本文作者：是德科技電子工業(yè)系統(tǒng)和軟件解決方案總監(jiān)Cheryl Ajluni

我們生活的世界已經(jīng)改變，馬車已被現(xiàn)代汽車取代，座機已經(jīng)讓位給智能手機。而且，具有越來越高的智能水平的數(shù)字設備已取代了模擬設備。

今天，這些智能數(shù)字電子產(chǎn)品構成了物聯(lián)網(wǎng)（IoT）生態(tài)系統(tǒng)的基礎，其增長軌跡呈指數(shù)級增長。在電子產(chǎn)品的可用性和無線技術的不斷出現(xiàn)的刺激下，物聯(lián)網(wǎng)設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，這些設備正處于十字路口，因為它們從“好到有”過渡到“必不可少”，人們將越來越依賴這些設備來執(zhí)行關鍵任務，有時，至關重要的應用程序。

要使物聯(lián)網(wǎng)設備和物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)成功完成過渡，就需要設計師克服一些關鍵挑戰(zhàn)。

推進關鍵領域的物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)在關鍵任務領域的進步最明顯的莫過于醫(yī)療保健領域。在這里，醫(yī)療設備制造商正在生產(chǎn)一系列創(chuàng)新的連接設備，從外科手術機器人，植入皮膚的傳感器和跟蹤藥丸，到各種可穿戴設備，例如收集和傳輸關鍵醫(yī)學數(shù)據(jù)的輸液泵。這種所謂的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）使醫(yī)療保健服務實現(xiàn)了根本性的轉變，降低了成本，同時提高了臨床醫(yī)生的效率并改善了患者的治療效果。

但這只是冰山一角。關鍵任務物聯(lián)網(wǎng)也正在進入其他關鍵工業(yè)領域，例如車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0。

受益于物聯(lián)網(wǎng)，自動駕駛汽車是最引人注目的應用之一。在此應用中，傳感器用于檢測其他車輛，道路，公路基礎設施甚至行人并與之通信。在智能工廠中，使用物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)工業(yè)4.0。這意味著在工廠車間可以實施自主機器人技術和增強現(xiàn)實。它使機器，系統(tǒng)和操作員能夠在裝配線上進行通信和一起操作，同時還為人工操作員提供了可行的見解。

但是，這些進步是以物聯(lián)網(wǎng)將運行的行業(yè)所定義的新的，更嚴格的性能特征和要求為代價的。表1總結了最常見的需求列表。這些特征使關鍵任務的IoT應用程序比消費者應用程序具有更高的要求，并且迫使IoT生態(tài)系統(tǒng)中的參與者解決對互操作性，安全性和可靠性日益增長的關注。

表1.物聯(lián)網(wǎng)關鍵應用的典型性能特征和要求。

與任何新興市場一樣，解決這些問題的辦法在于適當?shù)姆ㄒ?guī)和標準的定義。但是，由于IoT仍處于起步階段，因此目前尚無統(tǒng)一的標準來管理所有應用程序中的IoT設備操作。取而代之的是，物聯(lián)網(wǎng)標準是零散的，有多家組織（例如ITU，ETSI，IEEE和IETF以及oneM2M和GCF等行業(yè)機構）在全球范圍內(nèi)開展工作，以平衡法規(guī)與創(chuàng)新市場的需求。

在不斷變化的法規(guī)環(huán)境下，設備設計人員必須繼續(xù)設計其IoT設備和系統(tǒng)，以符合關鍵任務要求。同樣，設備或系統(tǒng)中的每個組件都需要進行個性化設計以滿足其環(huán)境帶來的特定挑戰(zhàn)。此外，必須使用全面、透明的測試方法對其進行全面測試，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，設計師面臨三個關鍵層面的挑戰(zhàn)：

物聯(lián)網(wǎng)設備

物聯(lián)網(wǎng)設備（傳感器模塊）通常圍繞微控制器單元設計，該微控制器單元具有模擬和數(shù)字接口，具體取決于應用程序的需求，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。

在設備內(nèi)部，尺寸和電源管理是設計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)進行長時間運行。RF接口可能會大量消耗電源。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，與多個設備必須進行無干擾通信的要求相比，功耗可能不是問題。在此，信號完整性成為關鍵的優(yōu)先事項。另外，在重型機械司空見慣的工業(yè)環(huán)境中，必須遵守電磁干擾（EMI）要求。

到目前為止，IoT設備級別的最大挑戰(zhàn)之一是電池壽命。設計具有最佳電池壽命的IoT設備需要準確的功耗曲線和設備動態(tài)負載的準確表征。了解負載需求，所需電流以及所需時間之間的關系，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，并將其納入復雜的電源管理程序中以延長和優(yōu)化電池壽命。能夠準確跟蹤電池的負載以及需求如何可以提供幫助。

設計人員可以使用此信息來開發(fā)強大的電源管理過程。設計人員可能會確定，例如，在運行期間，IoT設備的電流具有非常大的動態(tài)范圍，從無線收發(fā)器啟動鏈接時的數(shù)百毫安到收發(fā)器關閉時的亞微安，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，設計人員便可以對高電流消耗的程序功能進行排序，使它們不會同時發(fā)生（圖2）。

圖2.使用正確的工具分析無線IoT設備中的電池消耗對于優(yōu)化電池壽命至關重要。是德科技的N6705B直流功率分析儀和N6781A 二象限源測量單元是理想的工具，可用于表征電池消耗并了解設備隨電池負載的時間變化而變化。

無線通信

無線通信對于物聯(lián)網(wǎng)設備至關重要。為了實現(xiàn)這種通信，設計人員可以根據(jù)應用程序的特性從多種協(xié)議中進行選擇，例如藍牙，ZigBee，Z-Wave，Wi-Fi，NB-IoT等。在關鍵任務場景中，IoT設備必須在具有相同頻譜的多個用戶，不同無線技術的情況下運行。驗證設備可以處理此負載對于確保強大的無線連接至關重要。

在大型建筑物（例如醫(yī)院）中，必須提供密集的設備操作，因此必須進行可靠的無線通信。在此，訪客所攜帶的醫(yī)療設備，患者監(jiān)護設備，智能照明，安全系統(tǒng)甚至可穿戴設備必須同時運行，并且不受彼此干擾。這在醫(yī)院中尤其如此，醫(yī)療監(jiān)控設備與手機，無線攝像機和微波爐共享2.4 GHz ISM頻段。確保IoT設備的操作在這種類型的環(huán)境中能夠按預期工作是至關重要的。

網(wǎng)絡

隨著5G的到來，越來越多的應用程序將利用改進的蜂窩網(wǎng)絡性能來將計算工作量“分流”到數(shù)據(jù)中心，從而更加重視網(wǎng)絡安全性和穩(wěn)定性。可以預期所有方式的設備都將連接到網(wǎng)絡，其中某些可能有意或以其他方式對網(wǎng)絡完整性和安全性造成威脅。因此，必須開發(fā)網(wǎng)絡管理工具和系統(tǒng)來減輕這些問題和其他此類風險。

結論

物聯(lián)網(wǎng)功能現(xiàn)已被設計用于所有工業(yè)領域的越來越關鍵的應用程序中。要在這個領域取得成功，設計人員必須遵循經(jīng)過深思熟慮的流程來設計、測試和驗證其智能設備和系統(tǒng)。該過程必須涉及設備、無線通信和網(wǎng)絡級別的測試和測量。

幸運的是，設計人員現(xiàn)在可以使用各種測試選項，以幫助驗證IoT生態(tài)系統(tǒng)中各個層的功能（表2）。但是，僅進行正確的測試是不夠的。為了確保構建IoT設備或系統(tǒng)以在關鍵任務應用程序中的發(fā)展，設計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確，高性能和靈活性。

需要考慮的關鍵工具之一是電池消耗分析，它可以幫助設計人員準確確定設備的當前使用情況以及每種工作模式的持續(xù)時間。信號完整性和電源完整性工具可用于評估高速串行互連，并分析電源從電源到系統(tǒng)內(nèi)負載的有效轉換方式。準確的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設備能夠有效通信，無線連接和共存測試至關重要。

表2.物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的測試和測量工具。

毫無疑問，物聯(lián)網(wǎng)有很多機會。設計是否成功，將在很大程度上取決于他們做出的選擇以及如何應對所出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

提前做出正確的決定（例如選擇正確的設計工具）可以大大幫助超越競爭對手。
編輯：hfy