作者 王薪宇 邱滿剛 利爾達科技集團有限公司 (浙江 杭州 310000)

　　王薪宇(1981-)，男，中級工程師，研究方向：無線通訊、射頻電路設計和物聯網;邱滿剛，男，助理工程師，研究方向：物聯網、智能控制、無線通信技術應用。

摘要：針對IoT網絡應用中同時存在Zigbee、BLE、Wireless M-Bus、 6LoWPAN等多個標準的情況下，提出一種多協議遠距離低功耗IoT網關硬件設計方案。網關采用NXP的KW41Z和TI的CC1310兩款多協議無線SoC芯片為核心搭建硬件平臺，增加了SKYWORKS的SKY66112-11和SKY66115-11功率放大器前端模塊。網關可以實現云端服務器和IoT網絡的互聯互通。測試結果表明，該網關具有很好的無線連接性能，非常適合多標準協議下的IoT網絡應用。

0 引言

　　IoT (Internet?of?Things，物聯網)是目前發展很快的一種網絡通信技術。IoT應用架構自下而上包括感知層、網絡層和應用層。感知層由大量的傳感器節點構成，傳感器節點采集數據并通過無線傳輸技術(WiFi、BLE、Zigbee等)傳遞數據。傳輸層通過現有的2G/3G/4G，有線寬帶等通信技術，拓展感知層數據傳輸的距離。應用層主要負責對數據進行分析處理，提供用戶應用接口。IoT網關的主要作用就是完成感知層和網絡層之間的協議轉換，將傳感節點的數據可以通過互聯網傳輸到后臺服務器。由于現有的低功耗傳感節點大多采用的是Zigbee和BLE等標準的通信協議，為了實現不同協議的傳感節點之間進行數據交換，需要一種多協議的IoT網關。

1 系統方案

　　本文提出一種低功耗多協議遠距離IoT網關，采用了SoC射頻芯片方案設計，可以完成多種IoT協議網絡的融合。該網關可以支持BLE、Zibgee、6Lowpan和Sub-1GHz私有協議等，不同協議的傳感器之間可以直接或間接進行數據交換。本方案設計的低功耗IoT網關可以采用電池供電，因此取消了傳統的高能耗WiFi連接方式。由于傳感器網絡數據量都很小，因此我們可以采用低速網絡進行數據傳輸。圖1為低功耗多協議遠距離IoT網關總體架構。

   圖1中IoT網關在整個系統總起到中心橋梁作用，網關可以同時支持BLE和Zigbee兩種通用的2.4 GHz協議，也可以同時處理Sub-1GHz的通信協議，各個IoT節點數據都可以通過網關轉發和交互。Zigbee節點或者BLE節點可以發送數據到網關，通過網關將傳感器數據封裝成TCP/IP數據包，通過以太網發送到云端服務器。遠程用戶可以通過PC或者移動終端向服務器獲取數據，可以通過云端服務器將控制數據發送給網關，再由網關發送到相應的傳感器節點。

　　多協議IoT網關不僅可以實現上述遠程的數據處理，還可以進行本地化數據交換。例如BLE節點節點可以發送數據和控制命令到網關，再由網關進行協議轉換，發送到Zigbee節點進行數據交換。這個交換不再需要通過云端服務器，在沒有網絡連接到云端的時候，也可以進行區域內的IoT網絡通信。目前手機都已經支持BLE低功耗藍牙通信，手機也可以不連接到云端服務器，直接通過BLE通信接口連接到網關，通過APP軟件跟傳感器節點進行交互。

　　在布線不方便的應用現場，IoT網關可以采用電池供電。遠距離情況下，可以通過Sub-1GHz信道進行多個網關級聯。多級連接后，最后通過有線網絡連接到云端服務器。極大地拓展了應用范圍。

2 硬件設計

　　為了降低系統成本和體積，本文采用了SoC射頻芯片解決方案。采用了NXP最新的KW41Z^[1]芯片完成2.4 GHz頻段協議處理，使用TI的CC1310[2]芯片完成Sub-1GHz頻段協議處理。采用WIZnet公司的硬件網絡協議棧W5500[3]完成以太網數據傳輸。

　　2.1 KW41Z電路設計

　　KW41Z是NXP公司推出的一款超低功耗、高集成度的SoC射頻芯片，硬件同時支持Bluetooth Low Energy (BLE) v4.2和IEEE? 802.15.4物理層。采用48 MHz ARM Cortex-M0+內核，高達512 KB閃存和128 KB SRAM。接收靈敏度(802.15.4) 為 -100 dBm，可編程的發射器輸出功率高達+3.5 dBm。內置balun單端輸出，電路結構簡單。

　　2.4 GHz頻段信號受到環境影響較大，因此需要增大發射功率和接收靈敏度。本文選擇Skyworks公司的SKY66112-11[4]功放芯片。該芯片可以提供最大21 dBm輸出功率，8dB接收增益。內部集成收發切換射頻開關，支持兩路天線輸出。工作頻率范圍為2.4 GHz~2.45 GHz，供電電壓為1.8~3.6 V。

　　KW41Z射頻電路設計如圖2所示，我們采用DC-DC電源工作模式。KW41Z 的DCDC_LP(11腳)和DCDC_LN(12腳)接DC-DC電路外置10μH電感。VDD_1P45(15腳)內部1.45 V電源輸出，給內部RF電路提供工作電源，VDD_RF(32，35，36腳)連接到1.45V電源，每個管腳添加退偶電容。VDD_1P8(14腳)內部1.8 V電源輸出，給I/O和外設供電。VDDCDC_IN(10腳)內部DC-DC電源輸入，接外部3.3 V供電。ANT(33腳)RF輸入輸出管腳，外部需要接一個低通濾波器(C8、C9和L2)，降低輸出射頻信號的諧波和雜散輻射功率。

　　SKY66112-11放大器模塊電路如圖3所示，由于SKY66112-11芯片輸入和輸出端口都是50Ω，KW41Z的輸出可以直接接RF_IN(21腳)。VCC1(16腳) 和VCC2(14腳)是內部PA和LNA供電需要單獨走線，每個引腳單獨添加退偶電容。CRX(2腳)、CTX(17腳) CPS(15腳) 、CSD(3腳) 和ANT_SEL(4腳)是邏輯控制腳，接KW41Z的I/O引腳。ANT1(8腳) 通過低通濾波器接內部PCB天線，ANT2(6腳)通過低通濾波電路到SMA座子，接外部棒狀天線。

　　2.2 CC1310電路設計

　　CC1310是TI公司推出的sub-1GHz的SoC射頻芯片。該芯片支持多個物理層標準，Wireless M-Bus, IEEE 802.15.4g和自定義標準。非常適合做多協議網關應用。CC1310內部集成了強大的48MHz ARM Cortex-M3微控制器和專用無線控制器(ARM Cortex-M0)，128 KB Flash和20 KB RAM。最大輸出功率15 dBm,杰出的接收性能在長距離模式可達到-124 dBm的接收靈敏度。CC1310集成度非常高，僅需很少的外圍器件就可以工作。

　　為了適應不同的工作環境，需要在外部增加PA放大器，增大傳輸距離。本文選擇Skyworks公司的SKY66115-11^[5]功放芯片。SKY66115-11集成了功率放大器和射頻開關，工作頻率為400 MHz~510 MHz，工作電壓為2.5~3.6 V，最大輸出功率為+20 dBm。