可靠的通信是物联网增长的关键

　　根据技术行业研究员Gartner的数据，物联网中的事物数量每天增加550万。到2020年，总数预计将达到208亿。鉴于这种爆炸性增长，必须检查将连接并实现所有事物之间通信的互联网。在这些设备之间创建可靠的无线连接被证明是物联网的巨大挑战之一。通信系统的可靠性可以通过两个关键组件的性能来定义：无线电收发器和通信微控制器。本文讨论ADI公司的组件和解决方案如何最大限度地提高系统级可靠性，实现数据质量、完整性和洞察力对任务至关重要的高影响应用。

　　现在好的东西还不够好

　　消费类设备的现有无线连接技术并不总是满足工业和医疗保健系统的性能需求。这些系统中的不同优先级（包括安全性、准确性和时间敏感性）提高了对提高可靠性的需求。蜂窝系统接近这一点，但在电池、成本和数据吞吐量要求方面通常不合适。如今，对于利基工业和军事应用，存在极其可靠的系统。然而，这些设计将可靠性放在首位，成本出现在列表的后面。对于工业物联网，挑战在于以更低的系统成本提供同样高水平的可靠性。

　　让我们考虑一些场景，其中添加了无线功能以增强系统的有效性，并且连接的可靠性可能至关重要。

　　智能工厂：工业4.0的生产过程控制

　　连接设备在制造业中的一个关键吸引力包括提高产量的潜力。为此，通常需要远程控制生产链中的各种设备以进行调整。一个例子是在化学生产过程中运行的锅炉的控制阀。该阀门的即时自主控制可以根据过程中其他阶段的反馈进行实时调整，从而优化整体效率。

　　智慧医疗：生命体征监测

　　医院和护理中心正在寻求无线连接来监测患者的生命体征。笨重的有线解决方案可以用通过本地网关连接的无线传感器贴片代替。这样的系统可以更有效地监测患者，同时减轻医护人员的负担。

　　智慧城市：用于应急响应的事件感知

　　借助先进的图像和声学传感和处理方法，安装在公共场所（例如灯柱上）的系统可以高度自信地检测车辆事故和犯罪活动等事件。这些信息可以通过无线通信中继到相应的机构或单位，以及位置信息，以实现更快的应急响应。

　　在复杂环境中构建可靠无线连接的主要挑战

　　射频障碍导致数据包丢失

　　前面提到的每个示例都受到不同的环境挑战的影响，这些挑战可能会对无线通信产生负面影响。工厂的钢结构和厚墙会产生巨大的障碍，可能会将RF信号的功率降低到目标设备无法接收的程度。目标设备中使用的无线电的接收器灵敏度将决定可以容忍的信号衰减程度。灵敏度的微小变化仅2 dB就可能成为信号成功接收与否之间的差异。通信系统设计人员在选择无线电时必须密切注意接收器灵敏度。

　　拥挤的频段导致数据包丢失

　　连接的设备通常在该区域的相关 ISM 频段内运行。ISM频段无需许可证，可用于需要无线连接的各种应用。2.4 GHz 是全球标准化的，被 Wi-Fi 和蓝牙®设备广泛使用。在低于 1 GHz 的频段中也有可用的 ISM 频谱。这些频段通常用于物联网应用。该频段在欧洲的中心频率为868 MHz，在美国以915 MHz为中心，当位于附近的多个设备共享同一个ISM频段时，就会出现挑战。发射设备可能会干扰附近的接收设备，例如在公立医院中，有各种各样的机器共享相同的ISM频段。无线电在存在此类干扰源的情况下运行的能力由阻塞规范来衡量。挑战不仅限于在ISM频段内运行的设备。如果没有足够的阻塞能力，在附近运行的手机或平板电脑可能会导致系统中的通信中断。在军事和航空航天应用中，使用非常昂贵的组件来减轻干扰源的影响。用于关键任务数据的无线电，例如前面提到的应用，必须实现与军事和航空航天相似的性能，而不会产生额外外部组件的高成本。此类无线电将继续接收附近有多个干扰源的消息。

　　环境影响会降低性能

　　无线电收发器建立在容易出现性能变化的工艺之上，具体取决于其运行环境。一些变化包括温度变化、电池放电时的电压降低以及设备之间的硅制造差异。这些现实生活中的事件可能会导致设备运行稳定性的变化。让我们看一下在路灯上运行的事件感应应急响应系统。寒冷的冬季温度可能导致设备的输出功率变化或接收器灵敏度下降。在某些情况下，这可能会导致通信中断。虽然这对于在这种极端条件下很少使用的消费类设备来说不那么重要，但对于应急响应系统来说是不可接受的。充其量，成本是对最终产品的声誉损害以及更换故障设备的服务电话。系统设计人员必须确保为传感和通信系统选择的组件在不断变化的环境条件下具有鲁棒性。

　　内存损坏可能会导致意外结果

　　可靠性也是通信微控制器的一个问题。虽然非常可靠，但闪存和非易失性存储器偶尔会损坏。这可能是由于操作环境引起的意外影响或通过恶意硬件黑客攻击故意造成的。无论采用何种机制，微控制器都必须具备必要的完整性功能，以识别设备何时损坏。一旦识别出错误，微控制器可以纠正错误或关闭设备，适当地确保更广泛系统的安全性不被破坏。

　　ADI公司——可靠性设计

　　50多年来，ADI公司一直在设计可靠的解决方案来应对这些挑战。工业物联网对超鲁棒系统的需求并不新鲜。ADF7030-1超低功耗、sub-GHz ISM频段无线电和ADuCM3029 Cortex-M3®微控制器的目标是实现最可靠通信链路的性能水平和功能特性。

　　ADF7030-1是业界领先的无线电接收器灵敏度性能。在许多情况下，ADF7030-1能够接收比其他无线电功率低3 dB的无线电信号。这意味着仍然可以接收不到其竞争对手一半功率的信号强度。

　　ADF7030-1具有业界领先的阻塞数，超过100 dB，可实现与军事和航空航天设备相当的抗干扰能力，而无需额外的昂贵外部元件。这增加了价值，并确保在最嘈杂的RF环境中保持通信。

　　通过与领先工业制造商的几代合作，ADI公司已经开发出应对无线电收发器现实环境影响的成熟方法。例如，使用ADF7030-1的器件传输的输出功率在整个温度工作范围内变化小于0.2 dB。这是通过ADI公司独有的无线电设计方法实现的。竞争无线电的变化最高可达 2 dB。

　　ADuCM3029设计有闪存和ECC奇偶校验功能，以确保在可能的情况下识别和纠正由存储器损坏引起的错误。ADuCM3029还具有休眠模式下的电池监控功能。这可确保可以检测到意外的电压下降，并提醒处理器可能的恶意威胁或电源故障。然后，终端设备可以通过提醒管理员或进入安全模式来采取适当的措施，以确保更广泛的系统不会受到损害。

　　ADI公司开发的技术适用于物联网信号链的每个阶段，从检测和测量到解释和连接数据。确保通过该链创建的信息的质量和完整性是核心设计原则，也是实现物联网真正潜力的基本要求。

　　审核编辑：郭婷