无线MCU+无线连接：实现无线烟雾报警器设计so easy

时间： 2019-09-03 来源：世强

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要说现今物联网(loT)概念在我们生活中实现落地应用的当属智能家居，这一现象同时从侧面说明各个半导体供应商（如MCU、传感器、无线收发芯片等）已做好相应产品准备来应对这一看得见且颇具潜力的市场。所有的智能家居如家用电器都能通过智能手机、远程电脑等来感知、控制家中的一切，变成了提高人们生活品质的智能工具。比如这其中的智能家庭安防设备已实现成熟的商品化，并走进了众多家庭中。

智能家居应用范围广泛，而最先实现快速增长的则是在现有基础上实现整合且增强的设备系统，负责居家安全的智能家庭安防设备便属于这一类应用，其中包括智能防盗报警系统、无线烟雾报警器、智能监视系统等。这些智能家庭安防设备是对传统设备的一次全面升级，在这个过程中，MCU作为智能家居应用的核心器件，是每一个智能终端的控制器，其需求量非常庞大。

一言不和就集成：自带RF性能的超低功耗无线MCU
MCU的速度、功耗、安全、成本在不同的loT应用中有不同的设计需求。以电池供电的无线烟雾报警器为例，这类产品就特别需要低功耗，而以ARM Cortex-M0+、Cortex-M3和Cortex-M4位核心基础的32位MCU产品可满足更长电池使用寿命需求，无疑是无线烟雾报警器的最佳选择。

物联网领域领先的无线连接方案解决方案供应商SILICON LABS设计开发的EZR32无线MCU系列将EFM32 MCU内核与EZRadio/EZRadioPRO Sub-GHz收发器集成在一起，可简化各类连接应用开发，处理能力更强大，相比传统的分立MCU和RF芯片系统设计具有更明显的设计优势。世强市场经理张园根表示：“无缝MCU+RF进一步简化了电路板设计，信号干扰也更小，无线设计过程更容易，因此EZR32无线MCU系列在空间受限的应用中尤为合适，同时可向工程师提供设计的最大灵活性和可扩展性。”

EZR32系列产品具有业内领先的超低功耗和优异的Sub-GHz RF性能，其将EZRadio和EZRadioPRO收发器的低待机功耗、低发射和接收功耗与EFM32 MCU超低功耗操作模式和快速唤醒时间融合为一体，是电池供电型无线应用的理想解决方案，并且无任何RF性能损失。另外，该系列产品还具有以下关键优势：宽频带覆盖范围、更长的传输距离、+20dBm输出功率、-133dBm的接收灵敏度、抗干扰性，支持各类专用无线协议的无线应用。

张园根强调，在世强设计的无线烟雾报警器方案中推荐使用EZR32LG芯片。原因在于，这款基于ARM Cortex-M3内核的32位无线MCU支持节能的丰富模拟外围设备，高度集成，低功率（211uA/MHz@48 MHz），具有一流的RF性能，外带IEEE802.15.4g收发器，闪存从64-256kB，32kB RAM，很大程度上满足了无线烟雾报警器所需的能耗、尺寸、节约成本需求。

图1：世强无线烟雾报警器解决方案

抱上Sub-GHz技术大腿，功耗、性能、体积极限被一一突破
Silicon Labs除了在MCU产品上强调更低功耗、更低成本、更小封装外，在物联网无线传输技术上也是唯一能提供目前市场上最全的主流无线传输技术组合的芯片供应商。无线技术使用频率范围广泛，不受角度和方位影响，同时具有很好的穿墙能力。而在具体的实际应用中，只有选用合适正确的无线传输技术，才能使产品达到最佳的连接效果，并且兼具整体成本效益。

在这些主流无线技术中，Sub-GHz频段主要适用于需要更长传输距离、更高性能、超低功耗低速率应用，如无线烟雾报警器、门窗传感器、智能电表等，并且能使产品能效更高、电池使用寿命更长。Silicon Labs在有“穿墙王”之称的无线射频收发器Si4432基础上推出的Sub-GHz无线解决方案Si4438 EZRadioPRO是高性能、低电流的Sub-GHz ISM 频段收发器，覆盖范围从425到525MHz。Si4438可与低成本MCU、晶体以及少量被动组件构成高性价比的无线自组网。同时，由于Si4438基于国家划分的470-510 MHz准用频段设计，因此信道所受干扰很小也相对干净，保障了数据采集与管理可靠性、精确性。

世强产品经理陈建华表示：“接收灵敏度、输出功率、功耗和传输距离是工程师在选择无线产品时最关心的性能参数。Si4438可满足烟雾报警器对性能、系统成本和低功耗的要求。例如，Si4438通过高效的片上功率放大器PA所展现的+20dBm高输出功率能保证普通家庭应用中各个节点的信号覆盖。”

高输出功率和出色的接收灵敏度（-124dBm）完美呈现了Si4438 114dB链路，并且通过使用内置天线分集和跳频，可实现进一步扩大通信链路范围。陈建华解释道：“Si4438能提高8-10dB的系统链路预算。具体应用的传输距离由于受环境影响，我们不能给出具体数字，但系统链路预算每提高6dB，传输距离就远一倍。相比于市场上的同类产品，Si4438多出了不止6个dB，其最长穿透距离可达到1500米。”

Si4438可同时实现超低的活动和待机电流消耗，是最具能效的Sub-GHz无线解决方案。该款IC的休眠/待机电流仅为40nA/75mA活动模式TX电流消耗和14mA活动模式RX电流消耗，加上快速唤醒时间确保在严苛的无线应用中实现电池寿命最大化，连续续航能力可达20年。由于Si4438处于休眠模式时消耗功率相比于同类产品低了40倍，因此在相同的产品运行周期下，可减少电池更换次数或尺寸。

在产品设计上，Si4438采用4mm *4mm封装，可最大限度减少电路板面积。此外，Si4438具有很高的集成度无需片外PA、低噪声放大器LAN，表面声波SAW滤波器，至少降低了30%的BOM成本，可使客户直接从芯片开始进行设计，此外由于芯片内置天线多集算法、唤醒定时器、电池电压检测等功能，也使无线功能的设计和实现变得更简单易行，同时消除了成本顾虑。

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古桃 Lv3. 高级工程师 2018-11-25

设计时可对比参考
勇哥666 Lv7. 资深专家 2018-09-04

好方案
华子114 Lv4. 资深工程师 2018-08-16

不错的方案
MarsSu Lv4. 资深工程师 2017-12-07

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NASA911 Lv8. 研究员 2017-11-08

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Tristan Tsai Lv5. 技术专家 2017-07-29

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