多協(xié)議遠(yuǎn)距離低功耗IoT網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

作者 王薪宇 邱滿剛 利爾達(dá)科技集團(tuán)有限公司 (浙江 杭州 310000)

　　王薪宇(1981-)，男，中級(jí)工程師，研究方向：無線通訊、射頻電路設(shè)計(jì)和物聯(lián)網(wǎng);邱滿剛，男，助理工程師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、智能控制、無線通信技術(shù)應(yīng)用。

摘要：針對(duì)IoT網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中同時(shí)存在Zigbee、BLE、Wireless M-Bus、 6LoWPAN等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，提出一種多協(xié)議遠(yuǎn)距離低功耗IoT網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)方案。網(wǎng)關(guān)采用NXP的KW41Z和TI的CC1310兩款多協(xié)議無線SoC芯片為核心搭建硬件平臺(tái)，增加了SKYWORKS的SKY66112-11和SKY66115-11功率放大器前端模塊。網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)云端服務(wù)器和IoT網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。測試結(jié)果表明，該網(wǎng)關(guān)具有很好的無線連接性能，非常適合多標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下的IoT網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

0 引言

　　IoT (Internet?of?Things，物聯(lián)網(wǎng))是目前發(fā)展很快的一種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。IoT應(yīng)用架構(gòu)自下而上包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并通過無線傳輸技術(shù)(WiFi、BLE、Zigbee等)傳遞數(shù)據(jù)。傳輸層通過現(xiàn)有的2G/3G/4G，有線寬帶等通信技術(shù)，拓展感知層數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提供用戶應(yīng)用接口。IoT網(wǎng)關(guān)的主要作用就是完成感知層和網(wǎng)絡(luò)層之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器。由于現(xiàn)有的低功耗傳感節(jié)點(diǎn)大多采用的是Zigbee和BLE等標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，為了實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議的傳感節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，需要一種多協(xié)議的IoT網(wǎng)關(guān)。

1 系統(tǒng)方案

　　本文提出一種低功耗多協(xié)議遠(yuǎn)距離IoT網(wǎng)關(guān)，采用了SoC射頻芯片方案設(shè)計(jì)，可以完成多種IoT協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的融合。該網(wǎng)關(guān)可以支持BLE、Zibgee、6Lowpan和Sub-1GHz私有協(xié)議等，不同協(xié)議的傳感器之間可以直接或間接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本方案設(shè)計(jì)的低功耗IoT網(wǎng)關(guān)可以采用電池供電，因此取消了傳統(tǒng)的高能耗WiFi連接方式。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量都很小，因此我們可以采用低速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖1為低功耗多協(xié)議遠(yuǎn)距離IoT網(wǎng)關(guān)總體架構(gòu)。

   圖1中IoT網(wǎng)關(guān)在整個(gè)系統(tǒng)總起到中心橋梁作用，網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)支持BLE和Zigbee兩種通用的2.4 GHz協(xié)議，也可以同時(shí)處理Sub-1GHz的通信協(xié)議，各個(gè)IoT節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都可以通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)和交互。Zigbee節(jié)點(diǎn)或者BLE節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包，通過以太網(wǎng)發(fā)送到云端服務(wù)器。遠(yuǎn)程用戶可以通過PC或者移動(dòng)終端向服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，可以通過云端服務(wù)器將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)發(fā)送到相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)。

　　多協(xié)議IoT網(wǎng)關(guān)不僅可以實(shí)現(xiàn)上述遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)處理，還可以進(jìn)行本地化數(shù)據(jù)交換。例如BLE節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)和控制命令到網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)送到Zigbee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這個(gè)交換不再需要通過云端服務(wù)器，在沒有網(wǎng)絡(luò)連接到云端的時(shí)候，也可以進(jìn)行區(qū)域內(nèi)的IoT網(wǎng)絡(luò)通信。目前手機(jī)都已經(jīng)支持BLE低功耗藍(lán)牙通信，手機(jī)也可以不連接到云端服務(wù)器，直接通過BLE通信接口連接到網(wǎng)關(guān)，通過APP軟件跟傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。

　　在布線不方便的應(yīng)用現(xiàn)場，IoT網(wǎng)關(guān)可以采用電池供電。遠(yuǎn)距離情況下，可以通過Sub-1GHz信道進(jìn)行多個(gè)網(wǎng)關(guān)級(jí)聯(lián)。多級(jí)連接后，最后通過有線網(wǎng)絡(luò)連接到云端服務(wù)器。極大地拓展了應(yīng)用范圍。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　為了降低系統(tǒng)成本和體積，本文采用了SoC射頻芯片解決方案。采用了NXP最新的KW41Z^[1]芯片完成2.4 GHz頻段協(xié)議處理，使用TI的CC1310[2]芯片完成Sub-1GHz頻段協(xié)議處理。采用WIZnet公司的硬件網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧W5500[3]完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.1 KW41Z電路設(shè)計(jì)

　　KW41Z是NXP公司推出的一款超低功耗、高集成度的SoC射頻芯片，硬件同時(shí)支持Bluetooth Low Energy (BLE) v4.2和IEEE? 802.15.4物理層。采用48 MHz ARM Cortex-M0+內(nèi)核，高達(dá)512 KB閃存和128 KB SRAM。接收靈敏度(802.15.4) 為 -100 dBm，可編程的發(fā)射器輸出功率高達(dá)+3.5 dBm。內(nèi)置balun單端輸出，電路結(jié)構(gòu)簡單。

　　2.4 GHz頻段信號(hào)受到環(huán)境影響較大，因此需要增大發(fā)射功率和接收靈敏度。本文選擇Skyworks公司的SKY66112-11[4]功放芯片。該芯片可以提供最大21 dBm輸出功率，8dB接收增益。內(nèi)部集成收發(fā)切換射頻開關(guān)，支持兩路天線輸出。工作頻率范圍為2.4 GHz~2.45 GHz，供電電壓為1.8~3.6 V。

　　KW41Z射頻電路設(shè)計(jì)如圖2所示，我們采用DC-DC電源工作模式。KW41Z 的DCDC_LP(11腳)和DCDC_LN(12腳)接DC-DC電路外置10μH電感。VDD_1P45(15腳)內(nèi)部1.45 V電源輸出，給內(nèi)部RF電路提供工作電源，VDD_RF(32，35，36腳)連接到1.45V電源，每個(gè)管腳添加退偶電容。VDD_1P8(14腳)內(nèi)部1.8 V電源輸出，給I/O和外設(shè)供電。VDDCDC_IN(10腳)內(nèi)部DC-DC電源輸入，接外部3.3 V供電。ANT(33腳)RF輸入輸出管腳，外部需要接一個(gè)低通濾波器(C8、C9和L2)，降低輸出射頻信號(hào)的諧波和雜散輻射功率。

　　SKY66112-11放大器模塊電路如圖3所示，由于SKY66112-11芯片輸入和輸出端口都是50Ω，KW41Z的輸出可以直接接RF_IN(21腳)。VCC1(16腳) 和VCC2(14腳)是內(nèi)部PA和LNA供電需要單獨(dú)走線，每個(gè)引腳單獨(dú)添加退偶電容。CRX(2腳)、CTX(17腳) CPS(15腳) 、CSD(3腳) 和ANT_SEL(4腳)是邏輯控制腳，接KW41Z的I/O引腳。ANT1(8腳) 通過低通濾波器接內(nèi)部PCB天線，ANT2(6腳)通過低通濾波電路到SMA座子，接外部棒狀天線。

　　2.2 CC1310電路設(shè)計(jì)

　　CC1310是TI公司推出的sub-1GHz的SoC射頻芯片。該芯片支持多個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，Wireless M-Bus, IEEE 802.15.4g和自定義標(biāo)準(zhǔn)。非常適合做多協(xié)議網(wǎng)關(guān)應(yīng)用。CC1310內(nèi)部集成了強(qiáng)大的48MHz ARM Cortex-M3微控制器和專用無線控制器(ARM Cortex-M0)，128 KB Flash和20 KB RAM。最大輸出功率15 dBm,杰出的接收性能在長距離模式可達(dá)到-124 dBm的接收靈敏度。CC1310集成度非常高，僅需很少的外圍器件就可以工作。

　　為了適應(yīng)不同的工作環(huán)境，需要在外部增加PA放大器，增大傳輸距離。本文選擇Skyworks公司的SKY66115-11^[5]功放芯片。SKY66115-11集成了功率放大器和射頻開關(guān)，工作頻率為400 MHz~510 MHz，工作電壓為2.5~3.6 V，最大輸出功率為+20 dBm。