據(jù)技術(shù)行業(yè)研究公司Gartner表示，物聯(lián)網(wǎng)中每天增加的"事物"多達(dá)550萬(wàn)件。截止2020年，預(yù)計(jì)總數(shù)將達(dá)208億。鑒于這種爆炸式增長(zhǎng)，檢查連接所有事物并在它們之間實(shí)現(xiàn)通信的互聯(lián)網(wǎng)勢(shì)在必行。事實(shí)證明，在這些設(shè)備之間建立可靠的無(wú)線(xiàn)連接是物聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)之一。通信系統(tǒng)的可靠性可以用兩個(gè)關(guān)鍵元件的性能來(lái)定義：射頻收發(fā)器和通信微控制器。本文討論ADI公司的元件和解決方案如何能夠較大程度地提高系統(tǒng)級(jí)可靠性，以支持對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性以及洞察有極高要求的高影響力應(yīng)用。

現(xiàn)有技術(shù)還不夠好

面向消費(fèi)電子設(shè)備的現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)并不總是能滿(mǎn)足工業(yè)和醫(yī)療保健系統(tǒng)的性能要求。這些系統(tǒng)中在安全性、準(zhǔn)確性和時(shí)間靈敏度等方面的不同側(cè)重點(diǎn)提高了增加可靠性的需求。蜂窩系統(tǒng)接近這一要求，但通常在電池、成本和數(shù)據(jù)吞吐量要求方面不太合適。當(dāng)今存在極度可靠的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)用于利基工業(yè)和軍事應(yīng)用。但是，這些系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上以可靠性為較高優(yōu)先級(jí)，成本則作為次要考慮。而在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，我們面臨的挑戰(zhàn)是以低很多的系統(tǒng)成本實(shí)現(xiàn)相同的高級(jí)別可靠性。

讓我們來(lái)看看幾種添加無(wú)線(xiàn)功能以增強(qiáng)系統(tǒng)有效性和對(duì)連接可靠性有極高要求的情況。

智能工廠(chǎng)：工業(yè)4.0的生產(chǎn)過(guò)程控制

互聯(lián)設(shè)備在制造業(yè)中的關(guān)鍵吸引力包括提高增產(chǎn)潛力。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，通常需要遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)鏈中的多種設(shè)備以實(shí)施調(diào)整。在化工生產(chǎn)過(guò)程中操作鍋爐的控制閥就是一個(gè)例子。對(duì)這個(gè)閥門(mén)實(shí)現(xiàn)即時(shí)自動(dòng)化控制后，便可以根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中其他階段的反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而進(jìn)一步優(yōu)化整體效率。

智能醫(yī)療：生命體征監(jiān)測(cè)

醫(yī)院和護(hù)理中心正在力求通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接來(lái)監(jiān)測(cè)患者的生命體征。笨重的有線(xiàn)解決方案可以由通過(guò)本地網(wǎng)關(guān)連接的無(wú)線(xiàn)傳感器貼片所替代。此類(lèi)系統(tǒng)既可減輕醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，同時(shí)又能更高效地監(jiān)測(cè)患者情況。

智慧城市：應(yīng)急事件的響應(yīng)與檢測(cè)

利用先進(jìn)的圖像和聲音檢測(cè)與處理方法，安裝在公共場(chǎng)所（如燈柱上）的系統(tǒng)可以檢測(cè)車(chē)輛事故和犯罪活動(dòng)等事件并具有極高的可信度。然后，這類(lèi)信息可隨同位置信息一起通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信轉(zhuǎn)發(fā)到相關(guān)機(jī)構(gòu)或單位，從而實(shí)現(xiàn)更快速的應(yīng)急響應(yīng)。

在復(fù)雜環(huán)境中建立可靠無(wú)線(xiàn)連接的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

射頻障礙導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失

前面提到的各個(gè)示例都會(huì)受到可能對(duì)無(wú)線(xiàn)通信具有不利影響的不同環(huán)境挑戰(zhàn)。工廠(chǎng)的鋼結(jié)構(gòu)和厚壁會(huì)造成很大的障礙，可能導(dǎo)致射頻信號(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)備中所用無(wú)線(xiàn)電器件的接收器靈敏度將決定可以接受的信號(hào)衰減程度。靈敏度上低至2 dB的變化都可能決定信號(hào)接收的成敗。通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在選擇無(wú)線(xiàn)電器件時(shí)必須密切關(guān)注接收器靈敏度。

頻段擁擠導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失

通常來(lái)說(shuō)，互聯(lián)設(shè)備會(huì)在所在地區(qū)的相關(guān)ISM頻段內(nèi)工作。ISM頻段為免執(zhí)照頻段，可用于各種需要無(wú)線(xiàn)連接的應(yīng)用。2.4 GHz為全球標(biāo)準(zhǔn)化頻率，廣泛用于Wi-Fi和藍(lán)牙?設(shè)備。1 GHz以下的頻段中也包含ISM頻譜。這些頻段通常用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在歐洲和美國(guó)，該頻段分別以868 MHz和915 MHz為中心。當(dāng)位置接近的多臺(tái)設(shè)備共用相同的ISM頻段時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)挑戰(zhàn)。發(fā)送設(shè)備可能干擾附近的接收設(shè)備，例如在公立醫(yī)院中，多種機(jī)器會(huì)共用相同的ISM頻段。無(wú)線(xiàn)電器件在此類(lèi)干擾環(huán)境中的工作能力由阻塞規(guī)格來(lái)衡量。而且，這種挑戰(zhàn)并非僅來(lái)自于在ISM頻段內(nèi)工作的設(shè)備。如果阻塞能力不足，則在附近工作的手機(jī)或平板電腦也可能導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)通信丟失。在軍事和航空航天應(yīng)用中，會(huì)使用非常昂貴的元件來(lái)減輕干擾的影響。在對(duì)數(shù)據(jù)有極高要求的應(yīng)用（如前面提到的應(yīng)用）中，無(wú)線(xiàn)電器件必須能夠?qū)崿F(xiàn)與軍事和航空航天應(yīng)用中相似的性能，同時(shí)還不能因附加外部元件而帶來(lái)高成本。在附近具有多個(gè)工作的干擾源時(shí)，此類(lèi)無(wú)線(xiàn)電器件仍能繼續(xù)接收消息。

環(huán)境影響導(dǎo)致性能下降

受所采用的工藝限制，無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器的性能會(huì)根據(jù)所在的工作環(huán)境而發(fā)生變化。其中一些影響因素包括溫度變化、電池放電導(dǎo)致的電壓降低和設(shè)備間的芯片制造差異。這些生活中的真實(shí)事件可能導(dǎo)致設(shè)備的工作穩(wěn)定性發(fā)生變化。讓我們來(lái)看一下在路燈上采用的事件檢測(cè)應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。寒冷冬季的氣溫可能導(dǎo)致設(shè)備的輸出功率發(fā)生變化或接收器靈敏度下降。這可能在某些條件下導(dǎo)致通信中斷。消費(fèi)類(lèi)設(shè)備很少在此類(lèi)極端條件下使用，因此不必太過(guò)擔(dān)憂(yōu)這一問(wèn)題，但對(duì)于應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)而言，這是無(wú)法接受的。最好的情況下，代價(jià)是最終產(chǎn)品聲譽(yù)受損，以及收到更換故障設(shè)備的維修請(qǐng)求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須確保選擇用于檢測(cè)和通信系統(tǒng)的元件在不斷變化的環(huán)境條件下保持穩(wěn)定。

存儲(chǔ)器損壞可能導(dǎo)致意外的結(jié)果

可靠性也是通信微控制器上需要考慮的問(wèn)題。雖然閃存和非易失性存儲(chǔ)器非?？煽浚紶栆部赡軗p壞。這可能由工作環(huán)境造成的意外影響引起，或由惡意的硬件攻擊而故意導(dǎo)致。無(wú)論屬于哪種機(jī)制，微控制器都必須配備必要的完整性功能以識(shí)別設(shè)備的損壞情況。識(shí)別后，微控制器可糾正錯(cuò)誤或關(guān)閉設(shè)備，恰當(dāng)?shù)卮_保不會(huì)破壞更廣泛系統(tǒng)的安全性。

ADI公司——打造可靠性設(shè)計(jì)

50多年來(lái)，ADI公司一直致力于設(shè)計(jì)魯棒的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的超穩(wěn)健系統(tǒng)要求并不算新的挑戰(zhàn)。超低功耗、sub-GHz ISM頻段無(wú)線(xiàn)電器件ADF7030-1和Cortex? M3微控制器ADuCM3029旨在提供可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信鏈路的性能級(jí)別和功能特性。

就接收器靈敏度性能而言，ADF7030-1是業(yè)界較領(lǐng)先的無(wú)線(xiàn)電器件。在很多情況下，ADF7030-1能夠接收低于其他無(wú)線(xiàn)電器件可接收功率3 dB的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。這意味著，即使信號(hào)的強(qiáng)度低于其競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品可接收功率的一半，該器件仍可接收到該信號(hào)。

憑借超過(guò)100 dB的行業(yè)較領(lǐng)先阻塞數(shù)據(jù)，ADF7030-1可實(shí)現(xiàn)與軍事和航空航天設(shè)備相媲美的抗干擾水平，且無(wú)需增添昂貴的外部元件。這增加了價(jià)值并可確保在極其嘈雜的射頻環(huán)境中保持正常通信。

經(jīng)過(guò)與領(lǐng)先工業(yè)制造商的世代合作，ADI公司已經(jīng)掌握了成熟的方法，可以應(yīng)對(duì)真實(shí)生活環(huán)境對(duì)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器產(chǎn)生的影響。例如，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，采用ADF7030-1的設(shè)備的輸出功率變化不超過(guò)0.2 dB。這一成果的實(shí)現(xiàn)得益于ADI公司的無(wú)線(xiàn)電設(shè)計(jì)方法。在同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品中，相應(yīng)的變化高達(dá)2 dB。

ADuCM3029具有閃存和ECC奇偶校驗(yàn)檢查功能，可確保識(shí)別存儲(chǔ)器損壞造成的錯(cuò)誤并盡可能地糾正錯(cuò)誤。另外，ADuCM3029還在休眠模式下配備電池監(jiān)控功能。這確?？蓹z測(cè)到電壓的意外下降并提醒處理器可能存在惡意威脅或電源故障。然后，終端設(shè)備可采取相應(yīng)的措施，提醒管理員或進(jìn)入安全模式，以確保更廣泛的系統(tǒng)不會(huì)被入侵。

ADI公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)遍及物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)鏈的每個(gè)階段，從檢測(cè)和測(cè)量到解析和連接數(shù)據(jù)，無(wú)處不在。確保這個(gè)信號(hào)鏈中所產(chǎn)生信息的質(zhì)量和完整性是我們的核心設(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