為(wèi)物(wù)联网设计选择无線(xiàn)電(diàn)系统时的 9 大因素

2021-09-11

為(wèi)物(wù)联网设计选择无線(xiàn)電(diàn)系统时的 9 大因素

事实上，您可(kě)能(néng)每天都可(kě)以访问大约九种不同的连接设备。该数字是更高还是更低；您正在受益于被称為(wèi)物(wù)联网的现象。

每年都会庆祝这一现代奇迹——4 月 9 日被指定為(wèi)世界物(wù)联网日。这是 IoT 社區(qū)展示其关心人类、环境和动物(wù)的机会。

世界正越来越多(duō)地与计划使用(yòng)互联技术运行的整个智能(néng)城市联系在一起。

沟通是关键

连接性是物(wù)联网设备的基础。它们都在某种程度上与其他(tā)产品进行了交流。虽然有(yǒu)些使用(yòng)有(yǒu)線(xiàn)连接，例如以太网，但大多(duō)数使用(yòng)无線(xiàn)协议并需要无線(xiàn)電(diàn)系统。

选择正确的系统是一个漫長(cháng)的过程，值得一试，因為(wèi)最终产品接收和传输数据的能(néng)力取决于这一关键步骤。

以下是对為(wèi)您的下一个物(wù)联网设备选择无線(xiàn)電(diàn)系统（无论是小(xiǎo)型还是大型）时要考虑的九个因素的分(fēn)析，以帮助您做出最明智的选择。

这些因素是：

電(diàn)池寿命

范围

尺寸

单位成本

法规

开发成本

数据速率

互操作性

拓扑

電(diàn)池寿命

虽然物(wù)联网设备不需要是无線(xiàn)的，但大多(duō)数都依赖電(diàn)池或类似的有(yǒu)限能(néng)源来供電(diàn)。此外，客户通常期望電(diàn)池不需要频繁更换。您可(kě)以在此处了解有(yǒu)关降低低功耗无線(xiàn)设备功耗的更多(duō)信息。

作為(wèi)消费者，我们倾向于購(gòu)买新(xīn)设备以使生活更轻松便捷。每天更换電(diàn)池会很(hěn)昂贵，而且会完全抵消设备的好处。

物(wù)联网设备理(lǐ)所当然地传输数据。然而，这通常不是大量数据，而且这种传输通常不频繁。

无線(xiàn)電(diàn)系统主要通过接收器電(diàn)源影响電(diàn)池。这可(kě)能(néng)看起来违反直觉，因為(wèi)发射器在活动时使用(yòng)更多(duō)功率。但问题是发射器仅在发射时才处于活动状态——自然——这不是很(hěn)多(duō)时间。另一方面，接收器可(kě)以在等待信息时長(cháng)时间处于活动状态。

因此，為(wèi)了最小(xiǎo)化功率使用(yòng)，接收器需要较少活动。一些无線(xiàn)電(diàn)系统专门考虑了这一点，并设计為(wèi)接收器仅按预定时间间隔打开并在网络中啮合在一起以协调活动。

不幸的是，只有(yǒu)少数选择具有(yǒu)这种技术，而且往往更贵。作為(wèi)一名工程师，您很(hěn)可(kě)能(néng)需要将这种内聚性构建到您的应用(yòng)程序中，以便接收器以零星的间隔打开。

这并不是说发射功率不会影响電(diàn)池寿命。然而，发射机的功耗很(hěn)大程度上取决于输出功率，而输出功率又(yòu)由设备的范围要求决定。

对于具有(yǒu)严格功率限制的设备，如果范围优先级较低，我们会推荐低功耗蓝牙。端点模式下的 Zigbee 也非常高效。将这一点放在上下文(wén)中，我们设计的電(diàn)池供電(diàn)的 Zigbee 传感器在接收器始终打开的情况下具有(yǒu) 2 周的電(diàn)池寿命，而设备每 30 秒(miǎo)打开接收器以“登记”则為(wèi) 18 个月。

GSM 和 Wi-Fi 通常使用(yòng)大量電(diàn)力，要么用(yòng)于市電(diàn)供電(diàn)系统，要么由大型或可(kě)充電(diàn)電(diàn)池支持。也就是说，一些较新(xīn)的 Wi-Fi 技术能(néng)够与网络断开连接并快速重新(xīn)连接，以减少无線(xiàn)電(diàn)系统的活动时间。

范围

范围从根本上归结為(wèi)无線(xiàn)電(diàn)的链路预算。链路预算是发射功率和接收器灵敏度的组合。这些在数据表上表示，并以分(fēn)贝為(wèi)单位。

一个简单的链路预算方程可(kě)能(néng)如下所示：

接收功率 = 发射功率 + 增益 - 损耗

分(fēn)贝是对数测量。因此，这个等式实际上是各个比率的乘除。
增益的例子包括中继器的放大，而损失包括由于传播和任何障碍导致的信号减弱。

在项目早期很(hěn)难预测设备的范围，因為(wèi)设备和更广阔的空间都受到环境的严重影响。

為(wèi)了说明这种影响的极端程度，在办公大楼内测试的无線(xiàn)電(diàn)可(kě)能(néng)有(yǒu)大约 10 米的范围，但完全相同的系统可(kě)以在空旷的开放空间内传输超过一公里。

洛拉（罗吴镭NGE電(diàn)台），用(yòng)于長(cháng)距离，低功耗解决方案一个非常强有(yǒu)力的竞争者，已经发送了数百公里的达气象气球。在建筑环境中，这个范围可(kě)以很(hěn)快减少到几公里。

这种效果如右图所示；与办公室（创新(xīn)中心）的距离在大型學(xué)院大楼的背面大致相等，但信号变化很(hěn)大，从信号中度丢失到完全死區(qū)。

因此，需要考虑接收器灵敏度和发射功率——数值越高越好。调谐天線(xiàn)也会对产品的范围产生重大影响。

尺寸

大小(xiǎo)限制的好消息是它们在物(wù)联网领域非常普遍。因此，微型无線(xiàn)電(diàn)有(yǒu)很(hěn)多(duō)选择，尤其是在蓝牙方面。这可(kě)以在支持蓝牙的智能(néng)手表和其他(tā)可(kě)穿戴设备中看到。

然而，坏消息是，在实践中，无線(xiàn)電(diàn)系统的有(yǒu)效性取决于天線(xiàn)，推荐的天線(xiàn)尺寸并没有(yǒu)像芯片一样下降。在查看无線(xiàn)電(diàn)芯片的数据表时，由于天線(xiàn)的原因，建议的 PCB 布局通常使实际芯片的尺寸相形见绌。

天線(xiàn)的尺寸对范围的影响非常大；因此，设备满足尺寸限制的能(néng)力与范围要求密切相关。智能(néng)手表最多(duō)只需要与客户口袋中的手机通信约 5m，通常小(xiǎo)于 1m。

实现大范围和小(xiǎo)尺寸几乎是不可(kě)能(néng)的，仅仅是因為(wèi)小(xiǎo)天線(xiàn)无法在很(hěn)長(cháng)的距离上传输强信号。

无線(xiàn)電(diàn)单位成本

与市场需求导致无線(xiàn)電(diàn)尺寸大幅缩小(xiǎo)一样，市场上无線(xiàn)電(diàn)系统的流行导致芯片制造商(shāng)之间的激烈竞争以及随后的价格下降。

大批量的低功耗蓝牙芯片每台设备的价格约為(wèi) 1 美元，所有(yǒu)这一切都意味着可(kě)以在不增加大量工作的情况下降低单位成本。

收音机的单位成本由三部分(fēn)组成：

硅——在这种情况下，我们假设无線(xiàn)電(diàn)是基于 IC 的，实际的无線(xiàn)電(diàn)模块本身是内置的，而不是分(fēn)立元件。大多(duō)数低功率无線(xiàn)電(diàn) IC 的批量成本低于 5 美元。

该電(diàn)路——同样也是非常低成本的，大多(duō)数低功率无線(xiàn)電(diàn) IC 只需要低成本的无源元件来完成设计。

天線(xiàn)——该装置的多(duō)变方面，结果证明这是一个非常有(yǒu)问题的组件！

这里最便宜的选择是 PCB 天線(xiàn)，它经常用(yòng)于不优先考虑范围的蓝牙应用(yòng)。線(xiàn)天線(xiàn)可(kě)以提供良好的范围，但很(hěn)容易失谐和性能(néng)不一致，具體(tǐ)取决于组装。

最后，芯片和外部天線(xiàn)提供最佳性能(néng)——重要的是，可(kě)重复的性能(néng)——但成本更高。

法规

在项目开始时，确定设备需要工作的目标市场和特定國(guó)家/地區(qū)至关重要。

除了合规之外，區(qū)域限制还限制了无線(xiàn)電(diàn)选择。

某些频段（例如蓝牙、Wi-Fi 和 Zigbee 等使用(yòng)的 2.4 GHz 频段）是全球性的。这降低了该因素的重要性；但是，这些频段非常拥挤，值得考虑。

大多(duō)数其他(tā)无線(xiàn)電(diàn)频段是特定于地區(qū)的——例如，欧盟或美國(guó)。

一旦确定了目标國(guó)家，就需要确定為(wèi)每个地區(qū)分(fēn)配的频段。區(qū)域与區(qū)域之间通常有(yǒu)相同的频段——例如，在欧洲，在 868 MHz 频段上运行的设备在美洲需要在 915 MHz 上运行。

有(yǒu)两个稍微不同的频段对无線(xiàn)電(diàn)系统没有(yǒu)影响。能(néng)够在 868 MHz 频带上传输的模块几乎肯定能(néng)够在 915 MHz 下传输。但是，软件需要调整，電(diàn)路可(kě)能(néng)需要稍作改动以优化性能(néng)。

此外，每个區(qū)域的天線(xiàn)都需要进行不同的调谐。

监管不仅会影响频率，还会影响：

该盯空间比数据就可(kě)以放出来

设备可(kě)以使用(yòng)的无線(xiàn)電(diàn)频段的百分(fēn)比利用(yòng)率。在 868 MHz 频段中，这是 1%

的最大发射功率，这在868MHz频带為(wèi)25毫瓦

在开发结束时，新(xīn)产品必须进行合规性检查，这实际上是一筆(bǐ)相当大的费用(yòng)。当必须进行修改时尤其如此，因為(wèi)然后需要重新(xīn)运行。
值得注意的是，大多(duō)数产品都需要进行一些修改，因此应始终留出预算。

无線(xiàn)電(diàn)指令

在欧洲，物(wù)联网设备属于无線(xiàn)電(diàn)设备指令，您可(kě)以在此处了解更多(duō)信息。在美國(guó)，FCC定义了合规性法规。

准确地确定需要预先进行哪些测试及其成本非常重要。通常，電(diàn)子设备需要进行某种形式的发射测试以及无線(xiàn)電(diàn)测试。

开发成本

从合规性出发，开发成本是总支出，包括从概念到实际将产品推向市场的人员、服務(wù)和材料。

对于无線(xiàn)電(diàn)，通过在完成所有(yǒu)开发工作的情况下在 IC 中进行设计，可(kě)以实现最低的开发成本。基本上所有(yǒu)需要的是调谐天線(xiàn)，然后产品就准备好了。

然而，这些模块的成本遠(yuǎn)高于芯片，因此增加了产品的单位成本。

尽管如此，这并不是一个简单的结论。模块带来了一系列好处，同时减少了硬件和软件工作。许多(duō)都经过了预先认证，这意味着合规性降低，并且合规性失败的风险也较低，因為(wèi)影响因素较少。

特别是，对于全球产品，降低合规性的好处不容小(xiǎo)觑，因為(wèi)多(duō)次运行以确保符合几个略有(yǒu)不同的标准非常耗时。

為(wèi)了展示模块的价值，我们只需要看看筆(bǐ)记本電(diàn)脑，它是大批量的全球产品，并且倾向于使用(yòng)模块。这证明了即使在大批量生产时模块也具有(yǒu)成本效益的观点，尤其是对于 Wi-Fi 而言，并且对于 GSM 来说几乎是必不可(kě)少的。

开发成本的另一个重要方面是实际的 PCB（印刷電(diàn)路板）和芯片周围的 RF 设计。

当然，从历史上看，许多(duō)无線(xiàn)電(diàn)芯片需要仔细平衡芯片周围的网络和分(fēn)立设计，这需要付出努力和大量测试以优化性能(néng)。较新(xīn)的芯片在设备中集成了更多(duō)这种功能(néng)，这减少了——但并没有(yǒu)消除——优化无線(xiàn)電(diàn)性能(néng)的需要。

根据经验，对于 GSM 和 WiFi 等高功率无線(xiàn)電(diàn)，模块更可(kě)取，而对于蓝牙或 Zigbee 等低功率无線(xiàn)電(diàn)，优势更小(xiǎo)。

数据速率

数据速率需求可(kě)能(néng)会有(yǒu)很(hěn)大差异，例如，从视频应用(yòng)程序（通常具有(yǒu)非常高的数据速率）到每天可(kě)能(néng)通信 10 字节左右的水表。

在设计 IoT 设备时，数据速率会在范围和電(diàn)池寿命之间进行权衡，因此始终需要在此处找到折衷方案。

在比较 Wi-Fi 和蓝牙时，这种权衡得到了有(yǒu)效的说明。作為(wèi)标准，Wi-Fi 的运行频率為(wèi) 2.4 GHz，平均下载速率為(wèi) 54 Mbps。但是，将其与经典蓝牙进行比较——尽管是 2.4 GHz，但数据速率為(wèi) 1.5 Mbps。通过查看这些技术在实践中的使用(yòng)方式，很(hěn)容易解释这种减少。

蓝牙和 Wi-Fi 是在权衡三角形的不同區(qū)域运行的两种技术。

数据速率权衡三角

蓝牙专為(wèi)低成本和低功耗设计而设计，因此功耗与带宽之间存在折衷。每个协议所基于的技术也不同，但从根本上说，较低的数据速率是由蓝牙对 Wi-Fi 的不同应用(yòng)所驱动的。

高数据速率协议包括 Wi-Fi、蜂窝 GSM（数据速率从 2G 增加到 5G）。低速率选项包括 LoRa 和 Sigfox，举几个例子，这些也是低功耗的。

作為(wèi)第一步，确定新(xīn)设备概念在这个三角形上的位置可(kě)以消除许多(duō)系统，即使它不会立即突出显示一个选项。

互操作性

在设计带有(yǒu)无線(xiàn)電(diàn)的物(wù)联网产品时，可(kě)能(néng)需要与其他(tā)公司的产品配合使用(yòng)。

如果这是设备的要求，那么这将限制无線(xiàn)電(diàn)系统的选择，因為(wèi)所使用(yòng)的系统必须能(néng)够在与目标设备相同的频率和波段上工作。

此外，设备将需要“配置文(wén)件”，因為(wèi)它们被称為(wèi)，被编程到其中。配置文(wén)件本质上是兼容设备所说的语言。

使用(yòng)配置文(wén)件的最佳示例是蓝牙。

蓝牙具有(yǒu)常见物(wù)联网产品的标准配置文(wén)件，例如键盘和计算机鼠标。因此，这些设备将与其他(tā)产品一起使用(yòng)。Zigbee 还具有(yǒu)多(duō)个配置文(wén)件，允许设备与不同的供应商(shāng)合作。

使用(yòng)已经在使用(yòng)的配置文(wén)件和标准有(yǒu)一个次要的优势；减少开发和调试工作。其他(tā)企业已经投入了大量的软件开发时间来制定这些通信标准并将它们构建到开发工具包中，使用(yòng)这些标准将降低总體(tǐ)成本。

尽管如此，没有(yǒu)任何互操作性要求是相当普遍的，这让开发人员在选择无線(xiàn)電(diàn)系统时有(yǒu)更大的自由度。

拓扑

最后，尽管拓扑选择不会限制无線(xiàn)電(diàn)系统的选择，但某些协议更适合其中一种。

两种经典的拓扑结构是星型和网状。

星星

使用(yòng)中最知名的星型网络是家庭 Wi-Fi 网络：一个中央路由器，通常位于底层的某个地方，然后所有(yǒu)设备都连接并与该路由器接口。那些离路由器最近且障碍物(wù)最少的人获得最佳连接，而在房屋或公寓的某些區(qū)域，信号非常弱。

网

网状网络仍然可(kě)以有(yǒu)一个中央服務(wù)器或路由器，但许多(duō)设备也可(kě)以互连。在理(lǐ)想的网格场景中，所有(yǒu)设备都可(kě)以互连。使用(yòng)网状拓扑的最佳系统是 Zigbee。

重要的是获得关于产品在其目标环境中实际表现的反馈，而不仅仅是在某人的办公桌上。这总是会带来诸如软件错误之类的问题，如果您不走运，可(kě)能(néng)还会出现一些硬件错误。所有(yǒu)这些都会反馈到设计的任何进一步迭代中。

基本设置是中继器位于信号强的區(qū)域或使用(yòng)有(yǒu)線(xiàn)协议（例如以太网）连接。然后，无線(xiàn)移动设备将数据中继到中继器，而不是直接中继到路由器。

网状拓扑有(yǒu)几个优点：

在网状网络中，每个设备都会向最近的设备通信和中继消息，从而降低所需的传输功率并延長(cháng)電(diàn)池寿命。

网状网络非常适合大型建筑物(wù)，因為(wèi)混凝土会阻塞大量数据，而且与中央路由器的距离对于一台设备来说通常太大。

然而，网状网络的软件开发通常更加复杂，并且可(kě)能(néng)变得难以管理(lǐ)。从客户的角度来看，网状拓扑更难理(lǐ)解，因此可(kě)能(néng)需要持续提供更多(duō)技术支持。

星型网络要简单得多(duō)，客户大多(duō)会理(lǐ)解其原理(lǐ)，但他(tā)们会遇到网状网络解决的问题。

总之，物(wù)联网项目无線(xiàn)電(diàn)系统的最终选择将是许多(duō)竞争因素的结晶。虽然本文(wén)可(kě)能(néng)会提出与回答(dá)的问题一样多(duō)的问题，但我们希望它為(wèi)全面评估 IoT 概念提供框架，然后确保為(wèi)设备选择最佳无線(xiàn)電(diàn)系统。

概括

消费者通常購(gòu)买物(wù)联网设备是為(wèi)了方便。因此，对于大多(duō)数无線(xiàn)产品来说，拥有(yǒu)较長(cháng)的電(diàn)池寿命是必不可(kě)少的。在选择无線(xiàn)電(diàn)系统方面，这意味着最小(xiǎo)化接收器的工作时间，并优化发射器功率。

设备的范围要求千差万别，不同无線(xiàn)電(diàn)系统的性能(néng)取决于环境。标准通常被开发用(yòng)于特定范围，因此确定设备的范围要求将立即消除多(duō)种选择

尺寸与天線(xiàn)尺寸密切相关，因此也与范围密切相关。有(yǒu)各种各样的微型无線(xiàn)電(diàn)模块，但長(cháng)距离总是需要更大的天線(xiàn)。

单位成本同样因天線(xiàn)成本变化最大，模块和電(diàn)路板成本将相对一致。

在项目开始时制定目标市场以及随后的设备将受到的法规和合规性要求很(hěn)重要。这可(kě)能(néng)会增加大量成本，绝不能(néng)低估。

使用(yòng)预先认证的模块可(kě)以降低开发成本，但是这些成本更高，尤其是对于大批量产品。对于某些无線(xiàn)電(diàn)类型，例如 Wi-Fi，预认证模块是有(yǒu)意义的，除非音量非常大。

通常可(kě)以通过使用(yòng)更高的频率标准来实现更高的数据速率；然而，这并非总是如此。高数据速率也将使用(yòng)更多(duō)功率并且更难以遠(yuǎn)距离传输。数据速率、電(diàn)池寿命和范围可(kě)以布置為(wèi)三角形的三个点，这可(kě)以作為(wèi)确定优先级的有(yǒu)用(yòng)视觉辅助工具。

如果设备需要能(néng)够与其他(tā)可(kě)互操作的产品通信，则需要对配置文(wén)件进行编程。使用(yòng)这些配置文(wén)件有(yǒu)时可(kě)以减少开发工作，因為(wèi)它们已经过调试。

有(yǒu)许多(duō)不同的网络拓扑，其中最常见的是星型和网状。每一种都解决不同的问题，并具有(yǒu)不同的优势。