可靠的通信是物聯(lián)網(wǎng)增長(cháng)的關(guān)鍵所在

　　據技術(shù)行業(yè)研究公司Gartner表示，物聯(lián)網(wǎng)中每天增加的“事物”多達550萬(wàn)件。截止2020年，預計總數將達208億。鑒于這種爆炸式增長(cháng)，檢查連接所有事物并在它們之間實(shí)現通信的互聯(lián)網(wǎng)勢在必行。事實(shí)證明，在這些設備之間建立可靠的無(wú)線(xiàn)連接是物聯(lián)網(wǎng)的最大挑戰之一。通信系統的可靠性可以用兩個(gè)關(guān)鍵元件的性能來(lái)定義：射頻收發(fā)器和通信微控制器。本文討論ADI公司的元件和解決方案如何能夠最大程度地提高系統級可靠性，以支持對數據質(zhì)量和完整性以及洞察有極高要求的高影響力應用。

　　現有技術(shù)還不夠好

　　面向消費電子設備的現有無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)并不總是能滿(mǎn)足工業(yè)和醫療保健系統的性能要求。這些系統中在安全性、準確性和時(shí)間靈敏度等方面的不同側重點(diǎn)提高了增加可靠性的需求。蜂窩系統接近這一要求，但通常在電池、成本和數據吞吐量要求方面不太合適。當今存在極度可靠的系統，這些系統用于利基工業(yè)和軍事應用。但是，這些系統在設計上以可靠性為最高優(yōu)先級，成本則作為次要考慮。而在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，我們面臨的挑戰是以低很多的系統成本實(shí)現相同的高級別可靠性。

　　讓我們來(lái)看看幾種添加無(wú)線(xiàn)功能以增強系統有效性和對連接可靠性有極高要求的情況。

　　智能工廠(chǎng)：工業(yè)4.0的生產(chǎn)過(guò)程控制

　　互聯(lián)設備在制造業(yè)中的關(guān)鍵吸引力包括提高增產(chǎn)潛力。要實(shí)現這個(gè)目標，通常需要遠程控制生產(chǎn)鏈中的多種設備以實(shí)施調整。在化工生產(chǎn)過(guò)程中操作鍋爐的控制閥就是一個(gè)例子。對這個(gè)閥門(mén)實(shí)現即時(shí)自動(dòng)化控制后，便可以根據生產(chǎn)過(guò)程中其他階段的反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)調整，從而進(jìn)一步優(yōu)化整體效率。

　　智能醫療：生命體征監測

　　醫院和護理中心正在力求通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接來(lái)監測患者的生命體征。笨重的有線(xiàn)解決方案可以由通過(guò)本地網(wǎng)關(guān)連接的無(wú)線(xiàn)傳感器貼片所替代。此類(lèi)系統既可減輕醫護人員的負擔，同時(shí)又能更高效地監測患者情況。

　　2 可靠的通信是物聯(lián)網(wǎng)增長(cháng)的關(guān)鍵所在

　　智慧城市：應急事件的響應與檢測

　　利用先進(jìn)的圖像和聲音檢測與處理方法，安裝在公共場(chǎng)所(如燈柱上)的系統可以檢測車(chē)輛事故和犯罪活動(dòng)等事件并具有極高的可信度。然后，這類(lèi)信息可隨同位置信息一起通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信轉發(fā)到相關(guān)機構或單位，從而實(shí)現更快速的應急響應。

　　在復雜環(huán)境中建立可靠無(wú)線(xiàn)連接的關(guān)鍵挑戰

　　射頻障礙導致數據包丟失

　　前面提到的各個(gè)示例都會(huì )受到可能對無(wú)線(xiàn)通信具有不利影響的不同環(huán)境挑戰。工廠(chǎng)的鋼結構和厚壁會(huì )造成很大的障礙，可能導致射頻信號的功率降低到目標設備無(wú)法接收的程度。目標設備中所用無(wú)線(xiàn)電器件的接收器靈敏度將決定可以接受的信號衰減程度。靈敏度上低至2 dB的變化都可能決定信號接收的成敗。通信系統設計人員在選擇無(wú)線(xiàn)電器件時(shí)必須密切關(guān)注接收器靈敏度。

　　頻段擁擠導致數據包丟失

　　通常來(lái)說(shuō)，互聯(lián)設備會(huì )在所在地區的相關(guān)ISM頻段內工作。ISM頻段為免執照頻段，可用于各種需要無(wú)線(xiàn)連接的應用。2.4 GHz為全球標準化頻率，廣泛用于Wi-Fi和藍牙?設備。1 GHz以下的頻段中也包含ISM頻譜。這些頻段通常用于物聯(lián)網(wǎng)應用。在歐洲和美國，該頻段分別以868 MHz和915 MHz為中心。當位置接近的多臺設備共用相同的ISM頻段時(shí)，便會(huì )出現挑戰。發(fā)送設備可能干擾附近的接收設備，例如在公立醫院中，多種機器會(huì )共用相同的ISM頻段。無(wú)線(xiàn)電器件在此類(lèi)干擾環(huán)境中的工作能力由阻塞規格來(lái)衡量。而且，這種挑戰并非僅來(lái)自于在ISM頻段內工作的設備。如果阻塞能力不足，則在附近工作的手機或平板電腦也可能導致系統中出現通信丟失。在軍事和航空航天應用中，會(huì )使用非常昂貴的元件來(lái)減輕干擾的影響。在對數據有極高要求的應用(如前面提到的應用)中，無(wú)線(xiàn)電器件必須能夠實(shí)現與軍事和航空航天應用中相似的性能，同時(shí)還不能因附加外部元件而帶來(lái)高成本。在附近具有多個(gè)工作的干擾源時(shí)，此類(lèi)無(wú)線(xiàn)電器件仍能繼續接收消息。

　　環(huán)境影響導致性能下降

　　受所采用的工藝限制，無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器的性能會(huì )根據所在的工作環(huán)境而發(fā)生變化。其中一些影響因素包括溫度變化、電池放電導致的電壓降低和設備間的芯片制造差異。這些生活中的真實(shí)事件可能導致設備的工作穩定性發(fā)生變化。讓我們來(lái)看一下在路燈上采用的事件檢測應急響應系統。寒冷冬季的氣溫可能導致設備的輸出功率發(fā)生變化或接收器靈敏度下降。這可能在某些條件下導致通信中斷。消費類(lèi)設備很少在此類(lèi)極端條件下使用，因此不必太過(guò)擔憂(yōu)這一問(wèn)題，但對于應急響應系統而言，這是無(wú)法接受的。最好的情況下，代價(jià)是最終產(chǎn)品聲譽(yù)受損，以及收到更換故障設備的維修請求。系統設計人員必須確保選擇用于檢測和通信系統的元件在不斷變化的環(huán)境條件下保持穩定。

　　存儲器損壞可能導致意外的結果

　　可靠性也是通信微控制器上需要考慮的問(wèn)題。雖然閃存和非易失性存儲器非?？煽?，但偶爾也可能損壞。這可能由工作環(huán)境造成的意外影響引起，或由惡意的硬件攻擊而故意導致。無(wú)論屬于哪種機制，微控制器都必須配備必要的完整性功能以識別設備的損壞情況。識別后，微控制器可糾正錯誤或關(guān)閉設備，恰當地確保不會(huì )破壞更廣泛系統的安全性。

　　ADI公司——打造可靠性設計

　　50多年來(lái)，ADI公司一直致力于設計魯棒的解決方案來(lái)應對這些挑戰。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的超穩健系統要求并不算新的挑戰。超低功耗、sub-GHz ISM頻段無(wú)線(xiàn)電器件ADF7030-1和 Cortex? M3微控制器ADuCM3029旨在提供可實(shí)現最穩定通信鏈路的性能級別和功能特性。

　　就接收器靈敏度性能而言，ADF7030-1是業(yè)界領(lǐng)先的無(wú)線(xiàn)電器件。在很多情況下，ADF7030-1能夠接收低于其他無(wú)線(xiàn)電器件可接收功率3 dB的無(wú)線(xiàn)電信號。這意味著(zhù)，即使信號的強度低于其競爭產(chǎn)品可接收功率的一半，該器件仍可接收到該信號。

　　憑借超過(guò)100 dB的行業(yè)領(lǐng)先阻塞數據，ADF7030-1可實(shí)現與軍事和航空航天設備相媲美的抗干擾水平，且無(wú)需增添昂貴的外部元件。這增加了價(jià)值并可確保在極其嘈雜的射頻環(huán)境中保持正常通信。

　　經(jīng)過(guò)與領(lǐng)先工業(yè)制造商的世代合作，ADI公司已經(jīng)掌握了成熟的方法，可以應對真實(shí)生活環(huán)境對無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器產(chǎn)生的影響。例如，在整個(gè)工作溫度范圍內，采用ADF7030-1的設備的輸出功率變化不超過(guò)0.2 dB。這一成果的實(shí)現得益于A(yíng)DI公司獨一無(wú)二的無(wú)線(xiàn)電設計方法。在同類(lèi)競爭的無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品中，相應的變化高達2 dB。

　　ADuCM3029具有閃存和ECC奇偶校驗檢查功能，可確保識別存儲器損壞造成的錯誤并盡可能地糾正錯誤。另外，ADuCM3029還在休眠模式下配備電池監控功能。這確?？蓹z測到電壓的意外下降并提醒處理器可能存在惡意威脅或電源故障。然后，終端設備可采取相應的措施，提醒管理員或進(jìn)入安全模式，以確保更廣泛的系統不會(huì )被入侵。

　　ADI公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)遍及物聯(lián)網(wǎng)信號鏈的每個(gè)階段，從檢測和測量到解析和連接數據，無(wú)處不在。確保這個(gè)信號鏈中所產(chǎn)生信息的質(zhì)量和完整性是我們的核心設計原則，也是實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)真正潛力的基本要求。

　　作者簡(jiǎn)介

　　Michael Dalton是ADI公司物聯(lián)網(wǎng)部的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。在這之前，Michael在射頻應用團隊工作了五年，為ADI的超低功耗射頻收發(fā)器提供支持。他于2007年畢業(yè)于都柏林大學(xué)的電子工程專(zhuān)業(yè)，獲得工程學(xué)士學(xué)位。