在物联网十字路口进行测试

星星科技指导员

描述

我们生活的世界已经改变。马和马车已被现代汽车取代。固定电话已经让位于智能手机。而且,模拟设备已被智能水平不断提高的数字设备所取代。

如今,这些智能数字电子产品构成了物联网 (IoT) 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出现的推动下,物联网设备正在重新定义我们的生活、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,这些设备正处于一个十字路口,因为它们从“好到有”过渡到“必备”,人们将越来越依赖于执行关键任务,有时甚至是,对生命至关重要的应用程序。

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

推进关键任务物联网

物联网在关键任务领域的进步在医疗保健领域最为明显。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、真皮植入传感器和跟踪药丸,到收集和传输关键医疗数据的输液泵等各种可穿戴设备。这种所谓的医疗物联网 (IoMT) 正在实现医疗保健服务的根本转变,降低成本,同时提高临床医生的效率并改善患者的治疗效果。

但这只是冰山一角。任务关键型物联网也正在推进到其他关键工业领域,例如联网汽车和工业 4.0。

自动驾驶汽车是受益于物联网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、系统和人类操作员在装配线上一起交流和操作,同时还为人类操作员提供可操作的洞察力。

但这些进步是以物联网运行所在行业定义的新的、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。这些特征使任务关键型 IoT 应用程序比消费者应用程序要求更高,它迫使 IoT 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。

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表 1.任务关键型物联网应用的典型性能特征和要求。

与任何新兴市场一样,解决这些问题的方法在于适当的监管和标准定义。然而,由于物联网仍处于起步阶段,目前还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,有多个组织(例如,ITU、ETSI、IEEE 和 IETF,以及 oneM2M 和 GCF 等行业机构)在全球范围内努力平衡监管与创新市场的需求。

针对这种不断变化的监管环境,设备设计人员必须继续设计他们的物联网设备和系统,以符合关键任务要求。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,必须使用全面且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,设计师面临三个关键层面的挑战:

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设计,具体取决于应用程序的需求。与外界通信也需要一个 RF 收发器接口(图 1)。

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图 1.

典型物联网传感器模块框图。

在设备中,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供电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。已经开发了低功率无线协议(例如,LP-WAN)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,与传感器密度相比,功耗可能不是一个问题,在传感器密度中,多个设备必须在不受干扰的情况下进行通信。在这里,信号完整性成为重中之重。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配置文件和设备动态负载的准确表征。了解负载需求、所需电流量以及需要多长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,无论是非可充电纽扣电池还是可充电锂聚合物电池,都需要了解并将其纳入复杂的电源管理程序,以延长和优化电池寿命。能够准确跟踪电池上的负载以及对它的要求,可以提供帮助。

设计人员可以使用这些信息来开发强大的电源管理流程。例如,设计人员可能会确定,在运行期间,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接时的数百 mA 到收发器关闭时的 sub uA,微控制器处于最最佳睡眠模式,并且传感器未激活。有了这样的洞察力,设计人员就可以对高电流消耗的程序功能进行排序,这样它们就不会同时发生(图 2)。

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图 2

。使用正确的工具来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。Keysight N6705B 直流电源分析仪和 N6781A 2 象限源测量单元是可用于表征电池消耗和深入了解设备电池负载随时间变化的工具的理想示例。

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多种协议中进行选择,例如蓝牙、ZigBee、Z-Wave、Wi-Fi、NB-IoT 等等。在关键任务场景中,物联网设备必须在多个用户存在的情况下使用不同的无线技术在相同的频谱中运行。验证设备是否可以处理此负载对于确保强大的无线连接至关重要。

在医院等大型建筑中,设备操作密集,可靠的无线通信是强制性的。在这里,医疗设备、病人监护设备、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,并且不受彼此干扰的阻碍。这在医疗监控设备与无绳电话、无线摄像机和微波炉等共享 2.4 GHz ISM 频段的医院中尤其成问题。确保物联网设备的操作可以在这种类型的环境中按预期工作是至关重要的。

网络

随着 5G 的到来,越来越多的应用将利用提升的蜂窝网络性能将计算工作量“卸载”到数据中心,更加重视网络的安全性和稳定性。各种设备都可以连接到网络,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以减轻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的任务关键型应用程序中。在这一领域取得成功要求设计人员遵循经过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,设计人员现在可以使用各种测试选项来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。为确保物联网设备或系统能够在关键任务应用程序中生存和发展,设计人员必须为正确的工作选择正确的工具,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设备的当前使用情况以及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如何有效地从电源转换和传输到系统内的负载。准确的 EMI 仿真和建模工具可以帮助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是必不可少的。

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表 2.物联网生态系统的测试和测量工具。

毫无疑问,关键任务物联网中有大量机会。设计师是否成功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。

预先做出正确的决定,比如选择正确的设计工具,可以大大帮助设计师超越竞争对手。

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