RF连接技术在物联网的应用

物联网(IoT)是将传感器、控制和智能系统连接到一个富含集合资源和开放的软件和硬件工具市场的通用平台。尽管物联网概念中出现的许多应用和服务都是基于应用、云和软件的，但实际情况是，在许多层面上，物联网应用都依赖物理连接和无线通信。其中许多数据和电源连接使用RF连接器和电缆以及一系列无线技术，这些趋势可能只会持续，高速数据、企业网络和工业物联网应用都在充分利用各种形式的灵活性和耐用性射频连接。

虽然围绕物联网(IoT)的大部分讨论涉及新的商业设备和应用，但这种新技术浪潮的本质是通过互联网来连接以前未连接的传感器、行器和控制系统。这种趋势适用于消费类、商业、企业和工业系统，如果可能的话，控制/接口和通信是通过专用系统完成的，没有互联网技术典型的可访问性或开放社区开发。这种功能的关键使能技术是RF连接，主要是通过RF传输线或无线通信。RF连接几乎用于物联网堆栈中的每个硬件元素，从设备硬件、通信系统、云/企业系统到最终用户Web /移动应用。

本文的目标是讨论物联网应用中射频连接技术的普遍性和细节。此讨论将包括RF连接技术的概述，以及这些技术在整个物联网堆栈中的出现位置。

图.物联网堆栈、传感器、执行器、设备硬件、通信网络、Web /移动应用和企业系统，都可以依靠RF连接，无论是通过传输线还是无线通信。

1.外设：传感器、执行器、控制

2.设备硬件：通信模块

3.设备固件

4.通信系统：长途网络基础设施、室内网络基础设施、无线通信

5.软件平台

6.网络/移动应用

7.企业系统

8.工业系统

射频连接概述

对于物联网应用，在频谱的RF部分中使用电磁能有两种主要方法。由于物联网应用通常在6 GHz以下的频率下使用射频能量，因此射频连接的方法包括传输线路，以及单向、双向和无线网络。物联网常见的射频传输线类型包括射频同轴电缆和连接器(电缆组件)，以及带状线(微带)传输线。通常，带状传输线用于设备外壳和PCB上，以在硬件模块之间和专用连接器接口内更有效地传导RF能量。射频同轴电缆组件广泛应用于物联网堆栈的各个层面：

射频同轴电缆组件用例列表：

- 连接设备或机箱内的模块

- 作为工业/企业系统或测试和测量中使用的复杂多引脚连接器组件的一部分

- 作为传感器/执行器/控制系统和通信设备之间的低损耗和抗干扰连接

- 将无线模块连接到天线

- 在高速数字应用中作为高保真互连

- 长途网络应用

- 室内网络应用

- 广泛用于蜂窝网络、无线网络和无线广播系统

- 具有无线网络和通信模块的移动设备和计算机系统

无线射频连接是射频技术与物联网的另一个主要用途，并且已经实现了大量的物联网应用，否则如果使用传输线或其他有线互连，则这些应用是不可行的。无线RF连接允许将物联网设备和系统放置并安装在移动应用、模块化系统和空间中，否则会给有线连接带来成本、复杂性或操作挑战。无线通信系统依赖于各种非专有和专有的无线通信标准。

通过物联网堆栈实现射频连接

RF连接技术可以实现高质量的信号传输、抗干扰，或高度灵活、低功耗和移动操作，具体取决于是使用RF传输线还是无线通信系统。因此，RF连接在整个物联网堆栈中非常有用，主要用于连接设备和外围硬件，无线网络和通信，以及企业和工业系统。

设备和外围硬件

物联网外围设备，特别是传感器、执行器和控制器，通常被安装在获取信息或执行功能的关键区域或附近。物联网外围设备的使用正在增长，可能包括感应温度/湿度或其他环境信息，激活门锁或安全访问，控制电机或为配件供电，或许还有更多未来的应用。在每种情况下，以及未来的物联网使用情况中，传感器信息和控制信号的保真度都非常重要。随着电子系统的电气化和繁荣，电气干扰的威胁越来越大，保护敏感的物联网外围设备，并确保关键数据和控制信号通信是一个高优先级。

RF同轴电缆组件通常被用于为远程IoT外围设备提供DC电力和通信的解决方案，因为同轴电缆能够处理低和中功率负载，并且可以实现高带宽信号的通信。RF同轴组件的屏蔽特性有助于防止干扰信号的侵入，并且还防止其他高速信号技术(例如以太网)所常见的安全威胁信号泄漏。由于RF同轴电缆组件被用于极端应用，例如军事和航空航天，因此几乎所有应用都可以选择这种经过认证的坚固互连。RF同轴组件也能够以相对低的费用购买和安装，并且具有各种尺寸和类型。

例如，存在可以处理千瓦信号能量的大而坚固的RF同轴组件，以及通常在设备外壳内用于连接模块的非常小且轻的同轴组件。因此，许多物联网无线模块使用带状线或同轴传输线连接到内部硬件。有许多薄型表面贴装技术(SMT)同轴连接器可与推式连接一起使用，并且不需要扭转来实现良好的电气连接。

物联网无线通信

在某些情况下，存在具有物联网外围配置和设备，以及不希望物理连接的环境。在这些情况下，经常使用无线RF连接。就像互联网的多样性一样，IoT应用也常常使用各种无线标准，无论是点对点，点对多点还是无线网络。这些标准包括专有的低功率广域(LPWA)网络标准，对物联网应用有用的中/短距离无线标准，以及适用于部分物联网应用的蜂窝网络标准。

物联网常见的无线标准：

1.低功率广域(LPWA)网络：远程(LoRa)、SigFox、Ingenu、Weightless;

2. NB-IoT：中/短程IoT无线网络技术，包括Zigbee/IEEE 802.15.4、Thread、蓝牙、Z-Wave、Wi-Fi、WirelessHART、RFID/NFC;

3.蜂窝4G/5G：4G LTE、5G Sub-6 GHz、5G毫米波；

表1.无线物联网标准概述

通常，对于IoT有用的无线标准是在几百兆赫兹和低于6GHz之间，但NFC/RFID除外，它们使用数十兆赫兹的频率用于超短距离通信和识别。2.4GHz ISM频带通常由若干无线标准使用，包括IEEE 802.11(WiFi)、IEEE 802.15、蓝牙、Zigbee等。未来的无线标准可以包括在大约400MHz到超过700MHz的范围内的TV白空间(TVWS)频率，例如IEEE802.11af，因为TVWS相对低的频率可以在相对低的功率水平下实现远程通信。

选择无线标准时的主要考虑因素是成本、范围、功率、基础设施、模块大小、网络类型、干扰、许可和认证。由于其发射特性，无线射频连接在每个主要国家受到严格监管，FCC规定了美国的无线发射和射频频谱使用。因此，必须利用考虑因素和专家资源来确保无线通信技术的正确运行，尽管预先认证的无线通信和网络模块越来越多地被用于物联网应用。

企业和工业物联网(IIoT)

企业物联网系统和IIoT应用为RF连接技术提供了独特的机会。工业应用的极端环境和坚固性要求，以及企业网络和通信系统的噪声和抗干扰要求，很容易通过可用的RF同轴电缆组装技术得到满足。随着机器对机器(M2M)和工业4.0技术的采用，更多工业系统将选择高速数字和RF连接选项，以实现低延迟实时控制、监控和通信。虽然部分工业应用，例如石油和天然气，采矿和农业应用，将选择用于大面积和远程通信的无线RF连接，但是工厂和基于设施的技术可能会受益于固定射频同轴组件的安装，因为在支持关键用例方面，它们具有更可靠和抗干扰的通信能力。

结论

物联网时代刚刚出现在消费类、企业和工业应用中。早期物联网先驱们开始意识到提高意识、效率和通信的潜力。这些创新者也在学习通信的古老教训，高质量的通信依赖于射频连接，无论是通过传输线还是无线系统。随着物联网的采用和应用的增加，射频同轴电缆组件和无线网络和通信技术的使用也将增加。