可靠的通信是物聯(lián)網(wǎng)增長的關(guān)鍵所在

　　據(jù)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550萬件。截止2020年，預(yù)計總數(shù)將達208億。鑒于這種爆炸式增長，檢查連接所有事物并在它們之間實現(xiàn)通信的互聯(lián)網(wǎng)勢在必行。事實證明，在這些設(shè)備之間建立可靠的無線連接是物聯(lián)網(wǎng)的最大挑戰(zhàn)之一。通信系統(tǒng)的可靠性可以用兩個關(guān)鍵元件的性能來定義：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(tǒng)級可靠性，以支持對數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性以及洞察有極高要求的高影響力應(yīng)用。

　　現(xiàn)有技術(shù)還不夠好

　　面向消費電子設(shè)備的現(xiàn)有無線連接技術(shù)并不總是能滿足工業(yè)和醫(yī)療保健系統(tǒng)的性能要求。這些系統(tǒng)中在安全性、準確性和時間靈敏度等方面的不同側(cè)重點提高了增加可靠性的需求。蜂窩系統(tǒng)接近這一要求，但通常在電池、成本和數(shù)據(jù)吞吐量要求方面不太合適。當(dāng)今存在極度可靠的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)用于利基工業(yè)和軍事應(yīng)用。但是，這些系統(tǒng)在設(shè)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(zhàn)是以低很多的系統(tǒng)成本實現(xiàn)相同的高級別可靠性。

　　讓我們來看看幾種添加無線功能以增強系統(tǒng)有效性和對連接可靠性有極高要求的情況。

　　智能工廠：工業(yè)4.0的生產(chǎn)過程控制

　　互聯(lián)設(shè)備在制造業(yè)中的關(guān)鍵吸引力包括提高增產(chǎn)潛力。要實現(xiàn)這個目標，通常需要遠程控制生產(chǎn)鏈中的多種設(shè)備以實施調(diào)整。在化工生產(chǎn)過程中操作鍋爐的控制閥就是一個例子。對這個閥門實現(xiàn)即時自動化控制后，便可以根據(jù)生產(chǎn)過程中其他階段的反饋進行實時調(diào)整，從而進一步優(yōu)化整體效率。

　　智能醫(yī)療：生命體征監(jiān)測

　　醫(yī)院和護理中心正在力求通過無線連接來監(jiān)測患者的生命體征。笨重的有線解決方案可以由通過本地網(wǎng)關(guān)連接的無線傳感器貼片所替代。此類系統(tǒng)既可減輕醫(yī)護人員的負擔(dān)，同時又能更高效地監(jiān)測患者情況。

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

　　智慧城市：應(yīng)急事件的響應(yīng)與檢測

　　利用先進的圖像和聲音檢測與處理方法，安裝在公共場所(如燈柱上)的系統(tǒng)可以檢測車輛事故和犯罪活動等事件并具有極高的可信度。然后，這類信息可隨同位置信息一起通過無線通信轉(zhuǎn)發(fā)到相關(guān)機構(gòu)或單位，從而實現(xiàn)更快速的應(yīng)急響應(yīng)。

　　在復(fù)雜環(huán)境中建立可靠無線連接的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

　　射頻障礙導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失

　　前面提到的各個示例都會受到可能對無線通信具有不利影響的不同環(huán)境挑戰(zhàn)。工廠的鋼結(jié)構(gòu)和厚壁會造成很大的障礙，可能導(dǎo)致射頻信號的功率降低到目標設(shè)備無法接收的程度。目標設(shè)備中所用無線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(tǒng)設(shè)計人員在選擇無線電器件時必須密切關(guān)注接收器靈敏度。

　　頻段擁擠導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失

　　通常來說，互聯(lián)設(shè)備會在所在地區(qū)的相關(guān)ISM頻段內(nèi)工作。ISM頻段為免執(zhí)照頻段，可用于各種需要無線連接的應(yīng)用。2.4 GHz為全球標準化頻率，廣泛用于Wi-Fi和藍牙?設(shè)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(yīng)用。在歐洲和美國，該頻段分別以868 MHz和915 MHz為中心。當(dāng)位置接近的多臺設(shè)備共用相同的ISM頻段時，便會出現(xiàn)挑戰(zhàn)。發(fā)送設(shè)備可能干擾附近的接收設(shè)備，例如在公立醫(yī)院中，多種機器會共用相同的ISM頻段。無線電器件在此類干擾環(huán)境中的工作能力由阻塞規(guī)格來衡量。而且，這種挑戰(zhàn)并非僅來自于在ISM頻段內(nèi)工作的設(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)通信丟失。在軍事和航空航天應(yīng)用中，會使用非常昂貴的元件來減輕干擾的影響。在對數(shù)據(jù)有極高要求的應(yīng)用(如前面提到的應(yīng)用)中，無線電器件必須能夠?qū)崿F(xiàn)與軍事和航空航天應(yīng)用中相似的性能，同時還不能因附加外部元件而帶來高成本。在附近具有多個工作的干擾源時，此類無線電器件仍能繼續(xù)接收消息。

　　環(huán)境影響導(dǎo)致性能下降

　　受所采用的工藝限制，無線電收發(fā)器的性能會根據(jù)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(dǎo)致的電壓降低和設(shè)備間的芯片制造差異。這些生活中的真實事件可能導(dǎo)致設(shè)備的工作穩(wěn)定性發(fā)生變化。讓我們來看一下在路燈上采用的事件檢測應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。寒冷冬季的氣溫可能導(dǎo)致設(shè)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(dǎo)致通信中斷。消費類設(shè)備很少在此類極端條件下使用，因此不必太過擔(dān)憂這一問題，但對于應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)而言，這是無法接受的。最好的情況下，代價是最終產(chǎn)品聲譽受損，以及收到更換故障設(shè)備的維修請求。系統(tǒng)設(shè)計人員必須確保選擇用于檢測和通信系統(tǒng)的元件在不斷變化的環(huán)境條件下保持穩(wěn)定。

　　存儲器損壞可能導(dǎo)致意外的結(jié)果

　　可靠性也是通信微控制器上需要考慮的問題。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(dǎo)致。無論屬于哪種機制，微控制器都必須配備必要的完整性功能以識別設(shè)備的損壞情況。識別后，微控制器可糾正錯誤或關(guān)閉設(shè)備，恰當(dāng)?shù)卮_保不會破壞更廣泛系統(tǒng)的安全性。

　　ADI公司——打造可靠性設(shè)計

　　50多年來，ADI公司一直致力于設(shè)計魯棒的解決方案來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的超穩(wěn)健系統(tǒng)要求并不算新的挑戰(zhàn)。超低功耗、sub-GHz ISM頻段無線電器件ADF7030-1和 Cortex? M3微控制器ADuCM3029旨在提供可實現(xiàn)最穩(wěn)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)先的無線電器件。在很多情況下，ADF7030-1能夠接收低于其他無線電器件可接收功率3 dB的無線電信號。這意味著，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100 dB的行業(yè)領(lǐng)先阻塞數(shù)據(jù)，ADF7030-1可實現(xiàn)與軍事和航空航天設(shè)備相媲美的抗干擾水平，且無需增添昂貴的外部元件。這增加了價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(yīng)對真實生活環(huán)境對無線電收發(fā)器產(chǎn)生的影響。例如，在整個工作溫度范圍內(nèi)，采用ADF7030-1的設(shè)備的輸出功率變化不超過0.2 dB。這一成果的實現(xiàn)得益于ADI公司獨一無二的無線電設(shè)計方法。在同類競爭的無線電產(chǎn)品中，相應(yīng)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(jiān)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(shè)備可采取相應(yīng)的措施，提醒管理員或進入安全模式，以確保更廣泛的系統(tǒng)不會被入侵。

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

　　作者簡介

　　Michael Dalton是ADI公司物聯(lián)網(wǎng)部的產(chǎn)品營銷經(jīng)理。在這之前，Michael在射頻應(yīng)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)的電子工程專業(yè)，獲得工程學(xué)士學(xué)位。