淺析適用于發(fā)展中的工業(yè)設(shè)備的Sub-GHz無線通信

智能儀表、火災(zāi)報(bào)警器和安防系統(tǒng)等服務(wù)我們生活的各種設(shè)備，已經(jīng)開始使用一種被稱為“Sub-GHz無線通信”的無線通信技術(shù)進(jìn)行無線連接。與Wi-Fi和Bluetooth相比，Sub-GHz無線通信具有“通信距離遠(yuǎn)”、“功耗低”、“穿越障礙物能力強(qiáng)”、“支持多跳通信”等特點(diǎn)，作為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)社會(huì)整體的智能化的關(guān)鍵技術(shù)而備受矚目。

本文將介紹Sub-GHz無線通信的機(jī)制、與其他無線通信技術(shù)的比較以及具體的應(yīng)用案例等內(nèi)容，并探討該技術(shù)對(duì)未來社會(huì)的影響。

Sub-GHz無線通信的四大特點(diǎn)

Sub-GHz無線通信是一種工作頻段低于1GHz的無線通信技術(shù)。盡管其普遍認(rèn)知度不及Wi-Fi和Bluetooth，但Sub-GHz無線通信正越來越多地被用于服務(wù)我們生活各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中。

Sub-GHz無線通信之所以被稱為“物聯(lián)網(wǎng)社會(huì)的關(guān)鍵技術(shù)”，是因其具備超越傳統(tǒng)Wi-Fi和Bluetooth的四大特點(diǎn)。

1. 遠(yuǎn)距離通信

Sub-GHz無線通信的第一個(gè)特點(diǎn)是可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。無線電波的頻率越低，越容易穿越障礙物，受墻壁、地板等的影響越小，因此，有利于遠(yuǎn)距離傳輸。Sub-GHz無線通信的頻率非常低，低于1GHz，因此比起Wi-Fi和Bluetooth等所用的2.4GHz頻段和5GHz頻段，更適合遠(yuǎn)距離通信，預(yù)計(jì)通信距離達(dá)到數(shù)十km，即使在市區(qū)也可達(dá)到數(shù)km的通信距離。

2. 低功耗

Sub-GHz無線通信很大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于其頻率低，通信所需的功率小，因而功耗低。該技術(shù)尤其適用于電池供電的設(shè)備，電池壽命是使用Wi-Fi和Bluetooth等技術(shù)時(shí)的數(shù)倍至數(shù)十倍。

3. 穿越障礙物能力強(qiáng)

Sub-GHz頻段的無線電波很容易穿越障礙物，不容易受墻壁和地板等的影響，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信。另外，這種通信還不會(huì)干擾當(dāng)前被廣為使用的2.4GHz頻段的現(xiàn)有設(shè)備（如Wi-Fi、Bluetooth和微波爐）。

4. 支持多跳通信

Sub-GHz頻段的另一個(gè)主要特點(diǎn)是支持通過中繼器進(jìn)行通信的“多跳通信”。利用多跳通信，可以進(jìn)一步延長通信距離，在無線電波難以到達(dá)的場所也可實(shí)現(xiàn)通信。另外，多跳通信還具有安裝成本更低（安裝中繼器比設(shè)立基站更便宜）、抗災(zāi)害能力更強(qiáng)（即使基站在災(zāi)害中損壞，只要有中繼器仍然可以通信）等優(yōu)勢，因此其應(yīng)用越來越廣泛，相應(yīng)地Sub-GHz無線通信的應(yīng)用范圍也隨之?dāng)U大。

Sub-GHz無線通信標(biāo)準(zhǔn)

Sub-GHz無線通信有多種標(biāo)準(zhǔn)，每種標(biāo)準(zhǔn)都有不同的特點(diǎn)，需要根據(jù)應(yīng)用需求來選擇適合的標(biāo)準(zhǔn)。例如，當(dāng)需要高速、高可靠性的通信時(shí)使用“Wi-SUN”，當(dāng)需要以非常低的功耗遠(yuǎn)距離通信時(shí)使用“Sigfox”，當(dāng)需要靈活的網(wǎng)絡(luò)配置和遠(yuǎn)距離通信時(shí)使用“LoRaWAN”，當(dāng)需要以低功耗近距離通信時(shí)使用“Zigbee”。

*Wi-SUN是Wi-SUN Alliance的商標(biāo)或注冊商標(biāo)。
*Sigfox是UNABIZ的商標(biāo)或注冊商標(biāo)。
*LoRaWAN是Semtech Corporation的商標(biāo)或注冊商標(biāo)。
*Zigbee是Connectivity Standards Alliance的商標(biāo)或注冊商標(biāo)。

Sub-GHz無線通信存在的課題

盡管Sub-GHz無線通信是一種潛力很大的技術(shù)，但與Wi-Fi和Bluetooth等無線通信技術(shù)相比，其數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，加之可用頻段因國家而異，因此存在諸如很難在全球范圍普及等課題。

要想更方便、更安心地使用Sub-GHz無線通信技術(shù)，就需要攻克這些課題。如今，隨著使用Sub-GHz無線通信的應(yīng)用（如智能儀表和火災(zāi)報(bào)警器等）需要更新?lián)Q代，相應(yīng)的技術(shù)也在不斷進(jìn)步。

Sub-GHz開創(chuàng)的未來1

下一代智能儀表

Sub-GHz無線通信的典型應(yīng)用之一是智能儀表。通過使用智能儀表，電力公司可以簡化抄表工作、提高效率、適當(dāng)調(diào)整電力供需、優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，用戶可以看到自己的用電量，有利于省電并減少電費(fèi)。

智能儀表優(yōu)勢顯著、使用方便，但其設(shè)備壽命從開始運(yùn)行起大約只有10年。很多國家已經(jīng)到了用下一代智能儀表更新?lián)Q代的時(shí)候了。

下一代智能儀表需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速通信和低功耗，而且要符合國際標(biāo)準(zhǔn)。使這些需求成為可能的是更先進(jìn)的Sub-GHz無線通信LSI。

其中，Sigfox是一種專注于低成本、低功耗和遠(yuǎn)距離通信的LPWA（Low Power Wide Area）技術(shù)，作為下一代智能儀表所采用的通信標(biāo)準(zhǔn)越來越受到關(guān)注，因此對(duì)于支持Sigfox的Sub-GHz無線通信LSI產(chǎn)品的需求也與日俱增。

Sigfox是在全球70多個(gè)國家使用、可實(shí)現(xiàn)無縫跨境通信、而且價(jià)格低廉的通信標(biāo)準(zhǔn)，非常適用于需要連接大量設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

ROHM正在擴(kuò)充支持Sigfox的Sub-GHz無線通信LSI產(chǎn)品陣容。例如，利用了ROHM的LAPIS TECHNOLOGY、且支持Sigfox的Sub-GHz無線通信LSI“ML7425”是一款接收靈敏度高、可選晶振范圍寬（XTAL或TCXO）的無線通信LSI，目前已經(jīng)獲得國內(nèi)外眾多客戶的高度好評(píng)。

Sub-GHz開創(chuàng)的未來2

滿足發(fā)展中的安防系統(tǒng)需求

不僅智能儀表，火災(zāi)報(bào)警器和安防系統(tǒng)也會(huì)因故障或電池電量耗盡而需要更換。與此同時(shí)，下一代產(chǎn)品已經(jīng)蜂擁而至。由于火災(zāi)報(bào)警器和安防系統(tǒng)直接關(guān)乎生命，因此對(duì)更先進(jìn)系統(tǒng)的需求不斷增長，預(yù)計(jì)未來相應(yīng)的需求還會(huì)繼續(xù)增加。

傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警器只能檢測火災(zāi)，安防系統(tǒng)只能檢測入侵，功能比較單一，很難與其他系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)和共享信息。另外，還存在容易受煙霧和蟲類等影響而誤動(dòng)作、安裝和運(yùn)行成本高的課題。

于是，攻克了這些課題的新一代安防系統(tǒng)紛紛登場。例如，新一代火災(zāi)報(bào)警器不僅可以檢測煙霧，還可以檢測一氧化碳（CO），有些產(chǎn)品還配備了檢測溫度、濕度、占用率、環(huán)境光等的傳感器，有些產(chǎn)品還具有檢測漏水、玻璃破碎等功能。一些綜合安防系統(tǒng)，無需電路布線施工即可安裝，而且可通過智能手機(jī)輕松操作的產(chǎn)品也在不斷涌現(xiàn)。

通過將這些新一代安防系統(tǒng)與智能家居系統(tǒng)等互聯(lián)，將可能實(shí)現(xiàn)更安全、更先進(jìn)的應(yīng)用，并可以大大減少危害，同時(shí)，還有望通過AI（人工智能）來防止誤動(dòng)作、通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來降低成本。

同樣，這里的關(guān)鍵技術(shù)也是先進(jìn)的Sub-GHz無線通信LSI。傳統(tǒng)的有線式產(chǎn)品已被不需要布線的無線式產(chǎn)品所取代，因此可以說，產(chǎn)品不僅要功耗更低，而且必須能夠高速、高頻度地獲取數(shù)據(jù)并保持更穩(wěn)定的通信。

前面提到過的Sub-GHz無線通信LSI“ML7425”具有能夠高速接收并處理多個(gè)無線信道的功能。這非常適合需要快速處理總機(jī)與多個(gè)從機(jī)之間通信的應(yīng)用，比如在家用安防系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)（總機(jī)）與各種終端（家電、門窗傳感器等）之間的反復(fù)通信等。此外，高速處理可以減少CPU負(fù)載，從而降低系統(tǒng)功耗，并能夠盡快將CPU資源分配給其他處理。

另外，如果實(shí)現(xiàn)了高速通信，就能夠在短時(shí)間內(nèi)處理數(shù)據(jù)通信，因此可以降低無線射頻（RF）的總功率，控制無線電的微控制器（MCU）等器件也可以快速進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而有助于降低系統(tǒng)整體的功耗，還有助于采用容量更小的電池、實(shí)現(xiàn)小型化、進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本和延長產(chǎn)品壽命。

對(duì)此，ROHM目前正在開發(fā)一種消耗電流超低的無線SoC（System on a Chip），該產(chǎn)品將支持更廣的頻段并滿足世界各國的標(biāo)準(zhǔn)要求，支持在全球范圍應(yīng)用。

該產(chǎn)品采用業(yè)界超小封裝（6mm x 6mm），實(shí)現(xiàn)了業(yè)界超低消耗電流，而且支持SigfoxMonarch（外圍元器件常數(shù)通用、配備高輸出PA、支持RC1～RC7），非常適用于包括下一代安防系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控用途在內(nèi)的、需要電池供電的各種應(yīng)用。

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智慧社會(huì)的發(fā)展

Sub-GHz無線通信的應(yīng)用不僅局限于智能儀表和安防系統(tǒng)。作為一種有助于整個(gè)社會(huì)智能化的重要技術(shù)，Sub-GHz無線通信有望為各種服務(wù)做出貢獻(xiàn)。

例如，使用Sub-GHz無線通信的應(yīng)用已經(jīng)在智慧城市、智慧工廠、智慧物流和智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。除此之外，還可應(yīng)用在與安防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的針對(duì)老年人的高級(jí)看護(hù)服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測和災(zāi)難響應(yīng)等眾多領(lǐng)域，預(yù)計(jì)未來其應(yīng)用范圍會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

總結(jié)

除了本文列舉的領(lǐng)域外，Sub-GHz無線通信還被廣泛應(yīng)用于IoT（Internet of Things）、M2M（Machine to Machine）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等眾多領(lǐng)域。未來，ROHM將利用LAPIS TECHNOLOGY繼續(xù)開發(fā)各種滿足客戶需求的Sub-GHz無線通信LSI產(chǎn)品，敬請期待。

審核編輯：劉清