物联网爆发式增长 无线连接可靠性成挑战

根据科技产业研究机构Gartner的报告指出，物联网中的对象数量每天增加五百五十万件。到2020年，预计总数将达到两百零八亿件。

鉴于这种爆炸式的增长，有必要对可以连接所有对象和让所有对象相互通讯的互联网进行检视。在物联网的领域中有诸多的严苛挑战，其中之一就是在这些设备之间建立起可靠的无线连接。通讯系统的可靠性可由无线电收发器和通讯微控制器这两种关键组件的性能来决定。

本文将以亚德诺半导体（ADI）为例，说明该公司旗下组件和解决方案是如何提高系统级的可靠性，实现耐冲击性的应用（High impact application），而在这些应用中，质量、数据的完整性和洞察是关键任务。

美中不足　无线设备可靠性仍待加强

消费性设备所采用的现有无线连接技术，总是无法满足工业和保健系统对性能的要求。这些系统对优先事项（包括安全性、准确性和时间敏感性）的不同安排提高了对可靠性的需求。蜂巢式系统近乎可满足这些性能的要求，但是若从电池、成本和数据传输量等的要求来看，往往是不合适的。非常可靠的系统现今只在利基型的工业和军事应用中才存在。然而，这些应用在设计时，可靠性通常会被列为最高优先的等级，至于成本则往往是位于设计考虑清单的末端。而在工业物联网，其挑战就变成了要以更低的系统成本提供相同的高可靠性。

让我们考虑一下某些使用情境，其中，为了增强系统的效用会将无线能力加进来，且连接的可靠性是关键任务。

提升生产流程控制效率　联网设备不可少

连网设备在制造业中的一项关键吸引力包括产量提升的潜力。为了做到这一点，通常要能远程控制生产链中的各种设备，以便可适时地进行调整。

在化学生产流程中，锅炉操作中的控制阀就是一个这样的例子（图1）。基于流程中其他阶段的回馈，对该控制阀的立即且自主的控制，可进行实时的调整，从而使得整体的效率更优化。

图1　透过联网操作锅炉控制阀可提升整体效率。

随着连网设备应用增加，目前医院和保健中心也正致力于要以无线连接的方式来监测病患的生命征象。

联网技术以实现智慧保健

传统笨重的有线解决方案可以无线传感器贴片（Sensor patch）来取代；这种传感器贴片可通过本地的网关而连接到网络（图2）。在对病患进行监测时，这样的系统将更有效率，同时还可减少医护人员的负担。

图2　透过无线网络控制医疗器材可减少医护人员负担。

无线通信可提供紧急反应的事件感测

利用先进的图像和声学感测及处理方法，安装在公共空间的系统（例如灯柱）可以检测诸如车辆事故和犯罪活动等事件（图3），且具有高可信度。这种信息可以经由无线通信被中继到适当的机构或单位，其中伴随的位置信息可实现更快的紧急反应。

图3 无线通信技术可提供紧急事件反应速度。

射频障碍将影响接收机灵敏度

先前提到的每一个例子都有不同的环境挑战，而这些挑战则会对无线通信带来负面的影响。例如，工厂的钢铁结构和厚重的墙壁会产生很大的障碍，它会将射频讯号的功率降低到无法被目标设备接收到的程度。在目标设备中使用的无线电接收机灵敏度将决定可容忍的讯号劣化程度。灵敏度只要有2dB这样些许的变化就可能造成讯号是否能成功被接收到，或无法被接收到的差异。在选择无线电时，通讯系统的设计工程师要对接收机的灵敏度非常注意。

连网的设备通常是在该区域的相关ISM频带中工作。ISM频带是免授权的，可供需要无线连接的各种应用使用。2.4GHz是全球标准化的，并且广为Wi-Fi和蓝牙设备所使用。

拥挤频带易导致数据包漏失

在1GHz以下频带中也有可用的ISM频谱。这些频带通常会被物联网的应用所使用。该频段在欧洲为868MHz，在美国为915MHz。当位于非常接近的多个设备共享相同的ISM频带时，就会面临到挑战。发射设备会干扰附近的接收设备，例如，在公立医院，院中有各式各样共享相同ISM频段的机器。可用阻断（Blocking）规范来测量无线电在有着这种干扰情况下的操作能力。除了在ISM频带内工作的设备之外，这项挑战还会向外延伸。若没有足够的阻断能力，在附近操作的手机或平板计算机可能会导致系统中的通讯中断。

在军事和航空航天应用中，为减轻干扰源影响，通常会采用非常昂贵的部件。在关键任务型数据（如前文所提到的应用）中所使用的无线电必须实现与军事和航空航天类似性能，且还不能产生因采用额外外部组件所产生的高昂成本。在有多个干扰源在附近操作的情况下，这样的无线电仍然还能持续接收讯息。

环境因素为降低无线收发器性能关键因素

无线电收发器是建立在性能易产生变化流程上，这取决于它们所在的操作环境。其中一些变化包括温度改变、因为电池放电而使得电压供应减少及组件两端在硅芯片制造上的变化。这些现实生活的事件可能改变设备的操作稳定性。

于本文中将检视一款在路灯上运作的事件感测紧急响应系统所受到的影响。在冬季时，寒冷的温度可能导致设备的输出功率有所改变或接收机灵敏度降低。在某些情况下，这可能导致通讯中断。虽然消费性设备对这样的情况不会很在意，因为它们很少在如此极端条件下使用，但这对于紧急响应系统而言却是不可接受的。对该最终产品而言，充其量，成本只使得它的声誉受损及一通要求更换故障产品的服务电话。系统设计工程师必须确保其为感测和通讯系统所选择的组件在变化万千的环境条件下，仍能保持稳健的性能。

确保通讯组件稳定　半导体业者精锐尽出

可靠性也是通讯微控制器所关注的问题。虽然闪存和非挥发性内存极为可靠，但它们偶尔也会损坏。操作环境或恶意硬件黑客攻击会造成意想不到的影响，而内存受损则可能是这些影响所引起的。无论何种机制，重要的是微控制器都须配备必要的完整性功能，在设备受损时可识别出来。设备一经发现受损，微控制器可纠正错误或关闭设备，适当地确保更大范围系统的安全性不被破坏。

因应此种情况，以亚德诺半导体（ADI）为例，该公司一直都在致力于设计开发可克服这些挑战的稳健解决方案。那些应用于工业物联网的超稳健系统所提出的需求，并不算是新的需求，而为实现较佳的通讯链路的性能等级和功能特性，以该公司旗下产品为例，该公司具备较低功耗的sub-GHz ISM频带无线电ADF7030-1和ADuCM3029Cortex-M3微控制器。

例如，就接收机灵敏度的性能而言，ADF7030-1具有接收3dB无线电讯号的能力，比其他无线电产品的功率低。这意味着，即使讯号强度不到其竞争对手功率的一半，它仍然可以接收得到。另外，由于该产品的阻断数超过100dB，因此可以做到与军事和航空航天设备相当的抗干扰能力等级，而且还不需要额外且昂贵的外部组件。此一特点可增加其价值，并确保即使在嘈杂的RF环境下仍能维持畅通的通讯质量。同时，该产品在整个工作温度范围内的变化少于0.2dB，可因应现实生活环境对无线电收发器所造成的影响。

另一方面，再以ADI旗下ADuCM3029产品为例，该产品的设计具有闪存和ECC同位核对（Parity check），以确保在可能的情况下可识别出并纠正由于内存损坏所造成的错误。此外，该产品在睡眠模式下还具有电池监视功能。

这可确保可以检测到电压意外的下降，并且处理器也可收到对可能的恶意威胁或电源故障之警告。然后，终端设备可以经由警告管理人员或进入安全模式来采取适当的行动，以确保较大范围的系统不会受到伤害。

(本文作者任职于亚德诺半导体)