHz ISM频段使用的低IF架构是有意优化的。一对∑-ΔADC处理数据转换从低如果，所有后续的信号处理和解调在数字域进行。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)。
　　西格玛设计结合其Z-Wave收发器和封装成一个单一的系统控制器(SIP)模块。的zm5101结合了Z-Wave sd3502 SOC(内置微控制器和Z-Wave RF收发器)和无源射频元件，晶体，在一个8毫米×8毫米模块体积小、单片机等产品的访问控制。它提供的数据传输速率可达100 kbit/s 128 KB的闪存和16 KB SRAM的代码，以及硬件辅助频率捷变，使模块开关远离嘈杂的通道为三个别人没有通信或软件开销。极低的睡眠1个地址µ更长的电池寿命不断增长的需求，目前，在128位AES加密引擎支持链接的需要。
　　通过Z-Wave协议这是可能的，这已在应用层，通过一个全面的认证程序使用ITU-T g.9959 PHY和MAC的定义，一个国际标准，是通过Z-Wave联盟保持。本文采用低功耗低于GHz射频协议和网状拓扑内的作品。
　　这样做的主要好处是互操作性是建立在应用层的，所以有很多不同的设备可以协同工作。这使得构建与PC、平板或智能手机等其他设备相连接的安全访问控制系统变得更加容易。网络的网格单元，意味着Z-Wave网络内的每个设备可以传递信号到其他设备，这使得网络的可扩展性和更强大的更多的连接设备。高达232的Z-Wave设备可以连接到一个Wave Hub。Z-Wave是家庭和小型企业的理想。
　　该协议还延伸到与z-ware IP网关参考设计网络。这允许每个Z-Wave装置–如锁或访问控制器有一个唯一的IP地址，可以支持IP功能的应用。该ZIPR IP网关然后处理所有通信的Z-Wave和Z-Wave之间的IP在一个类似的方式，一个家庭路由器处理通信的家用PC和互联网之间。

　　结论
　　在亚GHz ISM频段的访问控制设计存在多种选择。从超低功耗单收发器到标准模块，直至专有协议，设计者可以利用射频链路的范围来交换市场时间、设计复杂度、电池寿命和性能，具有广泛的功能。