适用于物联网的低于1GHz无线MCU和组件

已创建：November 15, 2021
已更新：July 1, 2024

近年来，物联网(IoT)设备的使用大幅增长，很多增长发生在工业生产、基础设施、家居自动化、智能表和可穿戴电子等领域的背后。在消费者领域，物联网设备主要连接到较短距离的室内网络，通常通过WiFi或蓝牙。如今，更多设备正在整合长距离低频协议，或采取高频和低频协议在同一设备上的混合方法。将这一切结合在一起涉及到多种无线协议与数字处理和嵌入式应用的融合。

为什么在这些系统中持续关注亚GHz无线技术，尤其是当我们已经有许多有用的协议如蓝牙、WiFi、蜂窝和其他2.4 GHz ISM频段选项时？亚GHz无线技术有其优势，物联网服务提供商对这些产品的支持也更多。这意味着构建私有网络架构并通过基站将其连接到云服务，或通过现有无线运营商访问云服务变得更加容易。在美国，主要电信公司现在通过其网络提供物联网服务，您可以设置自己的云服务平台，通过主要的云服务提供商与您的物联网硬件连接。

归根结底，如果您无法将亚GHz协议集成到您的电路板上，那么您就无法利用长距离、低功耗无线通信及这些协议所能启用的服务。在本文中，我们将探讨在广为认可的亚GHz频段内，低功耗、长距离无线连接的一些主要考虑因素。

选择一个亚GHz无线选项

使用亚GHz无线连接构建物联网产品需要选择一个能够支持这些频率并实现您的物联网网络所需无线协议的芯片组。早期用于物联网设备的MCU不包括这些功能，而是需要一个专用模块或在设备应用中进行仿真。如今，有几种芯片组和完全集成的MCU支持多种亚GHz协议。其中一些产品还将支持2.4 GHz范围内的更高频率ISM频段，可能还包括高达5 GHz的WiFi。您可以在这里阅读更多关于物联网协议选择的基础知识。

各种标准和协议的混合将决定您的设计中将可用的频率，这将是功耗的主要驱动因素。在选择有线或无线网络协议时，数据速率通常是主要考虑因素。在亚GHz无线中，这些协议的低功耗和这些频率可用的长距离是主要优势。因此，将设备寿命和通信范围要求与应用匹配通常对网络上的终端设备更为重要。

平衡范围和功率

高频和低频协议在两个主要方面有所不同，这决定了它们的理想应用领域：衰减和功耗。较低的频率通常对应于较低的功耗和更长的范围，因此亚GHz协议非常适合这些物联网应用。低频传输也较少受到山丘、建筑物等障碍物的影响，因此这种远程能力消除了对中继站和基站的需求。与此相反，下一波5G部署将需要实施微型基站，以向终端用户提供服务。

开始估算给定距离和传输频率（实际上是波长）的发射器所需功率的一种简单方法是使用Friis路径损耗公式。这个公式展示了传输频率（或者更确切地说是波长）和范围之间的权衡：

其中：

Pr = 接收功率
Pt = 发射功率
Dt = 发射器的指向性
Dr = 接收器的指向性
d = 发射器和接收器天线之间的距离
λ = 传输波长

实际上，如果你知道接收器的灵敏度（以dBm指定），那么你可以确定给定波长和视距传输距离所需的发射器功率。一般来说，传输范围加倍需要将无线链接的功率预算增加6 dB。此外，我们可以看到频率加倍会使接收功率减少6 dB。注意，这些都是基于两个天线之间的视距传输的理想化因素。在真实场景中部署的设备将会经历吸收、多径传播和反射以及天气等造成的损失。因此，确保为你的系统考虑一个现实的安全余量，以应对可能的有限范围。

亚GHz芯片组的重要规格

虽然范围和传输频率是设计亚GHz物联网设备的主要考虑因素，但在这些设计中还有一些其他规格应该考虑。

功耗

亚GHz无线产品（以及其他所有无线产品）不会有一个具体的范围规格，或者如果有的话，它只是一个估计值。它们将有一个给定电流下的功率输出值，以EIRP值（等效全向辐射功率，单位为dBm）指定。具有大于1的指向性/增益的天线可以用于定向传输，并且可以用来减少传输数据所需的功耗。通过使用具有较低待机电流、低功耗模式和唤醒定时器的系统，可以进一步降低总系统功耗。鉴于所有这些因素，可以最小化功耗，并且可以设计设备在纽扣电池上的总有效寿命超过10年。

接收器灵敏度

如上所述，接收器的灵敏度和传输频率将决定系统的范围。具有更大带宽的通道将需要更敏感的接收器，这可能会限制您的次千兆赫链路的范围。为了补偿这一点，可能需要增加传输功率，限制范围，使用较低的数据速率，或可能转移到适用于您应用的不同协议。天线增益/指向性在这里也起着作用，可以通过提供设备间的定向传输来补偿较低的灵敏度。

调制和共存考虑因素

正如某些ISM频段协议可能会遇到共存挑战一样，次千兆赫频段也可能在通道之间遇到干扰。次千兆赫协议通常使用键控调制方案（FSK、ASK、OOK等）。在某些情况下，使用扩频机制来增加信道带宽，要么通过将数据编码到更高的比特率，要么使用像频率跳变扩频（FHSS）这样的方案。下面展示了一个例子，说明了如何使用数据速率增加来增加给定平均传输功率的带宽。

扩频传输概念。通过将传输的数据（蓝色）扩展到更高比特率编码（红色），接收器可以抵抗潜在的干扰源。

(Alt text: 扩频传输)

扩频信号不易受到干扰，但是端设备上的发送和接收电路需要具有更高的带宽，以适应功率在信道带宽中的扩散。FHSS实施将需要额外的测试以确保EMC合规性，并且它将需要在每端都具有足够接收灵敏度的兼容设备。在某些设备中，专用的收发器模块可能是提供足够灵敏度以接收扩频信号的最佳选择。

次千兆赫无线电和收发器选项

简而言之，您可以通过两种基本方式将次千兆赫无线电集成到新产品中，并将其接入长距离物联网网络：

使用集成了次千兆赫无线功能的处理器
使用与系统的主控制器兼容的外部次千兆赫收发器
添加一个包含所有所需外设的无线模块

根据您的系统需要完成的任务，这两个选项都是可行的，因为有许多组件属于这两个类别。如果您从未设计过滤波器、馈线、天线或一般的RF设备，前两个选项可能需要更多的努力。然而，有多个供应商提供的高度集成的产品线支持多个次千兆赫频段；下面展示了一些优秀的选项。

Microchip, ATSAMR30M18A-I

Microchip的ATSAMR30M18A-I亚千兆赫无线模块作为一个MCU，包括一个符合IEEE 802.15.4标准的无线电收发器和一个集成天线。这个带有镀锡边的SMD模块包括一个集成了256 KB Flash存储器的ARM Cortex-M0+ MCU，以及一个为700/800/900MHz ISM频段设计的集成收发器。作为一个易于使用的SiP，它还包括了用户在MCU中期望的一些标准功能，如12位350 ksps ADC、最高3.4 MHz的I2C、USB 2.0接口和16个GPIO。它需要一个外部天线；下表包括了一些经过批准的天线列表，尽管如果其他天线具有类似的规格并通过测试，也可以使用。

NXP Semiconductor, OL2385AHN

NXP Semiconductor的OL2385AHN是一个支持多个亚1 GHz频段（160至960 MHz）的多频段无线RF收发器，内置MCU核心。这个设备是一个高度集成的收发器，支持四个可选择的频率范围，支持多种调制方案（400 kbps/200 kbps FSK、ASK和OOK）。在板上，主控制器可以通过SPI、UART或兼容LIN协议的UART与此设备接口。这个组件的一些主要应用领域包括用于智能基础设施产品的LPWAN、智能家居技术、M2M通信和传感器网络。

NXP OL2385AHN无线电发射机方框图。[来源：(Alt text: Sub-GHz设计)

Texas Instruments, SimpleLink无线MCU（CC13xx和CC430F51xx）

Texas Instruments的SimpleLink系列无线MCU是我个人最喜欢的用于开发新的IoT产品的系列之一，这些产品操作在亚1 GHz频段。这个产品线中的一些组件还支持多个ISM频段、WiFi、蓝牙等1至2 GHz之间的其他频段。这个产品系列包括一些为汽车产品认证的MCU。SimpleLink支持这些亚1 GHz协议：

IEEE 802.15.4
无线M-Bus（T、S、C、N模式）
6LoWPAN
Wi-SUN NWP
Amazon Sidewalk
MIOTY
ZigBee

如果您正在使用TI产品组合中的其他产品，您会发现使用TI为这些产品和外围设备提供的SDK支持开发应用程序很容易。这些MCU还可以通过标准数字接口与任何其他外围ASICs接口，为设计师提供了充分的灵活性来构建新的IoT平台。

亚千兆赫IoT的未来

尽管WiFi、蓝牙和5G在消费领域无处不在，大家仍然持续关注它们，但是低于1 GHz的频段不会消失，并将继续作为物联网网络的低功耗支柱。长距离通信能力、低功耗和易于实施的优点是无法放弃的，而且在持续的低数据率应用中增加ISM或蜂窝拥塞是没有意义的。在许多低于1 GHz应用中，系统设计师需要的一些组件分为以下几类：