多协议远距离低功耗IoT网关硬件设计

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，研究方向：无线通讯、射频电路设计和物联网;邱满刚，男，助理工程师，研究方向：物联网、智能控制、无线通信技术应用。

摘要：针对IoT网络应用中同时存在Zigbee、BLE、Wireless M-Bus、 6LoWPAN等多个标准的情况下，提出一种多协议远距离低功耗IoT网关硬件设计方案。网关采用NXP的KW41Z和TI的CC1310两款多协议无线SoC芯片为核心搭建硬件平台，增加了SKYWORKS的SKY66112-11和SKY66115-11功率放大器前端模块。网关可以实现云端服务器和IoT网络的互联互通。测试结果表明，该网关具有很好的无线连接性能，非常适合多标准协议下的IoT网络应用。

0 引言

　　IoT (Internet of Things，物联网)是目前发展很快的一种网络通信技术。IoT应用架构自下而上包括感知层、网络层和应用层。感知层由大量的传感器节点构成，传感器节点采集数据并通过无线传输技术(WiFi、BLE、Zigbee等)传递数据。传输层通过现有的2G/3G/4G，有线宽带等通信技术，拓展感知层数据传输的距离。应用层主要负责对数据进行分析处理，提供用户应用接口。IoT网关的主要作用就是完成感知层和网络层之间的协议转换，将传感节点的数据可以通过互联网传输到后台服务器。由于现有的低功耗传感节点大多采用的是Zigbee和BLE等标准的通信协议，为了实现不同协议的传感节点之间进行数据交换，需要一种多协议的IoT网关。

1 系统方案

　　本文提出一种低功耗多协议远距离IoT网关，采用了SoC射频芯片方案设计，可以完成多种IoT协议网络的融合。该网关可以支持BLE、Zibgee、6Lowpan和Sub-1GHz私有协议等，不同协议的传感器之间可以直接或间接进行数据交换。本方案设计的低功耗IoT网关可以采用电池供电，因此取消了传统的高能耗WiFi连接方式。由于传感器网络数据量都很小，因此我们可以采用低速网络进行数据传输。图1为低功耗多协议远距离IoT网关总体架构。

   图1中IoT网关在整个系统总起到中心桥梁作用，网关可以同时支持BLE和Zigbee两种通用的2.4 GHz协议，也可以同时处理Sub-1GHz的通信协议，各个IoT节点数据都可以通过网关转发和交互。Zigbee节点或者BLE节点可以发送数据到网关，通过网关将传感器数据封装成TCP/IP数据包，通过以太网发送到云端服务器。远程用户可以通过PC或者移动终端向服务器获取数据，可以通过云端服务器将控制数据发送给网关，再由网关发送到相应的传感器节点。

　　多协议IoT网关不仅可以实现上述远程的数据处理，还可以进行本地化数据交换。例如BLE节点节点可以发送数据和控制命令到网关，再由网关进行协议转换，发送到Zigbee节点进行数据交换。这个交换不再需要通过云端服务器，在没有网络连接到云端的时候，也可以进行区域内的IoT网络通信。目前手机都已经支持BLE低功耗蓝牙通信，手机也可以不连接到云端服务器，直接通过BLE通信接口连接到网关，通过APP软件跟传感器节点进行交互。

　　在布线不方便的应用现场，IoT网关可以采用电池供电。远距离情况下，可以通过Sub-1GHz信道进行多个网关级联。多级连接后，最后通过有线网络连接到云端服务器。极大地拓展了应用范围。

2 硬件设计

　　为了降低系统成本和体积，本文采用了SoC射频芯片解决方案。采用了NXP最新的KW41Z^[1]芯片完成2.4 GHz频段协议处理，使用TI的CC1310[2]芯片完成Sub-1GHz频段协议处理。采用WIZnet公司的硬件网络协议栈W5500[3]完成以太网数据传输。

　　2.1 KW41Z电路设计

　　KW41Z是NXP公司推出的一款超低功耗、高集成度的SoC射频芯片，硬件同时支持Bluetooth Low Energy (BLE) v4.2和IEEE® 802.15.4物理层。采用48 MHz ARM Cortex-M0+内核，高达512 KB闪存和128 KB SRAM。接收灵敏度(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，电路结构简单。

　　2.4 GHz频段信号受到环境影响较大，因此需要增大发射功率和接收灵敏度。本文选择Skyworks公司的SKY66112-11[4]功放芯片。该芯片可以提供最大21 dBm输出功率，8dB接收增益。内部集成收发切换射频开关，支持两路天线输出。工作频率范围为2.4 GHz~2.45 GHz，供电电压为1.8~3.6 V。

　　KW41Z射频电路设计如图2所示，我们采用DC-DC电源工作模式。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电路提供工作电源，VDD_RF(32，35，36脚)连接到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，外部需要接一个低通滤波器(C8、C9和L2)，降低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，由于SKY66112-11芯片输入和输出端口都是50Ω，KW41Z的输出可以直接接RF_IN(21脚)。VCC1(16脚) 和VCC2(14脚)是内部PA和LNA供电需要单独走线，每个引脚单独添加退偶电容。CRX(2脚)、CTX(17脚) CPS(15脚) 、CSD(3脚) 和ANT_SEL(4脚)是逻辑控制脚，接KW41Z的I/O引脚。ANT1(8脚) 通过低通滤波器接内部PCB天线，ANT2(6脚)通过低通滤波电路到SMA座子，接外部棒状天线。

　　2.2 CC1310电路设计

　　CC1310是TI公司推出的sub-1GHz的SoC射频芯片。该芯片支持多个物理层标准，Wireless M-Bus, IEEE 802.15.4g和自定义标准。非常适合做多协议网关应用。CC1310内部集成了强大的48MHz ARM Cortex-M3微控制器和专用无线控制器(ARM Cortex-M0)，128 KB Flash和20 KB RAM。最大输出功率15 dBm,杰出的接收性能在长距离模式可达到-124 dBm的接收灵敏度。CC1310集成度非常高，仅需很少的外围器件就可以工作。

　　为了适应不同的工作环境，需要在外部增加PA放大器，增大传输距离。本文选择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，工作频率为400 MHz~510 MHz，工作电压为2.5~3.6 V，最大输出功率为+20 dBm。