物聯(lián)網(wǎng)參考設計的簡約化和可擴展性

瞬間實現(xiàn)全球互聯(lián)互通

物聯(lián)網(wǎng)：對快速行動者而言，這是一個潛力巨大的市場

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場為開發(fā)人員、參考設計人員、模塊制造商和系統(tǒng)制造商提供了巨大的發(fā)展?jié)摿?，使他們能夠引領組成行業(yè)伙伴們前進，而無懼物聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)的碎片化和復雜多樣。

物聯(lián)網(wǎng)應用創(chuàng)造的真正價值不在網(wǎng)絡邊緣，而是在云端，物聯(lián)網(wǎng)設備生成的數(shù)據(jù)可以在云端進行分析和處理。但是，為了將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍锫?lián)網(wǎng)設備需要一個能夠根據(jù)其應用場景進行高效傳輸?shù)奶炀€。然而，應用場景數(shù)不勝數(shù)且多種多樣，它可以是位于樓宇深處或地下的公用事業(yè)表計，也可以是國際運輸過程中的集裝箱中的追蹤器，甚至是安裝在鄉(xiāng)村荒野中牲畜耳朵上的追蹤器。

隨著應用場景數(shù)量無限增加，當涉及到連接問題時，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)有著非常多的可選擇連接技術。

LTE-M、Cat-1、NB-IoT、LoRa、Sigfox、Wi-Fi、Wi-SUN、3G、4G以及公共和私有的5G等技術；隨著它們向前發(fā)展，這些技術正在將物聯(lián)網(wǎng)應用從局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）擴展到廣域網(wǎng)（Wide Area Network，WAN）環(huán)境，并對更低延遲、更高性能的連接產(chǎn)生了更多需求。

這種增長背后的驅動性需求隨處可見——不僅體現(xiàn)于正在部署更多的智能設備，而且越來越多的設備正變得智能化。根據(jù)ABI Research的數(shù)據(jù)，截至2020年底，全球估計有66億臺物聯(lián)網(wǎng)設備接入網(wǎng)絡并處于活躍狀態(tài)，其中約有8.4億臺設備使用蜂窩網(wǎng)絡，占總數(shù)的不到8%。

研究機構ABI預測，在接下來的六年時間里，采用蜂窩網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量將增長近7倍，到2026年全球蜂窩網(wǎng)絡物聯(lián)網(wǎng)設備的總量將達到57億臺。

將參考設計快速推向市場

然而，基于全球視野開發(fā)硬件并在全球范圍內進行推廣應用是困難的。其中不可退還工程開發(fā)費用（Non Recurring Engineering，NRE），即研究、設計、開發(fā)和測試新產(chǎn)品或增強功能的一次性成本，不僅決定了該產(chǎn)品是否具有商業(yè)可行性，還決定了該產(chǎn)品的上市速度。

天線元件尤其如此。對于物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)人員而言，如果沒有從一開始就考慮到天線因素，那么它肯定會在某個時刻成為一個問題，通常是在對設備的設計做了大量艱巨工作之后。在Ignion等公司推出標準化、芯片式天線，以及可以在其網(wǎng)站上就可以利用Fast Track工具完成天線的設計之前，為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設計、制作和測試天線總是一件并不輕松的工作。

然而，芯片組和模塊參考設計現(xiàn)在可以集成一個天線，它以可輕松轉入量產(chǎn)的方式提供端到端連接。這是以前沒有廣泛得到使用的模式，因為天線要么是必須定制設計，要么是現(xiàn)成可用的解決方案；它們在外形、尺寸和調諧方面的靈活性不高，因此在許多實際應用中不可能重復使用天線部件。

從歷史上看，這對參考設計人員來說都是一個相當大的挑戰(zhàn)。Nordic Semiconductor產(chǎn)品營銷主管Petter Myhre表示：在提供微控制器時，我們一直采取的做法是讓開發(fā)人員盡可能輕松地構建產(chǎn)品。

“我們生產(chǎn)低功耗藍牙微控制器已經(jīng)有十年的時間了，我們一直致力于通過提供軟件、工具、參考設計和布線圖來讓開發(fā)人員更容易地使用低功耗藍牙微控制器，從而使其輕松地構建產(chǎn)品并將產(chǎn)品推向大眾市場。我們希望提供可擴展的解決方案，以便開發(fā)人員可以輕松地構建產(chǎn)品。”Petter Myhre說。

“然后，當我們開始推出蜂窩網(wǎng)絡產(chǎn)品時，我們嘗試了相同的方法；但在蜂窩網(wǎng)絡領域，傳統(tǒng)上只有幾家大型參考設計公司和數(shù)量不多的客戶，其產(chǎn)品的銷量達數(shù)十億臺。因此，他們實際上不需要讓客戶自己就能夠輕松地構建產(chǎn)品，因為參考設計人員可以在整個過程中手把手地指導他們，并在硬件方面為他們定制設計一切。”

然而，物聯(lián)網(wǎng)正在對蜂窩網(wǎng)絡行業(yè)提出不同的需求，而“一切定制”的方法與物聯(lián)網(wǎng)所代表的開放性背道而馳。這也與模塊制造商和參考設計人員盡力降低進入壁壘和開放物聯(lián)網(wǎng)市場以實現(xiàn)更大的創(chuàng)新目標背道而馳。

Nordic Semiconductor產(chǎn)品營銷主管Petter Myhre表示：“我們希望小規(guī)模的公司也能構建基于蜂窩網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。這就是我們將Thingy:91原型設計平臺整合在一起的原因，以便于任何人都可以方便使用。那里有傳感器和電池，還有一個可以在世界各地許多不同頻段上工作的天線。我們需要一個非常靈活的解決方案，我們與Ignion合作開發(fā)了一款非常小巧的天線，它足夠靈活，可以在許多不同的頻段工作，這樣您就可以真正構建一個全球可用的產(chǎn)品?！?

創(chuàng)建真正全球可用的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品

隨著向廣域網(wǎng)連接的轉變不斷深入，以及對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)功能提出更多的需求，移動網(wǎng)絡認證成為一個需要考慮的問題，因為任何設計不良或連接阻抗不佳的設備，運營商都會拒絕對其進行認證，其原因是這些設備會導致網(wǎng)絡效率低下，對運營商產(chǎn)生不好的影響。

面向全球范圍的3G、4G和5G頻段也意味著，如果制造商不能確切地知道他們的設備將在哪里使用，就需要覆蓋廣泛的潛在頻段。從歷史上看，這意味著要設計一系列的天線元件，這通常會破壞商業(yè)模式。

根據(jù)Sierra Wireless首席工程師、mangOH創(chuàng)始人兼架構師Ashish Syal的說法：“我們面臨的問題是我們的很多客戶都想嘗試物聯(lián)網(wǎng)項目。他們會產(chǎn)生一個想法，但發(fā)現(xiàn)很難推進，許多人會在幾個月內就放棄了這個想法，因為他們無法使其產(chǎn)生經(jīng)濟效用，結果無法為其獲得資金支持?！?

Sierra Wireless還采取了一些方法，盡可能簡化最終物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)工作，以確保它們從一開始就能覆蓋全球連接。

“對于mangOH開發(fā)平臺，我們的關注點是包括一個可適用于2G、3G或4G等一系列技術的天線。Ignion使用戶無需部署多個不同的天線，從而使我們的工作變得更加輕松，我們可以在一個小型天線中實現(xiàn)所有這一切。” Ashish Syal補充道。

Syal解釋了將天線設計轉化為射頻電路設計的好處，因為它將天線設計和射頻工程的黑暗藝術帶給大眾，顯著降低了電子工程的復雜性。

Ignion：適應于不同應用的Virtual Antenna?技術

考慮到射頻設計和天線開發(fā)工作的復雜性和各種挑戰(zhàn)，Ignion通過使用一種多頻段多協(xié)議的解決方案來完成了所有艱巨的工作；該解決方案可以從一開始就集成到任何產(chǎn)品設計中，并且可以輕松地在不同的射頻技術或頻率上重新部署。

由于Ignion天線硬件外形尺寸非常小巧，所以它對物聯(lián)網(wǎng)應用具有非常大的吸引力。而且該天線是非諧振的，它可以通過簡單的電路設計為任何無線協(xié)議實現(xiàn)完全的多頻段運行。這使得天線集成成為一個更簡單的“像往常電子系統(tǒng)設計”一樣的過程，不需要特定的天線專業(yè)知識。

關鍵的創(chuàng)新之處在于，Ignion將印刷電路板（PCB）變成了唯一的輻射部件。這將天線的尺寸縮減到超出傳統(tǒng)的極限，同時系統(tǒng)受益于遠遠更大元件的輻射性能。這是一種全新的工作原理，它得益于一種全新的芯片式天線元件，在技術上將其稱為“天線單元（Booster）”。

正如Sierra Wireless公司的Syal所說：“由于Ignion所做的工作，開發(fā)人員無需擔心構建物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時所涉及的物理尺寸和復雜性。這使得構建設備的公司能夠專注于他們的核心專業(yè)技能，即數(shù)據(jù)的捕捉。”

滿足對速度的需求

Ignion的開發(fā)環(huán)境也有助于物聯(lián)網(wǎng)參考設計人員、開發(fā)人員和最終的制造商縮短其設計周期。借助于Ignion的技術，從數(shù)千種潛在可用的、彼此不同的天線中找到合適選項的過程，被縮減到從僅有的幾款中選擇；而且，無論協(xié)議或射頻技術如何，這些天線都能滿足所有的應用場景。

硬件開發(fā)人員無需等到設計周期結束后才開始測試天線，然后再選擇一種天線進行演示，Ignion的開發(fā)環(huán)境使開發(fā)人員能夠從一開始就運行仿真。這可以幫助開發(fā)人員更好地了解他們設計的其他方面，以及理解“這是可以用于生產(chǎn)的天線”和“這是可以滿足預期的現(xiàn)場性能”。

Sequans產(chǎn)品高級總監(jiān)和項目經(jīng)理Sebastien Falgayrettes表示，這一點至關重要，因為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都有可能進入一個真正的全球性市場，其頻段數(shù)量自然會急劇增加。

“實際上，我們之前做過一些項目，其過程中我們必須自己去調整天線，所以我們知道做這件事的復雜性，知道這并不是一件容易的事情。我們也知道您不可能只在一次調試中就取得成功。通常情況下，您需要進行多次測量、修改，然后再調整一次，這需要花費大量的時間?，F(xiàn)在，我們向客戶提供了一套面向實際的評估套件，并且反饋非常好?！盕algayrettes說。

現(xiàn)在，利用Ignion的技術和產(chǎn)品，Sequans及其客戶可以通過調整電路板上的匹配電路來加快每次調試的速度，這對于其客戶來講尤為重要。一個關鍵的好處是，這些相同的優(yōu)勢也可以轉化到生產(chǎn)中，因為參考設計中的天線元件在最終設備中保持不變。設計中的天線不再是為了演示而存在，這解決了生產(chǎn)制造商的另一個問題，天線元件從設計周期進入生產(chǎn)都保持一致，并簡化了最終設備的采購、物流和制造流程。

由于Ignion提供的天線和匹配網(wǎng)絡電路已經(jīng)是生產(chǎn)級的，因此可擴展性已被考慮在內。作為參考設計構建的產(chǎn)品可以在全球范圍內重新用于生產(chǎn)，只需對其進行一些小的調整以適應不同的頻率。

“我們希望我們的客戶能夠去打造可用于全球市場的產(chǎn)品，這樣他們就不需要有一個適用于中國的版本，一個適用于德國的版本，一個適用于美國的版本?！盢ordic Semiconductor公司的Myhre表示，“這樣做實在是太昂貴了，因為您有太多不同的產(chǎn)品需要維護和運輸。通過嵌入包括天線在內的完整參考設計，我們就可以盡可能地減少障礙，以便我們能夠實現(xiàn)真正基于蜂窩網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)方案?！?

Cavli Wireless的使命是通過其獨特的價值組合，讓接下來的10億臺物聯(lián)網(wǎng)設備智能地連接到物聯(lián)網(wǎng)連接管理的所有基本構建模塊，包括連接硬件、網(wǎng)絡接入、管理云等，它們全部被集成到一個統(tǒng)一的解決方案中，從而將全球第一個“連接即服務（Connectivity as a Service，CaaS）”解決方案以零成本捆綁物聯(lián)網(wǎng)硬件的形式推向市場。因此，客戶可收到預先加載了全球連接功能的工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)模塊，然后只需支付連接費用即可使用。

據(jù)Cavli Wireless首席運營官Tarun Thomas的描述，Cavli的C系列智能模塊評估套件產(chǎn)品線采用了Ignion的TRIO mXTENDTM天線，因為它們具有卓越的多頻段性能和小尺寸外形。TRIO mXTENDTM天線在全球所有GSM/LTE頻段上都具有很高的效率，支持我們的用戶在全球多個應用和場景中進行無縫集成。Cavli還擁有一系列智能連接計算模塊，這些模塊也由TRIO mXTENDTM天線提供支持，旨在幫助物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品制造商快速實現(xiàn)原型設計和產(chǎn)品上市。

讓復雜的事情簡單化，使物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)真正可擴展

The Things Industries首席執(zhí)行官Wienke Giezeman表示：The Things Industries已將Ignion的芯片式天線元件集成到其基于LoRa的通用節(jié)點中。他表示：“硬件是物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)用例總成本的重要組成部分。由于工程成本與多次射頻調試相關，所以研發(fā)活動可能具有很高的風險?！?

Giezeman繼續(xù)說道：“物聯(lián)網(wǎng)不是一個封閉的系統(tǒng)，它是一個由許多合作伙伴提供的零組件組成的網(wǎng)絡連接系統(tǒng)，每個元件都是物料清單（BOM）的一部分。正因為如此，您很容易‘因小失大’，因為您購買了一個更便宜的元件，例如天線，以減少您的物料清單。但如果該天線的功率效率較低，它會更快地消耗電池電量，就需要有人更快地更換它。因此，您雖然減少了物料清單，卻增加了維護成本?！?

Ignion的Virtual Antenna?技術通過讓天線適應客戶的設計，而不是反其道而行之，讓客戶的設計去適應天線，從而消除了嵌入式設計的復雜性。硬件由非常微小的、現(xiàn)成可用的天線單元組成，它是一種表面貼裝元件，可使用與任何其他電子元件相同的標準拾取和放置技術無縫安裝到電子印制電路板中，并在參考設計階段就將最終要用的天線選項就放入物料清單中。

將參考設計快速推向市場，更快地投入生產(chǎn)

最后，Ignion易于使用的仿真工具有助于開發(fā)人員去實現(xiàn)一個多用途的參考設計，而該參考設計可以很容易地進行調整或重復使用，以將產(chǎn)品快速地推向市場。

Sequans公司的Falgayrettes對此進行了解釋，他指出開發(fā)人員需要一個功能豐富且易于使用的評估套件。他說：“調試天線是非常復雜和困難的，這是一個反復的過程，需要花費大量的時間。”

“但是我想說的是，客戶想在不到一分鐘的時間內就能獲得套件，并能夠實現(xiàn)完整的端到端連接，因為他們希望專注于自己的附加價值，而不是在創(chuàng)建連接方面浪費時間。我們還需要該套件具有通用性——既可以在實驗室中使用，又可以展示物聯(lián)網(wǎng)設備在現(xiàn)場試驗中的表現(xiàn)，這樣您就可以看到對電池使用壽命的影響。”

Falgayrettes補充道：“現(xiàn)在，我們已經(jīng)向客戶提供了一個實際的評估套件，并且反饋非常好，所以我確信我們將擴大與Ignion的合作，雙方將在更多的平臺和解決方案中進行合作?！?

對于Sierra Wireless而言，消除或減少重復的流程不僅可以簡化產(chǎn)品開發(fā)，還可以讓公司更快地實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)價值?！爱敼鹃_發(fā)一款產(chǎn)品時，它正在改善我的投資，因為這加快了從開發(fā)到最終購買產(chǎn)品之間的時間，”Syal說?！暗丝s短上市時間外，它還支持終端客戶在各種新情況下去部署物聯(lián)網(wǎng)?！彼a充道。

所有這些都推動了更多的需求，但疫情的影響表明，如果某個元件出現(xiàn)供應短缺，供應鏈就很容易出現(xiàn)問題，并可能對制造業(yè)造成災難性的后果。然而，Ignion是一家總部位于歐洲的公司，硬件設計也是在歐洲完成的。

Ignion的天線生產(chǎn)使用了可由世界各地（包括越南和韓國）供應商制造的預印制電路套件，因此其元件供應鏈是抗短缺的，也證明了具有抗短缺的能力。

這是物聯(lián)網(wǎng)設備開發(fā)和生產(chǎn)的關鍵考慮因素?？s短從設計到生產(chǎn)的交付周期是在物聯(lián)網(wǎng)領域真正取得成功的關鍵因素，一個可靠的參考設計可以讓開發(fā)人員在競爭激烈的市場中擁有強大的話語權。

在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中取得成功在于消除瓶頸，Ignion正在幫助參考設計開發(fā)人員快速解決從0到1的問題，這樣他們的客戶就可以輕松且自信地解決從1到1000的問題，同時縮短從開發(fā)到盈利的時間。

為了幫助開發(fā)商加快產(chǎn)品上市時間，Ignion已經(jīng)免費提供了其Fast Track開發(fā)工具，這在其中文網(wǎng)站上即可進行嘗試。使用Fast Track工具，開發(fā)人員可以在短短24小時內，就可將經(jīng)過優(yōu)化的嵌入式天線加入到他們最終的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設計中。

利用Ignion英文或者中文網(wǎng)站上的Fast Track工具，在輸入其設計信息之后，開發(fā)人員將收到一個天線選擇；Virtual Antenna?元件選項，這是專為設備和應用選擇的；同時會提供在裸PCB中選擇最佳的天線位置，以及其他設計建議；還有包括匹配網(wǎng)絡拓撲結構、反射系數(shù)和估計效率等設置建議。

這在整個設計過程中提供了可預測性，并加速了將參考設計轉化為最終產(chǎn)品的過程。通過將現(xiàn)成可用的芯片式天線和Fast Track優(yōu)化工具相結合，客戶可以從“現(xiàn)成可用的標準化高性能天線元件”中受益。