多協(xié)議遠距離低功耗IoT網(wǎng)關硬件設計

　　CC1310射頻電路如圖4所示。 RF_N(2腳) 設置為單端模式下LNA接收輸入，并且通過匹配電路連接到SKY66115-11的RX(2腳)。L2用于外部偏置電路，C17、L3和C18組成接收匹配電路用于優(yōu)化接收靈敏度。RF_P(1腳) 設置為單端模式下PA輸出，通過C32隔直電容連接到SKY66115-11的TX(4腳)。L5和C27為CC1310到SKY66115-11的之間的阻抗匹配電路，根據(jù)不同工作頻段選擇不同的匹配值。CC1310的DCDC_SW(33腳)內(nèi)部DC_DC輸出，L1和C7組成DC_DC濾波電路，給VDDR(45腳) VDD_RF(48腳)供電。DCOUPL(23腳)需要接1uF退偶電容，離芯片越近越好。X24M_N(46腳) X24M_P(47腳)接外部24MHz晶體，24MHz晶體參數(shù)選擇CL 5 pF~9 pF，ESR_max<60 ohm，10 ppm頻率偏差。負載電容可以選擇內(nèi)部自帶的電容陣列，不需要額外的電容。X32K_Q1(4腳) X32K_Q2(5腳)接外部32 kHz低頻晶振。

　　SKY66115-11[6]電路非常簡單如圖5所示，DIO_1(6腳) 和DIO_4(9腳) 分別接SKY66115-11的CTX(16腳) 和CSD(15腳)控制內(nèi)部開關收發(fā)切換和PA模塊休眠。SKY66115-11的ANT(12腳)通過一個(C484、C485、C486和L332)低通濾波器連接到天線端口，可以降低輸出信號雜散輻射功率。

　　2.3 W5500電路設計

　　有線網(wǎng)絡通信部分采用Wiznet公司的太網(wǎng)控制器W5500芯片，W5500芯片集成了TCP/IP協(xié)議棧，10/100 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)及物理層(PHY)。內(nèi)嵌32 KB片上緩存以供以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包臨時存儲。W5500具有8個互不影響的硬件socket。只需要一些簡單的socket編程就能實現(xiàn)以太網(wǎng)應用。這樣可以降低對主控制器的性能要求和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　W5500網(wǎng)絡通訊模塊電路如圖6 所示。其中，P1 選用HR911105A帶網(wǎng)絡變壓器的RJ45 插座，通過網(wǎng)線與網(wǎng)絡連接;W5500 正常工作時，需提供3.3 V數(shù)字電源給VDD(28 腳)和GND(29 腳);3.3 V 模擬電源，AVDD(4/8/11/15/17/21 腳)對AGND(3/9/14/16/19/48 腳)。

　　模擬和數(shù)字電源之間采用LC電路做隔離，去除干擾。W5500 的XI(30 腳)、XO(31 腳)為時鐘引腳，共外接25 MHz 石英晶體組成振蕩電路;RSTn(37 腳)為復位引腳，低電平有效，和CC1310 I/O 引腳連接，由CC1310控制W5500 進行復位;PMODE2(43 腳)、PMODE1(44 腳)、PMOD0(45腳)為網(wǎng)絡工作模式選擇引腳，EXRES1(10 腳)為外部參考電阻引腳，外接一個精度為1% 的12.4 kΩ外部參考電阻，為內(nèi)部模擬電路提供偏壓;TOCAP(20 腳)為外部參考電容引腳，外接一個4.7 μF 電容走線盡可能短。W5500提供了SPI(串行外部接口)作為外設主機接口，共有SCS、SCLK、MOSI和MISO 4路信號，連接到CC1310硬件SPI接口。W5500的TXN/TXP和RXN/RXP這兩路差分信號分別與網(wǎng)絡接口HR911105A中的網(wǎng)絡變壓器連接。

3 測試結果

　　網(wǎng)關的以太網(wǎng)通信部分測試借助上位機網(wǎng)絡調(diào)試助手軟件如圖7所示，W5500硬件協(xié)議?？梢院芎玫耐瓿蒚CP/IP網(wǎng)絡通信。KW41Z和CC1310射頻部分調(diào)試測試，我們使用的是安捷倫公司的頻譜分析儀N9020A和網(wǎng)絡分析儀E5071C，羅德&施瓦茨公司的矢量信號源SMJ100A和綜測儀CMW270。

　　KW41Z和SKY66112-11部分傳導發(fā)射功率見表1，在KW41Z輸出設置為0 dBm時，SKY66112-11輸出功率可以達到20 dBm，此時電路工作電流為96 mA。工作在BLE模式下接收靈敏度可以達到-98 dBm，工作在IEEE802.15.4模式下可以達到-106 dBm。接收模式下電路工作電流小于10 mA。實際戶外可視環(huán)境下測試，采用外置棒狀高增益天線，網(wǎng)關在IEEE802.15.4模式下網(wǎng)關雙向通訊距離大于1公里。

　　CC1310和SKY66115-11部分傳導發(fā)射功率見表2，Sub-1GHz頻段我們選擇433 MHz中心頻率。由于SKY66115-11輸入端最大輸入功率為10 dBm，因此我們需要控制CC1310的輸出功率范圍在10 dBm以下。當輸出功率寄存器設置為0x1CC時，SKY66115-11輸出端口功率可以到達20 dBm，此時電路工作電流為82.4 mA。接收靈敏度測試，CC1310設置為50 kbps 高通信速率模式，接收靈敏度可以達到-106.4 dBm。如果采用低速率和遠距離優(yōu)化模式，通信速率設置為5 kbps，接收靈敏度可以達到-117 dBm。接收模式下電路工作電流小于6.3 mA。實際測選擇復雜的城市環(huán)境，網(wǎng)關雙向通訊距離大于5公里。

4 結論

　　本文針對IoT網(wǎng)絡多總協(xié)議共存的特點，對多協(xié)議IoT網(wǎng)關進行了研究，并給出了詳細的硬件設計解決方案。改硬件設計方案比較新穎，采用低成本高集成程度的無線SoC方案，通過對KW41Z和CC1310芯片的射頻收發(fā)電路設計，較好地解決了IoT網(wǎng)絡傳感節(jié)點數(shù)據(jù)從采集到云端服務器的雙向傳輸和多種協(xié)議IoT傳感網(wǎng)共存互通的問題。設計本身考慮到IoT網(wǎng)絡的低功耗、低成本、高性能、遠距離、施工方便等實際應用特點，具有很好的實際應用價值。隨著IoT網(wǎng)絡的快速發(fā)展，支持多標準協(xié)議的IoT網(wǎng)關需求會越來越多。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第5期第71頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。