為物聯(lián)網(wǎng)設計選擇無(wú)線(xiàn)電系統時(shí)的 9 大因素

2021-09-11

為物聯(lián)網(wǎng)設計選擇無(wú)線(xiàn)電系統時(shí)的 9 大因素

事實(shí)上，您可能每天都可以訪(fǎng)問(wèn)大約九種不同的連接設備。該數字是更高還是更低；您正在受益于被稱(chēng)為物聯(lián)網(wǎng)的現象。

每年都會(huì )慶祝這一現代奇跡——4 月 9 日被指定為世界物聯(lián)網(wǎng)日。這是 IoT 社區展示其關(guān)心人類(lèi)、環(huán)境和動(dòng)物的機會(huì )。

世界正越來(lái)越多地與計劃使用互聯(lián)技術(shù)運行的整個(gè)智能城市聯(lián)系在一起。

溝通是關(guān)鍵

連接性是物聯(lián)網(wǎng)設備的基礎。它們都在某種程度上與其他產(chǎn)品進(jìn)行了交流。雖然有些使用有線(xiàn)連接，例如以太網(wǎng)，但大多數使用無(wú)線(xiàn)協(xié)議并需要無(wú)線(xiàn)電系統。

選擇正確的系統是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程，值得一試，因為最終產(chǎn)品接收和傳輸數據的能力取決于這一關(guān)鍵步驟。

以下是對為您的下一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設備選擇無(wú)線(xiàn)電系統（無(wú)論是小型還是大型）時(shí)要考慮的九個(gè)因素的分析，以幫助您做出最明智的選擇。

這些因素是：

電池壽命

范圍

尺寸

單位成本

法規

開(kāi)發(fā)成本

數據速率

互操作性

拓撲

電池壽命

雖然物聯(lián)網(wǎng)設備不需要是無(wú)線(xiàn)的，但大多數都依賴(lài)電池或類(lèi)似的有限能源來(lái)供電。此外，客戶(hù)通常期望電池不需要頻繁更換。您可以在此處了解有關(guān)降低低功耗無(wú)線(xiàn)設備功耗的更多信息。

作為消費者，我們傾向于購買(mǎi)新設備以使生活更輕松便捷。每天更換電池會(huì )很昂貴，而且會(huì )完全抵消設備的好處。

物聯(lián)網(wǎng)設備理所當然地傳輸數據。然而，這通常不是大量數據，而且這種傳輸通常不頻繁。

無(wú)線(xiàn)電系統主要通過(guò)接收器電源影響電池。這可能看起來(lái)違反直覺(jué)，因為發(fā)射器在活動(dòng)時(shí)使用更多功率。但問(wèn)題是發(fā)射器僅在發(fā)射時(shí)才處于活動(dòng)狀態(tài)——自然——這不是很多時(shí)間。另一方面，接收器可以在等待信息時(shí)長(cháng)時(shí)間處于活動(dòng)狀態(tài)。

因此，為了最小化功率使用，接收器需要較少活動(dòng)。一些無(wú)線(xiàn)電系統專(zhuān)門(mén)考慮了這一點(diǎn)，并設計為接收器僅按預定時(shí)間間隔打開(kāi)并在網(wǎng)絡(luò )中嚙合在一起以協(xié)調活動(dòng)。

不幸的是，只有少數選擇具有這種技術(shù)，而且往往更貴。作為一名工程師，您很可能需要將這種內聚性構建到您的應用程序中，以便接收器以零星的間隔打開(kāi)。

這并不是說(shuō)發(fā)射功率不會(huì )影響電池壽命。然而，發(fā)射機的功耗很大程度上取決于輸出功率，而輸出功率又由設備的范圍要求決定。

對于具有嚴格功率限制的設備，如果范圍優(yōu)先級較低，我們會(huì )推薦低功耗藍牙。端點(diǎn)模式下的 Zigbee 也非常高效。將這一點(diǎn)放在上下文中，我們設計的電池供電的 Zigbee 傳感器在接收器始終打開(kāi)的情況下具有 2 周的電池壽命，而設備每 30 秒打開(kāi)接收器以“登記”則為 18 個(gè)月。

GSM 和 Wi-Fi 通常使用大量電力，要么用于市電供電系統，要么由大型或可充電電池支持。也就是說(shuō)，一些較新的 Wi-Fi 技術(shù)能夠與網(wǎng)絡(luò )斷開(kāi)連接并快速重新連接，以減少無(wú)線(xiàn)電系統的活動(dòng)時(shí)間。

范圍

范圍從根本上歸結為無(wú)線(xiàn)電的鏈路預算。鏈路預算是發(fā)射功率和接收器靈敏度的組合。這些在數據表上表示，并以分貝為單位。

一個(gè)簡(jiǎn)單的鏈路預算方程可能如下所示：

接收功率 = 發(fā)射功率 + 增益 - 損耗

分貝是對數測量。因此，這個(gè)等式實(shí)際上是各個(gè)比率的乘除。
增益的例子包括中繼器的放大，而損失包括由于傳播和任何障礙導致的信號減弱。

在項目早期很難預測設備的范圍，因為設備和更廣闊的空間都受到環(huán)境的嚴重影響。

為了說(shuō)明這種影響的極端程度，在辦公大樓內測試的無(wú)線(xiàn)電可能有大約 10 米的范圍，但完全相同的系統可以在空曠的開(kāi)放空間內傳輸超過(guò)一公里。

洛拉（羅吳鐳NGE電臺），用于長(cháng)距離，低功耗解決方案一個(gè)非常強有力的競爭者，已經(jīng)發(fā)送了數百公里的達氣象氣球。在建筑環(huán)境中，這個(gè)范圍可以很快減少到幾公里。

這種效果如右圖所示；與辦公室（創(chuàng )新中心）的距離在大型學(xué)院大樓的背面大致相等，但信號變化很大，從信號中度丟失到完全死區。

因此，需要考慮接收器靈敏度和發(fā)射功率——數值越高越好。調諧天線(xiàn)也會(huì )對產(chǎn)品的范圍產(chǎn)生重大影響。

尺寸

大小限制的好消息是它們在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域非常普遍。因此，微型無(wú)線(xiàn)電有很多選擇，尤其是在藍牙方面。這可以在支持藍牙的智能手表和其他可穿戴設備中看到。

然而，壞消息是，在實(shí)踐中，無(wú)線(xiàn)電系統的有效性取決于天線(xiàn)，推薦的天線(xiàn)尺寸并沒(méi)有像芯片一樣下降。在查看無(wú)線(xiàn)電芯片的數據表時(shí)，由于天線(xiàn)的原因，建議的 PCB 布局通常使實(shí)際芯片的尺寸相形見(jiàn)絀。

天線(xiàn)的尺寸對范圍的影響非常大；因此，設備滿(mǎn)足尺寸限制的能力與范圍要求密切相關(guān)。智能手表最多只需要與客戶(hù)口袋中的手機通信約 5m，通常小于 1m。

實(shí)現大范圍和小尺寸幾乎是不可能的，僅僅是因為小天線(xiàn)無(wú)法在很長(cháng)的距離上傳輸強信號。

無(wú)線(xiàn)電單位成本

與市場(chǎng)需求導致無(wú)線(xiàn)電尺寸大幅縮小一樣，市場(chǎng)上無(wú)線(xiàn)電系統的流行導致芯片制造商之間的激烈競爭以及隨后的價(jià)格下降。

大批量的低功耗藍牙芯片每臺設備的價(jià)格約為 1 美元，所有這一切都意味著(zhù)可以在不增加大量工作的情況下降低單位成本。

收音機的單位成本由三部分組成：

硅——在這種情況下，我們假設無(wú)線(xiàn)電是基于 IC 的，實(shí)際的無(wú)線(xiàn)電模塊本身是內置的，而不是分立元件。大多數低功率無(wú)線(xiàn)電 IC 的批量成本低于 5 美元。

該電路——同樣也是非常低成本的，大多數低功率無(wú)線(xiàn)電 IC 只需要低成本的無(wú)源元件來(lái)完成設計。

天線(xiàn)——該裝置的多變方面，結果證明這是一個(gè)非常有問(wèn)題的組件！

這里最便宜的選擇是 PCB 天線(xiàn)，它經(jīng)常用于不優(yōu)先考慮范圍的藍牙應用。線(xiàn)天線(xiàn)可以提供良好的范圍，但很容易失諧和性能不一致，具體取決于組裝。

最后，芯片和外部天線(xiàn)提供最佳性能——重要的是，可重復的性能——但成本更高。

法規

在項目開(kāi)始時(shí)，確定設備需要工作的目標市場(chǎng)和特定國家/地區至關(guān)重要。

除了合規之外，區域限制還限制了無(wú)線(xiàn)電選擇。

某些頻段（例如藍牙、Wi-Fi 和 Zigbee 等使用的 2.4 GHz 頻段）是全球性的。這降低了該因素的重要性；但是，這些頻段非常擁擠，值得考慮。

大多數其他無(wú)線(xiàn)電頻段是特定于地區的——例如，歐盟或美國。

一旦確定了目標國家，就需要確定為每個(gè)地區分配的頻段。區域與區域之間通常有相同的頻段——例如，在歐洲，在 868 MHz 頻段上運行的設備在美洲需要在 915 MHz 上運行。

有兩個(gè)稍微不同的頻段對無(wú)線(xiàn)電系統沒(méi)有影響。能夠在 868 MHz 頻帶上傳輸的模塊幾乎肯定能夠在 915 MHz 下傳輸。但是，軟件需要調整，電路可能需要稍作改動(dòng)以?xún)?yōu)化性能。

此外，每個(gè)區域的天線(xiàn)都需要進(jìn)行不同的調諧。

監管不僅會(huì )影響頻率，還會(huì )影響：

該盯空間比數據就可以放出來(lái)

設備可以使用的無(wú)線(xiàn)電頻段的百分比利用率。在 868 MHz 頻段中，這是 1%

的最大發(fā)射功率，這在868MHz頻帶為25毫瓦

在開(kāi)發(fā)結束時(shí)，新產(chǎn)品必須進(jìn)行合規性檢查，這實(shí)際上是一筆相當大的費用。當必須進(jìn)行修改時(shí)尤其如此，因為然后需要重新運行。
值得注意的是，大多數產(chǎn)品都需要進(jìn)行一些修改，因此應始終留出預算。

無(wú)線(xiàn)電指令

在歐洲，物聯(lián)網(wǎng)設備屬于無(wú)線(xiàn)電設備指令，您可以在此處了解更多信息。在美國，FCC定義了合規性法規。

準確地確定需要預先進(jìn)行哪些測試及其成本非常重要。通常，電子設備需要進(jìn)行某種形式的發(fā)射測試以及無(wú)線(xiàn)電測試。

開(kāi)發(fā)成本

從合規性出發(fā)，開(kāi)發(fā)成本是總支出，包括從概念到實(shí)際將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的人員、服務(wù)和材料。

對于無(wú)線(xiàn)電，通過(guò)在完成所有開(kāi)發(fā)工作的情況下在 IC 中進(jìn)行設計，可以實(shí)現最低的開(kāi)發(fā)成本?；旧纤行枰氖钦{諧天線(xiàn)，然后產(chǎn)品就準備好了。

然而，這些模塊的成本遠高于芯片，因此增加了產(chǎn)品的單位成本。

盡管如此，這并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的結論。模塊帶來(lái)了一系列好處，同時(shí)減少了硬件和軟件工作。許多都經(jīng)過(guò)了預先認證，這意味著(zhù)合規性降低，并且合規性失敗的風(fēng)險也較低，因為影響因素較少。

特別是，對于全球產(chǎn)品，降低合規性的好處不容小覷，因為多次運行以確保符合幾個(gè)略有不同的標準非常耗時(shí)。

為了展示模塊的價(jià)值，我們只需要看看筆記本電腦，它是大批量的全球產(chǎn)品，并且傾向于使用模塊。這證明了即使在大批量生產(chǎn)時(shí)模塊也具有成本效益的觀(guān)點(diǎn)，尤其是對于 Wi-Fi 而言，并且對于 GSM 來(lái)說(shuō)幾乎是必不可少的。

開(kāi)發(fā)成本的另一個(gè)重要方面是實(shí)際的 PCB（印刷電路板）和芯片周?chē)?span> RF 設計。

當然，從歷史上看，許多無(wú)線(xiàn)電芯片需要仔細平衡芯片周?chē)木W(wǎng)絡(luò )和分立設計，這需要付出努力和大量測試以?xún)?yōu)化性能。較新的芯片在設備中集成了更多這種功能，這減少了——但并沒(méi)有消除——優(yōu)化無(wú)線(xiàn)電性能的需要。

根據經(jīng)驗，對于 GSM 和 WiFi 等高功率無(wú)線(xiàn)電，模塊更可取，而對于藍牙或 Zigbee 等低功率無(wú)線(xiàn)電，優(yōu)勢更小。

數據速率

數據速率需求可能會(huì )有很大差異，例如，從視頻應用程序（通常具有非常高的數據速率）到每天可能通信 10 字節左右的水表。

在設計 IoT 設備時(shí)，數據速率會(huì )在范圍和電池壽命之間進(jìn)行權衡，因此始終需要在此處找到折衷方案。

在比較 Wi-Fi 和藍牙時(shí)，這種權衡得到了有效的說(shuō)明。作為標準，Wi-Fi 的運行頻率為 2.4 GHz，平均下載速率為 54 Mbps。但是，將其與經(jīng)典藍牙進(jìn)行比較——盡管是 2.4 GHz，但數據速率為 1.5 Mbps。通過(guò)查看這些技術(shù)在實(shí)踐中的使用方式，很容易解釋這種減少。

藍牙和 Wi-Fi 是在權衡三角形的不同區域運行的兩種技術(shù)。

數據速率權衡三角

藍牙專(zhuān)為低成本和低功耗設計而設計，因此功耗與帶寬之間存在折衷。每個(gè)協(xié)議所基于的技術(shù)也不同，但從根本上說(shuō)，較低的數據速率是由藍牙對 Wi-Fi 的不同應用所驅動(dòng)的。

高數據速率協(xié)議包括 Wi-Fi、蜂窩 GSM（數據速率從 2G 增加到 5G）。低速率選項包括 LoRa 和 Sigfox，舉幾個(gè)例子，這些也是低功耗的。

作為第一步，確定新設備概念在這個(gè)三角形上的位置可以消除許多系統，即使它不會(huì )立即突出顯示一個(gè)選項。

互操作性

在設計帶有無(wú)線(xiàn)電的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時(shí)，可能需要與其他公司的產(chǎn)品配合使用。

如果這是設備的要求，那么這將限制無(wú)線(xiàn)電系統的選擇，因為所使用的系統必須能夠在與目標設備相同的頻率和波段上工作。

此外，設備將需要“配置文件”，因為它們被稱(chēng)為，被編程到其中。配置文件本質(zhì)上是兼容設備所說(shuō)的語(yǔ)言。

使用配置文件的最佳示例是藍牙。

藍牙具有常見(jiàn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的標準配置文件，例如鍵盤(pán)和計算機鼠標。因此，這些設備將與其他產(chǎn)品一起使用。Zigbee 還具有多個(gè)配置文件，允許設備與不同的供應商合作。

使用已經(jīng)在使用的配置文件和標準有一個(gè)次要的優(yōu)勢；減少開(kāi)發(fā)和調試工作。其他企業(yè)已經(jīng)投入了大量的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間來(lái)制定這些通信標準并將它們構建到開(kāi)發(fā)工具包中，使用這些標準將降低總體成本。

盡管如此，沒(méi)有任何互操作性要求是相當普遍的，這讓開(kāi)發(fā)人員在選擇無(wú)線(xiàn)電系統時(shí)有更大的自由度。

拓撲

最后，盡管拓撲選擇不會(huì )限制無(wú)線(xiàn)電系統的選擇，但某些協(xié)議更適合其中一種。

兩種經(jīng)典的拓撲結構是星型和網(wǎng)狀。

星星

使用中最知名的星型網(wǎng)絡(luò )是家庭 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )：一個(gè)中央路由器，通常位于底層的某個(gè)地方，然后所有設備都連接并與該路由器接口。那些離路由器最近且障礙物最少的人獲得最佳連接，而在房屋或公寓的某些區域，信號非常弱。

網(wǎng)

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )仍然可以有一個(gè)中央服務(wù)器或路由器，但許多設備也可以互連。在理想的網(wǎng)格場(chǎng)景中，所有設備都可以互連。使用網(wǎng)狀拓撲的最佳系統是 Zigbee。

重要的是獲得關(guān)于產(chǎn)品在其目標環(huán)境中實(shí)際表現的反饋，而不僅僅是在某人的辦公桌上。這總是會(huì )帶來(lái)諸如軟件錯誤之類(lèi)的問(wèn)題，如果您不走運，可能還會(huì )出現一些硬件錯誤。所有這些都會(huì )反饋到設計的任何進(jìn)一步迭代中。

基本設置是中繼器位于信號強的區域或使用有線(xiàn)協(xié)議（例如以太網(wǎng)）連接。然后，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)設備將數據中繼到中繼器，而不是直接中繼到路由器。

網(wǎng)狀拓撲有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)設備都會(huì )向最近的設備通信和中繼消息，從而降低所需的傳輸功率并延長(cháng)電池壽命。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )非常適合大型建筑物，因為混凝土會(huì )阻塞大量數據，而且與中央路由器的距離對于一臺設備來(lái)說(shuō)通常太大。

然而，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的軟件開(kāi)發(fā)通常更加復雜，并且可能變得難以管理。從客戶(hù)的角度來(lái)看，網(wǎng)狀拓撲更難理解，因此可能需要持續提供更多技術(shù)支持。

星型網(wǎng)絡(luò )要簡(jiǎn)單得多，客戶(hù)大多會(huì )理解其原理，但他們會(huì )遇到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )解決的問(wèn)題。

總之，物聯(lián)網(wǎng)項目無(wú)線(xiàn)電系統的最終選擇將是許多競爭因素的結晶。雖然本文可能會(huì )提出與回答的問(wèn)題一樣多的問(wèn)題，但我們希望它為全面評估 IoT 概念提供框架，然后確保為設備選擇最佳無(wú)線(xiàn)電系統。

概括

消費者通常購買(mǎi)物聯(lián)網(wǎng)設備是為了方便。因此，對于大多數無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，擁有較長(cháng)的電池壽命是必不可少的。在選擇無(wú)線(xiàn)電系統方面，這意味著(zhù)最小化接收器的工作時(shí)間，并優(yōu)化發(fā)射器功率。

設備的范圍要求千差萬(wàn)別，不同無(wú)線(xiàn)電系統的性能取決于環(huán)境。標準通常被開(kāi)發(fā)用于特定范圍，因此確定設備的范圍要求將立即消除多種選擇

尺寸與天線(xiàn)尺寸密切相關(guān)，因此也與范圍密切相關(guān)。有各種各樣的微型無(wú)線(xiàn)電模塊，但長(cháng)距離總是需要更大的天線(xiàn)。

單位成本同樣因天線(xiàn)成本變化最大，模塊和電路板成本將相對一致。

在項目開(kāi)始時(shí)制定目標市場(chǎng)以及隨后的設備將受到的法規和合規性要求很重要。這可能會(huì )增加大量成本，絕不能低估。

使用預先認證的模塊可以降低開(kāi)發(fā)成本，但是這些成本更高，尤其是對于大批量產(chǎn)品。對于某些無(wú)線(xiàn)電類(lèi)型，例如 Wi-Fi，預認證模塊是有意義的，除非音量非常大。

通?？梢酝ㄟ^(guò)使用更高的頻率標準來(lái)實(shí)現更高的數據速率；然而，這并非總是如此。高數據速率也將使用更多功率并且更難以遠距離傳輸。數據速率、電池壽命和范圍可以布置為三角形的三個(gè)點(diǎn)，這可以作為確定優(yōu)先級的有用視覺(jué)輔助工具。

如果設備需要能夠與其他可互操作的產(chǎn)品通信，則需要對配置文件進(jìn)行編程。使用這些配置文件有時(shí)可以減少開(kāi)發(fā)工作，因為它們已經(jīng)過(guò)調試。

有許多不同的網(wǎng)絡(luò )拓撲，其中最常見(jiàn)的是星型和網(wǎng)狀。每一種都解決不同的問(wèn)題，并具有不同的優(yōu)勢。