為物聯網設計選擇無線電系統時的 9 大因素

2021-09-11

為物聯網設計選擇無線電系統時的 9 大因素

事實上，您可能每天都可以訪問大約九種不同的連接設備。該數字是更高還是更低；您正在受益于被稱為物聯網的現象。

每年都會慶祝這一現代奇跡——4 月 9 日被指定為世界物聯網日。這是 IoT 社區展示其關心人類、環境和動物的機會。

世界正越來越多地與計劃使用互聯技術運行的整個智能城市聯系在一起。

溝通是關鍵

連接性是物聯網設備的基礎。它們都在某種程度上與其他產品進行了交流。雖然有些使用有線連接，例如以太網，但大多數使用無線協議并需要無線電系統。

選擇正確的系統是一個漫長的過程，值得一試，因為最終產品接收和傳輸數據的能力取決于這一關鍵步驟。

以下是對為您的下一個物聯網設備選擇無線電系統（無論是小型還是大型）時要考慮的九個因素的分析，以幫助您做出最明智的選擇。

這些因素是：

電池壽命

范圍

尺寸

單位成本

法規

開發成本

數據速率

互操作性

拓撲

電池壽命

雖然物聯網設備不需要是無線的，但大多數都依賴電池或類似的有限能源來供電。此外，客戶通常期望電池不需要頻繁更換。您可以在此處了解有關降低低功耗無線設備功耗的更多信息。

作為消費者，我們傾向于購買新設備以使生活更輕松便捷。每天更換電池會很昂貴，而且會完全抵消設備的好處。

物聯網設備理所當然地傳輸數據。然而，這通常不是大量數據，而且這種傳輸通常不頻繁。

無線電系統主要通過接收器電源影響電池。這可能看起來違反直覺，因為發射器在活動時使用更多功率。但問題是發射器僅在發射時才處于活動狀態——自然——這不是很多時間。另一方面，接收器可以在等待信息時長時間處于活動狀態。

因此，為了最小化功率使用，接收器需要較少活動。一些無線電系統專門考慮了這一點，并設計為接收器僅按預定時間間隔打開并在網絡中嚙合在一起以協調活動。

不幸的是，只有少數選擇具有這種技術，而且往往更貴。作為一名工程師，您很可能需要將這種內聚性構建到您的應用程序中，以便接收器以零星的間隔打開。

這并不是說發射功率不會影響電池壽命。然而，發射機的功耗很大程度上取決于輸出功率，而輸出功率又由設備的范圍要求決定。

對于具有嚴格功率限制的設備，如果范圍優先級較低，我們會推薦低功耗藍牙。端點模式下的 Zigbee 也非常高效。將這一點放在上下文中，我們設計的電池供電的 Zigbee 傳感器在接收器始終打開的情況下具有 2 周的電池壽命，而設備每 30 秒打開接收器以“登記”則為 18 個月。

GSM 和 Wi-Fi 通常使用大量電力，要么用于市電供電系統，要么由大型或可充電電池支持。也就是說，一些較新的 Wi-Fi 技術能夠與網絡斷開連接并快速重新連接，以減少無線電系統的活動時間。

范圍

范圍從根本上歸結為無線電的鏈路預算。鏈路預算是發射功率和接收器靈敏度的組合。這些在數據表上表示，并以分貝為單位。

一個簡單的鏈路預算方程可能如下所示：

接收功率 = 發射功率 + 增益 - 損耗

分貝是對數測量。因此，這個等式實際上是各個比率的乘除。
增益的例子包括中繼器的放大，而損失包括由于傳播和任何障礙導致的信號減弱。

在項目早期很難預測設備的范圍，因為設備和更廣闊的空間都受到環境的嚴重影響。

為了說明這種影響的極端程度，在辦公大樓內測試的無線電可能有大約 10 米的范圍，但完全相同的系統可以在空曠的開放空間內傳輸超過一公里。

洛拉（羅吳鐳NGE電臺），用于長距離，低功耗解決方案一個非常強有力的競爭者，已經發送了數百公里的達氣象氣球。在建筑環境中，這個范圍可以很快減少到幾公里。

這種效果如右圖所示；與辦公室（創新中心）的距離在大型學院大樓的背面大致相等，但信號變化很大，從信號中度丟失到完全死區。

因此，需要考慮接收器靈敏度和發射功率——數值越高越好。調諧天線也會對產品的范圍產生重大影響。

尺寸

大小限制的好消息是它們在物聯網領域非常普遍。因此，微型無線電有很多選擇，尤其是在藍牙方面。這可以在支持藍牙的智能手表和其他可穿戴設備中看到。

然而，壞消息是，在實踐中，無線電系統的有效性取決于天線，推薦的天線尺寸并沒有像芯片一樣下降。在查看無線電芯片的數據表時，由于天線的原因，建議的 PCB 布局通常使實際芯片的尺寸相形見絀。

天線的尺寸對范圍的影響非常大；因此，設備滿足尺寸限制的能力與范圍要求密切相關。智能手表最多只需要與客戶口袋中的手機通信約 5m，通常小于 1m。

實現大范圍和小尺寸幾乎是不可能的，僅僅是因為小天線無法在很長的距離上傳輸強信號。

無線電單位成本

與市場需求導致無線電尺寸大幅縮小一樣，市場上無線電系統的流行導致芯片制造商之間的激烈競爭以及隨后的價格下降。

大批量的低功耗藍牙芯片每臺設備的價格約為 1 美元，所有這一切都意味著可以在不增加大量工作的情況下降低單位成本。

收音機的單位成本由三部分組成：

硅——在這種情況下，我們假設無線電是基于 IC 的，實際的無線電模塊本身是內置的，而不是分立元件。大多數低功率無線電 IC 的批量成本低于 5 美元。

該電路——同樣也是非常低成本的，大多數低功率無線電 IC 只需要低成本的無源元件來完成設計。

天線——該裝置的多變方面，結果證明這是一個非常有問題的組件！

這里最便宜的選擇是 PCB 天線，它經常用于不優先考慮范圍的藍牙應用。線天線可以提供良好的范圍，但很容易失諧和性能不一致，具體取決于組裝。

最后，芯片和外部天線提供最佳性能——重要的是，可重復的性能——但成本更高。

法規

在項目開始時，確定設備需要工作的目標市場和特定國家/地區至關重要。

除了合規之外，區域限制還限制了無線電選擇。

某些頻段（例如藍牙、Wi-Fi 和 Zigbee 等使用的 2.4 GHz 頻段）是全球性的。這降低了該因素的重要性；但是，這些頻段非常擁擠，值得考慮。

大多數其他無線電頻段是特定于地區的——例如，歐盟或美國。

一旦確定了目標國家，就需要確定為每個地區分配的頻段。區域與區域之間通常有相同的頻段——例如，在歐洲，在 868 MHz 頻段上運行的設備在美洲需要在 915 MHz 上運行。

有兩個稍微不同的頻段對無線電系統沒有影響。能夠在 868 MHz 頻帶上傳輸的模塊幾乎肯定能夠在 915 MHz 下傳輸。但是，軟件需要調整，電路可能需要稍作改動以優化性能。

此外，每個區域的天線都需要進行不同的調諧。

監管不僅會影響頻率，還會影響：

該盯空間比數據就可以放出來

設備可以使用的無線電頻段的百分比利用率。在 868 MHz 頻段中，這是 1%

的最大發射功率，這在868MHz頻帶為25毫瓦

在開發結束時，新產品必須進行合規性檢查，這實際上是一筆相當大的費用。當必須進行修改時尤其如此，因為然后需要重新運行。
值得注意的是，大多數產品都需要進行一些修改，因此應始終留出預算。

無線電指令

在歐洲，物聯網設備屬于無線電設備指令，您可以在此處了解更多信息。在美國，FCC定義了合規性法規。

準確地確定需要預先進行哪些測試及其成本非常重要。通常，電子設備需要進行某種形式的發射測試以及無線電測試。

開發成本

從合規性出發，開發成本是總支出，包括從概念到實際將產品推向市場的人員、服務和材料。

對于無線電，通過在完成所有開發工作的情況下在 IC 中進行設計，可以實現最低的開發成本?；旧纤行枰氖钦{諧天線，然后產品就準備好了。

然而，這些模塊的成本遠高于芯片，因此增加了產品的單位成本。

盡管如此，這并不是一個簡單的結論。模塊帶來了一系列好處，同時減少了硬件和軟件工作。許多都經過了預先認證，這意味著合規性降低，并且合規性失敗的風險也較低，因為影響因素較少。

特別是，對于全球產品，降低合規性的好處不容小覷，因為多次運行以確保符合幾個略有不同的標準非常耗時。

為了展示模塊的價值，我們只需要看看筆記本電腦，它是大批量的全球產品，并且傾向于使用模塊。這證明了即使在大批量生產時模塊也具有成本效益的觀點，尤其是對于 Wi-Fi 而言，并且對于 GSM 來說幾乎是必不可少的。

開發成本的另一個重要方面是實際的 PCB（印刷電路板）和芯片周圍的 RF 設計。

當然，從歷史上看，許多無線電芯片需要仔細平衡芯片周圍的網絡和分立設計，這需要付出努力和大量測試以優化性能。較新的芯片在設備中集成了更多這種功能，這減少了——但并沒有消除——優化無線電性能的需要。

根據經驗，對于 GSM 和 WiFi 等高功率無線電，模塊更可取，而對于藍牙或 Zigbee 等低功率無線電，優勢更小。

數據速率

數據速率需求可能會有很大差異，例如，從視頻應用程序（通常具有非常高的數據速率）到每天可能通信 10 字節左右的水表。

在設計 IoT 設備時，數據速率會在范圍和電池壽命之間進行權衡，因此始終需要在此處找到折衷方案。

在比較 Wi-Fi 和藍牙時，這種權衡得到了有效的說明。作為標準，Wi-Fi 的運行頻率為 2.4 GHz，平均下載速率為 54 Mbps。但是，將其與經典藍牙進行比較——盡管是 2.4 GHz，但數據速率為 1.5 Mbps。通過查看這些技術在實踐中的使用方式，很容易解釋這種減少。

藍牙和 Wi-Fi 是在權衡三角形的不同區域運行的兩種技術。

數據速率權衡三角

藍牙專為低成本和低功耗設計而設計，因此功耗與帶寬之間存在折衷。每個協議所基于的技術也不同，但從根本上說，較低的數據速率是由藍牙對 Wi-Fi 的不同應用所驅動的。

高數據速率協議包括 Wi-Fi、蜂窩 GSM（數據速率從 2G 增加到 5G）。低速率選項包括 LoRa 和 Sigfox，舉幾個例子，這些也是低功耗的。

作為第一步，確定新設備概念在這個三角形上的位置可以消除許多系統，即使它不會立即突出顯示一個選項。

互操作性

在設計帶有無線電的物聯網產品時，可能需要與其他公司的產品配合使用。

如果這是設備的要求，那么這將限制無線電系統的選擇，因為所使用的系統必須能夠在與目標設備相同的頻率和波段上工作。

此外，設備將需要“配置文件”，因為它們被稱為，被編程到其中。配置文件本質上是兼容設備所說的語言。

使用配置文件的最佳示例是藍牙。

藍牙具有常見物聯網產品的標準配置文件，例如鍵盤和計算機鼠標。因此，這些設備將與其他產品一起使用。Zigbee 還具有多個配置文件，允許設備與不同的供應商合作。

使用已經在使用的配置文件和標準有一個次要的優勢；減少開發和調試工作。其他企業已經投入了大量的軟件開發時間來制定這些通信標準并將它們構建到開發工具包中，使用這些標準將降低總體成本。

盡管如此，沒有任何互操作性要求是相當普遍的，這讓開發人員在選擇無線電系統時有更大的自由度。

拓撲

最后，盡管拓撲選擇不會限制無線電系統的選擇，但某些協議更適合其中一種。

兩種經典的拓撲結構是星型和網狀。

星星

使用中最知名的星型網絡是家庭 Wi-Fi 網絡：一個中央路由器，通常位于底層的某個地方，然后所有設備都連接并與該路由器接口。那些離路由器最近且障礙物最少的人獲得最佳連接，而在房屋或公寓的某些區域，信號非常弱。

網

網狀網絡仍然可以有一個中央服務器或路由器，但許多設備也可以互連。在理想的網格場景中，所有設備都可以互連。使用網狀拓撲的最佳系統是 Zigbee。

重要的是獲得關于產品在其目標環境中實際表現的反饋，而不僅僅是在某人的辦公桌上。這總是會帶來諸如軟件錯誤之類的問題，如果您不走運，可能還會出現一些硬件錯誤。所有這些都會反饋到設計的任何進一步迭代中。

基本設置是中繼器位于信號強的區域或使用有線協議（例如以太網）連接。然后，無線移動設備將數據中繼到中繼器，而不是直接中繼到路由器。

網狀拓撲有幾個優點：

在網狀網絡中，每個設備都會向最近的設備通信和中繼消息，從而降低所需的傳輸功率并延長電池壽命。

網狀網絡非常適合大型建筑物，因為混凝土會阻塞大量數據，而且與中央路由器的距離對于一臺設備來說通常太大。

然而，網狀網絡的軟件開發通常更加復雜，并且可能變得難以管理。從客戶的角度來看，網狀拓撲更難理解，因此可能需要持續提供更多技術支持。

星型網絡要簡單得多，客戶大多會理解其原理，但他們會遇到網狀網絡解決的問題。

總之，物聯網項目無線電系統的最終選擇將是許多競爭因素的結晶。雖然本文可能會提出與回答的問題一樣多的問題，但我們希望它為全面評估 IoT 概念提供框架，然后確保為設備選擇最佳無線電系統。

概括

消費者通常購買物聯網設備是為了方便。因此，對于大多數無線產品來說，擁有較長的電池壽命是必不可少的。在選擇無線電系統方面，這意味著最小化接收器的工作時間，并優化發射器功率。

設備的范圍要求千差萬別，不同無線電系統的性能取決于環境。標準通常被開發用于特定范圍，因此確定設備的范圍要求將立即消除多種選擇

尺寸與天線尺寸密切相關，因此也與范圍密切相關。有各種各樣的微型無線電模塊，但長距離總是需要更大的天線。

單位成本同樣因天線成本變化最大，模塊和電路板成本將相對一致。

在項目開始時制定目標市場以及隨后的設備將受到的法規和合規性要求很重要。這可能會增加大量成本，絕不能低估。

使用預先認證的模塊可以降低開發成本，但是這些成本更高，尤其是對于大批量產品。對于某些無線電類型，例如 Wi-Fi，預認證模塊是有意義的，除非音量非常大。

通?？梢酝ㄟ^使用更高的頻率標準來實現更高的數據速率；然而，這并非總是如此。高數據速率也將使用更多功率并且更難以遠距離傳輸。數據速率、電池壽命和范圍可以布置為三角形的三個點，這可以作為確定優先級的有用視覺輔助工具。

如果設備需要能夠與其他可互操作的產品通信，則需要對配置文件進行編程。使用這些配置文件有時可以減少開發工作，因為它們已經過調試。

有許多不同的網絡拓撲，其中最常見的是星型和網狀。每一種都解決不同的問題，并具有不同的優勢。