在物联网十字路口进行测试

我们生活的世界已经改变。马和马车已被现代汽车所取代。固定电话已经让位于智能手机。而且，模拟设备已被具有不断提高智能水平的数字对应设备所取代。

如今，这些智能数字电子产品构成了物联网（IoTs）生态系统的基础，其增长轨迹呈指数级增长。在廉价电子产品的可用性和无线技术的不断涌现的推动下，物联网设备正在重塑我们的生活、工作和娱乐方式。

虽然物联网的全面影响程度可能仍在争论中，但很明显，这些设备正处于十字路口，因为它们从“好到有”过渡到“必须拥有”，人们将越来越依赖这些关键任务，有时甚至是生命关键型应用程序。

要使物联网设备和物联网生态系统能够成功实现这一转变，设计人员需要克服几个关键挑战。

推进任务关键型物联网

物联网进入关键任务领域的发展最为明显，尤其是在医疗保健领域。在这里，医疗设备制造商正在生产一系列创新的连接设备，从手术机器人，皮肤植入传感器和跟踪药丸，到各种可穿戴设备，如收集和传输关键医疗数据的输液泵。这种所谓的医疗物联网（IoMT）正在实现医疗保健服务的根本性转变，降低成本，同时提高临床医生的有效性并改善患者预后。

但这只是冰山一角。关键任务物联网也正在进入其他关键工业领域，如联网汽车和工业4.0。

自动驾驶汽车是从物联网中受益的最引人注目的应用之一。在此应用中，传感器用于检测其他车辆、道路、高速公路基础设施甚至行人并与之通信。在智能工厂中，物联网的使用正在实现工业4.0。这意味着在工厂车间实施自主机器人和增强现实。它允许机器、系统和人工操作员在装配线上一起进行通信和操作，同时还为人类操作员提供可操作的见解。

但这些进步是以物联网运行所在行业所定义的新的、更严格的性能特征和要求为代价的。表 1 总结了最常见的要求列表。这些特性使得任务关键型物联网应用程序比消费者应用程序要求更高，并迫使物联网生态系统中的参与者解决对互操作性、安全性和可靠性日益增长的担忧。

表 1.任务关键型 IoT 应用的典型性能特征和要求。

与任何新兴市场一样，解决这些问题的办法在于适当的监管和标准定义。但是，由于物联网仍处于起步阶段，因此目前没有单一的标准来管理所有应用程序中的物联网设备操作。相反，物联网标准是分散的，一些组织（例如，国际电联，ETSI，IEEE和IETF，以及oneM2M和GCF等行业机构）在世界各地开展工作，以平衡监管与创新市场的需求。

在这种不断变化的监管环境中，设备设计人员必须继续设计其物联网设备和系统，以满足关键任务要求。同样，设备或系统中的每个组件都需要设计为满足其环境带来的特定挑战。此外，必须使用全面透明的测试方法对其进行全面测试，以优化性能和可靠性。

了解未来的挑战

在物联网生态系统中，设计人员在三个关键层面面临挑战：

物联网设备

物联网设备（传感器模块）通常围绕具有模拟和数字接口的微控制器单元进行设计，具体取决于应用的需要。与外界通信时还需要一个RF收发器接口（图1）。

图 1.

典型 IoT 传感器模块的框图。

在器件中，尺寸和电源管理是设计人员面临的常见挑战，许多传感器必须使用电池电源或使用收集的能量长时间运行。RF接口可能是电池电量的重要消耗者。低功耗无线协议（例如，LP-WAN）已经开发出来，以提供传输范围和功耗之间的折衷。在某些环境中，例如智能工厂，功耗可能比传感器密度问题要小，因为多个设备必须在没有干扰的情况下进行通信。在这里，信号完整性成为关键的优先事项。此外，在重型机械司空见惯的工业环境中，电磁干扰（EMI）合规性至关重要。

到目前为止，物联网设备级别的最大挑战之一是电池寿命。设计具有优化电池寿命的物联网设备需要准确的功耗曲线和设备的动态负载的准确表征。了解负载需求、所需电流量以及所需时间之间的关系是确定可能的电池寿命的一个重要方面。

电池的工作特性，无论是不可充电纽扣电池还是可充电的LiPo电池，也需要被理解并纳入复杂的电源管理例程中，以延长和优化电池寿命。能够准确地跟踪电池上的负载，以及要求它的东西，可以提供帮助。

设计人员可以使用此信息来开发可靠的电源管理流程。例如，设计人员可能会确定，在工作期间，物联网设备的电流跨越一个非常动态的范围，从无线收发器启动链路时的数百mA，到收发器关闭时的亚uA，微控制器处于最佳休眠模式，传感器不活动。有了这样的洞察力，设计人员就可以对高电流消耗程序功能进行排序，这样它们就不会同时发生（图2）。

图 2

。使用正确的工具分析无线物联网设备中的电池消耗对于优化电池寿命至关重要。是德科技的 N6705B 直流功率分析仪和 N6781A 2 象限源测量单元是可用于检定电池消耗和深入了解设备电池负载随时间变化的理想工具示例。

无线通信

无线通信对于物联网设备至关重要。为了实现这种通信，设计人员可以根据应用的特性从各种协议中进行选择，例如蓝牙、Z 形蜜蜂、Z-Wave、Wi-Fi、NB-IoT 等。在任务关键型方案中，IoT 设备必须在同一频谱中存在具有不同无线技术的多个用户的情况下执行。验证设备是否可以处理此负载对于确保可靠的无线连接至关重要。

在大型建筑物中，例如医院，密集的设备操作是给定的，可靠的无线通信是强制性的。在这里，医疗设备、患者监护设备、智能照明、安全系统，甚至访客携带的可穿戴设备都必须同时运行，不受彼此干扰。这在医院中尤其成问题，因为医疗监控设备与无绳电话、无线摄像机和微波炉等设备共享 2.4 GHz ISM 频段。确保物联网设备的操作能够在这种类型的环境中按预期工作至关重要。

网络

随着5G的到来，越来越多的应用将利用蜂窝网络性能的提升，将计算工作负载“卸载”到数据中心，更加重视网络的安全性和稳定性。可以预期各种设备都会连接到网络，其中一些设备可能有意或无意地对网络完整性和安全性构成威胁。因此，必须开发网络管理工具和系统来缓解这些问题和其他此类风险。

结论

物联网功能现在正被设计到所有工业部门中越来越多的任务关键型应用中。要在这个领域取得成功，设计人员就需要遵循一个深思熟虑的流程来设计、测试和验证他们的智能设备和系统。该过程必须涉及设备、无线通信和网络级别的测试和测量。

幸运的是，设计人员现在可以访问各种测试选项，以帮助验证物联网生态系统中各个层的功能（表 2）。然而，仅仅进行正确的测试是不够的。为了确保物联网设备或系统能够在任务关键型应用中生存和发展，设计人员必须为正确的工作选择合适的工具，并且这些工具必须准确、高性能和灵活。

需要考虑的关键工具之一是电池消耗分析，它可以帮助设计人员准确确定其器件的当前使用情况及其每种工作模式的持续时间。信号完整性和电源完整性工具可用于评估高速串行互连，并分析电源转换和从电源输送到系统内负载的有效性。精确的EMI仿真和建模工具有助于在开发硬件之前估计辐射水平。而且，为了确保物联网设备能够有效通信，无线连接和共存测试至关重要。

表 2.物联网生态系统的测试和测量工具。

毫无疑问，关键任务物联网中蕴藏着大量的机会。设计师的成功与否将在很大程度上取决于他们做出的选择以及他们如何应对出现的挑战。

提前做出正确的决策，比如选择正确的设计工具，可以大大有助于设计师超越竞争对手。

审核编辑：郭婷