我們生活的世界已經(jīng)改變。馬和馬車已被現(xiàn)代汽車所取代。固定電話已經(jīng)讓位于智能手機(jī)。而且，模擬設(shè)備已被具有不斷提高智能水平的數(shù)字對(duì)應(yīng)設(shè)備所取代。

如今，這些智能數(shù)字電子產(chǎn)品構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)（IoTs）生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其增長軌跡呈指數(shù)級(jí)增長。在廉價(jià)電子產(chǎn)品的可用性和無線技術(shù)的不斷涌現(xiàn)的推動(dòng)下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在重塑我們的生活、工作和娛樂方式。

雖然物聯(lián)網(wǎng)的全面影響程度可能仍在爭論中，但很明顯，這些設(shè)備正處于十字路口，因?yàn)樗鼈儚摹昂玫接小边^渡到“必須擁有”，人們將越來越依賴這些關(guān)鍵任務(wù)，有時(shí)甚至是生命關(guān)鍵型應(yīng)用程序。

要使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)能夠成功實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)人員需要克服幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

推進(jìn)任務(wù)關(guān)鍵型物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域的發(fā)展最為明顯，尤其是在醫(yī)療保健領(lǐng)域。在這里，醫(yī)療設(shè)備制造商正在生產(chǎn)一系列創(chuàng)新的連接設(shè)備，從手術(shù)機(jī)器人，皮膚植入傳感器和跟蹤藥丸，到各種可穿戴設(shè)備，如收集和傳輸關(guān)鍵醫(yī)療數(shù)據(jù)的輸液泵。這種所謂的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）正在實(shí)現(xiàn)醫(yī)療保健服務(wù)的根本性轉(zhuǎn)變，降低成本，同時(shí)提高臨床醫(yī)生的有效性并改善患者預(yù)后。

但這只是冰山一角。關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)也正在進(jìn)入其他關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域，如聯(lián)網(wǎng)汽車和工業(yè)4.0。

自動(dòng)駕駛汽車是從物聯(lián)網(wǎng)中受益的最引人注目的應(yīng)用之一。在此應(yīng)用中，傳感器用于檢測其他車輛、道路、高速公路基礎(chǔ)設(shè)施甚至行人并與之通信。在智能工廠中，物聯(lián)網(wǎng)的使用正在實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0。這意味著在工廠車間實(shí)施自主機(jī)器人和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。它允許機(jī)器、系統(tǒng)和人工操作員在裝配線上一起進(jìn)行通信和操作，同時(shí)還為人類操作員提供可操作的見解。

但這些進(jìn)步是以物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行所在行業(yè)所定義的新的、更嚴(yán)格的性能特征和要求為代價(jià)的。表 1 總結(jié)了最常見的要求列表。這些特性使得任務(wù)關(guān)鍵型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序比消費(fèi)者應(yīng)用程序要求更高，并迫使物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的參與者解決對(duì)互操作性、安全性和可靠性日益增長的擔(dān)憂。

表 1.任務(wù)關(guān)鍵型 IoT 應(yīng)用的典型性能特征和要求。

與任何新興市場一樣，解決這些問題的辦法在于適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)定義。但是，由于物聯(lián)網(wǎng)仍處于起步階段，因此目前沒有單一的標(biāo)準(zhǔn)來管理所有應(yīng)用程序中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備操作。相反，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是分散的，一些組織（例如，國際電聯(lián)，ETSI，IEEE和IETF，以及oneM2M和GCF等行業(yè)機(jī)構(gòu)）在世界各地開展工作，以平衡監(jiān)管與創(chuàng)新市場的需求。

在這種不斷變化的監(jiān)管環(huán)境中，設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須繼續(xù)設(shè)計(jì)其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)，以滿足關(guān)鍵任務(wù)要求。同樣，設(shè)備或系統(tǒng)中的每個(gè)組件都需要設(shè)計(jì)為滿足其環(huán)境帶來的特定挑戰(zhàn)。此外，必須使用全面透明的測試方法對(duì)其進(jìn)行全面測試，以優(yōu)化性能和可靠性。

了解未來的挑戰(zhàn)

在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員在三個(gè)關(guān)鍵層面面臨挑戰(zhàn)：

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（傳感器模塊）通常圍繞具有模擬和數(shù)字接口的微控制器單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體取決于應(yīng)用的需要。與外界通信時(shí)還需要一個(gè)RF收發(fā)器接口（圖1）。

圖 1.

典型 IoT 傳感器模塊的框圖。

在器件中，尺寸和電源管理是設(shè)計(jì)人員面臨的常見挑戰(zhàn)，許多傳感器必須使用電池電源或使用收集的能量長時(shí)間運(yùn)行。RF接口可能是電池電量的重要消耗者。低功耗無線協(xié)議（例如，LP-WAN）已經(jīng)開發(fā)出來，以提供傳輸范圍和功耗之間的折衷。在某些環(huán)境中，例如智能工廠，功耗可能比傳感器密度問題要小，因?yàn)槎鄠€(gè)設(shè)備必須在沒有干擾的情況下進(jìn)行通信。在這里，信號(hào)完整性成為關(guān)鍵的優(yōu)先事項(xiàng)。此外，在重型機(jī)械司空見慣的工業(yè)環(huán)境中，電磁干擾（EMI）合規(guī)性至關(guān)重要。

到目前為止，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備級(jí)別的最大挑戰(zhàn)之一是電池壽命。設(shè)計(jì)具有優(yōu)化電池壽命的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要準(zhǔn)確的功耗曲線和設(shè)備的動(dòng)態(tài)負(fù)載的準(zhǔn)確表征。了解負(fù)載需求、所需電流量以及所需時(shí)間之間的關(guān)系是確定可能的電池壽命的一個(gè)重要方面。

電池的工作特性，無論是不可充電紐扣電池還是可充電的LiPo電池，也需要被理解并納入復(fù)雜的電源管理例程中，以延長和優(yōu)化電池壽命。能夠準(zhǔn)確地跟蹤電池上的負(fù)載，以及要求它的東西，可以提供幫助。

設(shè)計(jì)人員可以使用此信息來開發(fā)可靠的電源管理流程。例如，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)確定，在工作期間，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電流跨越一個(gè)非常動(dòng)態(tài)的范圍，從無線收發(fā)器啟動(dòng)鏈路時(shí)的數(shù)百mA，到收發(fā)器關(guān)閉時(shí)的亞uA，微控制器處于最佳休眠模式，傳感器不活動(dòng)。有了這樣的洞察力，設(shè)計(jì)人員就可以對(duì)高電流消耗程序功能進(jìn)行排序，這樣它們就不會(huì)同時(shí)發(fā)生（圖2）。

圖 2

。使用正確的工具分析無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的電池消耗對(duì)于優(yōu)化電池壽命至關(guān)重要。是德科技的 N6705B 直流功率分析儀和 N6781A 2 象限源測量單元是可用于檢定電池消耗和深入了解設(shè)備電池負(fù)載隨時(shí)間變化的理想工具示例。

無線通信

無線通信對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)這種通信，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)應(yīng)用的特性從各種協(xié)議中進(jìn)行選擇，例如藍(lán)牙、Z 形蜜蜂、Z-Wave、Wi-Fi、NB-IoT 等。在任務(wù)關(guān)鍵型方案中，IoT 設(shè)備必須在同一頻譜中存在具有不同無線技術(shù)的多個(gè)用戶的情況下執(zhí)行。驗(yàn)證設(shè)備是否可以處理此負(fù)載對(duì)于確保可靠的無線連接至關(guān)重要。

在大型建筑物中，例如醫(yī)院，密集的設(shè)備操作是給定的，可靠的無線通信是強(qiáng)制性的。在這里，醫(yī)療設(shè)備、患者監(jiān)護(hù)設(shè)備、智能照明、安全系統(tǒng)，甚至訪客攜帶的可穿戴設(shè)備都必須同時(shí)運(yùn)行，不受彼此干擾。這在醫(yī)院中尤其成問題，因?yàn)獒t(yī)療監(jiān)控設(shè)備與無繩電話、無線攝像機(jī)和微波爐等設(shè)備共享 2.4 GHz ISM 頻段。確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的操作能夠在這種類型的環(huán)境中按預(yù)期工作至關(guān)重要。

網(wǎng)絡(luò)

隨著5G的到來，越來越多的應(yīng)用將利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能的提升，將計(jì)算工作負(fù)載“卸載”到數(shù)據(jù)中心，更加重視網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性?？梢灶A(yù)期各種設(shè)備都會(huì)連接到網(wǎng)絡(luò)，其中一些設(shè)備可能有意或無意地對(duì)網(wǎng)絡(luò)完整性和安全性構(gòu)成威脅。因此，必須開發(fā)網(wǎng)絡(luò)管理工具和系統(tǒng)來緩解這些問題和其他此類風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)功能現(xiàn)在正被設(shè)計(jì)到所有工業(yè)部門中越來越多的任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中。要在這個(gè)領(lǐng)域取得成功，設(shè)計(jì)人員就需要遵循一個(gè)深思熟慮的流程來設(shè)計(jì)、測試和驗(yàn)證他們的智能設(shè)備和系統(tǒng)。該過程必須涉及設(shè)備、無線通信和網(wǎng)絡(luò)級(jí)別的測試和測量。

幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以訪問各種測試選項(xiàng)，以幫助驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中各個(gè)層的功能（表 2）。然而，僅僅進(jìn)行正確的測試是不夠的。為了確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或系統(tǒng)能夠在任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中生存和發(fā)展，設(shè)計(jì)人員必須為正確的工作選擇合適的工具，并且這些工具必須準(zhǔn)確、高性能和靈活。

需要考慮的關(guān)鍵工具之一是電池消耗分析，它可以幫助設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確確定其器件的當(dāng)前使用情況及其每種工作模式的持續(xù)時(shí)間。信號(hào)完整性和電源完整性工具可用于評(píng)估高速串行互連，并分析電源轉(zhuǎn)換和從電源輸送到系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載的有效性。精確的EMI仿真和建模工具有助于在開發(fā)硬件之前估計(jì)輻射水平。而且，為了確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠有效通信，無線連接和共存測試至關(guān)重要。

表 2.物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的測試和測量工具。

毫無疑問，關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)中蘊(yùn)藏著大量的機(jī)會(huì)。設(shè)計(jì)師的成功與否將在很大程度上取決于他們做出的選擇以及他們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

提前做出正確的決策，比如選擇正確的設(shè)計(jì)工具，可以大大有助于設(shè)計(jì)師超越競爭對(duì)手。

審核編輯：郭婷