安全和訪問控制是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計人員關(guān)注的兩個關(guān)鍵領(lǐng)域，但在實施成本方面存在重大挑戰(zhàn)。本文著眼于使用 Z-Wave 等 sub-GHz ISM 頻段設(shè)計安全無線訪問控制系統(tǒng)的選項，以保持低成本。

　　不受管制的 ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療）無線頻段在各種應(yīng)用中都非常受歡迎。歐洲 868 MHz 和美國 915 MHz 的 sub-GHz 頻段特別受歡迎，主要是因為實施成本相對較低。

　　在這些頻段中運行具有許多優(yōu)勢，首先是范圍。這些射頻頻段的滲透率明顯長于 2.5 GHz 和 5 GHz 的更高 ISM 頻段，這為設(shè)計人員在訪問控制系統(tǒng)的開發(fā)中提供了更多選擇。

　　更長的續(xù)航里程可以換取更長的電池壽命，因為用于連接的電量更少。試圖在范圍的最遠范圍或通過門或墻壁建立鏈接可能需要更多的電力。限制范圍可以延長電池壽命，或者允許在更短的范圍內(nèi)使用較小的電池，從而減小整個系統(tǒng)的尺寸和成本。最新的射頻設(shè)計技術(shù)和制造技術(shù)在這些頻率上也很成熟。這意味著收發(fā)器可以使用低成本 CMOS 技術(shù)，從而提高單個器件中組件的集成度，并進一步降低成本。由于這些收發(fā)器中的許多也可用于在相同 ISM 頻段運行的簡單無線傳感器設(shè)計，因此還具有規(guī)模優(yōu)勢，可進一步降低成本。

　　但是，也有缺點。這些樂隊非常受歡迎，因此特別擁擠。這意味著必須更加注意其他系統(tǒng)的干擾。這可能意味著必須在信道上擁有更寬的保護頻帶或必須實施跳頻協(xié)議，而這在過去是不必要的。這對于必須安全的系統(tǒng)開發(fā)人員來說也是一個挑戰(zhàn)，例如訪問控制和樓宇自動化，以防止意外干擾和蓄意篡改。更長的距離帶來了巨大的好處，但也增加了攔截信號的風(fēng)險。這些可以被解碼以提供訪問代碼，或復(fù)制和重新廣播。該副本既可以用作中間人攻擊以訪問更廣泛的系統(tǒng)，也可以在以后重新廣播以讓入侵者進入。

　　這導(dǎo)致需要將進一步的安全技術(shù)（例如加密和一次性代碼）添加到相對簡單的系統(tǒng)設(shè)計中。

　　一些組件供應(yīng)商，例如Sigma Designs和Semtech，已經(jīng)在這些 ISM 頻段開發(fā)了自己的協(xié)議，以應(yīng)對訪問控制和篡改的挑戰(zhàn)，但仍有低成本、低功耗、遠程收發(fā)器可用于構(gòu)建此類系統(tǒng)從頭開始封裝開發(fā)人員自己的專業(yè)知識和知識產(chǎn)權(quán)。

　　Silicon Labs 的 Si4455是一款 sub-GHz 收發(fā)器，采用 20 引腳 3 x 3 mm 封裝尺寸，可與低外部物料清單 （BOM） 數(shù)量相結(jié)合，既節(jié)省空間又具有成本效益。+13 dBm 的輸出功率和 –116 dBm 的靈敏度可實現(xiàn)更長的工作范圍，而 18 mA TX（10 dBm 時）、10 mA RX 和 40 nA 待機的低電流消耗可實現(xiàn)電池壽命的折衷，電池尺寸和范圍。

　　圖 1：Silicon Labs 的 Si4455 提供采用 3 x 3 mm 封裝的收發(fā)器。

　　通過完全集成從天線到 GPIO 或 SPI 接口的所有組件，收發(fā)器易于設(shè)計到系統(tǒng)中，包括前導(dǎo)碼、同步字檢測和 CRC 在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)包處理均由芯片處理，進一步簡化了開發(fā)。這得益于 Silicon Labs 的無線開發(fā)套件 （WDS） 用戶界面軟件，該軟件以易于使用的格式為廣泛的應(yīng)用程序提供簡化的編程選項，從而加快和降低開發(fā)風(fēng)險。雖然最大數(shù)據(jù)速率為 500 Kbit/s，但這對于訪問控制系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠了，即使必須使用額外的一次性代碼和加密。

　　然而，并非所有組件（如晶體振蕩器、電源控制器或巴倫濾波器）都可以集成到硅芯片中，因此模塊可以成為將無線元件添加到訪問控制設(shè)計中的一種快速簡便的方法。Microchip表面貼裝收發(fā)器模塊的MRF89XAM9A集成了晶體、內(nèi)部穩(wěn)壓器、匹配電路和 PCB 天線。

　　使用集成模塊設(shè)計使開發(fā)人員無需進行大量的射頻和天線設(shè)計以及法規(guī)遵從性測試，從而加快產(chǎn)品上市時間。這允許開發(fā)人員將模塊放置在成品中，并且不需要對有意輻射器或射頻發(fā)射器進行監(jiān)管測試。但是，為了保持一致性，必須考慮美國和加拿大的特定設(shè)置。

　　隨著硬件在經(jīng)過全面測試的模塊中實現(xiàn)，軟件開發(fā)變得更加重要。MRF89XAM9A 模塊與 Microchip 的 MiWi 開發(fā)環(huán)境軟件堆棧兼容。軟件堆?？擅赓M下載，包括源代碼，并允許快速構(gòu)建系統(tǒng)。

　　其他供應(yīng)商已將他們自己的協(xié)議集成到收發(fā)器中，以提供用于訪問控制的穩(wěn)健鏈路。

　　SX1232 _Semtech 是一款完全集成的 ISM 頻段收發(fā)器，經(jīng)過優(yōu)化，可用于歐洲的 868 MHz 頻段和美國的 915 MHz 頻段，且外部組件最少。它在處理 FSK、GFSK、MSK、GMSK 和 OOK 調(diào)制的所有操作模式中提供了高鏈路預(yù)算和低電流消耗的組合。143 dB 鏈路預(yù)算是通過低噪聲 CMOS 接收器前端和高達 +20 dBm 的發(fā)射輸出功率實現(xiàn)的。提供了一對內(nèi)部功率放大器，允許完全調(diào)節(jié)操作以實現(xiàn)恒定的射頻性能，或直接連接電源以實現(xiàn)最佳效率。這使其適用于由堿性電池化學(xué)物質(zhì)供電的應(yīng)用或使用鋰電池化學(xué)物質(zhì)的長電池應(yīng)用，具體取決于訪問控制的用例要求。

　　SX1232 包括一個數(shù)據(jù)包引擎和頂級排序器，可與 64 字節(jié) FIFO 一起使用，以自動化數(shù)據(jù)包傳輸、接收和確認的整個過程，而不會產(chǎn)生許多具有片上 MCU 的收發(fā)器常見的消耗損失。該集成將外部 BoM 減少為無源去耦和阻抗匹配組件，使其適用于需要在低至 1.8 V 的設(shè)備的整個工作范圍內(nèi)保持穩(wěn)定和恒定射頻性能的訪問控制應(yīng)用。

　　圖 ：Semtech 專門為大量鏈路預(yù)算設(shè)計了 SX1232，以實現(xiàn)可靠的射頻連接。

　　SX1232 適用于需要高靈敏度和低接收電流的應(yīng)用。將數(shù)字狀態(tài)機與能夠在 5 x 5 mm QFN 24 引線封裝中提供 143 dB（-123 dBm 靈敏度和 20 dBm Pout）鏈路預(yù)算的射頻前端相耦合。低中頻架構(gòu)專門針對 sub-GHz ISM 頻段中使用的低調(diào)制指數(shù)和窄帶操作進行了優(yōu)化。一對 sigma-delta ADC 處理來自低 IF 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，所有后續(xù)信號處理和解調(diào)都在數(shù)字域中執(zhí)行。數(shù)字狀態(tài)機還控制自動頻率校正 （AFC）、接收信號強度指示器 （RSSI） 和自動增益控制 （AGC）。

　　Sigma Designs 已將其 Z-Wave 收發(fā)器和控制器組合成一個單一的系統(tǒng)級封裝 （SiP） 模塊。ZM5101在單個 8 mm x 8 mm 模塊中結(jié)合了 Z-Wave SD3502 SoC（帶有內(nèi)置微控制器和 Z-Wave 射頻收發(fā)器）、晶體和無源射頻組件，適用于小尺寸、單微控制器產(chǎn)品，例如接入控制。它提供高達 100 kbit/s 的數(shù)據(jù)速率，128 kB 閃存和 16 kB SRAM 用于代碼，以及硬件輔助的頻率捷變，使模塊能夠從嘈雜的通道切換到其他三個通道之一，而無需通信或軟件開銷。 1 μA 的極低睡眠電流滿足了對更長電池壽命日益增長的需求，而 128 位 AES 引擎支持加密鏈路的需求。

　　這可以通過在應(yīng)用層定義的 Z-Wave 協(xié)議以及使用 ITU-T G.9959 PHY 和 MAC（由 Z-Wave 聯(lián)盟維護的國際標(biāo)準）的綜合認證計劃來實現(xiàn)。這使用低功率低于 1 GHz 的射頻協(xié)議并在網(wǎng)狀拓撲中工作。

　　這樣做的主要好處是互操作性內(nèi)置在應(yīng)用程序?qū)樱虼擞卸喾N設(shè)備可以協(xié)同工作。這使得構(gòu)建安全的訪問控制系統(tǒng)變得更加容易，該系統(tǒng)鏈接到其他設(shè)備，如 PC、平板電腦或智能手機。網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀元素意味著 Z-Wave 網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備都可以將信號中繼到其他設(shè)備，這使得網(wǎng)絡(luò)可以輕松擴展，并通過更多連接的設(shè)備變得更加健壯。多達 232 個 Z-Wave 設(shè)備可以連接到 Z-Wave 集線器。Z-Wave 非常適合家庭和小型企業(yè)。

　　該協(xié)議還通過 Z-Ware IP 網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計擴展到網(wǎng)絡(luò)。這允許每個 Z-Wave 設(shè)備（例如鎖或門禁控制器）擁有唯一的 IP 地址，并且可以支持支持 IP 的應(yīng)用程序。然后，ZIPR IP 網(wǎng)關(guān)處理 Z-Wave 和 Z-Wave for IP 之間的所有通信，其方式類似于家庭路由器處理家庭 PC 和 Internet 之間的通信。

　　結(jié)論

　　sub-GHz ISM 頻段的訪問控制設(shè)計有多種選擇。從超低功耗單收發(fā)器到標(biāo)準模塊，再到專有協(xié)議，設(shè)計人員可以利用射頻鏈路的范圍來權(quán)衡上市時間、設(shè)計復(fù)雜性、電池壽命和性能以及各種特性.