物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式增長 無線連接可靠性成挑戰(zhàn)

根據(jù)科技產(chǎn)業(yè)研究機構(gòu)Gartner的報告指出，物聯(lián)網(wǎng)中的對象數(shù)量每天增加五百五十萬件。到2020年，預(yù)計總數(shù)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(lián)網(wǎng)進行檢視。在物聯(lián)網(wǎng)的領(lǐng)域中有諸多的嚴苛挑戰(zhàn)，其中之一就是在這些設(shè)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(guān)鍵組件的性能來決定。

本文將以亞德諾半導(dǎo)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(xiàn)耐沖擊性的應(yīng)用（High impact application），而在這些應(yīng)用中，質(zhì)量、數(shù)據(jù)的完整性和洞察是關(guān)鍵任務(wù)。

美中不足　無線設(shè)備可靠性仍待加強

消費性設(shè)備所采用的現(xiàn)有無線連接技術(shù)，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(zhǔn)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(shù)據(jù)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(xiàn)今只在利基型的工業(yè)和軍事應(yīng)用中才存在。然而，這些應(yīng)用在設(shè)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(shè)計考慮清單的末端。而在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，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(guān)鍵任務(wù)。

提升生產(chǎn)流程控制效率　聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不可少

連網(wǎng)設(shè)備在制造業(yè)中的一項關(guān)鍵吸引力包括產(chǎn)量提升的潛力。為了做到這一點，通常要能遠程控制生產(chǎn)鏈中的各種設(shè)備，以便可適時地進行調(diào)整。

在化學(xué)生產(chǎn)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(diào)整，從而使得整體的效率更優(yōu)化。

圖1　透過聯(lián)網(wǎng)操作鍋爐控制閥可提升整體效率。

隨著連網(wǎng)設(shè)備應(yīng)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(lián)網(wǎng)技術(shù)以實現(xiàn)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(wǎng)關(guān)而連接到網(wǎng)絡(luò)（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(dān)。

圖2　透過無線網(wǎng)絡(luò)控制醫(yī)療器材可減少醫(yī)護人員負擔(dān)。

無線通信可提供緊急反應(yīng)的事件感測

利用先進的圖像和聲學(xué)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(jīng)由無線通信被中繼到適當(dāng)?shù)臋C構(gòu)或單位，其中伴隨的位置信息可實現(xiàn)更快的緊急反應(yīng)。

圖3 無線通信技術(shù)可提供緊急事件反應(yīng)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(jié)構(gòu)和厚重的墻壁會產(chǎn)生很大的障礙，它會將射頻訊號的功率降低到無法被目標(biāo)設(shè)備接收到的程度。在目標(biāo)設(shè)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(shè)計工程師要對接收機的靈敏度非常注意。

連網(wǎng)的設(shè)備通常是在該區(qū)域的相關(guān)ISM頻帶中工作。ISM頻帶是免授權(quán)的，可供需要無線連接的各種應(yīng)用使用。2.4GHz是全球標(biāo)準(zhǔn)化的，并且廣為Wi-Fi和藍牙設(shè)備所使用。

擁擠頻帶易導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)的應(yīng)用所使用。該頻段在歐洲為868MHz，在美國為915MHz。當(dāng)位于非常接近的多個設(shè)備共享相同的ISM頻帶時，就會面臨到挑戰(zhàn)。發(fā)射設(shè)備會干擾附近的接收設(shè)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?？捎米钄啵˙locking）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(nèi)工作的設(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)中的通訊中斷。

在軍事和航空航天應(yīng)用中，為減輕干擾源影響，通常會采用非常昂貴的部件。在關(guān)鍵任務(wù)型數(shù)據(jù)（如前文所提到的應(yīng)用）中所使用的無線電必須實現(xiàn)與軍事和航空航天類似性能，且還不能產(chǎn)生因采用額外外部組件所產(chǎn)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。