Sub-GHz Wireless MCUs und Komponenten für IoT

Erstellt: November 15, 2021
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

In den letzten Jahren ist die Nutzung von IoT-Geräten massiv gewachsen, wobei vieles davon im Hintergrund in Bereichen wie industrieller Produktion, Infrastruktur, Hausautomation, intelligenten Zählern und tragbarer Elektronik stattfindet. Im Verbraucherbereich verbinden sich IoT-Geräte meist mit kürzerreichenden Innenraumnetzwerken, normalerweise über WiFi oder Bluetooth. Heute integrieren mehr Geräte über lange Distanzen mit Niederfrequenzprotokollen oder nehmen einen hybriden Ansatz mit Hochfrequenz- und Niederfrequenzprotokollen auf demselben Gerät. Alles zusammenzubringen, erfordert die Fusion mehrerer drahtloser Protokolle neben digitaler Verarbeitung und einer eingebetteten Anwendung.

Warum gab es einen anhaltenden Fokus auf sub-GHz-Drahtlos in diesen Systemen, besonders wenn wir bereits viele nützliche Protokolle wie Bluetooth, WiFi, zellulare und andere 2,4 GHz ISM-Bandoptionen haben? Sub-GHz-Drahtlos hat seine Vorteile, und es gibt viel mehr Unterstützung von IoT-Dienstanbietern für diese Produkte. Das bedeutet, es ist viel einfacher, sowohl eine private Netzwerkarchitektur zu bauen und sie mit Ihren Cloud-Diensten über eine Basisstation zu verbinden, oder auf Cloud-Dienste über einen bestehenden drahtlosen Carrier zuzugreifen. In den USA bieten die großen Telekommunikationsunternehmen jetzt IoT-Dienste über ihre Netzwerke an, und Sie können Ihre eigene Cloud-Service-Plattform einrichten, die mit Ihrer IoT-Hardware über die großen Cloud-Service-Anbieter verbunden ist.

Am Ende des Tages, wenn Sie kein sub-GHz-Protokoll auf Ihre Platine bekommen können, dann können Sie es nicht nutzen, um die Vorteile der langstreckigen, energieeffizienten drahtlosen Kommunikation und der Dienste, die diese Protokolle ermöglichen, zu nutzen. In diesem Artikel werden wir einige der wichtigsten Überlegungen bei der energieeffizienten, langstreckigen drahtlosen Konnektivität innerhalb des weit anerkannten sub-GHz-Bandes betrachten.

Auswahl einer sub-GHz-Drahtlos-Option

IoT-Produkte mit sub-GHz-Drahtloskonnektivität zu bauen, erfordert die Auswahl eines Chipsatzes, der diese Frequenzen unterstützen kann und das gewünschte drahtlose Protokoll für Ihr IoT-Netzwerk implementiert. Frühe MCUs, die in IoT-Geräten verwendet wurden, enthielten diese Funktionen nicht, sondern erforderten ein dediziertes Modul oder eine Emulation in der Geräteanwendung. Heute gibt es mehrere Chipsätze und vollständig integrierte MCUs, die mehrere sub-GHz-Protokolle unterstützen. Einige dieser Produkte unterstützen auch ein höherfrequentes ISM-Band im 2,4 GHz-Bereich und möglicherweise WiFi bis zu 5 GHz. Hier können Sie mehr über die Grundlagen der Auswahl von IoT-Protokollen lesen.

Die Mischung verschiedener Standards und Protokolle wird bestimmen, welche Frequenzen in Ihrem Design verfügbar sein werden, was ein Haupttreiber des Energieverbrauchs sein wird. Bei der Auswahl eines kabelgebundenen oder drahtlosen Netzwerkprotokolls ist die Datenrate normalerweise die primäre Überlegung. Bei sub-GHz-Drahtlos sind die Hauptvorteile der geringe Energieverbrauch dieser Protokolle und die große Reichweite bei diesen Frequenzen. Daher sind die Anpassung der Lebensdauer des Geräts und die Kommunikationsreichweitenanforderungen an die Anwendung typischerweise wichtiger für Endgeräte im Netzwerk.

Ausbalancieren von Reichweite und Energie

Hochfrequenz- und Niederfrequenzprotokolle unterscheiden sich in zwei Hauptaspekten, die ihre idealen Anwendungsbereiche bestimmen: Dämpfung und Stromverbrauch. Niedrigere Frequenzen entsprechen im Allgemeinen einem geringeren Stromverbrauch und einer größeren Reichweite, daher sind Sub-GHz-Protokolle ideal für diese IoT-Anwendungen. Die Niederfrequenzübertragung hat auch weniger Probleme mit Hindernissen wie Hügeln, Gebäuden usw., sodass diese Langstreckenfähigkeit die Notwendigkeit von Repeater-Standorten und Basisstationen eliminiert. Im Gegensatz dazu stehen die nächsten Wellen der 5G-Einführungen, bei denen Mini-Basisstationen für die Dienstleistungserbringung an Endbenutzer implementiert werden müssen.

Eine einfache Möglichkeit, um mit der Schätzung der Leistungsanforderungen an einen Sender für eine gegebene Entfernung und Übertragungsfrequenz (eigentlich die Wellenlänge) zu beginnen, ist die Verwendung der Friis-Formel für Pfadverlust. Diese Formel veranschaulicht den Kompromiss zwischen Übertragungsfrequenz (oder eher Wellenlänge) und Reichweite:

Wo:

Pr = Empfangene Leistung
Pt = Gesendete Leistung
Dt = Richtwirkung des Senders
Dr = Richtwirkung des Empfängers
d = Entfernung zwischen den Antennen von Sender und Empfänger
λ = Übertragungswellenlänge

Effektiv, wenn Sie die Empfängerempfindlichkeit (angegeben in dBm) kennen, dann können Sie die erforderliche Sendeleistung für eine gegebene Wellenlänge und Sichtverbindungsentfernung bestimmen. Im Allgemeinen erfordert die Verdopplung der Übertragungsreichweite eine Erhöhung des Leistungsbudgets für Ihren drahtlosen Link um 6 dB. Darüber hinaus können wir sehen, dass die Verdopplung der Frequenz die empfangene Leistung um 6 dB reduziert. Beachten Sie, dass dies alles idealisierte Faktoren sind, die von einer Sichtverbindung zwischen zwei Antennen abhängen. Ein in einem realen Szenario eingesetztes Gerät wird Verluste durch Absorption, Mehrwegausbreitung und Reflexionen und sogar das Wetter erfahren. Stellen Sie daher sicher, dass Sie eine realistische Sicherheitsmarge für Ihr System berücksichtigen, um die Möglichkeit einer begrenzten Reichweite zu berücksichtigen.

Wichtige Spezifikationen für Sub-GHz-Chipsätze

Während Reichweite und Übertragungsfrequenz die Hauptüberlegungen beim Entwurf von Sub-GHz-IoT-Geräten sind, gibt es einige andere Spezifikationen, die in diesen Entwürfen berücksichtigt werden sollten.

Stromverbrauch

Sub-GHz-Funkprodukte (und jedes andere Funkprodukt) werden keine spezifische Reichweitenspezifikation haben, oder wenn doch, wird es nur eine Schätzung sein. Sie werden einen Leistungsausgabewert für einen gegebenen Strom als EIRP-Wert (äquivalente isotrop abgestrahlte Leistung, in Einheiten von dBm) haben. Eine Antenne mit einer Direktivität/Gewinn größer als 1 kann für die gerichtete Übertragung verwendet werden und könnte verwendet werden, um den erforderlichen Stromverbrauch für die Datenübertragung zu reduzieren. Der gesamte Systemstromverbrauch kann weiter reduziert werden, indem ein System mit niedrigerem Standby-Strom, Energiesparmodi und Aufwachzeitgebern verwendet wird. Angesichts all dieser Faktoren kann der Stromverbrauch minimiert und Geräte können so entworfen werden, dass sie eine Gesamtnutzungsdauer von über 10 Jahren mit einer Knopfzellenbatterie haben.

Empfängerempfindlichkeit

Wie oben erwähnt, bestimmen die Empfindlichkeit des Empfängers und die Übertragungsfrequenz die Reichweite des Systems. Kanäle mit größeren Bandbreiten erfordern einen empfindlicheren Empfänger, was die Reichweite Ihres Sub-GHz-Links einschränken könnte. Um dies zu kompensieren, könnte es notwendig sein, die Übertragungsleistung zu erhöhen, die Reichweite zu begrenzen, eine niedrigere Datenrate zu verwenden oder möglicherweise für Ihre Anwendung zu einem anderen Protokoll zu wechseln. Auch die Antennengewinnung/-richtwirkung spielt hier eine Rolle und kann die geringere Empfindlichkeit ausgleichen, indem sie eine gerichtete Übertragung zwischen den Geräten im Netzwerk ermöglicht.

Modulation und Koexistenzüberlegungen

So wie bestimmte Teile der ISM-Band-Protokolle Koexistenzherausforderungen erfahren können, können Sub-GHz-Bänder Interferenzen zwischen Kanälen erleben. Sub-GHz-Protokolle verwenden typischerweise Modulationsschemata mit Schlüsselung (FSK, ASK, OOK usw.). In einigen Fällen werden Spread-Spectrum-Mechanismen verwendet, um die Kanalbandbreite zu erhöhen, entweder durch Kodierung der Daten in eine höhere Bitrate oder mit einem Schema wie Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS). Ein Beispiel, das zeigt, wie die Erhöhung der Datenrate verwendet wird, um die Bandbreite bei gegebener durchschnittlicher Übertragungsleistung zu erhöhen, ist unten dargestellt.

Konzept der Spread-Spectrum-Übertragung. Durch das Verteilen der übertragenen Daten (blau) in eine höhere Bitratenkodierung (rot) kann der Empfänger potenzielle Störquellen aushalten.

(Alt-Text: Spread-Spectrum-Übertragung)

Spread-Spectrum-Signale sind weniger anfällig für Interferenzen, aber die sendenden und empfangenden Schaltungen an den Endgeräten müssen eine höhere Bandbreite haben, um diese Verteilung der Leistung über die Bandbreite des Kanals zu ermöglichen. Die Implementierung von FHSS erfordert zusätzliche Tests, um die EMC-Konformität sicherzustellen, und es werden kompatible Geräte mit ausreichender Empfängerempfindlichkeit an beiden Enden benötigt. In einigen Geräten könnte ein spezielles Transceiver-Modul die beste Wahl sein, um ausreichende Empfindlichkeit für den Empfang von Spread-Spectrum-Signalen zu bieten.

Sub-GHz-Radio- und Transceiver-Optionen

Kurz gesagt, es gibt zwei grundlegende Wege, wie Sie Sub-GHz-Radios in ein neues Produkt integrieren und es in ein Long-Range-IoT-Netzwerk bringen können:

Verwendung eines Prozessors, der Sub-GHz-Wireless-Fähigkeiten auf dem Chip integriert hat
Verwendung eines externen Sub-GHz-Transceivers, der mit dem Host-Controller Ihres Systems kompatibel ist
Hinzufügen eines Wireless-Moduls, das alle erforderlichen Peripheriegeräte enthält und

Je nachdem, was Ihr System tun muss, ist entweder Option machbar, da es viele Komponenten gibt, die in beide Kategorien fallen. Die ersten beiden Optionen erfordern etwas mehr Aufwand, wenn Sie noch nie Dinge wie Filter, Speiseleitungen, Antennen oder RF-Geräte im Allgemeinen entworfen haben. Es gibt jedoch hochintegrierte Produktlinien von mehreren Anbietern, die mehrere Sub-GHz-Bänder unterstützen; einige ausgezeichnete Optionen werden unten gezeigt.

Microchip, ATSAMR30M18A-I

Das ATSAMR30M18A-I Sub-GHz-Wireless-Modul von Microchip funktioniert als ein MCU, das ein IEEE 802.15.4-konformes Radio mit integrierter Antenne umfasst. Dieses SMD-Modul mit Castellated-Pins beinhaltet einen ARM Cortex-M0+ MCU mit integriertem 256 KB Flash-Speicher sowie einen integrierten Transceiver für das 700/800/900MHz ISM-Band. Als einfach zu nutzendes SiP beinhaltet es auch einige der Standardfunktionen, die Benutzer von MCUs erwarten, wie einen 12-Bit-350 ksps ADC, I2C mit bis zu 3,4 MHz, eine USB 2.0-Schnittstelle und 16 GPIOs. Es benötigt eine externe Antenne; die untenstehende Tabelle enthält eine Liste genehmigter Antennen, obwohl auch andere Antennen verwendet werden könnten, wenn sie ähnliche Spezifikationen haben und die Tests bestehen.

NXP Semiconductor, OL2385AHN

Der OL2385AHN von NXP Semiconductor ist ein Multiband-Wireless-RF-Transceiver mit einem eingebetteten MCU-Kern, der mehrere Sub-1-GHz-Bänder (160 bis 960 MHz) unterstützt. Dieses Gerät ist ein hochintegrierter Transceiver mit vier wählbaren Frequenzbereichen, der mehrere Modulationsschemata unterstützt (400 kbps/200 kbps FSK, ASK und OOK). Auf der Platine kann ein Host-Controller über SPI, UART oder LIN-protokollkompatibles UART mit diesem Gerät kommunizieren. Einige der wichtigsten Anwendungsbereiche, die mit diesem Bauteil anvisiert werden, umfassen LPWAN für intelligente Infrastrukturprodukte, Smart-Home-Technologien, M2M-Kommunikation und Sensornetzwerke.

NXP OL2385AHN Funktransmitter-Blockdiagramm. [Quelle: (Alt text: Sub-GHz-Design)

Texas Instruments, SimpleLink Wireless MCUs (CC13xx und CC430F51xx)

Die SimpleLink-Reihe von Wireless-MCUs von Texas Instruments gehört zu meinen persönlichen Favoriten für die Entwicklung neuer IoT-Produkte, die in Sub-1-GHz-Bändern arbeiten. Einige der Komponenten in dieser Produktreihe unterstützen auch mehrere ISM-Bänder, WiFi, Bluetooth und andere zwischen 1 und 2 GHz. Diese Produktreihe umfasst einige MCUs, die für Automobilprodukte qualifiziert sind. Die verschiedenen Produkte in der SimpleLink-Reihe unterstützen diese Sub-1-GHz-Protokolle:

IEEE 802.15.4
Wireless M-Bus (T, S, C, N-Modus)
6LoWPAN
Wi-SUN NWP
Amazon Sidewalk
MIOTY
ZigBee

Wenn Sie andere Produkte im TI-Portfolio verwenden, werden Sie feststellen, dass es einfach ist, eine Anwendung mit TIs SDK-Unterstützung für diese Produkte und Peripheriegeräte für Ihre IoT-Plattform zu entwickeln. Diese MCUs können auch mit anderen Peripherie-ASICs über standardmäßige digitale Schnittstellen kommunizieren, was den Designern viel Flexibilität bietet, um neue IoT-Plattformen zu bauen.

Die Zukunft von Sub-GHz-IoT

Alle konzentrieren sich weiterhin auf WiFi, Bluetooth und 5G, einfach weil sie im Verbraucherbereich so allgegenwärtig sind, aber Sub-1 GHz wird nicht verschwinden und weiterhin das energieeffiziente Rückgrat für IoT-Netzwerke sein. Die Fähigkeiten zur Langstreckenkommunikation, der geringe Energieverbrauch und die einfache Implementierung sind zu gut, um sie zu ignorieren, und es macht keinen Sinn, zur weiteren Überlastung des ISM- oder Mobilfunkbereichs in Anwendungen mit konstant niedriger Datenrate beizutragen. Einige der Komponenten, die Systemdesigner in vielen Sub-1 GHz-Anwendungen benötigen, fallen in die folgenden Kategorien:

Wenn Sie eine kundenspezifische Lösung entwickeln, die eine Reihe möglicher Frequenzen oder Protokolle unterstützen kann, wie z.B. Software Defined Radio, benötigen Sie einige zusätzliche Komponenten, um Ihr HF-Frontend aufzubauen:

Wenn Sie Komponenten für Ihr nächstes Sub-1 GHz-Funkdesign suchen, nutzen Sie die erweiterten Such- und Filterfunktionen bei Octopart. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart verwenden, haben Sie Zugriff auf aktuelle Distributorenpreise, Teilebestände und Spezifikationen der Teile, und das alles frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die benötigten Komponenten zu finden.

Bleiben Sie mit unseren neuesten Artikeln auf dem Laufenden, indem Sie sich für unseren Newsletter anmelden.