根據科技產業(yè)研究機構Gartner的報告指出，物聯網中的對象數量每天增加五百五十萬件。到2020年，預計總數將達到兩百零八億件。

鑒于這種爆炸式的增長，有必要對可以連接所有對象和讓所有對象相互通訊的互聯網進行檢視。在物聯網的領域中有諸多的嚴苛挑戰(zhàn)，其中之一就是在這些設備之間建立起可靠的無線連接。通訊系統(tǒng)的可靠性可由無線電收發(fā)器和通訊微控制器這兩種關鍵組件的性能來決定。

本文將以亞德諾半導體（ADI）為例，說明該公司旗下組件和解決方案是如何提高系統(tǒng)級的可靠性，實現耐沖擊性的應用（High impact application），而在這些應用中，質量、數據的完整性和洞察是關鍵任務。

美中不足　無線設備可靠性仍待加強

消費性設備所采用的現有無線連接技術，總是無法滿足工業(yè)和保健系統(tǒng)對性能的要求。這些系統(tǒng)對優(yōu)先事項（包括安全性、準確性和時間敏感性）的不同安排提高了對可靠性的需求。蜂巢式系統(tǒng)近乎可滿足這些性能的要求，但是若從電池、成本和數據傳輸量等的要求來看，往往是不合適的。非常可靠的系統(tǒng)現今只在利基型的工業(yè)和軍事應用中才存在。然而，這些應用在設計時，可靠性通常會被列為最高優(yōu)先的等級，至于成本則往往是位于設計考慮清單的末端。而在工業(yè)物聯網，其挑戰(zhàn)就變成了要以更低的系統(tǒng)成本提供相同的高可靠性。

讓我們考慮一下某些使用情境，其中，為了增強系統(tǒng)的效用會將無線能力加進來，且連接的可靠性是關鍵任務。

提升生產流程控制效率　聯網設備不可少

連網設備在制造業(yè)中的一項關鍵吸引力包括產量提升的潛力。為了做到這一點，通常要能遠程控制生產鏈中的各種設備，以便可適時地進行調整。

在化學生產流程中，鍋爐操作中的控制閥就是一個這樣的例子（圖1）?；诹鞒讨衅渌A段的回饋，對該控制閥的立即且自主的控制，可進行實時的調整，從而使得整體的效率更優(yōu)化。

圖1　透過聯網操作鍋爐控制閥可提升整體效率。

隨著連網設備應用增加，目前醫(yī)院和保健中心也正致力于要以無線連接的方式來監(jiān)測病患的生命征象。

聯網技術以實現智慧保健

傳統(tǒng)笨重的有線解決方案可以無線傳感器貼片（Sensor patch）來取代；這種傳感器貼片可通過本地的網關而連接到網絡（圖2）。在對病患進行監(jiān)測時，這樣的系統(tǒng)將更有效率，同時還可減少醫(yī)護人員的負擔。

圖2　透過無線網絡控制醫(yī)療器材可減少醫(yī)護人員負擔。

無線通信可提供緊急反應的事件感測

利用先進的圖像和聲學感測及處理方法，安裝在公共空間的系統(tǒng)（例如燈柱）可以檢測諸如車輛事故和犯罪活動等事件（圖3），且具有高可信度。這種信息可以經由無線通信被中繼到適當的機構或單位，其中伴隨的位置信息可實現更快的緊急反應。

圖3 無線通信技術可提供緊急事件反應速度。

射頻障礙將影響接收機靈敏度

先前提到的每一個例子都有不同的環(huán)境挑戰(zhàn)，而這些挑戰(zhàn)則會對無線通信帶來負面的影響。例如，工廠的鋼鐵結構和厚重的墻壁會產生很大的障礙，它會將射頻訊號的功率降低到無法被目標設備接收到的程度。在目標設備中使用的無線電接收機靈敏度將決定可容忍的訊號劣化程度。靈敏度只要有2dB這樣些許的變化就可能造成訊號是否能成功被接收到，或無法被接收到的差異。在選擇無線電時，通訊系統(tǒng)的設計工程師要對接收機的靈敏度非常注意。

連網的設備通常是在該區(qū)域的相關ISM頻帶中工作。ISM頻帶是免授權的，可供需要無線連接的各種應用使用。2.4GHz是全球標準化的，并且廣為Wi-Fi和藍牙設備所使用。

擁擠頻帶易導致數據包漏失

在1GHz以下頻帶中也有可用的ISM頻譜。這些頻帶通常會被物聯網的應用所使用。該頻段在歐洲為868MHz，在美國為915MHz。當位于非常接近的多個設備共享相同的ISM頻帶時，就會面臨到挑戰(zhàn)。發(fā)射設備會干擾附近的接收設備，例如，在公立醫(yī)院，院中有各式各樣共享相同ISM頻段的機器。可用阻斷（Blocking）規(guī)范來測量無線電在有著這種干擾情況下的操作能力。除了在ISM頻帶內工作的設備之外，這項挑戰(zhàn)還會向外延伸。若沒有足夠的阻斷能力，在附近操作的手機或平板計算機可能會導致系統(tǒng)中的通訊中斷。

在軍事和航空航天應用中，為減輕干擾源影響，通常會采用非常昂貴的部件。在關鍵任務型數據（如前文所提到的應用）中所使用的無線電必須實現與軍事和航空航天類似性能，且還不能產生因采用額外外部組件所產生的高昂成本。在有多個干擾源在附近操作的情況下，這樣的無線電仍然還能持續(xù)接收訊息。

環(huán)境因素為降低無線收發(fā)器性能關鍵因素

無線電收發(fā)器是建立在性能易產生變化流程上，這取決于它們所在的操作環(huán)境。其中一些變化包括溫度改變、因為電池放電而使得電壓供應減少及組件兩端在硅芯片制造上的變化。這些現實生活的事件可能改變設備的操作穩(wěn)定性。

于本文中將檢視一款在路燈上運作的事件感測緊急響應系統(tǒng)所受到的影響。在冬季時，寒冷的溫度可能導致設備的輸出功率有所改變或接收機靈敏度降低。在某些情況下，這可能導致通訊中斷。雖然消費性設備對這樣的情況不會很在意，因為它們很少在如此極端條件下使用，但這對于緊急響應系統(tǒng)而言卻是不可接受的。對該最終產品而言，充其量，成本只使得它的聲譽受損及一通要求更換故障產品的服務電話。系統(tǒng)設計工程師必須確保其為感測和通訊系統(tǒng)所選擇的組件在變化萬千的環(huán)境條件下，仍能保持穩(wěn)健的性能。

確保通訊組件穩(wěn)定　半導體業(yè)者精銳盡出

可靠性也是通訊微控制器所關注的問題。雖然閃存和非揮發(fā)性內存極為可靠，但它們偶爾也會損壞。操作環(huán)境或惡意硬件黑客攻擊會造成意想不到的影響，而內存受損則可能是這些影響所引起的。無論何種機制，重要的是微控制器都須配備必要的完整性功能，在設備受損時可識別出來。設備一經發(fā)現受損，微控制器可糾正錯誤或關閉設備，適當地確保更大范圍系統(tǒng)的安全性不被破壞。

因應此種情況，以亞德諾半導體（ADI）為例，該公司一直都在致力于設計開發(fā)可克服這些挑戰(zhàn)的穩(wěn)健解決方案。那些應用于工業(yè)物聯網的超穩(wěn)健系統(tǒng)所提出的需求，并不算是新的需求，而為實現較佳的通訊鏈路的性能等級和功能特性，以該公司旗下產品為例，該公司具備較低功耗的sub-GHz ISM頻帶無線電ADF7030-1和ADuCM3029Cortex-M3微控制器。

例如，就接收機靈敏度的性能而言，ADF7030-1具有接收3dB無線電訊號的能力，比其他無線電產品的功率低。這意味著，即使訊號強度不到其競爭對手功率的一半，它仍然可以接收得到。另外，由于該產品的阻斷數超過100dB，因此可以做到與軍事和航空航天設備相當的抗干擾能力等級，而且還不需要額外且昂貴的外部組件。此一特點可增加其價值，并確保即使在嘈雜的RF環(huán)境下仍能維持暢通的通訊質量。同時，該產品在整個工作溫度范圍內的變化少于0.2dB，可因應現實生活環(huán)境對無線電收發(fā)器所造成的影響。

另一方面，再以ADI旗下ADuCM3029產品為例，該產品的設計具有閃存和ECC同位核對（Parity check），以確保在可能的情況下可識別出并糾正由于內存損壞所造成的錯誤。此外，該產品在睡眠模式下還具有電池監(jiān)視功能。

這可確保可以檢測到電壓意外的下降，并且處理器也可收到對可能的惡意威脅或電源故障之警告。然后，終端設備可以經由警告管理人員或進入安全模式來采取適當的行動，以確保較大范圍的系統(tǒng)不會受到傷害。

(本文作者任職于亞德諾半導體)