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吉林时时彩模拟开奖号:多协议远距离低功耗IoT网关硬件设计

作者:王薪宇 邱满刚时间:2018-04-26来源:电子产品世界收藏
编者按:针对IoT网络应用中同时存在Zigbee、BLE、Wireless M-Bus、 6LoWPAN等多个标准的情况下,提出一种多协议远距离低功耗IoT网关硬件设计方案。网关采用NXP的KW41Z和TI的CC1310两款多协议无线SoC芯片为核心搭建硬件平台,增加了SKYWORKS的SKY66112-11和SKY66115-11功率放大器前端模块。网关可以实现云端服务器和IoT网络的互联互通。测试结果表明,该网关具有很好的无线连接性能,非常适合多标准协议下的IoT网络应用。

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作者 王薪宇 邱满刚 利尔达科技集团有限公司 (浙江 杭州 310000)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn.hurdj.cn/article/201804/379048.htm

  王薪宇(1981-),男,中级工程师,研究方向:无线通讯、射频电路设计和物联网;邱满刚,男,助理工程师,研究方向:物联网、智能控制、无线通信技术应用。

摘要:针对IoT网络应用中同时存在Zigbee、BLE、Wireless M-Bus、 等多个标准的情况下,提出一种远距离低功耗硬件设计方案。网关采用NXP的和TI的两款无线SoC芯片为核心搭建硬件平台,增加了SKYWORKS的SKY66112-11和SKY66115-11功率放大器前端模块。网关可以实现云端服务器和IoT网络的互联互通。测试结果表明,该网关具有很好的无线连接性能,非常适合多标准协议下的IoT网络应用。

0 引言

  IoT (Internet?of?Things,物联网)是目前发展很快的一种网络通信技术。IoT应用架构自下而上包括感知层、网络层和应用层。感知层由大量的传感器节点构成,传感器节点采集数据并通过无线传输技术(WiFi、BLE、Zigbee等)传递数据。传输层通过现有的2G/3G/4G,有线宽带等通信技术,拓展感知层数据传输的距离。应用层主要负责对数据进行分析处理,提供用户应用接口。的主要作用就是完成感知层和网络层之间的协议转换,将传感节点的数据可以通过互联网传输到后台服务器。由于现有的低功耗传感节点大多采用的是Zigbee和BLE等标准的通信协议,为了实现不同协议的传感节点之间进行数据交换,需要一种

1 系统方案

  本文提出一种低功耗多协议远距离IoT网关,采用了SoC射频芯片方案设计,可以完成多种IoT协议网络的融合。该网关可以支持BLE、Zibgee、6Lowpan和Sub-1GHz私有协议等,不同协议的传感器之间可以直接或间接进行数据交换。本方案设计的低功耗IoT网关可以采用电池供电,因此取消了传统的高能耗WiFi连接方式。由于传感器网络数据量都很小,因此我们可以采用低速网络进行数据传输。图1为低功耗多协议远距离IoT网关总体架构。

   图1中IoT网关在整个系统总起到中心桥梁作用,网关可以同时支持BLE和Zigbee两种通用的2.4 GHz协议,也可以同时处理Sub-1GHz的通信协议,各个IoT节点数据都可以通过网关转发和交互。Zigbee节点或者BLE节点可以发送数据到网关,通过网关将传感器数据封装成TCP/IP数据包,通过以太网发送到云端服务器。远程用户可以通过PC或者移动终端向服务器获取数据,可以通过云端服务器将控制数据发送给网关,再由网关发送到相应的传感器节点。

  多协议IoT网关不仅可以实现上述远程的数据处理,还可以进行本地化数据交换。例如BLE节点节点可以发送数据和控制命令到网关,再由网关进行协议转换,发送到Zigbee节点进行数据交换。这个交换不再需要通过云端服务器,在没有网络连接到云端的时候,也可以进行区域内的IoT网络通信。目前手机都已经支持BLE低功耗蓝牙通信,手机也可以不连接到云端服务器,直接通过BLE通信接口连接到网关,通过APP软件跟传感器节点进行交互。

  在布线不方便的应用现场,IoT网关可以采用电池供电。远距离情况下,可以通过Sub-1GHz信道进行多个网关级联。多级连接后,最后通过有线网络连接到云端服务器。极大地拓展了应用范围。

2 硬件设计

  为了降低系统成本和体积,本文采用了SoC射频芯片解决方案。采用了NXP最新的[1]芯片完成2.4 GHz频段协议处理,使用TI的[2]芯片完成Sub-1GHz频段协议处理。采用WIZnet公司的硬件网络协议栈[3]完成以太网数据传输。

  2.1 电路设计

  KW41Z是NXP公司推出的一款超低功耗、高集成度的SoC射频芯片,硬件同时支持Bluetooth Low Energy (BLE) v4.2和IEEE? 802.15.4物理层。采用48 MHz ARM Cortex-M0+内核,高达512 KB闪存和128 KB SRAM。接收灵敏度(802.15.4) 为 -100 dBm,可编程的发射器输出功率高达+3.5 dBm。内置balun单端输出,电路结构简单。

  2.4 GHz频段信号受到环境影响较大,因此需要增大发射功率和接收灵敏度。本文选择Skyworks公司的SKY66112-11[4]功放芯片。该芯片可以提供最大21 dBm输出功率,8dB接收增益。内部集成收发切换射频开关,支持两路天线输出。工作频率范围为2.4 GHz~2.45 GHz,供电电压为1.8~3.6 V。

  KW41Z射频电路设计如图2所示,我们采用DC-DC电源工作模式。KW41Z 的DCDC_LP(11脚)和DCDC_LN(12脚)接DC-DC电路外置10μH电感。VDD_1P45(15脚)内部1.45 V电源输出,给内部RF电路提供工作电源,VDD_RF(32,35,36脚)连接到1.45V电源,每个管脚添加退偶电容。VDD_1P8(14脚)内部1.8 V电源输出,给I/O和外设供电。VDDCDC_IN(10脚)内部DC-DC电源输入,接外部3.3 V供电。ANT(33脚)RF输入输出管脚,外部需要接一个低通滤波器(C8、C9和L2),降低输出射频信号的谐波和杂散辐射功率。

  SKY66112-11放大器模块电路如图3所示,由于SKY66112-11芯片输入和输出端口都是50Ω,KW41Z的输出可以直接接RF_IN(21脚)。VCC1(16脚) 和VCC2(14脚)是内部PA和LNA供电需要单独走线,每个引脚单独添加退偶电容。CRX(2脚)、CTX(17脚) CPS(15脚) 、CSD(3脚) 和ANT_SEL(4脚)是逻辑控制脚,接KW41Z的I/O引脚。ANT1(8脚) 通过低通滤波器接内部PCB天线,ANT2(6脚)通过低通滤波电路到SMA座子,接外部棒状天线。

  2.2 电路设计

  CC1310是TI公司推出的sub-1GHz的SoC射频芯片。该芯片支持多个物理层标准,Wireless M-Bus, IEEE 802.15.4g和自定义标准。非常适合做多协议网关应用。CC1310内部集成了强大的48MHz ARM Cortex-M3微控制器和专用无线控制器(ARM Cortex-M0),128 KB Flash和20 KB RAM。最大输出功率15 dBm,杰出的接收性能在长距离模式可达到-124 dBm的接收灵敏度。CC1310集成度非常高,仅需很少的外围器件就可以工作。

  为了适应不同的工作环境,需要在外部增加PA放大器,增大传输距离。本文选择Skyworks公司的SKY66115-11[5]功放芯片。SKY66115-11集成了功率放大器和射频开关,工作频率为400 MHz~510 MHz,工作电压为2.5~3.6 V,最大输出功率为+20 dBm。



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