本文著眼于如何使用低于 1 GHz 頻段的超低功耗無線收發(fā)器和 KNX 協(xié)議在智能家居中實現(xiàn)自供電網(wǎng)絡(luò)，將能量收集或長壽命電池用于照明等應用和監(jiān)測。

　　智能家居中低成本無線網(wǎng)絡(luò)的新興標準為創(chuàng)新設(shè)計開辟了機會。借助最新的無線收發(fā)器和微控制器，可以開發(fā)出可以通過能量收集直接由太陽能電池板供電的超低功耗設(shè)計。

　　開發(fā)人員不再使用帶有 2.4 GHz 收發(fā)器的單芯片，而是在 240-960 MHz 的 ISM 頻段中尋找成本更低、功耗更低的收發(fā)器，以及 8 位或 16 位超低功耗微控制器和新的協(xié)議。較低的頻率提供更長的范圍和更低的功耗，而 KNX 協(xié)議針對智能家居設(shè)備進行了優(yōu)化，專注于降低功耗，為自供電設(shè)備和集線器開辟了機會。

　　KNX 協(xié)議目前用于超過 70% 的歐洲智能家居設(shè)備，僅在歐洲就估計超過 6 億歐元的市場。作為一個開放標準，KNX 促進了互操作性，節(jié)省了成本，并增強了產(chǎn)品開發(fā)人員和設(shè)備所有者的靈活性。現(xiàn)在由 KNX 協(xié)會管理，在歐洲被批準為 CENELEC EN 50090 或 CEN EN 13321-1，在中國被批準為 GB/Z 20965，在美國被批準為 ANSI/ASHRAE 135，在全球被批準為 ISO/IEC 14543-3。

　　KNX 標準（以前稱為 EIB/Konnex）的重點是家庭和樓宇控制。最典型的應用領(lǐng)域是照明、百葉窗或加熱和冷卻。該標準涵蓋有線媒體雙絞線、電力線和以太網(wǎng)。在不適合布線的位置，KNX-RF 用于建筑物內(nèi)的無線數(shù)據(jù)傳輸。作為完整的 KNX 標準，無線部分 KNX-RF 獨立于供應商，允許一系列射頻收發(fā)器與不同的微控制器一起使用。這為超低功耗設(shè)計開辟了機會。

　　KNX 高級接口 （KAI） 是 KAI 的主要軟件組件，提供 KNX 設(shè)備所需的完整功能。它包含 KNX 標準所需的所有元素，并通過了多種不同配置的認證。KAI 與 ISO/OSI 參考模型緊密映射，具有清晰的結(jié)構(gòu)，將應用相關(guān)部分、模塊化通信堆棧內(nèi)部部分、媒體相關(guān)部分和目標 CPU 相關(guān)問題分開（圖 1）。高級實現(xiàn)方法允許高效編碼，從而優(yōu)化資源使用。這體現(xiàn)在占地面積小和所需資源適中。使用 KAI 進行的應用程序開發(fā)通過簡單的堆棧可配置性減輕了設(shè)計過程中早期決策的負擔。

　　圖 1：KNX 高級接口 （KAI） 參考模型。

　　它有助于提高系統(tǒng)可靠性并提高設(shè)備穩(wěn)定性。KAI 的硬件和軟件組件可以根據(jù)給定的條件進行調(diào)整。

　　尋址方案

　　尋址方案基于用于雙絞線的系統(tǒng)架構(gòu)，它使用單個地址和組地址（每個地址有兩個字節(jié)）。單個地址是單播地址，主要用于配置目的。組地址用于運行時通信，0x0000 保留為廣播地址。

　　由于 RF 是一種類似于電力線的開放介質(zhì)，因此添加了域地址（六字節(jié)，可編程）以允許單獨但相鄰的安裝，并且由于單向設(shè)備無法編程，它們不能使用特定于安裝的域地址。相反，組電報包含發(fā)送者的序列號，序列號與 2 字節(jié)組地址一起稱為擴展組地址。

　　這對無線集線器的設(shè)計有影響。

　　集線器設(shè)計Texas Instruments

　　的CC1120是一款集成 ISM 頻段收發(fā)器，可與MSP430F2370等微控制器一起使用，為低功耗集線器實現(xiàn)雙向 KNX 低功耗無線電鏈路。

　　圖 2：TI CC1120 低功耗 ISM 頻段收發(fā)器。

　　CC1120 可以通過一個簡單的 4 線 SPI 兼容接口（SI、SO、SCLK 和 CSn）進行配置，其中 RF 芯片是從機。SPI 接口上的所有地址和數(shù)據(jù)傳輸都以最高有效位在前完成，并且 SPI 接口上的所有事務(wù)都以包含讀/寫位、突發(fā)訪問位和 6 位地址的標頭字節(jié)開始。在地址和數(shù)據(jù)傳輸期間，CSn 引腳（片選，低電平有效）必須保持低電平。

　　4 線接口可以在同步模式下連接到片上 USART，配置為主機，但對于大多數(shù)應用來說，通過標準 I/O 引腳實現(xiàn)該接口并將 USART 保存為數(shù)據(jù)接口更為有用。

　　收發(fā)器包含一個數(shù)據(jù)包處理程序，但由于 KNX-RF 幀的結(jié)構(gòu)不同，無法使用。這意味著該芯片必須用于同步串行操作，并在微控制器中處理完整的數(shù)據(jù)包編碼和解碼（使用包含曼徹斯特碼）。

　　圖 3：將 CC1120 收發(fā)器連接到 MSP430 微控制器以實現(xiàn) KNX。

　　由于 CC1120 必須在 NRZ 模式下使用，微控制器必須實時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)位。為了節(jié)省計算能力，建議在同步模式下使用 USART 進行發(fā)送和接收。這對于雙向設(shè)備尤其重要。只發(fā)送設(shè)備只能使用標準 I/O 引腳進行通信；因此，即使是沒有集成 USART 的微控制器也可以使用。

　　當使用為 KNX 協(xié)議指定的芯片速率為 32，768 cps 的 USART 時，每秒必須評估或發(fā)送 4，096 個模式。在接收模式下，USART 采樣的模式不同步，因此軟件必須永久掃描幀的開始。

　　收發(fā)器需要自己的晶體來產(chǎn)生射頻和位時序，所以物理層的時序完全由無線電芯片控制。為了符合 KNX 標準，必須達到 ±35 ppm 的整體精度。

　　如果應用任務(wù)不需要精確的時序，則可以使用 DCO 頻率為 MSP430 提供時鐘。所需頻率取決于與 RF 芯片（硬件或軟件 UART）的連接類型以及軟件效率。

　　CC1120 的一個關(guān)鍵元件是一個完全集成的小數(shù) N 超高性能頻率合成器，專為出色的相位噪聲性能而設(shè)計，提供非常高的選擇性和阻塞性能。該系統(tǒng)旨在以最大發(fā)射功率遵守最嚴格的監(jiān)管頻譜模板。

　　晶體可以連接到 XOSC_Q1 和 XOSC_Q2，或者 TCXO 可以連接到 EXT_XOSC 輸入。振蕩器生成合成器的參考頻率，以及 ADC 和數(shù)字部分的時鐘。為了降低系統(tǒng)成本，CC1120 具有高精度頻率估計和補償寄存器，用于測量和補償晶體誤差，從而能夠使用成本較低的晶體。如果使用 TCXO，CC1120 將在需要支持低功耗模式和喚醒無線電操作時自動打開和關(guān)閉 TCXO。

　　CC1120 還具有高度靈活的接收器。接收到的射頻信號由低噪聲放大器 （LNA） 放大，并在正交（I 和 Q）中下變頻到中頻 （IF）。在 IF，I/Q 信號由高動態(tài)范圍 ADC 數(shù)字化。先進的自動增益控制 （AGC） 單元可調(diào)整前端增益，使 CC1120 能夠接收強信號和弱信號，即使存在強干擾也是如此。這有助于網(wǎng)絡(luò)鏈接在整個家庭中更有效地工作。高衰減信道和數(shù)據(jù)濾波使接收具有強鄰信道干擾。

　　圖 4：TI KNX 開發(fā)板展示了智能家居網(wǎng)絡(luò)實施可能的小尺寸。

　　I/Q 信號被轉(zhuǎn)換為相位/幅度信號以支持 FSK 和 OOK 調(diào)制方案，并且復雜的模式識別算法鎖定到同步字，而無需前導碼穩(wěn)定字節(jié)。因此，接收器建立時間減少到 AGC 的建立時間，通常為 4 位。這有助于加快鏈接過程并將功耗降至最低。

　　先進的模式識別也大大減少了噪聲觸發(fā)錯誤同步的問題，進一步降低了功耗，提高了靈敏度和可靠性。這對于防止家庭網(wǎng)絡(luò)中的錯誤信號也很重要，家庭網(wǎng)絡(luò)必須可靠且功耗最低。

　　一種新穎的 I/Q 補償算法消除了 I/Q 不匹配的任何問題，從而避免了生產(chǎn)或現(xiàn)場中耗時且昂貴的 I/Q 圖像校準步驟。

　　發(fā)射器基于射頻頻率的直接合成（環(huán)路調(diào)制）。為了實現(xiàn)有效的頻譜使用，CC1120 在 TX 中具有廣泛的數(shù)據(jù)過濾和整形功能，以支持窄帶通道中的高吞吐量數(shù)據(jù)通信。調(diào)制器還控制功率斜坡，以消除驅(qū)動外部大功率射頻放大器時出現(xiàn)的頻譜飛濺等問題。

　　無線電控制和用戶界面

　　CC1120 數(shù)字控制系統(tǒng)圍繞使用內(nèi)部高性能 16 位超低功耗處理器實現(xiàn)的 MARC（主無線電控制）構(gòu)建。它處理電源模式、無線電排序和協(xié)議時序。

　　一個 4 線 SPI 串行接口用于配置和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)訪問。數(shù)字基帶支持通道配置、數(shù)據(jù)包處理和數(shù)據(jù)緩沖。主機 MCU 可以保持掉電狀態(tài)，直到接收到有效的射頻數(shù)據(jù)包，然后突發(fā)讀取數(shù)據(jù)，大大降低了主機 MCU 所需的功耗和計算能力。

　　CC1120 無線電控制和用戶界面基于廣泛使用的 CC1101 收發(fā)器，可實現(xiàn)兩個平臺之間的輕松軟件轉(zhuǎn)換。兩個平臺的命令頻閃燈和主要無線電狀態(tài)相同。

　　增強型無線喚醒 （eWOR） 使用靈活的集成睡眠定時器，無需 MCU 干預即可實現(xiàn)自動接收器輪詢。如果沒有收到有效的 RF 數(shù)據(jù)包，CC1120 將進入接收模式、監(jiān)聽并返回睡眠狀態(tài)。睡眠間隔和占空比可以配置為在網(wǎng)絡(luò)延遲和功耗之間進行權(quán)衡。傳入消息帶有時間戳以簡化計時器重新同步。

　　eWOR 定時器使用超低功耗 32 kHz RC 振蕩器運行。為了提高定時精度，可以以可配置的間隔自動校準到射頻晶體。

　　CC1120 還使用 eWOR 來支持非常快速的啟動時間，并且只需要很少的前導碼位，從而再次節(jié)省了功耗。嗅探模式使用它來顯著降低接收器等待數(shù)據(jù)時的電流消耗。由于 CC1120 能夠比大多數(shù)前導碼的長度更快地喚醒和穩(wěn)定，因此在等待數(shù)據(jù)包到達時不需要連續(xù)處于接收模式。相反，增強的無線電喚醒功能可用于定期使設(shè)備進入睡眠狀態(tài)。通過設(shè)置適當?shù)乃邥r間，CC1120 將能夠在數(shù)據(jù)包到達時喚醒并接收數(shù)據(jù)包，而不會造成性能損失。這消除了發(fā)送器和接收器之間精確定時同步的需要，并允許用戶在發(fā)送器和接收器之間權(quán)衡電流消耗。

　　根據(jù) KNX-RF 標準，堆棧實現(xiàn)必須區(qū)分單向和雙向設(shè)備。單向設(shè)備僅包含發(fā)送功能和高度簡化的通信堆棧。該軟件支持省電模式以延長電池壽命。因為單向軟件的代碼大小只有幾 kBytes，所以可以使用非常便宜的控制器。

　　雙向?qū)崿F(xiàn)同時具有發(fā)送者和接收者。盡管由于數(shù)據(jù)速率相對較高，對接收數(shù)據(jù)的處理是時間關(guān)鍵的，但仍然可以在接收過程中檢測和糾正個別位錯誤。因此，即使在傳輸條件不利的情況下，通信質(zhì)量也非常高。雙向設(shè)備需要一個完整的通信堆棧，其中還包括用于使設(shè)備投入運行的鏈接機制。

　　STM8 STMicroelectronics

　　的 STM8 系列等其他微控制器也可用于運行 KNX 堆棧。STM8L101xx _低功耗系列采用增強型 STM8 CPU 內(nèi)核，提供更高的處理能力（在 16 MHz 時高達 16 MIPS），同時保持 CISC 架構(gòu)的優(yōu)勢，具有更高的代碼密度、24 位線性尋址空間和針對低功耗的優(yōu)化架構(gòu)-電源操作。

　　該系列包括一個帶硬件接口 （SWIM） 的集成調(diào)試模塊，可實現(xiàn)非侵入式應用內(nèi)調(diào)試和超快閃存編程。所有 STM8L101xx 微控制器均具有低功耗、低電壓、單電源程序閃存，允許它們與能量收集電源管理設(shè)備一起使用。

　　STM8L101xx 低功耗系列基于一組模塊化外設(shè)，允許在不同的 ST 微控制器系列（包括 32 位系列）中找到相同的外設(shè)。這使得向不同系列的任何過渡都變得非常容易，并且通過使用一組通用的開發(fā)工具更加簡化了。

　　所有 STM8L 低功耗產(chǎn)品都基于相同的架構(gòu)，具有相同的內(nèi)存映射和一致的引腳排列。此外，STMicroelectronics 和 Tapko Technologies 還發(fā)布了適用于 ST 的所有 STM8 和 STM32 微控制器的 KNX 通信堆棧。這一舉措將加快智能建筑系統(tǒng)的開發(fā)，用于自動照明、供暖和其他有助于提高能源效率和用戶舒適度的環(huán)境控制。

　　連接到收發(fā)器

　　在微控制器上運行的 KNX 堆棧也可以與Silicon Labs 的 Si4430/31/32設(shè)備等收發(fā)器一起使用。這些是高度集成的單芯片無線 ISM 收發(fā)器，允許射頻系統(tǒng)設(shè)計人員為應用選擇最佳無線部件。Si4430/31/32 是 ISM 無線收發(fā)器，可在其指定頻段（范圍為 240–960 MHz）內(nèi)連續(xù)調(diào)諧頻率，并受 KNX 支持。1.8-3.6 V 的寬工作電壓范圍和低電流消耗使它們適合電池供電和能量收集應用。

　　圖 5：Si4430/31/32 無線收發(fā)器。

　　Si4430 中的集成可降低 BOM 成本，同時簡化整體系統(tǒng)設(shè)計以及低成本微控制器。極低的接收靈敏度 （–121 dBm） 與業(yè)界領(lǐng)先的 +20 dBm 輸出功率相結(jié)合，可確保擴展范圍并提高鏈路性能。內(nèi)置天線分集和對跳頻的支持可用于進一步擴展范圍并提高性能。

　　Si4430 系列提供先進的無線電功能，包括 240–960 MHz 以 156 Hz 或 312 Hz 步進的連續(xù)頻率覆蓋，允許精確調(diào)諧控制以及自動喚醒定時器、低電量檢測器、64 字節(jié) TX/ RX FIFO、自動數(shù)據(jù)包處理和前導碼檢測。所有這些都降低了整體電流消耗，并允許使用低成本的 8 位或 32 位系統(tǒng) MCU，通過太陽能電池板運行 KNX 堆棧。集成溫度傳感器、通用 ADC、上電復位 （POR） 和 GPIO 進一步降低了整體系統(tǒng)成本和尺寸。

　　數(shù)字接收架構(gòu)具有高性能 ADC 和基于 DSP 的調(diào)制解調(diào)器，它執(zhí)行解調(diào)、過濾和數(shù)據(jù)包處理以提高靈活性和性能，但 KNX 數(shù)據(jù)包處理必須由外部微控制器實現(xiàn)。直接數(shù)字發(fā)射調(diào)制和自動 PA 功率斜坡可確保精確發(fā)射調(diào)制和減少頻譜擴展，確保符合全球法規(guī)，包括 FCC、ETSI、ARIB 和 802.15.4d 法規(guī)。

　　收發(fā)器使用時分雙工 （TDD），交替發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，在與微控制器的連接中必須考慮這種方法。該器件使用單變頻混頻器將 2 級 FSK/GFSK/OOK 調(diào)制接收信號下變頻至低 IF 頻率。在可編程增益放大器 （PGA） 之后，信號由 ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，允許在內(nèi)置 DSP 中執(zhí)行濾波、解調(diào)和切片，從而提高接收器的性能和靈活性。然后，解調(diào)信號通過可編程 GPIO 或通過標準 SPI 總線通過讀取 64 字節(jié) RX FIFO 輸出到系統(tǒng) MCU。

　　圖 6：將 Si4430 連接到微控制器以處理 KNX 堆棧。

　　由于發(fā)送器和接收器不會同時工作，因此發(fā)送和接收模式都使用單個高精度本地振蕩器 （LO）。LO 由集成的 VCO 和小數(shù) N PLL 合成器生成。該合成器旨在支持 240–960 MHz 之間任何頻率的可配置數(shù)據(jù)速率、輸出頻率和頻率偏差。發(fā)射 FSK 數(shù)據(jù)直接調(diào)制到數(shù)據(jù)流中，并且可以通過高斯低通濾波器進行整形，以減少不需要的頻譜內(nèi)容。

　　Si4432 的 PA 輸出功率可以在 +1 和 +20 dBm 之間以 3 dB 的步長進行配置，而 Si4430/31 的 PA 輸出功率可以在 –8 和 +13 dBm 之間以 3 dB 的步長進行配置。PA 是單端的，可實現(xiàn)輕松的天線匹配和低 BOM 成本。它還結(jié)合了自動斜升和斜降控制，以減少不需要的頻譜擴展。Si4432 的 +20 dBm 功率放大器還可用于補償成本較低、性能較低的天線或由于外形尺寸小而受到尺寸限制的天線的性能下降，這兩者都是連接中的重要因素照明等小型單位。

　　Si4430/31/32 設(shè)計用于與微控制器、晶體和一些外部組件一起工作，以創(chuàng)建一個成本非常低的系統(tǒng)，如圖 6 所示。穩(wěn)壓器集成在片上，允許寬范圍工作電源電壓范圍為 +1.8 至 +3.6 V。標準 4 引腳 SPI 總線用于與運行 KNX 堆棧的外部微控制器通信，并提供三個可配置的通用 I/O。圖 6 中的應用專為具有 TX/RX 直接連接配置的系統(tǒng)設(shè)計，不使用 TX/RX 開關(guān)，用于將使用此配置的低功耗智能家居網(wǎng)絡(luò)應用。

　　結(jié)論

　　開放、簡化的協(xié)議與低功耗、高度集成的射頻收發(fā)器和微控制器相結(jié)合，為智能家居聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)人員開辟了新的可能性。使用較低頻段和 KNX 協(xié)議允許設(shè)計達到太陽能和其他能量收集技術(shù)成為可能的功率水平。這簡化了智能家居網(wǎng)絡(luò)的安裝和維護，并有助于提高消費者的接受度。