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多协议远距离低功耗IoT网关硬件设计

归档日期:04-13       文本归类:多协议      文章编辑:爱尚语录

  :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。

  作者王薪宇 邱满刚 利尔达科技集团有限公司 (浙江 杭州 310000)

  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、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。

  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。IoT网关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,需要一种多协议IoT网关。

  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。

  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KW41Z[1]芯片完成2.4 GHz频段协议处理,使用TI的CC1310[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W5500[3]完成以太网数据传输。

  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 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。

  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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