安全和訪問控制是物聯網系統設計人員關注的兩個關鍵領域，但實施成本存在重大挑戰。本文著眼于使用sub-GHz ISM頻段（如Z-Wave）設計安全無線接入控制系統的選項，以降低成本。

未經調節的ISM（工業，科學，醫療）無線樂隊在各種應用中都非常受歡迎。歐洲868 MHz和美國915 MHz的sub-GHz頻段特別受歡迎，主要是因為實施成本相對較低。

在這些頻段運行具有許多優勢，從范圍開始。這些RF頻段的穿透速度明顯長于2.5 GHz和5 GHz的更高ISM頻段，這為設計人員提供了更多的門禁系統開發選擇。

由于使用較少的電源來建立鏈接，因此可以交換更長的范圍以延長電池壽命。試圖在范圍的最遠處或通過門或墻建立鏈接可能需要更多的功率。限制范圍可以延長電池壽命，或者允許更小的電池使用更短的范圍，從而減小整個系統的尺寸和成本。最新的射頻設計技術和制造技術也在這些頻率上得到了很好的建立。這意味著可以將低成本CMOS技術用于收發器，從而增加單個器件中元件的集成度并進一步降低成本。由于這些收發器中的許多收發器也可用于在相同ISM頻段中運行的簡單無線傳感器設計，因此還具有可進一步降低成本的規模優勢。

然而，也有缺點。這些樂隊非常受歡迎，因此特別擁擠。這意味著必須更多地關注其他系統的干擾。這可能意味著必須在信道上具有更寬的保護頻帶或必須實現跳頻協議，這在過去是不必要的。對于必須安全的系統開發人員來說，這也是一個挑戰，例如訪問控制和樓宇自動化，以防止意外干擾和故意篡改。較長的范圍帶來了巨大的好處，但是截獲信號的風險也在增加。這些可以被解碼以提供訪問代碼，或者被復制和重新廣播。此副本既可以用作中間人攻擊，也可以用于訪問更廣泛的系統，或者在以后重新廣播以允許入侵者進入。

這導致了需要將其他安全技術（例如加密和一次性代碼）添加到相對簡單的系統設計中。

一些組件供應商，如Sigma Designs和Semtech，已經在這些ISM頻段開發了自己的協議，以應對訪問控制和篡改的挑戰，但仍然有低成本，低功耗，遠程可用于從頭開始構建此類系統的收發器，以封裝開發人員自己的專業知識和知識產權。

Silicon Labs的Si4455是一款采用20引腳3 x 3 mm封裝尺寸的sub-GHz收發器，可以與低外部材料清單（BOM）數量相結合，既節省空間又具有成本效益。 +13 dBm輸出功率和-116 dBm的靈敏度允許更長的工作范圍，而18 mA TX（10 dBm），10 mA RX和40 nA待機的低電流消耗可實現電池壽命的折衷，電池尺寸和范圍。

圖1：Silicon Labs的Si4455提供3 x 3 mm封裝的收發器。

通過完全集成天線的所有組件對于GPIO或SPI接口，收發器很容易設計到系統中，并且所有包處理包括前同步碼，同步字檢測和CRC都由芯片處理，以進一步簡化開發。 Silicon Labs的無線開發套件（WDS）用戶界面軟件為此提供了幫助，該軟件以易于使用的格式為廣泛的應用程序提供簡化的編程選項，從而實現更快，更低風險的開發。雖然最大數據速率為500 Kbit/s，但即使必須使用額外的一次性代碼和加密，這對于訪問控制系統來說也是足夠的。

然而，并非所有組件（如晶體振蕩器，電源控制器或巴倫濾波器）都可以集成到硅片中，因此模塊可以快速簡便地將無線元件添加到訪問控制設計。 Microchip表面貼裝收發器模塊的MRF89XAM9A集成了晶體，內部穩壓器，匹配電路和PCB天線。

圖2：Microchip的MRF89XAM9A結合了訪問控制硬件所需的所有元素。

使用集成模塊設計釋放開發人員通過廣泛的射頻和天線設計以及法規遵從性測試，縮短了產品上市時間。這允許開發人員將模塊放置在成品內，并且不需要對有意的散熱器或RF發射器進行監管測試。但是，為了保持一致性，美國和加拿大必須考慮特定的設置。

在完全測試的模塊中實現硬件，軟件開發變得更加重要。 MRF89XAM9A模塊與Microchip的MiWi開發環境軟件堆棧兼容。軟件堆棧可以免費下載，包括源代碼，并允許快速構建系統。

其他供應商已將自己的協議集成到收發器中，為訪問控制提供強大的鏈接。

Semtech的SX1232是一款完全集成的ISM頻段收發器，專為歐洲868 MHz頻段使用而優化和美國的915 MHz頻段，外部元件最少。它在處理FSK，GFSK，MSK，GMSK和OOK調制的所有操作模式中提供高鏈路預算和低電流消耗的組合。 143 dB鏈路預算通過低噪聲CMOS接收器前端和高達+20 dBm的發射輸出功率實現。提供一對內部功率放大器，允許完全調節操作以獲得恒定的RF性能，或直接電源連接以實現最佳效率。這使得它適用于由堿性電池化學物質供電的應用或使用鋰電池化學物質的長電池應用，具體取決于訪問控制的使用案例要求。

SX1232包括數據包引擎和頂級音序器可以與64字節FIFO一起使用，以自動完成數據包傳輸，接收和確認的整個過程，而不會產生許多具有片上MCU的收發器常見的功耗損失。該集成將外部BoM降低為無源去耦和阻抗匹配元件，使其適用于在器件的整個工作范圍內需要穩定且恒定的RF性能且低至1.8 V的門禁控制應用。

圖3：Semtech專門設計了SX1232，以實現可靠射頻連接的大鏈路預算。

SX1232適用于要求高靈敏度和低接收的應用當前。將數字狀態機與RF前端耦合，能夠在5 x 5 mm QFN 24引腳封裝中提供143 dB的鏈路預算（-123 dBm靈敏度和20 dBm Pout）。針對sub-GHz ISM頻段中使用的低調制指數和窄頻帶操作，故意優化低IF架構。一對sigma-delta ADC處理來自低IF的數據轉換，所有后續信號處理和解調都在數字域中執行。數字狀態機還控制自動頻率校正（AFC），接收信號強度指示（RSSI）和自動增益控制（AGC）。

Sigma Designs將其Z-Wave收發器和控制器組合成一個系統級封裝（SiP）模塊。 ZM5101在單個8 mm x 8 mm模塊內集成了Z-Wave SD3502 SoC（內置微控制器和Z-Wave RF收發器），晶體和無源RF組件，適用于小尺寸，單個微控制器產品，如訪問控制。它提供高達100 kbit/s的數據速率，128 kB閃存和16 kB SRAM代碼，以及硬件輔助頻率捷變，使模塊能夠從嘈雜的通道切換到其他三個通道，無需通信或軟件開銷。 1μA的極低睡眠電流滿足了對更長電池壽命的不斷增長的需求，而128位AES引擎則支持加密鏈路的需求。

這可以通過Z-Wave協議實現，該協議已在應用層定義，并通過使用ITU-T G.9959 PHY和MAC的綜合認證計劃實現，該協議是由國際標準維護的Z-Wave聯盟。它使用低功耗的sub-1 GHz RF協議，并在網狀拓撲中工作。

這樣做的主要好處是互操作性內置于應用層，因此可以使用各種各樣的設備。這樣可以更輕松地構建連接到其他設備（如PC，平板電腦或智能手機）的安全訪問控制系統。網絡的網格元素意味著Z-Wave網絡中的每個設備都可以將信號中繼到其他設備，這使得網絡可以容易地擴展并且使用更多連接的設備變得更加健壯。最多232個Z-Wave設備可以連接到Z-Wave集線器。 Z-Wave是家庭和小型企業的理想選擇。

該協議還通過Z-Ware IP網關參考設計擴展到網絡。這允許每個Z-Wave設備（例如鎖或訪問控制器）具有唯一的IP地址，并且可以支持具有IP功能的應用程序。然后，ZIPR IP網關處理Z-Wave和Z-Wave for IP之間的所有通信，其方式與家庭路由器處理家庭PC和Internet之間的通信類似。

結論

sub-GHz ISM頻段的接入控制設計有多種選擇。從超低功耗單收發器到標準模塊，再到專有協議，設計人員可以利用各種射頻鏈路，通過廣泛的功能來縮短產品上市時間，降低設計復雜性，延長電池壽命和性能