我們生活的世界已經(jīng)改變。馬和馬車已被現(xiàn)代汽車取代。固定電話已經(jīng)讓位于智能手機。而且，模擬設(shè)備已被智能水平不斷提高的數(shù)字設(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) （IoT） 生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其增長軌跡呈指數(shù)級增長。在廉價電子產(chǎn)品的可用性和無線技術(shù)的不斷出現(xiàn)的推動下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在重新定義我們的生活、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)備正處于一個十字路口，因為它們從“好到有”過渡到“必備”，人們將越來越依賴于執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)，有時甚至是，對生命至關(guān)重要的應(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)成功實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變，設(shè)計人員需要克服幾個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

推進關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)在關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域的進步在醫(yī)療保健領(lǐng)域最為明顯。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)機器人、真皮植入傳感器和跟蹤藥丸，到收集和傳輸關(guān)鍵醫(yī)療數(shù)據(jù)的輸液泵等各種可穿戴設(shè)備。這種所謂的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng) （IoMT） 正在實現(xiàn)醫(yī)療保健服務(wù)的根本轉(zhuǎn)變，降低成本，同時提高臨床醫(yī)生的效率并改善患者的治療效果。

但這只是冰山一角。任務(wù)關(guān)鍵型物聯(lián)網(wǎng)也正在推進到其他關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域，例如聯(lián)網(wǎng)汽車和工業(yè) 4.0。

自動駕駛汽車是受益于物聯(lián)網(wǎng)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)的使用正在實現(xiàn)工業(yè) 4.0。這意味著在工廠車間實施自主機器人和增強現(xiàn)實。它允許機器、系統(tǒng)和人類操作員在裝配線上一起交流和操作，同時還為人類操作員提供可操作的洞察力。

但這些進步是以物聯(lián)網(wǎng)運行所在行業(yè)定義的新的、更嚴格的性能特征和要求為代價的。表 1 總結(jié)了最常見的要求列表。這些特征使任務(wù)關(guān)鍵型 IoT 應(yīng)用程序比消費者應(yīng)用程序要求更高，它迫使 IoT 生態(tài)系統(tǒng)中的參與者解決對互操作性、安全性和可靠性日益增長的擔憂。

表 1.任務(wù)關(guān)鍵型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的典型性能特征和要求。

與任何新興市場一樣，解決這些問題的方法在于適當?shù)谋O(jiān)管和標準定義。然而，由于物聯(lián)網(wǎng)仍處于起步階段，目前還沒有單一的標準來管理所有應(yīng)用程序中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備操作。相反，物聯(lián)網(wǎng)標準是分散的，有幾個組織（例如，ITU、ETSI、IEEE 和 IETF，以及 oneM2M 和 GCF 等行業(yè)機構(gòu)）在世界各地努力平衡監(jiān)管與創(chuàng)新市場的需求。

針對這種不斷變化的監(jiān)管環(huán)境，設(shè)備設(shè)計人員必須繼續(xù)設(shè)計他們的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)，以符合關(guān)鍵任務(wù)要求。同樣，設(shè)備或系統(tǒng)中的每個組件都需要設(shè)計為滿足其環(huán)境帶來的特定挑戰(zhàn)。此外，必須使用全面且透明的測試方法對其進行全面測試，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)計師面臨三個關(guān)鍵層面的挑戰(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設(shè)計，具體取決于應(yīng)用程序的需求。與外界通信也需要一個 RF 收發(fā)器接口（圖 1）。

圖 1.典型物聯(lián)網(wǎng)傳感器模塊框圖。

在設(shè)備中，尺寸和電源管理是設(shè)計人員面臨的常見挑戰(zhàn)，許多傳感器必須使用電池供電或使用收集的能量長時間運行。RF 接口可能是電池電量的重要消耗者。已經(jīng)開發(fā)了低功率無線協(xié)議（例如，LP-WAN）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，與傳感器密度相比，功耗可能不是一個問題，在傳感器密度中，多個設(shè)備必須在不受干擾的情況下進行通信。在這里，信號完整性成為重中之重。此外，在重型機械司空見慣的工業(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)備級別的最大挑戰(zhàn)之一是電池壽命。設(shè)計具有優(yōu)化電池壽命的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要準確的功耗配置文件和設(shè)備動態(tài)負載的準確表征。了解負載需求、所需電流量以及需要多長時間之間的關(guān)系是確定可能的電池壽命的一個重要方面。

電池的工作特性，無論是非可充電紐扣電池還是可充電鋰聚合物電池，都需要了解并納入復(fù)雜的電源管理例程，以延長和優(yōu)化電池壽命。能夠準確跟蹤電池上的負載以及對它的要求，可以提供幫助。

設(shè)計人員可以使用這些信息來開發(fā)強大的電源管理流程。例如，設(shè)計人員可能會確定，在運行期間，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電流跨越一個非常動態(tài)的范圍，從無線收發(fā)器啟動鏈接時的數(shù)百 mA 到收發(fā)器關(guān)閉時的 sub uA，微控制器處于最最佳睡眠模式，并且傳感器未激活。有了這樣的洞察力，設(shè)計人員就可以對高電流消耗的程序功能進行排序，這樣它們就不會同時發(fā)生（圖 2）。

圖 2。使用正確的工具來分析無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的電池消耗對于優(yōu)化電池壽命至關(guān)重要。Keysight N6705B 直流電源分析儀和 N6781A 2 象限源測量單元是可用于表征電池消耗和深入了解設(shè)備電池負載隨時間變化的工具的理想示例。

無線通信

無線通信對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要。為了實現(xiàn)這種通信，設(shè)計人員可以根據(jù)應(yīng)用的特性從多種協(xié)議中進行選擇，例如藍牙、ZigBee、Z-Wave、Wi-Fi、NB-IoT 等等。在關(guān)鍵任務(wù)場景中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須在多個用戶存在的情況下使用不同的無線技術(shù)在相同的頻譜中運行。驗證設(shè)備是否可以處理此負載對于確保強大的無線連接至關(guān)重要。

在醫(yī)院等大型建筑中，設(shè)備操作密集，可靠的無線通信是強制性的。在這里，醫(yī)療設(shè)備、病人監(jiān)護設(shè)備、智能照明、安全系統(tǒng)，甚至訪客攜帶的可穿戴設(shè)備都必須同時運行，并且不受彼此干擾的阻礙。這在醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備與無繩電話、無線攝像機和微波爐等共享 2.4 GHz ISM 頻段的醫(yī)院中尤其成問題。確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的操作可以在這種類型的環(huán)境中按預(yù)期工作是至關(guān)重要的。

網(wǎng)絡(luò)

隨著 5G 的到來，越來越多的應(yīng)用將利用提升的蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能將計算工作量“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。各種設(shè)備都可以連接到網(wǎng)絡(luò)，其中一些設(shè)備可能有意或無意地對網(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)以減輕這些問題和其他此類風(fēng)險。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)功能現(xiàn)在正被設(shè)計到所有工業(yè)部門的任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用程序中。在這一領(lǐng)域取得成功要求設(shè)計人員遵循經(jīng)過深思熟慮的流程來設(shè)計、測試和驗證他們的智能設(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)級別的測試和測量。

幸運的是，設(shè)計人員現(xiàn)在可以使用各種測試選項來幫助驗證物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中各個層的功能（表 2）。然而，僅僅進行正確的測試是不夠的。為確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或系統(tǒng)能夠在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序中生存和發(fā)展，設(shè)計人員必須為正確的工作選擇正確的工具，并且這些工具必須準確、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)計人員準確確定其設(shè)備的當前使用情況以及每種工作模式的持續(xù)時間。信號完整性和電源完整性工具可用于評估高速串行互連并分析電源如何有效地從電源轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)的負載。準確的 EMI 仿真和建模工具可以幫助在開發(fā)硬件之前估計輻射水平。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是必不可少的。

毫無疑問，關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)中有大量機會。設(shè)計師是否成功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)對出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

預(yù)先做出正確的決定，比如選擇正確的設(shè)計工具，可以大大幫助設(shè)計師超越競爭對手。

審核編輯：郭婷