安全和訪問(wèn)控制是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員關(guān)注的兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，但在實(shí)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(jì)安全無(wú)線訪問(wèn)控制系統(tǒng)的選項(xiàng)，以保持低成本。

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

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

　　更長(zhǎng)的續(xù)航里程可以換取更長(zhǎng)的電池壽命，因?yàn)橛糜谶B接的電量更少。試圖在范圍的最遠(yuǎn)范圍或通過(guò)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(zhǎng)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(gè)系統(tǒng)的尺寸和成本。最新的射頻設(shè)計(jì)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(gè)器件中組件的集成度，并進(jìn)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(yùn)行的簡(jiǎn)單無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)，因此還具有規(guī)模優(yōu)勢(shì)，可進(jìn)一步降低成本。

　　但是，也有缺點(diǎn)。這些樂(lè)隊(duì)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(hù)頻帶或必須實(shí)施跳頻協(xié)議，而這在過(guò)去是不必要的。這對(duì)于必須安全的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)也是一個(gè)挑戰(zhàn)，例如訪問(wèn)控制和樓宇自動(dòng)化，以防止意外干擾和蓄意篡改。更長(zhǎng)的距離帶來(lái)了巨大的好處，但也增加了攔截信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)。這些可以被解碼以提供訪問(wèn)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(wèn)更廣泛的系統(tǒng)，也可以在以后重新廣播以讓入侵者進(jìn)入。

　　這導(dǎo)致需要將進(jìn)一步的安全技術(shù)（例如加密和一次性代碼）添加到相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)了自己的協(xié)議，以應(yīng)對(duì)訪問(wèn)控制和篡改的挑戰(zhàn)，但仍有低成本、低功耗、遠(yuǎn)程收發(fā)器可用于構(gòu)建此類系統(tǒng)從頭開(kāi)始封裝開(kāi)發(fā)人員自己的專業(yè)知識(shí)和知識(shí)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(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作范圍，而 18 mA TX（10 dBm 時(shí)）、10 mA RX 和 40 nA 待機(jī)的低電流消耗可實(shí)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(guò)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(jì)到系統(tǒng)中，包括前導(dǎo)碼、同步字檢測(cè)和 CRC 在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)包處理均由芯片處理，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)。這得益于 Silicon Labs 的無(wú)線開(kāi)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(jiǎn)化的編程選項(xiàng)，從而加快和降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。雖然最大數(shù)據(jù)速率為 500 Kbit/s，但這對(duì)于訪問(wèn)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(wú)線元件添加到訪問(wèn)控制設(shè)計(jì)中的一種快速簡(jiǎn)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(jì)使開(kāi)發(fā)人員無(wú)需進(jìn)行大量的射頻和天線設(shè)計(jì)以及法規(guī)遵從性測(cè)試，從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間。這允許開(kāi)發(fā)人員將模塊放置在成品中，并且不需要對(duì)有意輻射器或射頻發(fā)射器進(jìn)行監(jiān)管測(cè)試。但是，為了保持一致性，必須考慮美國(guó)和加拿大的特定設(shè)置。

　　隨著硬件在經(jīng)過(guò)全面測(cè)試的模塊中實(shí)現(xiàn)，軟件開(kāi)發(fā)變得更加重要。MRF89XAM9A 模塊與 Microchip 的 MiWi 開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件堆棧兼容。軟件堆棧可免費(fèi)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(wèn)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(guò)優(yōu)化，可用于歐洲的 868 MHz 頻段和美國(guó)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(guò)低噪聲 CMOS 接收器前端和高達(dá) +20 dBm 的發(fā)射輸出功率實(shí)現(xiàn)的。提供了一對(duì)內(nèi)部功率放大器，允許完全調(diào)節(jié)操作以實(shí)現(xiàn)恒定的射頻性能，或直接連接電源以實(shí)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(zhǎng)電池應(yīng)用，具體取決于訪問(wèn)控制的用例要求。

　　SX1232 包括一個(gè)數(shù)據(jù)包引擎和頂級(jí)排序器，可與 64 字節(jié) FIFO 一起使用，以自動(dòng)化數(shù)據(jù)包傳輸、接收和確認(rèn)的整個(gè)過(guò)程，而不會(huì)產(chǎn)生許多具有片上 MCU 的收發(fā)器常見(jiàn)的消耗損失。該集成將外部 BoM 減少為無(wú)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(gè)工作范圍內(nèi)保持穩(wěn)定和恒定射頻性能的訪問(wèn)控制應(yīng)用。

　　圖 ：Semtech 專門為大量鏈路預(yù)算設(shè)計(jì)了 SX1232，以實(shí)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(jī)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(duì) sub-GHz ISM 頻段中使用的低調(diào)制指數(shù)和窄帶操作進(jìn)行了優(yōu)化。一對(duì) sigma-delta ADC 處理來(lái)自低 IF 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，所有后續(xù)信號(hào)處理和解調(diào)都在數(shù)字域中執(zhí)行。數(shù)字狀態(tài)機(jī)還控制自動(dòng)頻率校正 （AFC）、接收信號(hào)強(qiáng)度指示器 （RSSI） 和自動(dòng)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(gè)單一的系統(tǒng)級(jí)封裝 （SiP） 模塊。ZM5101在單個(gè) 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(wú)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(dá) 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(gè)通道之一，而無(wú)需通信或軟件開(kāi)銷。 1 μA 的極低睡眠電流滿足了對(duì)更長(zhǎng)電池壽命日益增長(zhǎng)的需求，而 128 位 AES 引擎支持加密鏈路的需求。

　　這可以通過(guò)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(hù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）的綜合認(rèn)證計(jì)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)。這使用低功率低于 1 GHz 的射頻協(xié)議并在網(wǎng)狀拓?fù)渲泄ぷ鳌?/p>

　　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(wèn)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(jī)。網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀元素意味著 Z-Wave 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備都可以將信號(hào)中繼到其他設(shè)備，這使得網(wǎng)絡(luò)可以輕松擴(kuò)展，并通過(guò)更多連接的設(shè)備變得更加健壯。多達(dá) 232 個(gè) 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(guò) Z-Ware IP 網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計(jì)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)。這允許每個(gè) 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(wèn)控制設(shè)計(jì)有多種選擇。從超低功耗單收發(fā)器到標(biāo)準(zhǔn)模塊，再到專有協(xié)議，設(shè)計(jì)人員可以利用射頻鏈路的范圍來(lái)權(quán)衡上市時(shí)間、設(shè)計(jì)復(fù)雜性、電池壽命和性能以及各種特性.