2022年物联网中的SubGHz无线通信技术 .pdf

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1、芯在路上物联网中的Sub-GHz 无线通信技术王志杰2015/6/19 跟随芯片发展的脚步,追寻产品发展的轨迹,探索市场发展的趋势,记录工作中的所见所闻所思所想,与芯同行芯在路上版权所有，翻版必究名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 15 页 -目录1概述.12无线技术发展动态.32.1 Wi-Fi.32.2 ZigBee.32.3 Z-wave.42.4 LoRa.42.5 IPv6/6LoWPAN.53Sub-GHz市场应用.64MCU 资源需求 .65应用功能框图.86ST MCU产品推荐.97常见无线产品厂商.10名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第

2、 2 页，共 15 页 -王志杰2015 年 06 月1/141 概述在物联网互联互通的连接应用中，一般有两种连接方式：有线和无线。有线连接常见的有：RS485、Ethernet、CAN、Modbus 等等；无线连接常见的有WiFi、Bluetooth、ZigBee等。每种技术都有其使用适合的应用场合。在物联网的无线通信中，小于1GHz频段称为“Sub-GHz”，比较适合于传输距离远、低功耗、低数据速率、传输数据量少的应用。Sub-GHz在不同国家或地区频段有所不同：无线通信技术2.4GHz 蓝牙,Wi-Fi,Zigbee,WLAN,ANT.Sub-GHz Zigbee,WiFi/802.11

3、ah,6LowPAN/IPv6,Z-Wave.北美：902 928 MHz 韩国：917.5923.5MHz 欧洲：863 870 MHz 中国：779 787 MHz 中国：470-517MHz（国家电网计量频段）日本：916.5927.5MHz 新加坡：866869MHz,920925MHz 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 15 页 -王志杰2015 年 06 月2/14下面是几种常见无线通信技术的比较：ZigBee Sub-GHz Wi-Fi Bluetooth IEEE 标准802.15.4 802.15.4g/c 802.11 802.15.1 电池寿命

4、（天）1001000+1000+0.55 17 数据传输速率（Kbits/s）20250 0.51000 11000+720 传送范围（米）1100+17000+1100+110+*数据来自于网络，仅供参考IEEE 802.15.4 各版本及说明：IEEE 802.15.4 版本细节说明IEEE 802.15.4-2003 This was the initial release of the IEEE 802.15.4 standard.It provided for two different PHYs-one for the lower frequency bands of 868 an

5、d 915 MHz,and the other for 2.4 GHz.IEEE 802.15.4-2006 This 2006 release of the IEEE 802.15.4 standard provided for an increase in the data rate achievable on the lower frequency bands.This release of the standard updated the PHY for 868 and 915 MHz.It also defined four new modulation schemes that c

6、ould be used-three for the lower frequency bands,and one for 2.4 GHz.IEEE 802.15.4a This version of the IEEE 802.15.4 standard defined two new PHYs.One used UWB technology and the other provided for using chirp spread spectrum at 2.4 GHz.IEEE 802.15.4c Updates for 2.4 GHz,868 MHz and 915 MHz,UWB and

7、 the China 779-787 MHz band.IEEE 802.15.4d 2.4 GHz,868 MHz,915 MHz and Japanese 950-956 MHz band.IEEE 802.15.4e This release defines MAC enhancements to IEEE 802.15.4 in support of the ISA SP100.11a application.IEEE 802.15.4f This will define new PHYs for UWB,2.4 GHz band and also 433 MHz IEEE 802.1

8、5.4g This will define new PHYs for smart neighbourhood networks.These may include applications such as smart grid applications for the energy industry.It may include the 902-928 MHz band.*上述标准中，IEEE 802.15.4c专为中国而设的物联网标准。在 IEEE Std 802.15.4c?-2009 中规定的频带和数率：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 15 页 -王志杰20

9、15 年 06 月3/142 无线技术发展动态物联网的发展催生了一些新需求，也促进了技术的新发展。无线通信技术正向着联网和网络化方向演进。无论是那种无线技术，殊路同归，总是把一些电子产品连接到网上。2.1 Wi-Fi 现在 Wi-Fi 应用越来越普及，网络提速越来越高，要求Wi-Fi 速度也就越来越快，基于802.11ac 产品将会带来更快的传输速度。而在一些嵌入式应用中，需要连接Wi-Fi 上网的智能设备或物联网设备遇到了功耗的问题，在802.11ah 标准中将会得到解决。未来的Wi-Fi技术将会向高速率和低速率两个方向发展以满足不同的需求。尚在制定中的IEEE 802.11ah标准会采用9

10、00MHz 的 Sub-GHz频段，速率为 100K40Mbps，这样会大大降低WiFi 的功耗，必将会扩展WiFi 产品的应用范围，大大助推了物联网的应用。IEEE 802.11ah预计 2016 年会完成，相关的标准参与机构有：Motorola Mobility、NEC、CSR、ETRI、Intel、Broadcom、Huawei、Qualcomm、Marvell、Samsung等2.2 ZigBee ZigBee Alliance 统整此前的 ZigBee Pro 发布了 ZigBee 3.0，并在新标准中纳入ZigBee IP。低速率IEEE 802.11ah 频段 900MHz 速率

11、 100Kbps40Mbps 高速率802.11ac/ad ac频段 5GHz，ad频段 60GHz 最高速率：ac 6.93Gbps,ad 6.76Gbps 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 15 页 -王志杰2015 年 06 月4/14ZigBee针对不同的行业应用有不同的协议，数量多认证复杂也限制了其发展，此次整合有利于未来的发展。ZigBee联盟还与Thread 合作，在其网络架构上实现ZibBee 应用层协议。ZigBee分配了 Sub-GHz的频段，发展较早，产品应用范围广，基于IPv6的 ZigBee IP 在无线低功耗低成本无线网络方面有更好的发展

12、前景。南京物联传感技术有限公司（物联传感）加入ZigBee联盟董事会，这有助于ZigBee 技术在中国的发展。2.3 Z-wave 由丹麦公司Zensys主导的 Z-Wave是一种面向低功耗、低成本、短距离的无线通信技术。其数据传输速率为9.6 kbps，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m。据了解，有100 多家公司加入了Z-Wave 联盟。Z-Wave 在中国的影响远没有ZigBee大。2.4 LoRa 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 15 页 -王志杰2015 年 06 月5/14IBM 发布了远距离无线IoT 解决方案-LRSC（Long-

13、Range Signaling and Control），并与Semtech 合作推出了LoRa技术。LORA是把频谱扩散通信技术与GFSK调制技术融合在一起的技术。LoRa 传输速率每秒300bits 至 50kbits 之间，最大RF输出功率为+20dBm，信号接收灵敏度为-146.5dBm，传输距离长达20km，支持 WMBus、IEEE 802.15.4g（SUN）、FCC 15.247、ARIB T96/108、EN 300-220 等标准。Semtech 推出的 SX1278产品主要面向中国市场，支持的频带为470MHz510MHz。LoRa联盟成员包括Actility、思科、Eo

14、lane、IBM、Kerlink、IMST、MultiTech、Sagemcom、Semtech、微芯、Bouygues、KPN、SingTel、Proximus、Swisscom、FastNet。其中有不乏的电信运营商。电信运营商的加入会为LoRa带来什么呢？城市基站建设点会越来越少，物联网建设越来越多，越来越多的设备连到网络上，这需要网络足够的容量。LoRa技术可作为3G/4G 等运营商有益的补充，广泛部署，部署成本也低，可以满足长距离低功耗无线通信的需求。电信运营商也可以借助共同的LoRa 技术构建高度的互通性。2.5 IPv6/6LoWPAN IPv4 地址已将用尽，IPv6 是发展的

15、必然，而基于IPv6 的无线化将会摆脱有线的束缚，为无线的应用创造了无限的可能。6LowPan 是基于 IPv6 的低速无线个域网标准，即 IPv6 over IEEE 802.15.4。6LoWPAN是基于 IPv6的低速无线个域网标准，在 IEEE 802.15.4基础上实现了精简的IPv6 协议。6LoWPAN 特点是低功耗、自组网等，是物联网中的重要发展的新技术。在网络中，每个电子设备将会有一个唯一的地址，或可成为“网络身份证”。这必将对物联网的发展带来深刻的影响。蓝牙4.2 版本支持IPv6/6LoWPAN，其成本比WiFi 要便宜。ZigBee IP 也将支持IPv6/6LowPA

16、N。IP化的无线网络是无线联网技术发展的重要方向。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 15 页 -王志杰2015 年 06 月6/143 Sub-GHz市场应用下面是 Sub-GHz的一些应用场景：4 MCU 资源需求在 Sub-GHz 的应用中，不同的场景或应用有不同的资源需求。市场应用无线网络传感网络智能家居无线抄表遥控遥测车辆管理照明控制智能电网和计量楼宇控制环境监控工业自动化设备无线报警安全系统名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 15 页 -王志杰2015 年 06 月7/14MCU 未来发展趋势从技术发展的趋势来看，SOC 是一个发

17、展的方向。MCU+Sub-GHz无线通信技术可以简化设计并可扩展灵活的应用。未来的 SOC 将会成为智能的传感节点，组成无线传感网络，成为物联网的一部分，功能框图示意图如下：32位超低功耗微控制器FLASH:64KB RAM:16KB GPIO:=48 外设:ADC,UART,I2C,SPI 超低功耗安全：AES-128 8位超低功耗微控制器FLASH:=8KB RAM:=2KB GPIO=32 外设：ADC 超低功耗安全：AES-128 32位通用微控制器USB Ethernet SPI USART 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 15 页 -王志杰2015 年

18、 06 月8/145 应用功能框图节点端功能框图服务端功能框图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 15 页 -王志杰2015 年 06 月9/146 ST MCU产品推荐ST MCU超低功耗系列产品STM8L系列STM32L0系列STM32L1系列STM32L4系列名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 15 页 -王志杰2015 年 06 月10/14STM32 通用产品系列：7 常见无线产品厂商STM32F2：USB&Ethernet STM32F4:USB&Ethernet&TFT Controller STM32F7,Cortex M

19、7,高性能 MCU,+TFT controller ，200 MHz-428 DMIPS-1000 CoreMark 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 15 页 -王志杰2015 年 06 月11/14各厂商产品主要参数接受灵敏度可编程输出功率SPIRIT1/ST-120dBm 16dBm SX1276-8/Semtech-148dBm 18dBm SI4463/Silicon Labs-129dBm 18dBm A7139/AMI-118 dBm 20dBm CC1120/TI-123 dBm 16dBm AX5043/AXSEM-126 dBm 15dBm A

20、DF7021/ADI-130 dBm 16 dBm Sub-GHz ST Semtech Freescale Sillcon Labs AMICCOM TI ADI AXSEM 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 15 页 -王志杰2015 年 06 月12/14名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 15 页 -王志杰2015 年 06 月13/14免责声明本文来源于网络和本人的一些整理。对于本文中的错误或不当之处，本人不承担任何的责任。对于内容或软件的更改、修正，本人也不承担通知的义务。本人不会对任何原因造成的特殊的、偶然的或间接地损坏负责。对于使用所出现的任何结果或效果，本人不承担任何的责任。本文仅供参考。未经本人同意，不得用于任何的商业目的或用途。版权?2014 王志杰Q-Q-4-1-1-2-3-8-8-6-9 保留所有权利名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 15 页 -