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，研讨方向：无线通讯、射频电路规划和物联网;邱满刚，男，助理工程师，研讨方向：物联网、智能操控、无线通讯技能运用。
摘要：针对IoT网络运用中一起存在Zigbee、BLE、Wireless M-Bus、 6LoWPAN等多个规范的情况下，提出一种多协议远间隔低功耗IoT网关硬件规划计划。网关选用NXP的KW41Z和TI的CC1310两款多协议无线SoC芯片为中心建立硬件渠道，添加了SKYWORKS的SKY66112-11和SKY66115-11功率放大器前端模块。网关能够完结云端服务器和IoT网络的互联互通。测验结果表明，该网关具有很好的无线衔接功能，十分合适多规范协议下的IoT网络运用。
0 导言
IoT (Internet of Things，物联网)是现在开展很快的一种网络通讯技能。IoT运用架构自下而上包含感知层、网络层和运用层。感知层由很多的传感器节点构成，传感器节点收集数据并经过无线传输技能(WiFi、BLE、Zigbee等)传递数据。传输层经过现有的2G/3G/4G，有线宽带等通讯技能，拓宽感知层数据传输的间隔。运用层首要担任对数据进行剖析处理，供给用户运用接口。IoT网关的首要效果便是完结感知层和网络层之间的协议转化，将传感节点的数据能够经过互联网传输到后台服务器。因为现有的低功耗传感节点大多选用的是Zigbee和BLE等规范的通讯协议，为了完结不同协议的传感节点之间进行数据交流，需求一种多协议的IoT网关。
1 体系计划
本文提出一种低功耗多协议远间隔IoT网关，选用了SoC射频芯片计划规划，能够完结多种IoT协议网络的交融。该网关能够支撑BLE、Zibgee、6Lowpan和Sub-1GHz私有协议等，不同协议的传感器之间能够直接或直接进行数据交流。本计划规划的低功耗IoT网关能够选用电池供电，因而取消了传统的高能耗WiFi衔接方法。因为传感器网络数据量都很小，因而咱们能够选用低速网络进行数据传输。图1为低功耗多协议远间隔IoT网关整体架构。
图1中IoT网关在整个体系总起到中心桥梁效果，网关能够一起支撑BLE和Zigbee两种通用的2.4 GHz协议，也能够一起处理Sub-1GHz的通讯协议，各个IoT节点数据都能够经过网关转发和交互。Zigbee节点或许BLE节点能够发送数据到网关，经过网关将传感器数据封装成TCP/IP数据包，经过以太网发送到云端服务器。长途用户能够经过PC或许移动终端向服务器获取数据，能够经过云端服务器将操控数据发送给网关，再由网关发送到相应的传感器节点。
多协议IoT网关不只能够完结上述长途的数据处理，还能够进行本地化数据交流。例如BLE节点节点能够发送数据和操控指令到网关，再由网关进行协议转化，发送到Zigbee节点进行数据交流。这个交流不再需求经过云端服务器，在没有网络衔接到云端的时分，也能够进行区域内的IoT网络通讯。现在手机都现已支撑BLE低功耗蓝牙通讯，手机也能够不衔接到云端服务器，直接经过BLE通讯接口衔接到网关，经过APP软件跟传感器节点进行交互。
在布线不方便的运用现场，IoT网关能够选用电池供电。远间隔情况下，能够经过Sub-1GHz信道进行多个网关级联。多级衔接后，最终经过有线网络衔接到云端服务器。极大地拓宽了运用规模。
2 硬件规划
为了下降体系本钱和体积，本文选用了SoC射频芯片解决计划。选用了NXP最新的KW41Z[1]芯片完结2.4 GHz频段协议处理，运用TI的CC1310[2]芯片完结Sub-1GHz频段协议处理。选用WIZnet公司的硬件网络协议栈W5500[3]完结以太网数据传输。
2.1 KW41Z电路规划
KW41Z是NXP公司推出的一款超低功耗、高集成度的SoC射频芯片，硬件一起支撑Bluetooth Low Energy (BLE) v4.2和IEEE® 802.15.4物理层。选用48 MHz ARM Cortex-M0+内核，高达512 KB闪存和128 KB SRAM。接纳灵敏度(802.15.4) 为 -100 dBm，可编程的发射器输出功率高达+3.5 dBm。内置balun单端输出，电路结构简略。
2.4 GHz频段信号遭到环境影响较大，因而需求增大发射功率和接纳灵敏度。本文挑选Skyworks公司的SKY66112-11[4]功放芯片。该芯片能够供给最大21 dBm输出功率，8dB接纳增益。内部集成收发切换射频开关，支撑两路天线输出。作业频率规模为2.4 GHz~2.45 GHz，供电电压为1.8~3.6 V。
KW41Z射频电路规划如图2所示，咱们选用DC-DC电源作业形式。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电路供给作业电源，VDD_RF(32，35，36脚)衔接到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，外部需求接一个低通滤波器(C8、C9和L2)，下降输出射频信号的谐波和杂散辐射功率。
SKY66112-11放大器模块电路如图3所示，因为SKY66112-11芯片输入和输出端口都是50Ω，KW41Z的输出能够直接接RF_IN(21脚)。VCC1(16脚) 和VCC2(14脚)是内部PA和LNA供电需求独自走线，每个引脚独自添加退偶%&&&&&%。CRX(2脚)、CTX(17脚) CPS(15脚) 、CSD(3脚) 和ANT_SEL(4脚)是逻辑操控脚，接KW41Z的I/O引脚。ANT1(8脚) 经过低通滤波器接内部PCB天线，ANT2(6脚)经过低通滤波电路到SMA座子，接外部棒状天线。
2.2 CC1310电路规划
CC1310是TI公司推出的sub-1GHz的SoC射频芯片。该芯片支撑多个物理层规范，Wireless M-Bus, IEEE 802.15.4g和自定义规范。十分合适做多协议网关运用。CC1310内部集成了强壮的48MHz ARM Cortex-M3微操控器和专用无线操控器(ARM Cortex-M0)，128 KB Flash和20 KB RAM。最大输出功率15 dBm,出色的接纳功能在长间隔形式可到达-124 dBm的接纳灵敏度。CC1310集成度十分高，仅需很少的外围器材就能够作业。
为了习惯不同的作业环境，需求在外部添加PA放大器，增大传输间隔。本文挑选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，作业频率为400 MHz~510 MHz，作业电压为2.5~3.6 V，最大输出功率为+20 dBm。
