MCU và Linh kiện Không dây Sub-GHz cho IoT

Created: Tháng Mười Một 15, 2021
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Trong những năm gần đây, việc sử dụng thiết bị IoT đã tăng trưởng mạnh mẽ, với nhiều phần diễn ra ngầm trong các lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, cơ sở hạ tầng, tự động hóa nhà ở, đồng hồ thông minh, và điện tử đeo được. Trong không gian tiêu dùng, thiết bị IoT chủ yếu kết nối với các mạng trong nhà có phạm vi ngắn, thường qua WiFi hoặc Bluetooth. Ngày nay, nhiều thiết bị hơn đang tích hợp kết nối từ xa với các giao thức tần số thấp hoặc áp dụng cách tiếp cận kết hợp với cả giao thức tần số cao và tần số thấp trên cùng một thiết bị. Việc kết hợp tất cả lại với nhau bao gồm sự kết hợp của nhiều giao thức không dây cùng với xử lý số và ứng dụng nhúng.

Tại sao lại tiếp tục tập trung vào không dây dưới-GHz trong các hệ thống này, đặc biệt khi chúng ta đã có nhiều giao thức hữu ích như Bluetooth, WiFi, di động, và các lựa chọn khác trong băng tần ISM 2.4 GHz? Không dây dưới-GHz có những ưu điểm của nó, và có nhiều hỗ trợ hơn từ các nhà cung cấp dịch vụ IoT cho những sản phẩm này. Điều này có nghĩa là việc xây dựng một kiến trúc mạng riêng và kết nối nó với các dịch vụ đám mây thông qua một trạm cơ sở, hoặc truy cập các dịch vụ đám mây thông qua một nhà cung cấp dịch vụ không dây hiện có trở nên dễ dàng hơn nhiều. Tại Mỹ, các công ty viễn thông lớn hiện nay cung cấp dịch vụ IoT qua mạng của họ, và bạn có thể thiết lập nền tảng dịch vụ đám mây của riêng mình kết nối với phần cứng IoT của bạn sử dụng các nhà cung cấp dịch vụ đám mây lớn.

Cuối cùng, nếu bạn không thể tích hợp giao thức dưới-GHz vào bảng mạch của mình, thì bạn không thể sử dụng nó để tận dụng lợi ích của việc giao tiếp không dây tầm xa, công suất thấp và các dịch vụ mà những giao thức này kích hoạt. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một số yếu tố quan trọng trong kết nối không dây tầm xa, công suất thấp trong băng tần dưới-GHz được công nhận rộng rãi.

Chọn lựa một Tùy chọn Không dây dưới-GHz

Xây dựng sản phẩm IoT với kết nối không dây dưới-GHz đòi hỏi việc chọn một chipset có thể hỗ trợ những tần số này và thực hiện giao thức không dây mong muốn cho mạng IoT của bạn. Các MCU sớm được sử dụng trong thiết bị IoT không bao gồm những tính năng này, thay vào đó yêu cầu một mô-đun chuyên dụng hoặc yêu cầu mô phỏng trong ứng dụng thiết bị. Ngày nay, có nhiều chipset và MCU tích hợp đầy đủ hỗ trợ nhiều giao thức dưới-GHz. Một số sản phẩm này cũng sẽ hỗ trợ băng tần ISM tần số cao hơn trong phạm vi 2.4 GHz, và có thể là WiFi lên đến 5 GHz. Bạn có thể đọc thêm về cơ bản của việc chọn giao thức IoT tại đây.

Sự kết hợp của các tiêu chuẩn và giao thức khác nhau sẽ xác định những tần số nào sẽ có sẵn trong thiết kế của bạn, điều này sẽ là yếu tố chính của việc tiêu thụ năng lượng. Khi chọn một giao thức mạng có dây hoặc không dây, tốc độ dữ liệu thường là yếu tố cân nhắc chính. Trong không dây dưới-GHz, những ưu điểm chính là mức tiêu thụ năng lượng thấp của những giao thức này và phạm vi xa có sẵn ở những tần số này. Do đó, việc phù hợp hóa tuổi thọ thiết bị và yêu cầu phạm vi giao tiếp với ứng dụng thường quan trọng hơn cho các thiết bị cuối trong mạng.

Cân bằng giữa Phạm vi và Công Suất

Các giao thức tần số cao và tần số thấp khác nhau ở hai khía cạnh chính quyết định lĩnh vực ứng dụng lý tưởng của chúng: suy hao và tiêu thụ năng lượng. Tần số thấp nói chung tương ứng với việc tiêu thụ năng lượng thấp và phạm vi xa hơn, vì vậy các giao thức dưới GHz lý tưởng cho những ứng dụng IoT này. Truyền dẫn tần số thấp cũng ít gặp vấn đề với các chướng ngại vật như đồi núi, tòa nhà, v.v., vì vậy khả năng phạm vi xa này loại bỏ nhu cầu về các trạm lặp và trạm gốc. Điều này trái ngược với làn sóng triển khai 5G tiếp theo, nơi cần phải triển khai các trạm gốc mini để cung cấp dịch vụ cho người dùng cuối. Một cách đơn giản để bắt đầu ước lượng nhu cầu về năng lượng tại một bộ phát cho một khoảng cách và tần số truyền dẫn cụ thể (thực sự là bước sóng) là sử dụng công thức suy hao đường truyền Friis. Công thức này minh họa sự đánh đổi giữa tần số truyền dẫn (hoặc bước sóng) và phạm vi:

Nơi: - Pr = Công suất nhận được - Pt = Công suất truyền đi - Dt = Định hướng của bộ phát - Dr = Định hướng của bộ nhận - d = Khoảng cách giữa ăng-ten bộ phát và bộ nhận - λ = Bước sóng truyền dẫn Hiệu quả, nếu bạn biết độ nhạy của bộ nhận (được chỉ định bằng dBm), thì bạn có thể xác định công suất bộ phát cần thiết cho một bước sóng và khoảng cách truyền dẫn tầm nhìn trực tiếp cụ thể. Nói chung, việc tăng gấp đôi phạm vi truyền dẫn đòi hỏi phải tăng ngân sách năng lượng cho liên kết không dây của bạn lên 6 dB. Ngoài ra, chúng ta có thể thấy rằng việc tăng gấp đôi tần số giảm công suất nhận được đi 6 dB. Lưu ý rằng đây là tất cả các yếu tố lý tưởng phụ thuộc vào truyền dẫn tầm nhìn trực tiếp giữa hai ăng-ten. Một thiết bị triển khai trong một kịch bản thực tế sẽ gặp phải sự mất mát từ sự hấp thụ, sự lan truyền đa đường và phản xạ, và thậm chí là thời tiết. Do đó, hãy chắc chắn xem xét một biên độ an toàn thực tế cho hệ thống của bạn để tính đến khả năng giới hạn phạm vi. Các Thông số Quan Trọng cho Bộ Chipset Sub-GHz Trong khi phạm vi và tần số truyền dẫn là những yếu tố quan trọng trong việc thiết kế thiết bị IoT sub-GHz, có một số thông số khác cũng nên được xem xét trong những thiết kế này. Tiêu Thụ Năng Lượng Các sản phẩm không dây sub-GHz (và mọi sản phẩm không dây khác) sẽ không có một thông số kỹ thuật phạm vi cụ thể, hoặc nếu có thì chỉ là một ước lượng. Chúng sẽ có một giá trị công suất đầu ra cho một dòng điện cụ thể được chỉ định là một giá trị EIRP (công suất phát sóng đẳng hướng tương đương, đơn vị là dBm). Một ăng-ten có định hướng/gain lớn hơn 1 có thể được sử dụng cho việc truyền dẫn hướng và có thể được sử dụng để giảm tiêu thụ năng lượng cần thiết để truyền dữ liệu. Tổng tiêu thụ năng lượng của hệ thống có thể được giảm thêm bằng cách sử dụng một hệ thống có dòng điện chờ thấp, các chế độ tiết kiệm năng lượng và bộ hẹn giờ đánh thức. Với tất cả những yếu tố này, tiêu thụ năng lượng có thể được tối thiểu hóa, và các thiết bị có thể được thiết kế để có tổng thời gian sử dụng hữu ích hơn 10 năm với một pin đồng xu. Độ Nhạy của Bộ Nhận

Như đã đề cập ở trên, độ nhạy của bộ thu và tần số truyền sẽ quyết định phạm vi hệ thống. Các kênh có băng thông lớn hơn sẽ yêu cầu bộ thu nhạy hơn, có thể hạn chế phạm vi trong liên kết dưới GHz của bạn. Để bù đắp cho điều này có thể yêu cầu tăng công suất truyền, hạn chế phạm vi, sử dụng tốc độ dữ liệu thấp hơn, hoặc có thể chuyển sang một giao thức khác cho ứng dụng của bạn. Lợi ích/góc hướng của ăng-ten cũng đóng một vai trò ở đây và có thể bù đắp cho độ nhạy thấp bằng cách cung cấp truyền dẫn hướng giữa các thiết bị trên mạng.

Xem xét về Modulation và Sự Đồng Tồn

Giống như một số phần của giao thức băng ISM có thể gặp phải thách thức về sự đồng tồn, các băng tần dưới GHz cũng có thể gặp phải sự can thiệp giữa các kênh. Các giao thức dưới GHz thường sử dụng các phương thức điều chế keying (FSK, ASK, OOK, v.v.). Trong một số trường hợp, các cơ chế phổ lan truyền được sử dụng để tăng băng thông kênh, hoặc bằng cách mã hóa dữ liệu vào tốc độ bit cao hơn hoặc với một phương thức như phổ lan truyền nhảy tần (FHSS). Một ví dụ cho thấy việc tăng tốc độ dữ liệu được sử dụng để tăng băng thông cho một công suất truyền trung bình nhất định được hiển thị bên dưới.

Khái niệm truyền dẫn phổ lan. Bằng cách lan truyền dữ liệu truyền (màu xanh) thành mã hóa bitrate cao hơn (màu đỏ), bộ thu có thể chống lại các nguồn can thiệp tiềm ẩn.

(Alt text: Truyền dẫn phổ lan)

Tín hiệu phổ lan ít bị can thiệp hơn, nhưng các mạch truyền và nhận ở các thiết bị cuối cần có băng thông cao hơn để chứa sự lan truyền công suất này qua băng thông kênh. Việc triển khai FHSS sẽ yêu cầu thêm kiểm tra để đảm bảo tuân thủ EMC và nó sẽ yêu cầu các thiết bị tương thích với độ nhạy bộ thu đủ trên mỗi đầu. Trong một số thiết bị, một mô-đun transceiver chuyên dụng có thể là lựa chọn tốt nhất để cung cấp đủ độ nhạy để nhận tín hiệu phổ lan.

Lựa chọn Radio và Transceiver dưới GHz

Nói ngắn gọn, có hai cách cơ bản bạn có thể tích hợp radio dưới GHz vào một sản phẩm mới và đưa nó vào mạng IoT tầm xa:

Sử dụng một bộ xử lý bao gồm khả năng không dây dưới GHz tích hợp trên chip
Sử dụng một transceiver dưới GHz bên ngoài tương thích với bộ điều khiển chủ của hệ thống bạn
Thêm một mô-đun không dây chứa tất cả các phụ kiện cần thiết và

Tùy thuộc vào nhu cầu của hệ thống bạn cần thực hiện, mỗi lựa chọn đều khả thi vì có nhiều thành phần thuộc cả hai loại. Hai lựa chọn đầu tiên sẽ yêu cầu một chút nỗ lực hơn nếu bạn chưa bao giờ thiết kế những thứ như bộ lọc, đường dẫn, ăng-ten, hoặc các thiết bị RF nói chung. Tuy nhiên, có các dòng sản phẩm tích hợp cao từ nhiều nhà cung cấp hỗ trợ nhiều băng tần dưới GHz; một số lựa chọn xuất sắc được hiển thị bên dưới.

Microchip, ATSAMR30M18A-I

Module không dây ATSAMR30M18A-I dưới GHz từ Microchip hoạt động như một MCU bao gồm một bộ phát sóng tuân thủ IEEE 802.15.4 với ăng-ten tích hợp. Module SMD có viền này bao gồm một MCU ARM Cortex-M0+ với bộ nhớ Flash tích hợp 256 KB, cũng như một bộ thu phát tích hợp cho băng tần ISM 700/800/900MHz. Là một SiP dễ sử dụng, nó cũng bao gồm một số tính năng tiêu chuẩn mà người dùng mong đợi ở MCU, chẳng hạn như ADC 12-bit 350 ksps, I2C hoạt động lên đến 3.4 MHz, giao diện USB 2.0, và 16 GPIO. Nó yêu cầu một ăng-ten bên ngoài; bảng dưới đây bao gồm danh sách các ăng-ten được chấp thuận, mặc dù các ăng-ten khác có thể được sử dụng nếu chúng có thông số kỹ thuật tương tự và vượt qua các bài kiểm tra.

NXP Semiconductor, OL2385AHN

Bộ thu phát không dây đa băng tần OL2385AHN từ NXP Semiconductor có một lõi MCU tích hợp hỗ trợ nhiều băng tần dưới 1 GHz (160 đến 960 MHz). Thiết bị này là một bộ thu phát tích hợp cao với bốn phạm vi tần số có thể chọn hỗ trợ nhiều lược đồ điều chế (400 kbps/200 kbps FSK, ASK, và OOK). Trên bo mạch, một bộ điều khiển chủ có thể giao tiếp với thiết bị này qua giao thức SPI, UART, hoặc UART tương thích với giao thức LIN. Một số lĩnh vực ứng dụng chính được nhắm đến với thành phần này bao gồm LPWAN cho các sản phẩm cơ sở hạ tầng thông minh, công nghệ nhà thông minh, giao tiếp M2M, và mạng cảm biến.

Sơ đồ khối bộ phát sóng radio NXP OL2385AHN. [Nguồn: (Alt text: Thiết kế dưới GHz)

Texas Instruments, MCU không dây SimpleLink (CC13xx và CC430F51xx)

Dòng sản phẩm MCU không dây SimpleLink từ Texas Instruments là một trong những sản phẩm yêu thích của tôi để phát triển các sản phẩm IoT mới hoạt động trong các băng tần dưới 1 GHz. Một số thành phần trong dòng sản phẩm này cũng hỗ trợ nhiều băng tần ISM, WiFi, Bluetooth, và các băng tần khác từ 1 đến 2 GHz. Dòng sản phẩm này bao gồm một số MCU được chứng nhận cho các sản phẩm ô tô. Các sản phẩm trong dòng SimpleLink hỗ trợ các giao thức dưới 1 GHz sau:

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

Nếu bạn đang sử dụng các sản phẩm khác trong danh mục TI, bạn sẽ thấy dễ dàng phát triển một ứng dụng với sự hỗ trợ SDK của TI cho các sản phẩm này và các thiết bị ngoại vi cho nền tảng IoT của bạn. Các MCU này cũng giao tiếp với bất kỳ ASIC ngoại vi nào qua các giao diện số tiêu chuẩn, mang lại cho các nhà thiết kế nhiều linh hoạt để xây dựng các nền tảng IoT mới.

Tương lai của IoT dưới GHz

Mọi người tiếp tục tập trung vào WiFi, Bluetooth và 5G chỉ vì chúng quá phổ biến trong không gian tiêu dùng, nhưng dải tần dưới 1 GHz không đi đâu cả và sẽ tiếp tục là trụ cột tiết kiệm năng lượng cho các mạng IoT. Khả năng truyền dẫn xa, tiêu thụ năng lượng thấp và dễ dàng triển khai quá tốt để bỏ qua, và không có lý do gì để góp phần làm tăng thêm sự tắc nghẽn trong ISM hoặc mạng di động trong các ứng dụng có tốc độ dữ liệu thấp liên tục. Một số thành phần mà các nhà thiết kế hệ thống cần trong nhiều ứng dụng dưới 1 GHz rơi vào các danh mục sau:

Nếu bạn đang phát triển một giải pháp tùy chỉnh có thể hỗ trợ một loạt các tần số hoặc giao thức có thể, như radio được định nghĩa bằng phần mềm, bạn sẽ cần một số thành phần bổ sung để xây dựng phần đầu RF của mình:

Khi bạn cần tìm thành phần cho thiết kế hệ thống không dây dưới 1 GHz tiếp theo của mình, hãy sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá cả của nhà phân phối cập nhật, hàng tồn kho và thông số kỹ thuật của bộ phận, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các thành phần bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.