本文著眼于如何使用低于 1 GHz 頻段的超低功耗無(wú)線收發(fā)器和 KNX 協(xié)議在智能家居中實(shí)現(xiàn)自供電網(wǎng)絡(luò)，將能量收集或長(zhǎng)壽命電池用于照明等應(yīng)用和監(jiān)測(cè)。

　　智能家居中低成本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的新興標(biāo)準(zhǔn)為創(chuàng)新設(shè)計(jì)開(kāi)辟了機(jī)會(huì)。借助最新的無(wú)線收發(fā)器和微控制器，可以開(kāi)發(fā)出可以通過(guò)能量收集直接由太陽(yáng)能電池板供電的超低功耗設(shè)計(jì)。

　　開(kāi)發(fā)人員不再使用帶有 2.4 GHz 收發(fā)器的單芯片，而是在 240-960 MHz 的 ISM 頻段中尋找成本更低、功耗更低的收發(fā)器，以及 8 位或 16 位超低功耗微控制器和新的協(xié)議。較低的頻率提供更長(zhǎng)的范圍和更低的功耗，而 KNX 協(xié)議針對(duì)智能家居設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，專注于降低功耗，為自供電設(shè)備和集線器開(kāi)辟了機(jī)會(huì)。

　　KNX 協(xié)議目前用于超過(guò) 70% 的歐洲智能家居設(shè)備，僅在歐洲就估計(jì)超過(guò) 6 億歐元的市場(chǎng)。作為一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，KNX 促進(jìn)了互操作性，節(jié)省了成本，并增強(qiáng)了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員和設(shè)備所有者的靈活性。現(xiàn)在由 KNX 協(xié)會(huì)管理，在歐洲被批準(zhǔn)為 CENELEC EN 50090 或 CEN EN 13321-1，在中國(guó)被批準(zhǔn)為 GB/Z 20965，在美國(guó)被批準(zhǔn)為 ANSI/ASHRAE 135，在全球被批準(zhǔn)為 ISO/IEC 14543-3。

　　KNX 標(biāo)準(zhǔn)（以前稱為 EIB/Konnex）的重點(diǎn)是家庭和樓宇控制。最典型的應(yīng)用領(lǐng)域是照明、百葉窗或加熱和冷卻。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋有線媒體雙絞線、電力線和以太網(wǎng)。在不適合布線的位置，KNX-RF 用于建筑物內(nèi)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。作為完整的 KNX 標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線部分 KNX-RF 獨(dú)立于供應(yīng)商，允許一系列射頻收發(fā)器與不同的微控制器一起使用。這為超低功耗設(shè)計(jì)開(kāi)辟了機(jī)會(huì)。

　　KNX 高級(jí)接口 （KAI） 是 KAI 的主要軟件組件，提供 KNX 設(shè)備所需的完整功能。它包含 KNX 標(biāo)準(zhǔn)所需的所有元素，并通過(guò)了多種不同配置的認(rèn)證。KAI 與 ISO/OSI 參考模型緊密映射，具有清晰的結(jié)構(gòu)，將應(yīng)用相關(guān)部分、模塊化通信堆棧內(nèi)部部分、媒體相關(guān)部分和目標(biāo) CPU 相關(guān)問(wèn)題分開(kāi)（圖 1）。高級(jí)實(shí)現(xiàn)方法允許高效編碼，從而優(yōu)化資源使用。這體現(xiàn)在占地面積小和所需資源適中。使用 KAI 進(jìn)行的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)通過(guò)簡(jiǎn)單的堆?？膳渲眯詼p輕了設(shè)計(jì)過(guò)程中早期決策的負(fù)擔(dān)。

　　圖 1：KNX 高級(jí)接口 （KAI） 參考模型。

　　它有助于提高系統(tǒng)可靠性并提高設(shè)備穩(wěn)定性。KAI 的硬件和軟件組件可以根據(jù)給定的條件進(jìn)行調(diào)整。

　　尋址方案

　　尋址方案基于用于雙絞線的系統(tǒng)架構(gòu)，它使用單個(gè)地址和組地址（每個(gè)地址有兩個(gè)字節(jié)）。單個(gè)地址是單播地址，主要用于配置目的。組地址用于運(yùn)行時(shí)通信，0x0000 保留為廣播地址。

　　由于 RF 是一種類似于電力線的開(kāi)放介質(zhì)，因此添加了域地址（六字節(jié)，可編程）以允許單獨(dú)但相鄰的安裝，并且由于單向設(shè)備無(wú)法編程，它們不能使用特定于安裝的域地址。相反，組電報(bào)包含發(fā)送者的序列號(hào)，序列號(hào)與 2 字節(jié)組地址一起稱為擴(kuò)展組地址。

　　這對(duì)無(wú)線集線器的設(shè)計(jì)有影響。

　　集線器設(shè)計(jì)Texas Instruments

　　的CC1120是一款集成 ISM 頻段收發(fā)器，可與MSP430F2370等微控制器一起使用，為低功耗集線器實(shí)現(xiàn)雙向 KNX 低功耗無(wú)線電鏈路。

　　圖 2：TI CC1120 低功耗 ISM 頻段收發(fā)器。

　　CC1120 可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的 4 線 SPI 兼容接口（SI、SO、SCLK 和 CSn）進(jìn)行配置，其中 RF 芯片是從機(jī)。SPI 接口上的所有地址和數(shù)據(jù)傳輸都以最高有效位在前完成，并且 SPI 接口上的所有事務(wù)都以包含讀/寫位、突發(fā)訪問(wèn)位和 6 位地址的標(biāo)頭字節(jié)開(kāi)始。在地址和數(shù)據(jù)傳輸期間，CSn 引腳（片選，低電平有效）必須保持低電平。

　　4 線接口可以在同步模式下連接到片上 USART，配置為主機(jī)，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) I/O 引腳實(shí)現(xiàn)該接口并將 USART 保存為數(shù)據(jù)接口更為有用。

　　收發(fā)器包含一個(gè)數(shù)據(jù)包處理程序，但由于 KNX-RF 幀的結(jié)構(gòu)不同，無(wú)法使用。這意味著該芯片必須用于同步串行操作，并在微控制器中處理完整的數(shù)據(jù)包編碼和解碼（使用包含曼徹斯特碼）。

　　圖 3：將 CC1120 收發(fā)器連接到 MSP430 微控制器以實(shí)現(xiàn) KNX。

　　由于 CC1120 必須在 NRZ 模式下使用，微控制器必須實(shí)時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)位。為了節(jié)省計(jì)算能力，建議在同步模式下使用 USART 進(jìn)行發(fā)送和接收。這對(duì)于雙向設(shè)備尤其重要。只發(fā)送設(shè)備只能使用標(biāo)準(zhǔn) I/O 引腳進(jìn)行通信；因此，即使是沒(méi)有集成 USART 的微控制器也可以使用。

　　當(dāng)使用為 KNX 協(xié)議指定的芯片速率為 32，768 cps 的 USART 時(shí)，每秒必須評(píng)估或發(fā)送 4，096 個(gè)模式。在接收模式下，USART 采樣的模式不同步，因此軟件必須永久掃描幀的開(kāi)始。

　　收發(fā)器需要自己的晶體來(lái)產(chǎn)生射頻和位時(shí)序，所以物理層的時(shí)序完全由無(wú)線電芯片控制。為了符合 KNX 標(biāo)準(zhǔn)，必須達(dá)到 ±35 ppm 的整體精度。

　　如果應(yīng)用任務(wù)不需要精確的時(shí)序，則可以使用 DCO 頻率為 MSP430 提供時(shí)鐘。所需頻率取決于與 RF 芯片（硬件或軟件 UART）的連接類型以及軟件效率。

　　CC1120 的一個(gè)關(guān)鍵元件是一個(gè)完全集成的小數(shù) N 超高性能頻率合成器，專為出色的相位噪聲性能而設(shè)計(jì)，提供非常高的選擇性和阻塞性能。該系統(tǒng)旨在以最大發(fā)射功率遵守最嚴(yán)格的監(jiān)管頻譜模板。

　　晶體可以連接到 XOSC_Q1 和 XOSC_Q2，或者 TCXO 可以連接到 EXT_XOSC 輸入。振蕩器生成合成器的參考頻率，以及 ADC 和數(shù)字部分的時(shí)鐘。為了降低系統(tǒng)成本，CC1120 具有高精度頻率估計(jì)和補(bǔ)償寄存器，用于測(cè)量和補(bǔ)償晶體誤差，從而能夠使用成本較低的晶體。如果使用 TCXO，CC1120 將在需要支持低功耗模式和喚醒無(wú)線電操作時(shí)自動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉 TCXO。

　　CC1120 還具有高度靈活的接收器。接收到的射頻信號(hào)由低噪聲放大器 （LNA） 放大，并在正交（I 和 Q）中下變頻到中頻 （IF）。在 IF，I/Q 信號(hào)由高動(dòng)態(tài)范圍 ADC 數(shù)字化。先進(jìn)的自動(dòng)增益控制 （AGC） 單元可調(diào)整前端增益，使 CC1120 能夠接收強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)，即使存在強(qiáng)干擾也是如此。這有助于網(wǎng)絡(luò)鏈接在整個(gè)家庭中更有效地工作。高衰減信道和數(shù)據(jù)濾波使接收具有強(qiáng)鄰信道干擾。

　　圖 4：TI KNX 開(kāi)發(fā)板展示了智能家居網(wǎng)絡(luò)實(shí)施可能的小尺寸。

　　I/Q 信號(hào)被轉(zhuǎn)換為相位/幅度信號(hào)以支持 FSK 和 OOK 調(diào)制方案，并且復(fù)雜的模式識(shí)別算法鎖定到同步字，而無(wú)需前導(dǎo)碼穩(wěn)定字節(jié)。因此，接收器建立時(shí)間減少到 AGC 的建立時(shí)間，通常為 4 位。這有助于加快鏈接過(guò)程并將功耗降至最低。

　　先進(jìn)的模式識(shí)別也大大減少了噪聲觸發(fā)錯(cuò)誤同步的問(wèn)題，進(jìn)一步降低了功耗，提高了靈敏度和可靠性。這對(duì)于防止家庭網(wǎng)絡(luò)中的錯(cuò)誤信號(hào)也很重要，家庭網(wǎng)絡(luò)必須可靠且功耗最低。

　　一種新穎的 I/Q 補(bǔ)償算法消除了 I/Q 不匹配的任何問(wèn)題，從而避免了生產(chǎn)或現(xiàn)場(chǎng)中耗時(shí)且昂貴的 I/Q 圖像校準(zhǔn)步驟。

　　發(fā)射器基于射頻頻率的直接合成（環(huán)路調(diào)制）。為了實(shí)現(xiàn)有效的頻譜使用，CC1120 在 TX 中具有廣泛的數(shù)據(jù)過(guò)濾和整形功能，以支持窄帶通道中的高吞吐量數(shù)據(jù)通信。調(diào)制器還控制功率斜坡，以消除驅(qū)動(dòng)外部大功率射頻放大器時(shí)出現(xiàn)的頻譜飛濺等問(wèn)題。

　　無(wú)線電控制和用戶界面

　　CC1120 數(shù)字控制系統(tǒng)圍繞使用內(nèi)部高性能 16 位超低功耗處理器實(shí)現(xiàn)的 MARC（主無(wú)線電控制）構(gòu)建。它處理電源模式、無(wú)線電排序和協(xié)議時(shí)序。

　　一個(gè) 4 線 SPI 串行接口用于配置和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)訪問(wèn)。數(shù)字基帶支持通道配置、數(shù)據(jù)包處理和數(shù)據(jù)緩沖。主機(jī) MCU 可以保持掉電狀態(tài)，直到接收到有效的射頻數(shù)據(jù)包，然后突發(fā)讀取數(shù)據(jù)，大大降低了主機(jī) MCU 所需的功耗和計(jì)算能力。

　　CC1120 無(wú)線電控制和用戶界面基于廣泛使用的 CC1101 收發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)平臺(tái)之間的輕松軟件轉(zhuǎn)換。兩個(gè)平臺(tái)的命令頻閃燈和主要無(wú)線電狀態(tài)相同。

　　增強(qiáng)型無(wú)線喚醒 （eWOR） 使用靈活的集成睡眠定時(shí)器，無(wú)需 MCU 干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接收器輪詢。如果沒(méi)有收到有效的 RF 數(shù)據(jù)包，CC1120 將進(jìn)入接收模式、監(jiān)聽(tīng)并返回睡眠狀態(tài)。睡眠間隔和占空比可以配置為在網(wǎng)絡(luò)延遲和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。傳入消息帶有時(shí)間戳以簡(jiǎn)化計(jì)時(shí)器重新同步。

　　eWOR 定時(shí)器使用超低功耗 32 kHz RC 振蕩器運(yùn)行。為了提高定時(shí)精度，可以以可配置的間隔自動(dòng)校準(zhǔn)到射頻晶體。

　　CC1120 還使用 eWOR 來(lái)支持非?？焖俚膯?dòng)時(shí)間，并且只需要很少的前導(dǎo)碼位，從而再次節(jié)省了功耗。嗅探模式使用它來(lái)顯著降低接收器等待數(shù)據(jù)時(shí)的電流消耗。由于 CC1120 能夠比大多數(shù)前導(dǎo)碼的長(zhǎng)度更快地喚醒和穩(wěn)定，因此在等待數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)不需要連續(xù)處于接收模式。相反，增強(qiáng)的無(wú)線電喚醒功能可用于定期使設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)乃邥r(shí)間，CC1120 將能夠在數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)喚醒并接收數(shù)據(jù)包，而不會(huì)造成性能損失。這消除了發(fā)送器和接收器之間精確定時(shí)同步的需要，并允許用戶在發(fā)送器和接收器之間權(quán)衡電流消耗。

　　根據(jù) KNX-RF 標(biāo)準(zhǔn)，堆棧實(shí)現(xiàn)必須區(qū)分單向和雙向設(shè)備。單向設(shè)備僅包含發(fā)送功能和高度簡(jiǎn)化的通信堆棧。該軟件支持省電模式以延長(zhǎng)電池壽命。因?yàn)閱蜗蜍浖拇a大小只有幾 kBytes，所以可以使用非常便宜的控制器。

　　雙向?qū)崿F(xiàn)同時(shí)具有發(fā)送者和接收者。盡管由于數(shù)據(jù)速率相對(duì)較高，對(duì)接收數(shù)據(jù)的處理是時(shí)間關(guān)鍵的，但仍然可以在接收過(guò)程中檢測(cè)和糾正個(gè)別位錯(cuò)誤。因此，即使在傳輸條件不利的情況下，通信質(zhì)量也非常高。雙向設(shè)備需要一個(gè)完整的通信堆棧，其中還包括用于使設(shè)備投入運(yùn)行的鏈接機(jī)制。

　　STM8 STMicroelectronics

　　的 STM8 系列等其他微控制器也可用于運(yùn)行 KNX 堆棧。STM8L101xx _低功耗系列采用增強(qiáng)型 STM8 CPU 內(nèi)核，提供更高的處理能力（在 16 MHz 時(shí)高達(dá) 16 MIPS），同時(shí)保持 CISC 架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，具有更高的代碼密度、24 位線性尋址空間和針對(duì)低功耗的優(yōu)化架構(gòu)-電源操作。

　　該系列包括一個(gè)帶硬件接口 （SWIM） 的集成調(diào)試模塊，可實(shí)現(xiàn)非侵入式應(yīng)用內(nèi)調(diào)試和超快閃存編程。所有 STM8L101xx 微控制器均具有低功耗、低電壓、單電源程序閃存，允許它們與能量收集電源管理設(shè)備一起使用。

　　STM8L101xx 低功耗系列基于一組模塊化外設(shè)，允許在不同的 ST 微控制器系列（包括 32 位系列）中找到相同的外設(shè)。這使得向不同系列的任何過(guò)渡都變得非常容易，并且通過(guò)使用一組通用的開(kāi)發(fā)工具更加簡(jiǎn)化了。

　　所有 STM8L 低功耗產(chǎn)品都基于相同的架構(gòu)，具有相同的內(nèi)存映射和一致的引腳排列。此外，STMicroelectronics 和 Tapko Technologies 還發(fā)布了適用于 ST 的所有 STM8 和 STM32 微控制器的 KNX 通信堆棧。這一舉措將加快智能建筑系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，用于自動(dòng)照明、供暖和其他有助于提高能源效率和用戶舒適度的環(huán)境控制。

　　連接到收發(fā)器

　　在微控制器上運(yùn)行的 KNX 堆棧也可以與Silicon Labs 的 Si4430/31/32設(shè)備等收發(fā)器一起使用。這些是高度集成的單芯片無(wú)線 ISM 收發(fā)器，允許射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為應(yīng)用選擇最佳無(wú)線部件。Si4430/31/32 是 ISM 無(wú)線收發(fā)器，可在其指定頻段（范圍為 240–960 MHz）內(nèi)連續(xù)調(diào)諧頻率，并受 KNX 支持。1.8-3.6 V 的寬工作電壓范圍和低電流消耗使它們適合電池供電和能量收集應(yīng)用。

　　圖 5：Si4430/31/32 無(wú)線收發(fā)器。

　　Si4430 中的集成可降低 BOM 成本，同時(shí)簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及低成本微控制器。極低的接收靈敏度 （–121 dBm） 與業(yè)界領(lǐng)先的 +20 dBm 輸出功率相結(jié)合，可確保擴(kuò)展范圍并提高鏈路性能。內(nèi)置天線分集和對(duì)跳頻的支持可用于進(jìn)一步擴(kuò)展范圍并提高性能。

　　Si4430 系列提供先進(jìn)的無(wú)線電功能，包括 240–960 MHz 以 156 Hz 或 312 Hz 步進(jìn)的連續(xù)頻率覆蓋，允許精確調(diào)諧控制以及自動(dòng)喚醒定時(shí)器、低電量檢測(cè)器、64 字節(jié) TX/ RX FIFO、自動(dòng)數(shù)據(jù)包處理和前導(dǎo)碼檢測(cè)。所有這些都降低了整體電流消耗，并允許使用低成本的 8 位或 32 位系統(tǒng) MCU，通過(guò)太陽(yáng)能電池板運(yùn)行 KNX 堆棧。集成溫度傳感器、通用 ADC、上電復(fù)位 （POR） 和 GPIO 進(jìn)一步降低了整體系統(tǒng)成本和尺寸。

　　數(shù)字接收架構(gòu)具有高性能 ADC 和基于 DSP 的調(diào)制解調(diào)器，它執(zhí)行解調(diào)、過(guò)濾和數(shù)據(jù)包處理以提高靈活性和性能，但 KNX 數(shù)據(jù)包處理必須由外部微控制器實(shí)現(xiàn)。直接數(shù)字發(fā)射調(diào)制和自動(dòng) PA 功率斜坡可確保精確發(fā)射調(diào)制和減少頻譜擴(kuò)展，確保符合全球法規(guī)，包括 FCC、ETSI、ARIB 和 802.15.4d 法規(guī)。

　　收發(fā)器使用時(shí)分雙工 （TDD），交替發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，在與微控制器的連接中必須考慮這種方法。該器件使用單變頻混頻器將 2 級(jí) FSK/GFSK/OOK 調(diào)制接收信號(hào)下變頻至低 IF 頻率。在可編程增益放大器 （PGA） 之后，信號(hào)由 ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，允許在內(nèi)置 DSP 中執(zhí)行濾波、解調(diào)和切片，從而提高接收器的性能和靈活性。然后，解調(diào)信號(hào)通過(guò)可編程 GPIO 或通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) SPI 總線通過(guò)讀取 64 字節(jié) RX FIFO 輸出到系統(tǒng) MCU。

　　圖 6：將 Si4430 連接到微控制器以處理 KNX 堆棧。

　　由于發(fā)送器和接收器不會(huì)同時(shí)工作，因此發(fā)送和接收模式都使用單個(gè)高精度本地振蕩器 （LO）。LO 由集成的 VCO 和小數(shù) N PLL 合成器生成。該合成器旨在支持 240–960 MHz 之間任何頻率的可配置數(shù)據(jù)速率、輸出頻率和頻率偏差。發(fā)射 FSK 數(shù)據(jù)直接調(diào)制到數(shù)據(jù)流中，并且可以通過(guò)高斯低通濾波器進(jìn)行整形，以減少不需要的頻譜內(nèi)容。

　　Si4432 的 PA 輸出功率可以在 +1 和 +20 dBm 之間以 3 dB 的步長(zhǎng)進(jìn)行配置，而 Si4430/31 的 PA 輸出功率可以在 –8 和 +13 dBm 之間以 3 dB 的步長(zhǎng)進(jìn)行配置。PA 是單端的，可實(shí)現(xiàn)輕松的天線匹配和低 BOM 成本。它還結(jié)合了自動(dòng)斜升和斜降控制，以減少不需要的頻譜擴(kuò)展。Si4432 的 +20 dBm 功率放大器還可用于補(bǔ)償成本較低、性能較低的天線或由于外形尺寸小而受到尺寸限制的天線的性能下降，這兩者都是連接中的重要因素照明等小型單位。

　　Si4430/31/32 設(shè)計(jì)用于與微控制器、晶體和一些外部組件一起工作，以創(chuàng)建一個(gè)成本非常低的系統(tǒng)，如圖 6 所示。穩(wěn)壓器集成在片上，允許寬范圍工作電源電壓范圍為 +1.8 至 +3.6 V。標(biāo)準(zhǔn) 4 引腳 SPI 總線用于與運(yùn)行 KNX 堆棧的外部微控制器通信，并提供三個(gè)可配置的通用 I/O。圖 6 中的應(yīng)用專為具有 TX/RX 直接連接配置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不使用 TX/RX 開(kāi)關(guān)，用于將使用此配置的低功耗智能家居網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

　　結(jié)論

　　開(kāi)放、簡(jiǎn)化的協(xié)議與低功耗、高度集成的射頻收發(fā)器和微控制器相結(jié)合，為智能家居聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)人員開(kāi)辟了新的可能性。使用較低頻段和 KNX 協(xié)議允許設(shè)計(jì)達(dá)到太陽(yáng)能和其他能量收集技術(shù)成為可能的功率水平。這簡(jiǎn)化了智能家居網(wǎng)絡(luò)的安裝和維護(hù)，并有助于提高消費(fèi)者的接受度。