據技術行業研究公司Gartner表示，物聯網中每天增加的“事物”多達550萬件。截止2020年，預計總數將達208億。鑒于這種爆炸式增長，檢查連接所有事物并在它們之間實現通信的互聯網勢在必行。事實證明，在這些設備之間建立可靠的無線連接是物聯網的最大挑戰之一。通信系統的可靠性可以用兩個關鍵元件的性能來定義：射頻收發器和通信微控制器。本文討論ADI公司的元件和解決方案如何能夠最大程度地提高系統級可靠性，以支持對數據質量和完整性以及洞察有極高要求的高影響力應用。

現有技術還不夠好

面向消費電子設備的現有無線連接技術并不總是能滿足工業和醫療保健系統的性能要求。這些系統中在安全性、準確性和時間靈敏度等方面的不同側重點提高了增加可靠性的需求。蜂窩系統接近這一要求，但通常在電池、成本和數據吞吐量要求方面不太合適。當今存在極度可靠的系統，這些系統用于利基工業和軍事應用。但是，這些系統在設計上以可靠性為最高優先級，成本則作為次要考慮。而在工業物聯網中，我們面臨的挑戰是以低很多的系統成本實現相同的高級別可靠性。

讓我們來看看幾種添加無線功能以增強系統有效性和對連接可靠性有極高要求的情況。

智能工廠：工業4.0的生產過程控制

互聯設備在制造業中的關鍵吸引力包括提高增產潛力。要實現這個目標，通常需要遠程控制生產鏈中的多種設備以實施調整。在化工生產過程中操作鍋爐的控制閥就是一個例子。對這個閥門實現即時自動化控制后，便可以根據生產過程中其他階段的反饋進行實時調整，從而進一步優化整體效率。

智能醫療：生命體征監測

醫院和護理中心正在力求通過無線連接來監測患者的生命體征。笨重的有線解決方案可以由通過本地網關連接的無線傳感器貼片所替代。此類系統既可減輕醫護人員的負擔，同時又能更高效地監測患者情況。

智慧城市：應急事件的響應與檢測

利用先進的圖像和聲音檢測與處理方法，安裝在公共場所(如燈柱上)的系統可以檢測車輛事故和犯罪活動等事件并具有極高的可信度。然后，這類信息可隨同位置信息一起通過無線通信轉發到相關機構或單位，從而實現更快速的應急響應。

在復雜環境中建立可靠無線連接的關鍵挑戰

射頻障礙導致數據包丟失

前面提到的各個示例都會受到可能對無線通信具有不利影響的不同環境挑戰。工廠的鋼結構和厚壁會造成很大的障礙，可能導致射頻信號的功率降低到目標設備無法接收的程度。目標設備中所用無線電器件的接收器靈敏度將決定可以接受的信號衰減程度。靈敏度上低至2 dB的變化都可能決定信號接收的成敗。通信系統設計人員在選擇無線電器件時必須密切關注接收器靈敏度。

頻段擁擠導致數據包丟失

通常來說，互聯設備會在所在地區的相關ISM頻段內工作。ISM頻段為免執照頻段，可用于各種需要無線連接的應用。2.4 GHz為全球標準化頻率，廣泛用于Wi-Fi和藍牙®設備。1 GHz以下的頻段中也包含ISM頻譜。這些頻段通常用于物聯網應用。在歐洲和美國，該頻段分別以868 MHz和915 MHz為中心。當位置接近的多臺設備共用相同的ISM頻段時，便會出現挑戰。發送設備可能干擾附近的接收設備，例如在公立醫院中，多種機器會共用相同的ISM頻段。無線電器件在此類干擾環境中的工作能力由阻塞規格來衡量。而且，這種挑戰并非僅來自于在ISM頻段內工作的設備。如果阻塞能力不足，則在附近工作的手機或平板電腦也可能導致系統中出現通信丟失。在軍事和航空航天應用中，會使用非常昂貴的元件來減輕干擾的影響。在對數據有極高要求的應用(如前面提到的應用)中，無線電器件必須能夠實現與軍事和航空航天應用中相似的性能，同時還不能因附加外部元件而帶來高成本。在附近具有多個工作的干擾源時，此類無線電器件仍能繼續接收消息。

環境影響導致性能下降

受所采用的工藝限制，無線電收發器的性能會根據所在的工作環境而發生變化。其中一些影響因素包括溫度變化、電池放電導致的電壓降低和設備間的芯片制造差異。這些生活中的真實事件可能導致設備的工作穩定性發生變化。讓我們來看一下在路燈上采用的事件檢測應急響應系統。寒冷冬季的氣溫可能導致設備的輸出功率發生變化或接收器靈敏度下降。這可能在某些條件下導致通信中斷。消費類設備很少在此類極端條件下使用，因此不必太過擔憂這一問題，但對于應急響應系統而言，這是無法接受的。最好的情況下，代價是最終產品聲譽受損，以及收到更換故障設備的維修請求。系統設計人員必須確保選擇用于檢測和通信系統的元件在不斷變化的環境條件下保持穩定。

存儲器損壞可能導致意外的結果

可靠性也是通信微控制器上需要考慮的問題。雖然閃存和非易失性存儲器非常可靠，但偶爾也可能損壞。這可能由工作環境造成的意外影響引起，或由惡意的硬件攻擊而故意導致。無論屬于哪種機制，微控制器都必須配備必要的完整性功能以識別設備的損壞情況。識別后，微控制器可糾正錯誤或關閉設備，恰當地確保不會破壞更廣泛系統的安全性。

ADI公司——打造可靠性設計

50多年來，ADI公司一直致力于設計魯棒的解決方案來應對這些挑戰。工業物聯網的超穩健系統要求并不算新的挑戰。超低功耗、sub-GHz ISM頻段無線電器件ADF7030-1和Cortex® M3微控制器ADuCM3029旨在提供可實現最穩定通信鏈路的性能級別和功能特性。

就接收器靈敏度性能而言，ADF7030-1是業界領先的無線電器件。在很多情況下，ADF7030-1能夠接收低于其他無線電器件可接收功率3 dB的無線電信號。這意味著，即使信號的強度低于其競爭產品可接收功率的一半，該器件仍可接收到該信號。

憑借超過100 dB的行業領先阻塞數據，ADF7030-1可實現與軍事和航空航天設備相媲美的抗干擾水平，且無需增添昂貴的外部元件。這增加了價值并可確保在極其嘈雜的射頻環境中保持正常通信。

經過與領先工業制造商的世代合作，ADI公司已經掌握了成熟的方法，可以應對真實生活環境對無線電收發器產生的影響。例如，在整個工作溫度范圍內，采用ADF7030-1的設備的輸出功率變化不超過0.2 dB。這一成果的實現得益于ADI公司獨一無二的無線電設計方法。在同類競爭的無線電產品中，相應的變化高達2 dB。

ADuCM3029具有閃存和ECC奇偶校驗檢查功能，可確保識別存儲器損壞造成的錯誤并盡可能地糾正錯誤。另外，ADuCM3029還在休眠模式下配備電池監控功能。這確保可檢測到電壓的意外下降并提醒處理器可能存在惡意威脅或電源故障。然后，終端設備可采取相應的措施，提醒管理員或進入安全模式，以確保更廣泛的系統不會被入侵。

ADI公司開發的技術遍及物聯網信號鏈的每個階段，從檢測和測量到解析和連接數據，無處不在。確保這個信號鏈中所產生信息的質量和完整性是我們的核心設計原則，也是實現物聯網真正潛力的基本要求。

作者：Michael Dalton，ADI公司

作者簡介

Michael Dalton是ADI公司物聯網部的產品營銷經理。在這之前，Michael在射頻應用團隊工作了五年，為ADI的超低功耗射頻收發器提供支持。他于2007年畢業于都柏林大學的電子工程專業，獲得工程學士學位。