我們生活的世界已經改變。馬和馬車已被現代汽車所取代。固定電話已經讓位于智能手機。而且，模擬設備已被具有不斷提高智能水平的數字對應設備所取代。

如今，這些智能數字電子產品構成了物聯網（IoTs）生態系統的基礎，其增長軌跡呈指數級增長。在廉價電子產品的可用性和無線技術的不斷涌現的推動下，物聯網設備正在重塑我們的生活、工作和娛樂方式。

雖然物聯網的全面影響程度可能仍在爭論中，但很明顯，這些設備正處于十字路口，因為它們從“好到有”過渡到“必須擁有”，人們將越來越依賴這些關鍵任務，有時甚至是生命關鍵型應用程序。

要使物聯網設備和物聯網生態系統能夠成功實現這一轉變，設計人員需要克服幾個關鍵挑戰。

推進任務關鍵型物聯網

物聯網進入關鍵任務領域的發展最為明顯，尤其是在醫療保健領域。在這里，醫療設備制造商正在生產一系列創新的連接設備，從手術機器人，皮膚植入傳感器和跟蹤藥丸，到各種可穿戴設備，如收集和傳輸關鍵醫療數據的輸液泵。這種所謂的醫療物聯網（IoMT）正在實現醫療保健服務的根本性轉變，降低成本，同時提高臨床醫生的有效性并改善患者預后。

但這只是冰山一角。關鍵任務物聯網也正在進入其他關鍵工業領域，如聯網汽車和工業4.0。

自動駕駛汽車是從物聯網中受益的最引人注目的應用之一。在此應用中，傳感器用于檢測其他車輛、道路、高速公路基礎設施甚至行人并與之通信。在智能工廠中，物聯網的使用正在實現工業4.0。這意味著在工廠車間實施自主機器人和增強現實。它允許機器、系統和人工操作員在裝配線上一起進行通信和操作，同時還為人類操作員提供可操作的見解。

但這些進步是以物聯網運行所在行業所定義的新的、更嚴格的性能特征和要求為代價的。表 1 總結了最常見的要求列表。這些特性使得任務關鍵型物聯網應用程序比消費者應用程序要求更高，并迫使物聯網生態系統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.任務關鍵型 IoT 應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的監管和標準定義。但是，由于物聯網仍處于起步階段，因此目前沒有單一的標準來管理所有應用程序中的物聯網設備操作。相反，物聯網標準是分散的，一些組織（例如，國際電聯，ETSI，IEEE和IETF，以及oneM2M和GCF等行業機構）在世界各地開展工作，以平衡監管與創新市場的需求。

在這種不斷變化的監管環境中，設備設計人員必須繼續設計其物聯網設備和系統，以滿足關鍵任務要求。同樣，設備或系統中的每個組件都需要設計為滿足其環境帶來的特定挑戰。此外，必須使用全面透明的測試方法對其進行全面測試，以優化性能和可靠性。

了解未來的挑戰

在物聯網生態系統中，設計人員在三個關鍵層面面臨挑戰：

物聯網設備

物聯網設備（傳感器模塊）通常圍繞具有模擬和數字接口的微控制器單元進行設計，具體取決于應用的需要。與外界通信時還需要一個RF收發器接口（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計人員面臨的常見挑戰，許多傳感器必須使用電池電源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。低功耗無線協議（例如，LP-WAN）已經開發出來，以提供傳輸范圍和功耗之間的折衷。在某些環境中，例如智能工廠，功耗可能比傳感器密度問題要小，因為多個設備必須在沒有干擾的情況下進行通信。在這里，信號完整性成為關鍵的優先事項。此外，在重型機械司空見慣的工業環境中，電磁干擾（EMI）合規性至關重要。

到目前為止，物聯網設備級別的最大挑戰之一是電池壽命。設計具有優化電池壽命的物聯網設備需要準確的功耗曲線和設備的動態負載的準確表征。了解負載需求、所需電流量以及所需時間之間的關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雜的電源管理例程中，以延長和優化電池壽命。能夠準確地跟蹤電池上的負載，以及要求它的東西，可以提供幫助。

設計人員可以使用此信息來開發可靠的電源管理流程。例如，設計人員可能會確定，在工作期間，物聯網設備的電流跨越一個非常動態的范圍，從無線收發器啟動鏈路時的數百mA，到收發器關閉時的亞uA，微控制器處于最佳休眠模式，傳感器不活動。有了這樣的洞察力，設計人員就可以對高電流消耗程序功能進行排序，這樣它們就不會同時發生（圖2）。

圖 2

。使用正確的工具分析無線物聯網設備中的電池消耗對于優化電池壽命至關重要。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備電池負載隨時間變化的理想工具示例。

無線通信

無線通信對于物聯網設備至關重要。為了實現這種通信，設計人員可以根據應用的特性從各種協議中進行選擇，例如藍牙、Z 形蜜蜂、Z-Wave、Wi-Fi、NB-IoT 等。在任務關鍵型方案中，IoT 設備必須在同一頻譜中存在具有不同無線技術的多個用戶的情況下執行。驗證設備是否可以處理此負載對于確保可靠的無線連接至關重要。

在大型建筑物中，例如醫院，密集的設備操作是給定的，可靠的無線通信是強制性的。在這里，醫療設備、患者監護設備、智能照明、安全系統，甚至訪客攜帶的可穿戴設備都必須同時運行，不受彼此干擾。這在醫院中尤其成問題，因為醫療監控設備與無繩電話、無線攝像機和微波爐等設備共享 2.4 GHz ISM 頻段。確保物聯網設備的操作能夠在這種類型的環境中按預期工作至關重要。

網絡

隨著5G的到來，越來越多的應用將利用蜂窩網絡性能的提升，將計算工作負載“卸載”到數據中心，更加重視網絡的安全性和穩定性。可以預期各種設備都會連接到網絡，其中一些設備可能有意或無意地對網絡完整性和安全性構成威脅。因此，必須開發網絡管理工具和系統來緩解這些問題和其他此類風險。

結論

物聯網功能現在正被設計到所有工業部門中越來越多的任務關鍵型應用中。要在這個領域取得成功，設計人員就需要遵循一個深思熟慮的流程來設計、測試和驗證他們的智能設備和系統。該過程必須涉及設備、無線通信和網絡級別的測試和測量。

幸運的是，設計人員現在可以訪問各種測試選項，以幫助驗證物聯網生態系統中各個層的功能（表 2）。然而，僅僅進行正確的測試是不夠的。為了確保物聯網設備或系統能夠在任務關鍵型應用中生存和發展，設計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確、高性能和靈活。

需要考慮的關鍵工具之一是電池消耗分析，它可以幫助設計人員準確確定其器件的當前使用情況及其每種工作模式的持續時間。信號完整性和電源完整性工具可用于評估高速串行互連，并分析電源轉換和從電源輸送到系統內負載的有效性。精確的EMI仿真和建模工具有助于在開發硬件之前估計輻射水平。而且，為了確保物聯網設備能夠有效通信，無線連接和共存測試至關重要。

表 2.物聯網生態系統的測試和測量工具。

毫無疑問，關鍵任務物聯網中蘊藏著大量的機會。設計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如何應對出現的挑戰。

提前做出正確的決策，比如選擇正確的設計工具，可以大大有助于設計師超越競爭對手。

審核編輯：郭婷