我們生活的世界已經(jīng)改變，馬車已被現(xiàn)代汽車取代，座機(jī)已經(jīng)讓位給智能手機(jī)。而且，具有越來越高的智能水平的數(shù)字設(shè)備已取代了模擬設(shè)備。
今天，這些智能數(shù)字電子產(chǎn)品構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)（IoT）生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其增長軌跡呈指數(shù)級(jí)增長。在電子產(chǎn)品的可用性和無線技術(shù)的不斷出現(xiàn)的刺激下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在改變我們的生活，工作和娛樂方式。
盡管物聯(lián)網(wǎng)的全部影響范圍仍在爭論中，但很明顯，這些設(shè)備正處于十字路口，因?yàn)樗鼈儚?ldquo;好到有”過渡到“必不可少”，人們將越來越依賴這些設(shè)備來執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)，有時(shí)，至關(guān)重要的應(yīng)用程序。
要使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)成功完成過渡，就需要設(shè)計(jì)師克服一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
推進(jìn)關(guān)鍵領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)在關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域的進(jìn)步最明顯的莫過于醫(yī)療保健領(lǐng)域。在這里，醫(yī)療設(shè)備制造商正在生產(chǎn)一系列創(chuàng)新的連接設(shè)備，從外科手術(shù)機(jī)器人，植入皮膚的傳感器和跟蹤藥丸，到各種可穿戴設(shè)備，例如收集和傳輸關(guān)鍵醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的輸液泵。這種所謂的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）使醫(yī)療保健服務(wù)實(shí)現(xiàn)了根本性的轉(zhuǎn)變，降低了成本，同時(shí)提高了臨床醫(yī)生的效率并改善了患者的治療效果。
但這只是冰山一角。關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)也正在進(jìn)入其他關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域，例如車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0。
受益于物聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)駕駛汽車是最引人注目的應(yīng)用之一。在此應(yīng)用中，傳感器用于檢測(cè)其他車輛，道路，公路基礎(chǔ)設(shè)施甚至行人并與之通信。在智能工廠中，使用物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0。這意味著在工廠車間可以實(shí)施自主機(jī)器人技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。它使機(jī)器，系統(tǒng)和操作員能夠在裝配線上進(jìn)行通信和一起操作，同時(shí)還為人工操作員提供了可行的見解。
但是，這些進(jìn)步是以物聯(lián)網(wǎng)將運(yùn)行的行業(yè)所定義的新的，更嚴(yán)格的性能特征和要求為代價(jià)的。表1總結(jié)了最常見的需求列表。這些特征使關(guān)鍵任務(wù)的IoT應(yīng)用程序比消費(fèi)者應(yīng)用程序具有更高的要求，并且迫使IoT生態(tài)系統(tǒng)中的參與者解決對(duì)互操作性，安全性和可靠性日益增長的關(guān)注。
表1.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵應(yīng)用的典型性能特征和要求。
與任何新興市場(chǎng)一樣，解決這些問題的辦法在于適當(dāng)?shù)姆ㄒ?guī)和標(biāo)準(zhǔn)的定義。但是，由于IoT仍處于起步階段，因此目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來管理所有應(yīng)用程序中的IoT設(shè)備操作。取而代之的是，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是零散的，有多家組織（例如ITU，ETSI，IEEE和IETF以及oneM2M和GCF等行業(yè)機(jī)構(gòu)）在全球范圍內(nèi)開展工作，以平衡法規(guī)與創(chuàng)新市場(chǎng)的需求。
在不斷變化的法規(guī)環(huán)境下，設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須繼續(xù)設(shè)計(jì)其IoT設(shè)備和系統(tǒng)，以符合關(guān)鍵任務(wù)要求。同樣，設(shè)備或系統(tǒng)中的每個(gè)組件都需要進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)以滿足其環(huán)境帶來的特定挑戰(zhàn)。此外，必須使用全面、透明的測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行全面測(cè)試，以優(yōu)化性能和可靠性。
了解未來的挑戰(zhàn)
在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)師面臨三個(gè)關(guān)鍵層面的挑戰(zhàn)：
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（傳感器模塊）通常圍繞微控制器單元設(shè)計(jì)，該微控制器單元具有模擬和數(shù)字接口，具體取決于應(yīng)用程序的需求，與外界通信也需要RF收發(fā)器接口（圖1）。
圖1.典型的IoT傳感器模塊的框圖。
在設(shè)備內(nèi)部，尺寸和電源管理是設(shè)計(jì)人員面臨的共同挑戰(zhàn)，許多傳感器必須依靠電池電源或使用能量收集系統(tǒng)進(jìn)行長時(shí)間運(yùn)行。RF接口可能會(huì)大量消耗電源。已經(jīng)開發(fā)的低功率無線協(xié)議（例如，LP-WAN）以在傳輸范圍和功耗之間提供折衷。在某些環(huán)境中，例如智能工廠中，與多個(gè)設(shè)備必須進(jìn)行無干擾通信的要求相比，功耗可能不是問題。在此，信號(hào)完整性成為關(guān)鍵的優(yōu)先事項(xiàng)。另外，在重型機(jī)械司空見慣的工業(yè)環(huán)境中，必須遵守電磁干擾（EMI）要求。
到目前為止，IoT設(shè)備級(jí)別的最大挑戰(zhàn)之一是電池壽命。設(shè)計(jì)具有最佳電池壽命的IoT設(shè)備需要準(zhǔn)確的功耗曲線和設(shè)備動(dòng)態(tài)負(fù)載的準(zhǔn)確表征。了解負(fù)載需求，所需電流以及所需時(shí)間之間的關(guān)系，是確定可能的電池壽命的重要方面。
無論是不可充電的紐扣電池還是可充電的LiPo電池，都需要了解電池的工作特性，并將其納入復(fù)雜的電源管理程序中以延長和優(yōu)化電池壽命。能夠準(zhǔn)確跟蹤電池的負(fù)載以及需求如何可以提供幫助。
設(shè)計(jì)人員可以使用此信息來開發(fā)強(qiáng)大的電源管理過程。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)確定，例如，在運(yùn)行期間，IoT設(shè)備的電流具有非常大的動(dòng)態(tài)范圍，從無線收發(fā)器啟動(dòng)鏈接時(shí)的數(shù)百毫安到收發(fā)器關(guān)閉時(shí)的亞微安，直至微控制器處于最大狀態(tài)。最佳睡眠模式，并且傳感器未激活等等各種狀態(tài)。有了這樣的洞察力，設(shè)計(jì)人員便可以對(duì)高電流消耗的程序功能進(jìn)行排序，使它們不會(huì)同時(shí)發(fā)生（圖2）。
圖2.使用正確的工具分析無線IoT設(shè)備中的電池消耗對(duì)于優(yōu)化電池壽命至關(guān)重要。是德科技的N6705B直流功率分析儀和N6781A二象限源測(cè)量單元是理想的工具，可用于表征電池消耗并了解設(shè)備隨電池負(fù)載的時(shí)間變化而變化。
無線通信
無線通信對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)這種通信，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)應(yīng)用程序的特性從多種協(xié)議中進(jìn)行選擇，例如藍(lán)牙，ZigBee，Z-Wave，Wi-Fi，NB-IoT等。在關(guān)鍵任務(wù)場(chǎng)景中，IoT設(shè)備必須在具有相同頻譜的多個(gè)用戶，不同無線技術(shù)的情況下運(yùn)行。驗(yàn)證設(shè)備可以處理此負(fù)載對(duì)于確保強(qiáng)大的無線連接至關(guān)重要。
在大型建筑物（例如醫(yī)院）中，必須提供密集的設(shè)備操作，因此必須進(jìn)行可靠的無線通信。在此，訪客所攜帶的醫(yī)療設(shè)備，患者監(jiān)護(hù)設(shè)備，智能照明，安全系統(tǒng)甚至可穿戴設(shè)備必須同時(shí)運(yùn)行，并且不受彼此干擾。這在醫(yī)院中尤其如此，醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備與手機(jī)，無線攝像機(jī)和微波爐共享2.4 GHz ISM頻段。確保IoT設(shè)備的操作在這種類型的環(huán)境中能夠按預(yù)期工作是至關(guān)重要的。
網(wǎng)絡(luò)
隨著5G的到來，越來越多的應(yīng)用程序?qū)⒗酶倪M(jìn)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能來將計(jì)算工作量“分流”到數(shù)據(jù)中心，從而更加重視網(wǎng)絡(luò)安全性和穩(wěn)定性?？梢灶A(yù)期所有方式的設(shè)備都將連接到網(wǎng)絡(luò)，其中某些可能有意或以其他方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)完整性和安全性造成威脅。因此，必須開發(fā)網(wǎng)絡(luò)管理工具和系統(tǒng)來減輕這些問題和其他此類風(fēng)險(xiǎn)。
結(jié)論
物聯(lián)網(wǎng)功能現(xiàn)已被設(shè)計(jì)用于所有工業(yè)領(lǐng)域的越來越關(guān)鍵的應(yīng)用程序中。要在這個(gè)領(lǐng)域取得成功，設(shè)計(jì)人員必須遵循經(jīng)過深思熟慮的流程來設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證其智能設(shè)備和系統(tǒng)。該過程必須涉及設(shè)備、無線通信和網(wǎng)絡(luò)級(jí)別的測(cè)試和測(cè)量。
幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用各種測(cè)試選項(xiàng)，以幫助驗(yàn)證IoT生態(tài)系統(tǒng)中各個(gè)層的功能（表2）。但是，僅進(jìn)行正確的測(cè)試是不夠的。為了確保構(gòu)建IoT設(shè)備或系統(tǒng)以在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序中的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員必須選擇正確的工具來完成正確的工作，并且這些工具必須準(zhǔn)確，高性能和靈活性。
需要考慮的關(guān)鍵工具之一是電池消耗分析，它可以幫助設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確確定設(shè)備的當(dāng)前使用情況以及每種工作模式的持續(xù)時(shí)間。信號(hào)完整性和電源完整性工具可用于評(píng)估高速串行互連，并分析電源從電源到系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載的有效轉(zhuǎn)換方式。準(zhǔn)確的EMI仿真和建模工具可以幫助在開發(fā)硬件之前估算發(fā)射水平。而且，為了確保IoT設(shè)備能夠有效通信，無線連接和共存測(cè)試至關(guān)重要。
表2.物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的測(cè)試和測(cè)量工具。
毫無疑問，物聯(lián)網(wǎng)有很多機(jī)會(huì)。設(shè)計(jì)是否成功，將在很大程度上取決于他們做出的選擇以及如何應(yīng)對(duì)所出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。
提前做出正確的決定（例如選擇正確的設(shè)計(jì)工具）可以大大幫助超越競(jìng)爭對(duì)手。
