物聯(lián)網(wǎng)參考設(shè)計的簡約化和可擴(kuò)展性

物聯(lián)網(wǎng)：對快速行動者而言，這是一個潛力巨大的市場

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場為開發(fā)人員、參考設(shè)計人員、模塊制造商和系統(tǒng)制造商提供了巨大的發(fā)展?jié)摿Γ顾麄兡軌蛞I(lǐng)組成行業(yè)伙伴們前進(jìn)，而無懼物聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)的碎片化和復(fù)雜多樣。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)造的真正價值不在網(wǎng)絡(luò)邊緣，而是在云端，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生成的數(shù)據(jù)可以在云端進(jìn)行分析和處理。但是，為了將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，物?lián)網(wǎng)設(shè)備需要一個能夠根據(jù)其應(yīng)用場景進(jìn)行高效傳輸?shù)奶炀€。然而，應(yīng)用場景數(shù)不勝數(shù)且多種多樣，它可以是位于樓宇深處或地下的公用事業(yè)表計，也可以是國際運輸過程中的集裝箱中的追蹤器，甚至是安裝在鄉(xiāng)村荒野中牲畜耳朵上的追蹤器。

隨著應(yīng)用場景數(shù)量無限增加，當(dāng)涉及到連接問題時，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)有著非常多的可選擇連接技術(shù)。

LTE-M、Cat-1、NB-IoT、LoRa、Sigfox、Wi-Fi、Wi-SUN、3G、4G以及公共和私有的5G等技術(shù)；隨著它們向前發(fā)展，這些技術(shù)正在將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用從局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）擴(kuò)展到廣域網(wǎng)（Wide Area Network，WAN）環(huán)境，并對更低延遲、更高性能的連接產(chǎn)生了更多需求。

這種增長背后的驅(qū)動性需求隨處可見——不僅體現(xiàn)于正在部署更多的智能設(shè)備，而且越來越多的設(shè)備正變得智能化。根據(jù)ABI Research的數(shù)據(jù)，截至2020年底，全球估計有66億臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)并處于活躍狀態(tài)，其中約有8.4億臺設(shè)備使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，占總數(shù)的不到8%。

研究機(jī)構(gòu)ABI預(yù)測，在接下來的六年時間里，采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將增長近7倍，到2026年全球蜂窩網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總量將達(dá)到57億臺。

將參考設(shè)計快速推向市場

然而，基于全球視野開發(fā)硬件并在全球范圍內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用是困難的。其中不可退還工程開發(fā)費用（Non Recurring Engineering，NRE），即研究、設(shè)計、開發(fā)和測試新產(chǎn)品或增強(qiáng)功能的一次性成本，不僅決定了該產(chǎn)品是否具有商業(yè)可行性，還決定了該產(chǎn)品的上市速度。

天線元件尤其如此。對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)人員而言，如果沒有從一開始就考慮到天線因素，那么它肯定會在某個時刻成為一個問題，通常是在對設(shè)備的設(shè)計做了大量艱巨工作之后。在Ignion等公司推出標(biāo)準(zhǔn)化、芯片式天線，以及可以在其網(wǎng)站上就可以利用Fast Track工具完成天線的設(shè)計之前，為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計、制作和測試天線總是一件并不輕松的工作。

然而，芯片組和模塊參考設(shè)計現(xiàn)在可以集成一個天線，它以可輕松轉(zhuǎn)入量產(chǎn)的方式提供端到端連接。這是以前沒有廣泛得到使用的模式，因為天線要么是必須定制設(shè)計，要么是現(xiàn)成可用的解決方案；它們在外形、尺寸和調(diào)諧方面的靈活性不高，因此在許多實際應(yīng)用中不可能重復(fù)使用天線部件。

從歷史上看，這對參考設(shè)計人員來說都是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。Nordic Semiconductor產(chǎn)品營銷主管Petter Myhre表示：在提供微控制器時，我們一直采取的做法是讓開發(fā)人員盡可能輕松地構(gòu)建產(chǎn)品。

“我們生產(chǎn)低功耗藍(lán)牙微控制器已經(jīng)有十年的時間了，我們一直致力于通過提供軟件、工具、參考設(shè)計和布線圖來讓開發(fā)人員更容易地使用低功耗藍(lán)牙微控制器，從而使其輕松地構(gòu)建產(chǎn)品并將產(chǎn)品推向大眾市場。我們希望提供可擴(kuò)展的解決方案，以便開發(fā)人員可以輕松地構(gòu)建產(chǎn)品。”Petter Myhre說。

“然后，當(dāng)我們開始推出蜂窩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品時，我們嘗試了相同的方法；但在蜂窩網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，傳統(tǒng)上只有幾家大型參考設(shè)計公司和數(shù)量不多的客戶，其產(chǎn)品的銷量達(dá)數(shù)十億臺。因此，他們實際上不需要讓客戶自己就能夠輕松地構(gòu)建產(chǎn)品，因為參考設(shè)計人員可以在整個過程中手把手地指導(dǎo)他們，并在硬件方面為他們定制設(shè)計一切?！?/p>

然而，物聯(lián)網(wǎng)正在對蜂窩網(wǎng)絡(luò)行業(yè)提出不同的需求，而“一切定制”的方法與物聯(lián)網(wǎng)所代表的開放性背道而馳。這也與模塊制造商和參考設(shè)計人員盡力降低進(jìn)入壁壘和開放物聯(lián)網(wǎng)市場以實現(xiàn)更大的創(chuàng)新目標(biāo)背道而馳。

Nordic Semiconductor產(chǎn)品營銷主管Petter Myhre表示：“我們希望小規(guī)模的公司也能構(gòu)建基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。這就是我們將Thingy:91原型設(shè)計平臺整合在一起的原因，以便于任何人都可以方便使用。那里有傳感器和電池，還有一個可以在世界各地許多不同頻段上工作的天線。我們需要一個非常靈活的解決方案，我們與Ignion合作開發(fā)了一款非常小巧的天線，它足夠靈活，可以在許多不同的頻段工作，這樣您就可以真正構(gòu)建一個全球可用的產(chǎn)品。”

創(chuàng)建真正全球可用的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品

隨著向廣域網(wǎng)連接的轉(zhuǎn)變不斷深入，以及對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)功能提出更多的需求，移動網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證成為一個需要考慮的問題，因為任何設(shè)計不良或連接阻抗不佳的設(shè)備，運營商都會拒絕對其進(jìn)行認(rèn)證，其原因是這些設(shè)備會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率低下，對運營商產(chǎn)生不好的影響。

面向全球范圍的3G、4G和5G頻段也意味著，如果制造商不能確切地知道他們的設(shè)備將在哪里使用，就需要覆蓋廣泛的潛在頻段。從歷史上看，這意味著要設(shè)計一系列的天線元件，這通常會破壞商業(yè)模式。

根據(jù)Sierra Wireless首席工程師、mangOH創(chuàng)始人兼架構(gòu)師Ashish Syal的說法：“我們面臨的問題是我們的很多客戶都想嘗試物聯(lián)網(wǎng)項目。他們會產(chǎn)生一個想法，但發(fā)現(xiàn)很難推進(jìn)，許多人會在幾個月內(nèi)就放棄了這個想法，因為他們無法使其產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效用，結(jié)果無法為其獲得資金支持?！?/p>

Sierra Wireless還采取了一些方法，盡可能簡化最終物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)工作，以確保它們從一開始就能覆蓋全球連接。

“對于mangOH開發(fā)平臺，我們的關(guān)注點是包括一個可適用于2G、3G或4G等一系列技術(shù)的天線。Ignion使用戶無需部署多個不同的天線，從而使我們的工作變得更加輕松，我們可以在一個小型天線中實現(xiàn)所有這一切?！?Ashish Syal補(bǔ)充道。

Syal解釋了將天線設(shè)計轉(zhuǎn)化為射頻電路設(shè)計的好處，因為它將天線設(shè)計和射頻工程的黑暗藝術(shù)帶給大眾，顯著降低了電子工程的復(fù)雜性。

Ignion：適應(yīng)于不同應(yīng)用的Virtual Antenna?技術(shù)

考慮到射頻設(shè)計和天線開發(fā)工作的復(fù)雜性和各種挑戰(zhàn)，Ignion通過使用一種多頻段多協(xié)議的解決方案來完成了所有艱巨的工作；該解決方案可以從一開始就集成到任何產(chǎn)品設(shè)計中，并且可以輕松地在不同的射頻技術(shù)或頻率上重新部署。

由于Ignion天線硬件外形尺寸非常小巧，所以它對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有非常大的吸引力。而且該天線是非諧振的，它可以通過簡單的電路設(shè)計為任何無線協(xié)議實現(xiàn)完全的多頻段運行。這使得天線集成成為一個更簡單的“像往常電子系統(tǒng)設(shè)計” 一樣的過程，不需要特定的天線專業(yè)知識。

關(guān)鍵的創(chuàng)新之處在于，Ignion將印刷電路板（PCB）變成了唯一的輻射部件。這將天線的尺寸縮減到超出傳統(tǒng)的極限，同時系統(tǒng)受益于遠(yuǎn)遠(yuǎn)更大元件的輻射性能。這是一種全新的工作原理，它得益于一種全新的芯片式天線元件，在技術(shù)上將其稱為“天線單元（Booster）”。

正如Sierra Wireless公司的Syal所說：“由于Ignion所做的工作，開發(fā)人員無需擔(dān)心構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時所涉及的物理尺寸和復(fù)雜性。這使得構(gòu)建設(shè)備的公司能夠?qū)Ｗ⒂谒麄兊暮诵膶I(yè)技能，即數(shù)據(jù)的捕捉?！?/p>

滿足對速度的需求

Ignion的開發(fā)環(huán)境也有助于物聯(lián)網(wǎng)參考設(shè)計人員、開發(fā)人員和最終的制造商縮短其設(shè)計周期。借助于Ignion的技術(shù)，從數(shù)千種潛在可用的、彼此不同的天線中找到合適選項的過程，被縮減到從僅有的幾款中選擇；而且，無論協(xié)議或射頻技術(shù)如何，這些天線都能滿足所有的應(yīng)用場景。

硬件開發(fā)人員無需等到設(shè)計周期結(jié)束后才開始測試天線，然后再選擇一種天線進(jìn)行演示，Ignion的開發(fā)環(huán)境使開發(fā)人員能夠從一開始就運行仿真。這可以幫助開發(fā)人員更好地了解他們設(shè)計的其他方面，以及理解“這是可以用于生產(chǎn)的天線”和“這是可以滿足預(yù)期的現(xiàn)場性能”。

Sequans產(chǎn)品高級總監(jiān)和項目經(jīng)理Sebastien Falgayrettes表示，這一點至關(guān)重要，因為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都有可能進(jìn)入一個真正的全球性市場，其頻段數(shù)量自然會急劇增加。

“實際上，我們之前做過一些項目，其過程中我們必須自己去調(diào)整天線，所以我們知道做這件事的復(fù)雜性，知道這并不是一件容易的事情。我們也知道您不可能只在一次調(diào)試中就取得成功。通常情況下，您需要進(jìn)行多次測量、修改，然后再調(diào)整一次，這需要花費大量的時間。現(xiàn)在，我們向客戶提供了一套面向?qū)嶋H的評估套件，并且反饋非常好?！盕algayrettes說。

現(xiàn)在，利用Ignion的技術(shù)和產(chǎn)品，Sequans及其客戶可以通過調(diào)整電路板上的匹配電路來加快每次調(diào)試的速度，這對于其客戶來講尤為重要。一個關(guān)鍵的好處是，這些相同的優(yōu)勢也可以轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)中，因為參考設(shè)計中的天線元件在最終設(shè)備中保持不變。設(shè)計中的天線不再是為了演示而存在，這解決了生產(chǎn)制造商的另一個問題，天線元件從設(shè)計周期進(jìn)入生產(chǎn)都保持一致，并簡化了最終設(shè)備的采購、物流和制造流程。

由于Ignion提供的天線和匹配網(wǎng)絡(luò)電路已經(jīng)是生產(chǎn)級的，因此可擴(kuò)展性已被考慮在內(nèi)。作為參考設(shè)計構(gòu)建的產(chǎn)品可以在全球范圍內(nèi)重新用于生產(chǎn)，只需對其進(jìn)行一些小的調(diào)整以適應(yīng)不同的頻率。

“我們希望我們的客戶能夠去打造可用于全球市場的產(chǎn)品，這樣他們就不需要有一個適用于中國的版本，一個適用于德國的版本，一個適用于美國的版本?！盢ordic Semiconductor公司的Myhre表示，“這樣做實在是太昂貴了，因為您有太多不同的產(chǎn)品需要維護(hù)和運輸。通過嵌入包括天線在內(nèi)的完整參考設(shè)計，我們就可以盡可能地減少障礙，以便我們能夠?qū)崿F(xiàn)真正基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)方案。”

Cavli Wireless的使命是通過其獨特的價值組合，讓接下來的10億臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備智能地連接到物聯(lián)網(wǎng)連接管理的所有基本構(gòu)建模塊，包括連接硬件、網(wǎng)絡(luò)接入、管理云等，它們?nèi)勘患傻揭粋€統(tǒng)一的解決方案中，從而將全球第一個“連接即服務(wù)（Connectivity as a Service，CaaS）”解決方案以零成本捆綁物聯(lián)網(wǎng)硬件的形式推向市場。因此，客戶可收到預(yù)先加載了全球連接功能的工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)模塊，然后只需支付連接費用即可使用。

據(jù)Cavli Wireless首席運營官Tarun Thomas的描述，Cavli的C系列智能模塊評估套件產(chǎn)品線采用了Ignion的TRIO mXTENDTM天線，因為它們具有卓越的多頻段性能和小尺寸外形。TRIO mXTENDTM天線在全球所有GSM/LTE頻段上都具有很高的效率，支持我們的用戶在全球多個應(yīng)用和場景中進(jìn)行無縫集成。Cavli還擁有一系列智能連接計算模塊，這些模塊也由TRIO mXTENDTM天線提供支持，旨在幫助物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品制造商快速實現(xiàn)原型設(shè)計和產(chǎn)品上市。

讓復(fù)雜的事情簡單化，使物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)真正可擴(kuò)展

The Things Industries首席執(zhí)行官Wienke Giezeman表示：The Things Industries已將Ignion的芯片式天線元件集成到其基于LoRa的通用節(jié)點中。他表示：“硬件是物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)用例總成本的重要組成部分。由于工程成本與多次射頻調(diào)試相關(guān)，所以研發(fā)活動可能具有很高的風(fēng)險。”

Giezeman繼續(xù)說道：“物聯(lián)網(wǎng)不是一個封閉的系統(tǒng)，它是一個由許多合作伙伴提供的零組件組成的網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)，每個元件都是物料清單（BOM）的一部分。正因為如此，您很容易‘因小失大’，因為您購買了一個更便宜的元件，例如天線，以減少您的物料清單。但如果該天線的功率效率較低，它會更快地消耗電池電量，就需要有人更快地更換它。因此，您雖然減少了物料清單，卻增加了維護(hù)成本?！?/p>

Ignion的Virtual Antenna?技術(shù)通過讓天線適應(yīng)客戶的設(shè)計，而不是反其道而行之，讓客戶的設(shè)計去適應(yīng)天線，從而消除了嵌入式設(shè)計的復(fù)雜性。硬件由非常微小的、現(xiàn)成可用的天線單元組成，它是一種表面貼裝元件，可使用與任何其他電子元件相同的標(biāo)準(zhǔn)拾取和放置技術(shù)無縫安裝到電子印制電路板中，并在參考設(shè)計階段就將最終要用的天線選項就放入物料清單中。

將參考設(shè)計快速推向市場，更快地投入生產(chǎn)

最后，Ignion易于使用的仿真工具有助于開發(fā)人員去實現(xiàn)一個多用途的參考設(shè)計，而該參考設(shè)計可以很容易地進(jìn)行調(diào)整或重復(fù)使用，以將產(chǎn)品快速地推向市場。

Sequans公司的Falgayrettes對此進(jìn)行了解釋，他指出開發(fā)人員需要一個功能豐富且易于使用的評估套件。他說：“調(diào)試天線是非常復(fù)雜和困難的，這是一個反復(fù)的過程，需要花費大量的時間?！?/p>

“但是我想說的是，客戶想在不到一分鐘的時間內(nèi)就能獲得套件，并能夠?qū)崿F(xiàn)完整的端到端連接，因為他們希望專注于自己的附加價值，而不是在創(chuàng)建連接方面浪費時間。我們還需要該套件具有通用性——既可以在實驗室中使用，又可以展示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在現(xiàn)場試驗中的表現(xiàn)，這樣您就可以看到對電池使用壽命的影響?！?/p>

Falgayrettes補(bǔ)充道：“現(xiàn)在，我們已經(jīng)向客戶提供了一個實際的評估套件，并且反饋非常好，所以我確信我們將擴(kuò)大與Ignion的合作，雙方將在更多的平臺和解決方案中進(jìn)行合作。”

對于Sierra Wireless而言，消除或減少重復(fù)的流程不僅可以簡化產(chǎn)品開發(fā)，還可以讓公司更快地實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)價值。“當(dāng)公司開發(fā)一款產(chǎn)品時，它正在改善我的投資，因為這加快了從開發(fā)到最終購買產(chǎn)品之間的時間，”Syal說?！暗丝s短上市時間外，它還支持終端客戶在各種新情況下去部署物聯(lián)網(wǎng)?！彼a(bǔ)充道。

所有這些都推動了更多的需求，但疫情的影響表明，如果某個元件出現(xiàn)供應(yīng)短缺，供應(yīng)鏈就很容易出現(xiàn)問題，并可能對制造業(yè)造成災(zāi)難性的后果。然而，Ignion是一家總部位于歐洲的公司，硬件設(shè)計也是在歐洲完成的。

Ignion的天線生產(chǎn)使用了可由世界各地（包括越南和韓國）供應(yīng)商制造的預(yù)印制電路套件，因此其元件供應(yīng)鏈?zhǔn)强苟倘钡?，也證明了具有抗短缺的能力。

這是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)和生產(chǎn)的關(guān)鍵考慮因素。縮短從設(shè)計到生產(chǎn)的交付周期是在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域真正取得成功的關(guān)鍵因素，一個可靠的參考設(shè)計可以讓開發(fā)人員在競爭激烈的市場中擁有強(qiáng)大的話語權(quán)。

在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中取得成功在于消除瓶頸，Ignion正在幫助參考設(shè)計開發(fā)人員快速解決從0到1的問題，這樣他們的客戶就可以輕松且自信地解決從1到1000的問題，同時縮短從開發(fā)到盈利的時間。

為了幫助開發(fā)商加快產(chǎn)品上市時間，Ignion已經(jīng)免費提供了其Fast Track開發(fā)工具，這在其中文網(wǎng)站上即可進(jìn)行嘗試。使用Fast Track工具，開發(fā)人員可以在短短24小時內(nèi)，就可將經(jīng)過優(yōu)化的嵌入式天線加入到他們最終的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計中。

利用Ignion英文或者中文網(wǎng)站上的Fast Track工具，在輸入其設(shè)計信息之后，開發(fā)人員將收到一個天線選擇；Virtual Antenna?元件選項，這是專為設(shè)備和應(yīng)用選擇的；同時會提供在裸PCB中選擇最佳的天線位置，以及其他設(shè)計建議；還有包括匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、反射系數(shù)和估計效率等設(shè)置建議。

這在整個設(shè)計過程中提供了可預(yù)測性，并加速了將參考設(shè)計轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的過程。通過將現(xiàn)成可用的芯片式天線和Fast Track優(yōu)化工具相結(jié)合，客戶可以從“現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)化高性能天線元件”中受益。