多协议远距离低功耗IoT网关硬件设计

　　CC1310射频电路如图4所示。 RF_N(2脚) 设置为单端模式下LNA接收输入，并且通过匹配电路连接到SKY66115-11的RX(2脚)。L2用于外部偏置电路，C17、L3和C18组成接收匹配电路用于优化接收灵敏度。RF_P(1脚) 设置为单端模式下PA输出，通过C32隔直电容连接到SKY66115-11的TX(4脚)。L5和C27为CC1310到SKY66115-11的之间的阻抗匹配电路，根据不同工作频段选择不同的匹配值。CC1310的DCDC_SW(33脚)内部DC_DC输出，L1和C7组成DC_DC滤波电路，给VDDR(45脚) VDD_RF(48脚)供电。DCOUPL(23脚)需要接1uF退偶电容，离芯片越近越好。X24M_N(46脚) X24M_P(47脚)接外部24MHz晶体，24MHz晶体参数选择CL 5 pF~9 pF，ESR_max<60 ohm，10 ppm频率偏差。负载电容可以选择内部自带的电容阵列，不需要额外的电容。X32K_Q1(4脚) X32K_Q2(5脚)接外部32 kHz低频晶振。

　　SKY66115-11[6]电路非常简单如图5所示，DIO_1(6脚) 和DIO_4(9脚) 分别接SKY66115-11的CTX(16脚) 和CSD(15脚)控制内部开关收发切换和PA模块休眠。SKY66115-11的ANT(12脚)通过一个(C484、C485、C486和L332)低通滤波器连接到天线端口，可以降低输出信号杂散辐射功率。

　　2.3 W5500电路设计

　　有线网络通信部分采用Wiznet公司的太网控制器W5500芯片，W5500芯片集成了TCP/IP协议栈，10/100 M以太网数据链路层(MAC)及物理层(PHY)。内嵌32 KB片上缓存以供以太网数据包临时存储。W5500具有8个互不影响的硬件socket。只需要一些简单的socket编程就能实现以太网应用。这样可以降低对主控制器的性能要求和提高系统稳定性。

　　W5500网络通讯模块电路如图6 所示。其中，P1 选用HR911105A带网络变压器的RJ45 插座，通过网线与网络连接;W5500 正常工作时，需提供3.3 V数字电源给VDD(28 脚)和GND(29 脚);3.3 V 模拟电源，AVDD(4/8/11/15/17/21 脚)对AGND(3/9/14/16/19/48 脚)。

　　模拟和数字电源之间采用LC电路做隔离，去除干扰。W5500 的XI(30 脚)、XO(31 脚)为时钟引脚，共外接25 MHz 石英晶体组成振荡电路;RSTn(37 脚)为复位引脚，低电平有效，和CC1310 I/O 引脚连接，由CC1310控制W5500 进行复位;PMODE2(43 脚)、PMODE1(44 脚)、PMOD0(45脚)为网络工作模式选择引脚，EXRES1(10 脚)为外部参考电阻引脚，外接一个精度为1% 的12.4 kΩ外部参考电阻，为内部模拟电路提供偏压;TOCAP(20 脚)为外部参考电容引脚，外接一个4.7 μF 电容走线尽可能短。W5500提供了SPI(串行外部接口)作为外设主机接口，共有SCS、SCLK、MOSI和MISO 4路信号，连接到CC1310硬件SPI接口。W5500的TXN/TXP和RXN/RXP这两路差分信号分别与网络接口HR911105A中的网络变压器连接。

3 测试结果

　　网关的以太网通信部分测试借助上位机网络调试助手软件如图7所示，W5500硬件协议栈可以很好的完成TCP/IP网络通信。KW41Z和CC1310射频部分调试测试，我们使用的是安捷伦公司的频谱分析仪N9020A和网络分析仪E5071C，罗德&施瓦茨公司的矢量信号源SMJ100A和综测仪CMW270。

　　KW41Z和SKY66112-11部分传导发射功率见表1，在KW41Z输出设置为0 dBm时，SKY66112-11输出功率可以达到20 dBm，此时电路工作电流为96 mA。工作在BLE模式下接收灵敏度可以达到-98 dBm，工作在IEEE802.15.4模式下可以达到-106 dBm。接收模式下电路工作电流小于10 mA。实际户外可视环境下测试，采用外置棒状高增益天线，网关在IEEE802.15.4模式下网关双向通讯距离大于1公里。

　　CC1310和SKY66115-11部分传导发射功率见表2，Sub-1GHz频段我们选择433 MHz中心频率。由于SKY66115-11输入端最大输入功率为10 dBm，因此我们需要控制CC1310的输出功率范围在10 dBm以下。当输出功率寄存器设置为0x1CC时，SKY66115-11输出端口功率可以到达20 dBm，此时电路工作电流为82.4 mA。接收灵敏度测试，CC1310设置为50 kbps 高通信速率模式，接收灵敏度可以达到-106.4 dBm。如果采用低速率和远距离优化模式，通信速率设置为5 kbps，接收灵敏度可以达到-117 dBm。接收模式下电路工作电流小于6.3 mA。实际测选择复杂的城市环境，网关双向通讯距离大于5公里。

4 结论

　　本文针对IoT网络多总协议共存的特点，对多协议IoT网关进行了研究，并给出了详细的硬件设计解决方案。改硬件设计方案比较新颖，采用低成本高集成程度的无线SoC方案，通过对KW41Z和CC1310芯片的射频收发电路设计，较好地解决了IoT网络传感节点数据从采集到云端服务器的双向传输和多种协议IoT传感网共存互通的问题。设计本身考虑到IoT网络的低功耗、低成本、高性能、远距离、施工方便等实际应用特点，具有很好的实际应用价值。随着IoT网络的快速发展，支持多标准协议的IoT网关需求会越来越多。

　　参考文献：

　　[1] NXP.MKW41Z/31Z/21Z datasheet[EB/OL].[2018-3].https://www.nxp.com.

　　[2] Texas Instruments.CC1310 SimpleLink™ Ultra-Low-Power Sub-1GHz Wireless MCU datasheet[EB/OL].[2016-10].http://www.ti.com

　　[3] WIZnet.W5500 Datasheet[EB/OL].[2016-2].http://www.iwiznet.cn/

　　[4] SKYWORKS.SKY66112-11: 2.4 GHz ZigBee/Thread/Bluetooth/Smart Front-End Module

　　datasheet[EB/OL].[2017-3].http://www.skyworksinc.com/

　　[5] SKYWORKS.SKY66115-11: 400 to 510 MHz Front-End Module for Range Extension

　　Applications[EB/OL].[2017-9].http://www.skyworksinc.com/

　　[6] Texas Instruments.CC1310 Skyworks PA 433 MHz 20 dBm Reference Design[EB/OL].

　　[2017-3].http://www.ti.com

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第5期第71页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。