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(jī)。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(zhǎng)軌跡呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在廉價(jià)電子產(chǎn)品的可用性和無(wú)線技術(shù)的不斷出現(xiàn)的推動(dòng)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(lè)方式。

雖然物聯(lián)網(wǎng)的全面影響程度可能仍在爭(zhēng)論中，但很明顯，這些設(shè)備正處于一個(gè)十字路口，因?yàn)樗鼈儚摹昂玫接小边^(guò)渡到“必備”，人們將越來(lái)越依賴于執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)，有時(shí)甚至是，對(duì)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(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)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(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)醫(yī)療保健服務(wù)的根本轉(zhuǎn)變，降低成本，同時(shí)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(jìn)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(dòng)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(cè)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)和人類操作員在裝配線上一起交流和操作，同時(shí)還為人類操作員提供可操作的洞察力。

但這些進(jìn)步是以物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行所在行業(yè)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。這些特征使任務(wù)關(guān)鍵型 IoT 應(yīng)用程序比消費(fèi)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(duì)互操作性、安全性和可靠性日益增長(zhǎng)的擔(dān)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(chǎng)一樣，解決這些問(wèn)題的方法在于適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)定義。然而，由于物聯(lián)網(wǎng)仍處于起步階段，目前還沒(méi)有單一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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，有多個(gè)組織（例如，ITU、ETSI、IEEE 和 IETF，以及 oneM2M 和 GCF 等行業(yè)機(jī)構(gòu)）在全球范圍內(nèi)努力平衡監(jiān)管與創(chuàng)新市場(chǎng)的需求。

針對(duì)這種不斷變化的監(jiān)管環(huán)境，設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須繼續(xù)設(shè)計(jì)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(gè)組件都需要設(shè)計(jì)為滿足其環(huán)境帶來(lái)的特定挑戰(zhàn)。此外，必須使用全面且透明的測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行全面測(cè)試，以優(yōu)化性能和可靠性。

了解未來(lái)的挑戰(zhàn)

在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)師面臨三個(gè)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(jì)，具體取決于應(yīng)用程序的需求。與外界通信也需要一個(gè) 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(jì)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(wú)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(gè)問(wèn)題，在傳感器密度中，多個(gè)設(shè)備必須在不受干擾的情況下進(jìn)行通信。在這里，信號(hào)完整性成為重中之重。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)確的功耗配置文件和設(shè)備動(dòng)態(tài)負(fù)載的準(zhǔn)確表征。了解負(fù)載需求、所需電流量以及需要多長(zhǎng)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(wú)論是非可充電紐扣電池還是可充電鋰聚合物電池，都需要了解并將其納入復(fù)雜的電源管理程序，以延長(zhǎng)和優(yōu)化電池壽命。能夠準(zhǔn)確跟蹤電池上的負(fù)載以及對(duì)它的要求，可以提供幫助。

設(shè)計(jì)人員可以使用這些信息來(lái)開發(fā)強(qiáng)大的電源管理流程。例如，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)確定，在運(yùn)行期間，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(wú)線收發(fā)器啟動(dòng)鏈接時(shí)的數(shù)百 mA 到收發(fā)器關(guān)閉時(shí)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(jì)人員就可以對(duì)高電流消耗的程序功能進(jìn)行排序，這樣它們就不會(huì)同時(shí)發(fā)生（圖 2）。

圖 2

。使用正確的工具來(lái)分析無(wú)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。Keysight N6705B 直流電源分析儀和 N6781A 2 象限源測(cè)量單元是可用于表征電池消耗和深入了解設(shè)備電池負(fù)載隨時(shí)間變化的工具的理想示例。

無(wú)線通信

無(wú)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)用的特性從多種協(xié)議中進(jìn)行選擇，例如藍(lán)牙、ZigBee、Z-Wave、Wi-Fi、NB-IoT 等等。在關(guān)鍵任務(wù)場(chǎng)景中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須在多個(gè)用戶存在的情況下使用不同的無(wú)線技術(shù)在相同的頻譜中運(yùn)行。驗(yàn)證設(shè)備是否可以處理此負(fù)載對(duì)于確保強(qiáng)大的無(wú)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(wú)線通信是強(qiáng)制性的。在這里，醫(yī)療設(shè)備、病人監(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，并且不受彼此干擾的阻礙。這在醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備與無(wú)繩電話、無(wú)線攝像機(jī)和微波爐等共享 2.4 GHz ISM 頻段的醫(yī)院中尤其成問(wèn)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(lái)，越來(lái)越多的應(yīng)用將利用提升的蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能將計(jì)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(wú)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)以減輕這些問(wèn)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(jì)人員遵循經(jīng)過(guò)深思熟慮的流程來(lái)設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證他們的智能設(shè)備和系統(tǒng)。該過(guò)程必須涉及設(shè)備、無(wú)線通信和網(wǎng)絡(luò)級(jí)別的測(cè)試和測(cè)量。

幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用各種測(cè)試選項(xiàng)來(lái)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(cè)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(jì)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(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)確確定其設(shè)備的當(dāng)前使用情況以及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如何有效地從電源轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)的負(fù)載。準(zhǔn)確的 EMI 仿真和建模工具可以幫助在開發(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(wú)線連接和共存測(cè)試是必不可少的。

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

毫無(wú)疑問(wèn)，關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)中有大量機(jī)會(huì)。設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)工具，可以大大幫助設(shè)計(jì)師超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。