意法半导体Sub-1GHz产品线与其在Sigfox之应用

意法半导体AMG2020-09-15 08:36:35

 

前言

Sub-1GHz无线通信,相较于2.4GHz(WiFi,Bluetooth等),在发射功率相同的条件之下,由于较低的频率,波长较长,其通讯传输距离也较长,能量衰减也较低,穿透力也较强。因此Sub-1GHz无线传输技术常应用于低功耗,长距离,阻隔多的应用之中。例如室内的警报系统,监视系统,停车场管理,水电瓦斯表,工厂自动化,卖场卷标管理,畜产业管理等等。

因此应用需求,意法半导体相对应的产品 : SPIRIT,应运而生。SPIRIT产品线提供完整的Sub-1GHz频带(ISM band)解决方案;有着低功耗,数据加密,灵活的传输设定以降低系统设计成本等优点。

近年由于物联网(IoT)题材的兴起,相关的器件,网络服务,云端服务如雨后春笋般蓬勃发展。在Sub-1GHz技术的应用上,Sigfox以建立一个开放式的物联网协议为目标,结合营运商,芯片制造商,器件设计厂商的力量,提供用户简单,便宜,省电的物联网服务。

本文将针对意法半导体 Sub-1GHz产品线: SPIRIT与其在Sigfox协议中之应用开发。


SPIRIT--意法半导体Sub-1GHz产品线

因应 Sub-1GHz ISM频带的应用需求,意法半导体以SPIRIT无线传输芯片提供完整的解决方案。从2012年起,意法半导体推出SPIRIT产品线第一代产品: SPIRIT1,目前已广泛应用于智能电表,停车场管理,工业自动化管理等领域之中。后续于2016年底并推出S2-LP第二代产品,拥有着比SPIRIT1更加优秀的功耗表现,灵敏度,以及Sigfox library以应物联网之应用需求。


SPIRIT1产品简介

  • 应用频带:150-174MHz,300-348MHz,387-470MHz,779-956MHz

  • 调变机制:FSK,GFSK,MSK,OOK,ASK

  • 传输速率:1-500kbps

  • 可程序输出功率:-30dBm至16dBm

  • 接收端灵敏度:-118dBm@ 1.2kbps

  • 低功耗

关闭 (Shutdown):2.5nA

o 待机 (Standby):650nA

o 休眠 (Sleep):950nA

o 接收模式 (Rx):9mA

o 发射模式 (Tx):21mA@ +11dBm

  • 可程序信道间隙 (channel spacing):min.@ 12.5KHz

  • AES-128加密处理器

  • 自动承认,重传,到时协定引擎

  • 可搭配 WMBus,6LowPAN应用协定

  • 通过多项无线通信规范:EN 300 220,FCC CFR47 15 (15.205,15.209,15.231,15.247,15.249),ARIB STD T-67,T-108

SPIRIT1产品特色

  • 封包处理器 (Packet handler)与连接层(Link layer)

    o  基本封包 (一般应用,灵活的格式设定)

    o  WMBus

    o  Stack

    o  支持自动承认,重传,到时协定

  • CSMA/ CA Engine

    o 利用传输前扫描频道的封包处理机制,藉以避免多个发设端同时使用相同频道的问题。

  • 天线多样性算法 (Antenna Diversity Algorithm)

    o 利用外部开关选择较佳 RSSI之天线

于接收前置数据时不断切换天线选择至 RSSI>门坎值

  •      周边与支持功能

    o AES-128数据加密

    o 96-byte接收/发射端独立缓冲(FIFO)

    o SPI沟通接口

    o 内建温度传感器

    o 电量指示及低电量侦测

SPIRIT1详细技术文件网址: http://www.st.com/content/st_com/en/products/wireless-connectivity/sub-1ghz-rf/spirit1.html

S2-LP产品简介

  • 应用频带 : 430-470MHz,860-940MHz

  • 调变机制 : 2(G)FSK,4(G)FSK,OOK,ASK

  • 传输速率 : 0.3-500kbps

  • 可程序输出功率 : -30dBm至16dBm

  • 接收端灵敏度 : -130dBm@ 0.3kbps

  • 低功耗

    o 关闭 (Shutdown): 2.5nA

    o 待机 (Standby): 300nA

    o 休眠 (Sleep): 650nA (no FIFO)

    o 接收模式 (Rx): 8.0 mA (HPM) / 6.5 mA (LPM)

    o 发射模式 (Tx): 10.5 mA @ +10dBm (HPM) / 9.5 mA (LPM)

  • 可程序信道间隙 (channel spacing): min.@ 1KHz

  • 低功耗模式以延长电池使用时限 (Low duty cycle and sniffer mode)

  • AES-128加密处理器

  • 自动承认,重传,到时协定引擎

  • 可搭配 Sigfox,WMBus,6LowPAN应用协议

  • 通过多项无线通信规范 : EN 300 220,EN 303 131,FCC part 15/part 90,ARIB STD T67/T108Chinese SRRC

S2-LP详细技术文件网址: http://www.st.com/content/st_com/en/products/wireless-connectivity/sub-1ghz-rf/s2-lp.html

Sigfox

谈起物联网,所有人都知道要让装置上网不难,难在如何有效降低联网成本,达到商业效益。毕竟,没有人会愿意为了让家里的电冰箱可以上网,每月多出一笔相当于手机账单的支出。

SIGFOX就是这样一家便宜又方便的物联网服务公司。独创超窄频(UNB)低功耗的广域网(LPWAN)技术,能大幅降低物联网布建成本,2014年推出后,已在全球20国让700万个对象联网。而且还在快速扩展中。SIGFOX的技术看似简单,但与传统的蓝牙或Wi-Fi等连接技术相比,却能成功做到低成本,低功耗,广域通讯,让物联网的设备和服务成本大幅降低,进而突破布建成本和时间瓶颈。以法国为例,SIGFOX服务范围已经涵盖92%面积,但是仅需架设1500个基地台。相较之下,传统电信商Orange在全法4G LTE网络基地台数量则达3万~4万座。

SIGFOX已建置具备规模性,可行性和合理价格的物联网服务,是市场上唯一一家能够做到用非常低的价格,提供服务的业者。只对合作伙伴收取联网费用,再由服务伙伴对消费者提供各式应用服务。且SIGFOX收费极低,单一装置所收费用低至每年1美元,可以轻易采用,所以对消费者来说几乎是免费的。虽然SIGFOX收费极低,但目标是扩大规模让数以亿计装置都连上网络,实现亿万装置联网。因此SIGFOX物联网体系的成功关键就在于数量,数量够大才能普及。

Sigfox也正透过优纳比(Unabiz,http://www.unabiz.com )公司开始在台湾建设第一个网络,看上台湾在PC,平板以及手机等终端设备制造强项,也开始向台厂招手。预期会有多家台厂打入Sigfox全球供应链行列。SIGFOX网络预定2017年第1季完成台北,新北,桃园,台中,台南,高雄等六都网络,届时,网络将达到全国人口覆盖比率的70%,2018年第1季达成台湾全岛覆盖。

意法半导体极低功耗 Sub-1GHz无线传输芯片S2-LP支持SIGFOX library,并已通过SIGFOX RCZ1,RCZ2,RCZ4之认证。并有完整的开发工具包,搭配Unabiz在台布建的基地台,可进行快速的产品开发。

2017年2月中,Unabiz将在台北主办亚洲第一场SIGFOX hackathon,在为期三天两夜的活动中,主办单位将邀请来自SIGFOX与意法半导体的专家与参赛者交流,分享创新想法,同时鼓励参赛者在三天两夜的活动中,密集合作,思考,设计,开发出能实际解决问题的物联网相关应用与原型。期透过此活动促进人才交流,发掘有潜力的项目,继续发展成最终商品的创新应用,促进厂商与参赛者的互动,提升台湾在物联网产业的全球竞争力。

更多有关SIGFOX hackathon的信息,可以点击页面最下方左边阅读原文查看。

意法半导体 S2-LP开发工具包STEVAL-FKI915V1(http://www.st.com/content/st_com/en/products/evaluation-tools/solution-evaluation-tools/ communication-and-connectivity-solution-eval-boards/steval-fki915v1.html)支持SIGFOX library,利用意法半导体最新的Nucleo平台,可快速于不同的Cortex架构MCU平台上开发相关应用。目前已验证的平台为Cortex M0+M3。

经实测 STEVAL-FKI915V1可与两公里外之基地台进行数据传输,未来在覆盖率上升的状况之下,传输距离想必是无远弗届。

STEVAL-FKI915V1出现于SIGFOX后台device list中。

Device Information

数据传输

针对SIGFOX应用,意法半导体S2-LP提供完整的解决方案,方便快速的开发工具包,更多信息,请参考

http://www.st.com/content/st_com/en/products/wireless-connectivity/sub-1ghz-rf/s2-lp.html






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