全面讲解物联网应用的设计技巧和方法

了解不同的物联网领域和应用

了解物联网设计的基本组成部分

物联网设计的混合信号、无线及低功耗设计技巧

 

物联网（Internet of Things，IoT）是一个由数十亿台设备组成的网络，这些设备收集、处理和提供信息，旨在提高我们的生活质量。物联网是一个快速发展的领域，物联网设备目前包括个人可穿戴设备、工业机械、医疗器械等。单个物联网设备融合了射频通信、混合信号功能和高速数据传输等技术，同时最大限度地降低了功耗。因此，物联网设计中需要考虑很多因素，以确保设备的可靠性和高效性。

 

在本文中，我们将详细介绍物联网设计的不同要素—物联网设备的基本组成部分、物联网设计标准、低功耗设计、混合信号设计，以及如何将 SPICE 纳入设计流程。

 

智能物联网设计对于加强新物联网设备的互联很有必要

 

 

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物联网应用

 

物联网设备应用于多个行业，从消费电子产品到医疗器械。其中的一项应用是 RFID（radio field identification，无线射频识别）。有了 RFID，企业就能跟踪带有 RFID 标签的物品的位置，从而实施相应的系统，实现更高效的物品跟踪，并获取更多信息。下面让我们来看一看物联网作用日益凸显的其他几个行业。

 

商业

物联网在商业的以下领域大有可为：

办公环境、客户服务和资源管理自动化。

获取关于产品、服务和互动的更多数据。

用于库存管理、跟踪和维护的物流。

面向客户的产品在需要维修时发出通知。

提高零售效率，如Nest恒温器和智能灯泡。

制造

在工业和制造业中，通过使用智能背心、智能头盔、智能眼镜和其他可收集健康、位置、环境和生产率数据的设备，工厂、面粉厂和炼油厂的工作环境都会变得更加安全。这些设备连接在一起，在工厂运行期间提供信息，再结合在线分析，能有效确保工人的安全和工厂机械的平稳运行。

体育运动与医疗保健

物联网不仅对企业有价值，它还改变了体育运动。无论是业余选手还是专业运动员，都可以佩戴智能手环/手表，测量心率、体温等生命体征。这种设备可以让用户更详细地了解自己的运动表现和对刺激的反应。

 

监测人体基本数据的健康相关产品也改变了医疗保健和生物技术行业。跟踪药物使用情况的智能吸入器或溶于胃中的可食用传感器等设备可以在体外进行通信，为医护人员提供更多数据，帮助他们做出更明智的决定。

 

医疗器械物联网是增长最快的物联网应用之一

 

 

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物联网设计：基本组成部分

 

物联网设备的核心包括几个关键组件：传感器、无线连接模块和电源管理模块。要想成功设计物联网系统，需要解决的主要挑战是如何让这些组件顺利协同运行。

 

传感器

首先，传感器主要用于收集来自外部世界的数据。例如，测量温度、压力、湿度的传感器，以及红外线、摄像头和 RFID 标签传感器。在设计物联网设备时，不仅要考虑设备本身能利用哪些现实世界的信息，还要注意的是，这些设备还会与其他服务器、设备和节点通信。请继续阅读本文，了解选择传感器的技巧，包括设计注意事项和具体应用。

无线连接模块

其次，无线连接模块在实现外部通信方面发挥着至关重要的作用。常见的通信方式包括蓝牙、Zigbee、WiFi 和 NFC。如需直接访问互联网，可考虑使用 GSM/ LTE 或 WiFi。这些技术的连接时间、范围和功耗各不相同。例如，一些 NFC 设备可以通过无线供电与收发器进行通信，而支持 WiFi 的设备则需要始终接通电源。

电源调节模块

最后，电源调节模块对确保设备的便携性和通信能力极为关键。如果设备采用电池供电，那么在设计时就必须考虑到电源效率。为了尽可能延长设备的运行时间，最好使用低静态电流稳压器。在设计电路时，应考虑只为相关的子电路供电。

 

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物联网设计要点

 

衡量物联网设计成功与否的真正标准是将前面讨论过的这些技术整合到单个紧凑的设备中。该设备应具有成本效益，甚至可能需要具备额外的数字信号处理、自然用户界面处理、控制操作或模拟传感功能。

 

物联网电路板将多种不同技术整合到一个紧凑的设计中

 

在市场需求的推动下，物联网设备的性能、能效、续航能力在不断提升，而体积也在缩小。一台物联网设备中可能包含 CPU、内存、显卡、处理元件和无线电路。为了尽可能缩小设备尺寸，可以将其中的许多元件集成到单个系统级芯片 (SoC) 中，但并非所有元件都能如此。

 

由于需要节省空间，物联网设计的关键区别在于将整个产品或电路板设计成一个整体，而不是像过去那样设计成许多较小的单个电路板。这就需要与机械设计师密切合作，确保将信号完整性、热管理和尺寸都考虑在内。

 

在设计物联网时，需要注意的一点是传感器和集成电路的发展日新月异。产品上使用的芯片可能会很快过时，更新换代的速度超乎我们的预想。因此，最好将整个设计划分成一个个子电路，这样就能采用系统化的方法，也便于后续更新电路上的元件。在设计时，要考虑到每个子电路的输入和输出，以及如何将它们集成到更大的整个设备中。

 

 

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物联网设计的重要标准

 

物联网架构可分为三个不同的层：

 

设备层，包含收集数据的传感器和执行器。

边缘层，包含数据处理元件，用于数据过滤、聚合和预处理。

云端层，连接到移动应用程序或网页应用程序，进行最终处理。

 

 

确保电路板上的各种器件符合预期标准

 

设备并不是凭空存在的，在物联网中尤其如此。它们必须发挥功能、进行通信并与其他系统集成。在设计物联网设备时，要考虑如何将其融入整体架构。为此，最佳方法是采用并遵循某种标准。可以考虑采用单一标准，如 IEEE 243，并在设计设备时遵循这一标准。为了延长设计的使用寿命，除了考虑基本功能外，还要考虑它的使用环境，尤其重要的是它将与哪些其他设备通信。

 

如需采用更多标准，可考虑从印刷电路协会 (IPC) 的标准入手。其他基于标准的 IP 解决方案包括：

 

接口：MIPI DSI、CSI、SLIMbus、UniPro、DigRF、BIG、D-PHY、M-PHY、M-PCIe、USB、HDMI、SDIO

存储器：SD/eMMC、NAND、LPDDR、宽 IO

模拟 IP：AFE、A/D（传感器、无线电）、电源监控器、热传感器

系统/外设 IP：微处理器、总线和音频 IP 以及定时器 IP

 

 

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低功耗物联网设备设计

 

由于您的物联网设计很可能是针对移动应用，因此尽量降低耗电量至关重要。与让设备始终保持开启状态相反，您可以让设备支持不同的运行模式。此外，智能电源管理也有助于延长设备的运行时间。对于移动设备，需要使用能量收集电路（通常利用感应式无线电能传输）或依靠电池供电。

 

 

在开发移动物联网设备时，高能效对于确保产品的使用寿命和可靠性至关重要

 

电池供电

节省电池电量的最佳方法之一是在不使用时关闭设备的部分功能。为此，应将 PCB 划分成若干个功能模块，为每个功能模块分配适当的功耗预算。选择符合规格的功率调节集成电路，确保设计中的每个模块的功耗都不超出所分配的预算。

存储器

物联网设备的存储器模块也会耗电，选择合适的存储器对不超出功耗预算非常重要。例如，与动态随机存取存储器 (DRAM) 相比，使用直接存储器存取 (DMA) 有助于降低功耗，但会在一定程度上增加延迟，减少吞吐量。

精确计算功耗预算

应避免因 PCB 走线过长或过孔过多而造成电能浪费。信号从一个平面传输到另一个平面，会在电路板上产生不必要的电能损耗。精确的功率预算计算和高效的电源分配网络有助于延长设备的使用寿命。建议使用精确的电源网络分析工具，在制造和测试前准确了解设备的能效。

 

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物联网无线设计

 

物联网设备将以无线方式与外界通信，很可能是通过 WiFi、蓝牙或前面提到的其他方式。因此，熟悉各种无线网络协议非常重要。

 

需要注意的是，政府会监管无线电频谱的使用，某些频段被分配用于特定用途。WiFi 通常在 2.4 GHz 频段上运行，NFC 在 13.56 MHz 频段上运行，而其他射频协议则在各自的频段上运行。因此，可以购买符合政府和行业规定的现成无线模块，并将其整合到设计中。

 

天线设计也非常重要—在设计 PCB 时，应考虑天线的方向、增益和指向性，然后根据外形尺寸选择符合需求的天线。Z-Wave 网状网络拓扑结构可支持数百台设备；例如，Sigfox 使用新的超窄带 (UNB) 进行无线电信息交换。

 

噪声

您的设备将与其他设备一起运行，这些设备会使用它们各自的无线通信标准。因此，噪声会成为一个棘手的问题。设备大部分时间都处于空闲或待机模式，传输和接收数据的通信时间其实很短。要熟悉处理射频电磁干扰的方法，并将其纳入设计中。

 

 

 

温度

温度也会对通信产生重大影响。应考虑设备运行时的理想温度范围，确保器件符合温度要求。

 

小贴士

物联网医疗器械设计注意事项

如果您正在设计一款医疗物联网设备，需要注意，无线信号在自由空气中传输与在人体内部传输是不同的。医疗器械植入人体后，设备的工作频率会衰减，可能会严重影响续航能力，因此要有针对性地进行设计。

 

 

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混合信号设计

 

物联网设计中的数据可能包括多个模拟和数字信号，因此必须尽可能减少噪声，保持信号的完整性

 

您的物联网设备将通过模拟传感器从现实世界中收集数据，这些数据需要转换成数字信号。一旦转换为数字格式，就可以对数据进行编码和处理，甚至可以通过无线方式发送数据。

 

为此，您需要一个能够高速传输数据的处理器。因此，在设计布局时需要解决串扰、时钟偏移、传播延迟、衰减和阻抗匹配等问题。按照混合信号布局设计的经验，最好将模拟部分和高速数字部分分隔开，将它们安排在电路板的不同区域。

 

小贴士

物联网医疗器械设计注意事项

在医疗物联网应用中，信号携带着重要的人体健康信息，因此如果设备读取到错误的信号，后果将不堪设想。

 

 

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紧凑型设计

 

要将各种不同的子电路和模块集成到一个紧凑型 PCB 中，需要采用更先进的设计技术。其中包括高密互连 (HDI)、嵌入式器件和其他紧凑型器件，如多芯片组件 (MCM) 或三维集成电路 (3D-IC)。使用多层 PCB 能使电路板的尺寸更加紧凑。

 

物联网设备中使用的 PCB 需要采用紧凑型设计，具有柔性部分和高密互连

 

确定好 PCB 的外形尺寸并就此达成一致。特别是要与机械工程师和产品设计师沟通，确保制造商有能力组装和制造您的设计。由于 PCB 的某些部分可能容易受到机械挠曲的影响，因此器件摆放变得更加重要。这时，柔性设计可能会派上用场。

 

 

柔性设计

您的设计还可能存在机械限制，而柔性电路板或刚柔结合电路板可以让这些问题迎刃而解，它们是标准刚性 PCB 的替代方案，近年来越来越受欢迎。具体来说，标准刚性 PCB 使用复杂的线束或高密互连 (HDI) 来连接传感器，与之相比，PCB 器件、互连器件和传感器可以放置在柔性 PCB 上。这样可以减少互连和导线的数量，有助于缩小设备尺寸。

 

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SPICE 仿真

 

在设计和制造过程中，使用 SPICE 工具可以调整设计的功率和可用性。与大多数消费电子产品一样，可制造性和产品良率是成功设计电路板的关键。

 

利用 SPICE 程序的仿真结果来预测设备的行为

 

利用 SPICE 仿真，您可以根据制造良率和可靠性标准来设定公差。SPICE 仿真还有助于跟踪电源效率，发现设计漏洞，分析阻抗并确定外形尺寸限制。SPICE 库具有易于访问的器件参数集成和建模功能，并提供了模板，用于构建自定义模型。

 

使用 Cadence PSpice 软件，您可以访问 33,000 多个器件，轻松确保器件良率和可靠性，验证电气性能，并在交付制造之前进一步优化设计。