根據(jù)技術(shù)行業(yè)研究員Gartner的數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)中的事物數(shù)量每天增加550萬(wàn)。到2020年，總數(shù)預(yù)計(jì)將達(dá)到208億。鑒于這種爆炸性增長(zhǎng)，必須檢查將連接并實(shí)現(xiàn)所有事物之間通信的互聯(lián)網(wǎng)。在這些設(shè)備之間創(chuàng)建可靠的無(wú)線連接被證明是物聯(lián)網(wǎng)的巨大挑戰(zhàn)之一。通信系統(tǒng)的可靠性可以通過(guò)兩個(gè)關(guān)鍵組件的性能來(lái)定義：無(wú)線電收發(fā)器和通信微控制器。本文討論ADI公司的組件和解決方案如何最大限度地提高系統(tǒng)級(jí)可靠性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量、完整性和洞察力對(duì)任務(wù)至關(guān)重要的高影響應(yīng)用。

現(xiàn)在好的東西還不夠好

消費(fèi)類設(shè)備的現(xiàn)有無(wú)線連接技術(shù)并不總是滿足工業(yè)和醫(yī)療保健系統(tǒng)的性能需求。這些系統(tǒng)中的不同優(yōu)先級(jí)（包括安全性、準(zhǔn)確性和時(shí)間敏感性）提高了對(duì)提高可靠性的需求。蜂窩系統(tǒng)接近這一點(diǎn)，但在電池、成本和數(shù)據(jù)吞吐量要求方面通常不合適。如今，對(duì)于利基工業(yè)和軍事應(yīng)用，存在極其可靠的系統(tǒng)。然而，這些設(shè)計(jì)將可靠性放在首位，成本出現(xiàn)在列表的后面。對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，挑戰(zhàn)在于以更低的系統(tǒng)成本提供同樣高水平的可靠性。

讓我們考慮一些場(chǎng)景，其中添加了無(wú)線功能以增強(qiáng)系統(tǒng)的有效性，并且連接的可靠性可能至關(guān)重要。

智能工廠：工業(yè)4.0的生產(chǎn)過(guò)程控制

連接設(shè)備在制造業(yè)中的一個(gè)關(guān)鍵吸引力包括提高產(chǎn)量的潛力。為此，通常需要遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)鏈中的各種設(shè)備以進(jìn)行調(diào)整。一個(gè)例子是在化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)行的鍋爐的控制閥。該閥門的即時(shí)自主控制可以根據(jù)過(guò)程中其他階段的反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而優(yōu)化整體效率。

智慧醫(yī)療：生命體征監(jiān)測(cè)

醫(yī)院和護(hù)理中心正在尋求無(wú)線連接來(lái)監(jiān)測(cè)患者的生命體征。笨重的有線解決方案可以用通過(guò)本地網(wǎng)關(guān)連接的無(wú)線傳感器貼片代替。這樣的系統(tǒng)可以更有效地監(jiān)測(cè)患者，同時(shí)減輕醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。

智慧城市：用于應(yīng)急響應(yīng)的事件感知

借助先進(jìn)的圖像和聲學(xué)傳感和處理方法，安裝在公共場(chǎng)所（例如燈柱上）的系統(tǒng)可以高度自信地檢測(cè)車輛事故和犯罪活動(dòng)等事件。這些信息可以通過(guò)無(wú)線通信中繼到相應(yīng)的機(jī)構(gòu)或單位，以及位置信息，以實(shí)現(xiàn)更快的應(yīng)急響應(yīng)。

在復(fù)雜環(huán)境中構(gòu)建可靠無(wú)線連接的主要挑戰(zhàn)

射頻障礙導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失

前面提到的每個(gè)示例都受到不同的環(huán)境挑戰(zhàn)的影響，這些挑戰(zhàn)可能會(huì)對(duì)無(wú)線通信產(chǎn)生負(fù)面影響。工廠的鋼結(jié)構(gòu)和厚墻會(huì)產(chǎn)生巨大的障礙，可能會(huì)將RF信號(hào)的功率降低到目標(biāo)設(shè)備無(wú)法接收的程度。目標(biāo)設(shè)備中使用的無(wú)線電的接收器靈敏度將決定可以容忍的信號(hào)衰減程度。靈敏度的微小變化僅2 dB就可能成為信號(hào)成功接收與否之間的差異。通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在選擇無(wú)線電時(shí)必須密切注意接收器靈敏度。

擁擠的頻段導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失

連接的設(shè)備通常在該區(qū)域的相關(guān) ISM 頻段內(nèi)運(yùn)行。ISM頻段無(wú)需許可證，可用于需要無(wú)線連接的各種應(yīng)用。2.4 GHz 是全球標(biāo)準(zhǔn)化的，被 Wi-Fi 和藍(lán)牙?設(shè)備廣泛使用。在低于 1 GHz 的頻段中也有可用的 ISM 頻譜。這些頻段通常用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。該頻段在歐洲的中心頻率為868 MHz，在美國(guó)以915 MHz為中心，當(dāng)位于附近的多個(gè)設(shè)備共享同一個(gè)ISM頻段時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)挑戰(zhàn)。發(fā)射設(shè)備可能會(huì)干擾附近的接收設(shè)備，例如在公立醫(yī)院中，有各種各樣的機(jī)器共享相同的ISM頻段。無(wú)線電在存在此類干擾源的情況下運(yùn)行的能力由阻塞規(guī)范來(lái)衡量。挑戰(zhàn)不僅限于在ISM頻段內(nèi)運(yùn)行的設(shè)備。如果沒(méi)有足夠的阻塞能力，在附近運(yùn)行的手機(jī)或平板電腦可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的通信中斷。在軍事和航空航天應(yīng)用中，使用非常昂貴的組件來(lái)減輕干擾源的影響。用于關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)的無(wú)線電，例如前面提到的應(yīng)用，必須實(shí)現(xiàn)與軍事和航空航天相似的性能，而不會(huì)產(chǎn)生額外外部組件的高成本。此類無(wú)線電將繼續(xù)接收附近有多個(gè)干擾源的消息。

環(huán)境影響會(huì)降低性能

無(wú)線電收發(fā)器建立在容易出現(xiàn)性能變化的工藝之上，具體取決于其運(yùn)行環(huán)境。一些變化包括溫度變化、電池放電時(shí)的電壓降低以及設(shè)備之間的硅制造差異。這些現(xiàn)實(shí)生活中的事件可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的變化。讓我們看一下在路燈上運(yùn)行的事件感應(yīng)應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。寒冷的冬季溫度可能導(dǎo)致設(shè)備的輸出功率變化或接收器靈敏度下降。在某些情況下，這可能會(huì)導(dǎo)致通信中斷。雖然這對(duì)于在這種極端條件下很少使用的消費(fèi)類設(shè)備來(lái)說(shuō)不那么重要，但對(duì)于應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不可接受的。充其量，成本是對(duì)最終產(chǎn)品的聲譽(yù)損害以及更換故障設(shè)備的服務(wù)電話。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須確保為傳感和通信系統(tǒng)選擇的組件在不斷變化的環(huán)境條件下具有魯棒性。

內(nèi)存損壞可能會(huì)導(dǎo)致意外結(jié)果

可靠性也是通信微控制器的一個(gè)問(wèn)題。雖然非?？煽?，但閃存和非易失性存儲(chǔ)器偶爾會(huì)損壞。這可能是由于操作環(huán)境引起的意外影響或通過(guò)惡意硬件黑客攻擊故意造成的。無(wú)論采用何種機(jī)制，微控制器都必須具備必要的完整性功能，以識(shí)別設(shè)備何時(shí)損壞。一旦識(shí)別出錯(cuò)誤，微控制器可以糾正錯(cuò)誤或關(guān)閉設(shè)備，適當(dāng)?shù)卮_保更廣泛系統(tǒng)的安全性不被破壞。

ADI公司——可靠性設(shè)計(jì)

50多年來(lái)，ADI公司一直在設(shè)計(jì)可靠的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)超魯棒系統(tǒng)的需求并不新鮮。ADF7030-1超低功耗、sub-GHz ISM頻段無(wú)線電和ADuCM3029 Cortex-M3?微控制器的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最可靠通信鏈路的性能水平和功能特性。

ADF7030-1是業(yè)界領(lǐng)先的無(wú)線電接收器靈敏度性能。在許多情況下，ADF7030-1能夠接收比其他無(wú)線電功率低3 dB的無(wú)線電信號(hào)。這意味著仍然可以接收不到其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一半功率的信號(hào)強(qiáng)度。

ADF7030-1具有業(yè)界領(lǐng)先的阻塞數(shù)，超過(guò)100 dB，可實(shí)現(xiàn)與軍事和航空航天設(shè)備相當(dāng)?shù)目垢蓴_能力，而無(wú)需額外的昂貴外部元件。這增加了價(jià)值，并確保在最嘈雜的RF環(huán)境中保持通信。

通過(guò)與領(lǐng)先工業(yè)制造商的幾代合作，ADI公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出應(yīng)對(duì)無(wú)線電收發(fā)器現(xiàn)實(shí)環(huán)境影響的成熟方法。例如，使用ADF7030-1的器件傳輸?shù)妮敵龉β试谡麄€(gè)溫度工作范圍內(nèi)變化小于0.2 dB。這是通過(guò)ADI公司獨(dú)有的無(wú)線電設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的。競(jìng)爭(zhēng)無(wú)線電的變化最高可達(dá) 2 dB。

ADuCM3029設(shè)計(jì)有閃存和ECC奇偶校驗(yàn)功能，以確保在可能的情況下識(shí)別和糾正由存儲(chǔ)器損壞引起的錯(cuò)誤。ADuCM3029還具有休眠模式下的電池監(jiān)控功能。這可確?？梢詸z測(cè)到意外的電壓下降，并提醒處理器可能的惡意威脅或電源故障。然后，終端設(shè)備可以通過(guò)提醒管理員或進(jìn)入安全模式來(lái)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以確保更廣泛的系統(tǒng)不會(huì)受到損害。

ADI公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)適用于物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)鏈的每個(gè)階段，從檢測(cè)和測(cè)量到解釋和連接數(shù)據(jù)。確保通過(guò)該鏈創(chuàng)建的信息的質(zhì)量和完整性是核心設(shè)計(jì)原則，也是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)真正潛力的基本要求。

審核編輯：郭婷