快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)是無線連接

根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)的定義，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品與物品(Thing to Thing,T2T)，人與物品 (Human to Thing,H2T)，人與人(Human to Human,H2H)之間的互連。但是與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)不同的是,H2T是指人利用通用裝置與物品之間的連接,從而使得物品連接更加的簡(jiǎn)化，而H2H是指人之間不依賴于PC而進(jìn)行的互連。因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)并沒有考慮到對(duì)于任何物品連接的問題，故我們使用物聯(lián)網(wǎng)來解決這個(gè)傳統(tǒng)意義上的問題。物聯(lián)網(wǎng)顧名思義就是連接物品的網(wǎng)絡(luò),許多學(xué)者討論物聯(lián)網(wǎng)中，經(jīng)常會(huì)引入一個(gè)M2M的概念,可以解釋成為人到人(Man to Man)、人到機(jī)器(Man to Machine)、機(jī)器 到機(jī)器從本質(zhì)上而言，在人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的交互，大部分是為了實(shí)現(xiàn)人與人之間的信息交互。

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。其在2011年的產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過2600億元人民幣。構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)五個(gè)層級(jí)的支撐層、感知層、傳輸層、平臺(tái)層，以及應(yīng)用層分別占物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的2.7%、22.0%、33.1%、37.5%和4.7%。而物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層參與廠商眾多，成為產(chǎn)業(yè)中競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的領(lǐng)域。

根據(jù)科技產(chǎn)業(yè)研究機(jī)構(gòu)Gartner的報(bào)告指出，物聯(lián)網(wǎng)中的對(duì)象數(shù)量每天增加五百五十萬件。到2020年，預(yù)計(jì)總數(shù)將達(dá)到兩百零八億件。

鑒于這種爆炸式的增長，有必要對(duì)可以連接所有對(duì)象和讓所有對(duì)象相互通訊的互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行檢視。在物聯(lián)網(wǎng)的領(lǐng)域中有諸多的嚴(yán)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(jí)的可靠性，實(shí)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(qiáng)

消費(fèi)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(duì)性能的要求。這些系統(tǒng)對(duì)優(yōu)先事項(xiàng)(包括安全性、準(zhǔn)確性和時(shí)間敏感性)的不同安排提高了對(duì)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?？煽康南到y(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(jì)時(shí)，可靠性通常會(huì)被列為最高優(yōu)先的等級(jí)，至于成本則往往是位于設(shè)計(jì)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(qiáng)系統(tǒng)的效用會(huì)將無線能力加進(jìn)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(xiàng)關(guān)鍵吸引力包括產(chǎn)量提升的潛力。為了做到這一點(diǎn)，通常要能遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)鏈中的各種設(shè)備，以便可適時(shí)地進(jìn)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(gè)這樣的例子(圖1)。基于流程中其他階段的回饋，對(duì)該控制閥的立即且自主的控制，可進(jìn)行實(shí)時(shí)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(cè)病患的生命征象。

聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以實(shí)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(duì)病患進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，這樣的系統(tǒng)將更有效率，同時(shí)還可減少醫(yī)護(hù)人員的負(fù)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(hù)人員負(fù)擔(dān)。

無線通信可提供緊急反應(yīng)的事件感測(cè)

利用先進(jìn)的圖像和聲學(xué)感測(cè)及處理方法，安裝在公共空間的系統(tǒng)(例如燈柱)可以檢測(cè)諸如車輛事故和犯罪活動(dòng)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(jī)構(gòu)或單位，其中伴隨的位置信息可實(shí)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(jī)靈敏度

先前提到的每一個(gè)例子都有不同的環(huán)境挑戰(zhàn)，而這些挑戰(zhàn)則會(huì)對(duì)無線通信帶來負(fù)面的影響。例如，工廠的鋼鐵結(jié)構(gòu)和厚重的墻壁會(huì)產(chǎn)生很大的障礙，它會(huì)將射頻訊號(hào)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(jī)靈敏度將決定可容忍的訊號(hào)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(hào)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(shí)，通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師要對(duì)接收機(jī)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(lán)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(huì)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(gè)設(shè)備共享相同的ISM頻帶時(shí)，就會(huì)面臨到挑戰(zhàn)。發(fā)射設(shè)備會(huì)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(jī)器?？捎米钄?Blocking)規(guī)范來測(cè)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(xiàng)挑戰(zhàn)還會(huì)向外延伸。若沒有足夠的阻斷能力，在附近操作的手機(jī)或平板計(jì)算機(jī)可能會(huì)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(huì)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(shí)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(gè)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。

環(huán)境因素為降低無線收發(fā)器性能關(guān)鍵因素

無線電收發(fā)器是建立在性能易產(chǎn)生變化流程上，這取決于它們所在的操作環(huán)境。其中一些變化包括溫度改變、因?yàn)殡姵胤烹姸沟秒妷汗?yīng)減少及組件兩端在硅芯片制造上的變化。這些現(xiàn)實(shí)生活的事件可能改變?cè)O(shè)備的操作穩(wěn)定性。

于本文中將檢視一款在路燈上運(yùn)作的事件感測(cè)緊急響應(yīng)系統(tǒng)所受到的影響。在冬季時(shí)，寒冷的溫度可能導(dǎo)致設(shè)備的輸出功率有所改變或接收機(jī)靈敏度降低。在某些情況下，這可能導(dǎo)致通訊中斷。雖然消費(fèi)性設(shè)備對(duì)這樣的情況不會(huì)很在意，因?yàn)樗鼈兒苌僭谌绱藰O端條件下使用，但這對(duì)于緊急響應(yīng)系統(tǒng)而言卻是不可接受的。對(duì)該最終產(chǎn)品而言，充其量，成本只使得它的聲譽(yù)受損及一通要求更換故障產(chǎn)品的服務(wù)電話。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須確保其為感測(cè)和通訊系統(tǒng)所選擇的組件在變化萬千的環(huán)境條件下，仍能保持穩(wěn)健的性能。

確保通訊組件穩(wěn)定　半導(dǎo)體業(yè)者精銳盡出

可靠性也是通訊微控制器所關(guān)注的問題。雖然閃存和非揮發(fā)性內(nèi)存極為可靠，但它們偶爾也會(huì)損壞。操作環(huán)境或惡意硬件黑客攻擊會(huì)造成意想不到的影響，而內(nèi)存受損則可能是這些影響所引起的。無論何種機(jī)制，重要的是微控制器都須配備必要的完整性功能，在設(shè)備受損時(shí)可識(shí)別出來。設(shè)備一經(jīng)發(fā)現(xiàn)受損，微控制器可糾正錯(cuò)誤或關(guān)閉設(shè)備，適當(dāng)?shù)卮_保更大范圍系統(tǒng)的安全性不被破壞。

因應(yīng)此種情況，以亞德諾半導(dǎo)體(ADI)為例，該公司一直都在致力于設(shè)計(jì)開發(fā)可克服這些挑戰(zhàn)的穩(wěn)健解決方案。那些應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的超穩(wěn)健系統(tǒng)所提出的需求，并不算是新的需求，而為實(shí)現(xiàn)較佳的通訊鏈路的性能等級(jí)和功能特性，以該公司旗下產(chǎn)品為例，該公司具備較低功耗的sub-GHz ISM頻帶無線電ADF7030-1和ADuCM3029Cortex-M3微控制器。

例如，就接收機(jī)靈敏度的性能而言，ADF7030-1具有接收3dB無線電訊號(hào)的能力，比其他無線電產(chǎn)品的功率低。這意味著，即使訊號(hào)強(qiáng)度不到其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手功率的一半，它仍然可以接收得到。另外，由于該產(chǎn)品的阻斷數(shù)超過100dB，因此可以做到與軍事和航空航天設(shè)備相當(dāng)?shù)目垢蓴_能力等級(jí)，而且還不需要額外且昂貴的外部組件。此一特點(diǎn)可增加其價(jià)值，并確保即使在嘈雜的RF環(huán)境下仍能維持暢通的通訊質(zhì)量。同時(shí)，該產(chǎn)品在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的變化少于0.2dB，可因應(yīng)現(xiàn)實(shí)生活環(huán)境對(duì)無線電收發(fā)器所造成的影響。

另一方面，再以ADI旗下ADuCM3029產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有閃存和ECC同位核對(duì)(Parity check)，以確保在可能的情況下可識(shí)別出并糾正由于內(nèi)存損壞所造成的錯(cuò)誤。此外，該產(chǎn)品在睡眠模式下還具有電池監(jiān)視功能。

這可確?？梢詸z測(cè)到電壓意外的下降，并且處理器也可收到對(duì)可能的惡意威脅或電源故障之警告。然后，終端設(shè)備可以經(jīng)由警告管理人員或進(jìn)入安全模式來采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，以確保較大范圍的系統(tǒng)不會(huì)受到傷害。