我們生活的世界已經改變。馬和馬車已被現代汽車取代。固定電話已經讓位于智能手機。而且，模擬設備已被智能水平不斷提高的數字設備所取代。

如今，這些智能數字電子產品構成了物聯網 (IoT) 生態系統的基礎，其增長軌跡呈指數級增長。在廉價電子產品的可用性和無線技術的不斷出現的推動下，物聯網設備正在重新定義我們的生活、工作和娛樂方式。

雖然物聯網的全面影響程度可能仍在爭論中，但很明顯，這些設備正處于一個十字路口，因為它們從“好到有”過渡到“必備”，人們將越來越依賴于執行關鍵任務，有時甚至是，對生命至關重要的應用程序。

要使物聯網設備和物聯網生態系統成功實現這一轉變，設計人員需要克服幾個關鍵挑戰。

推進關鍵任務物聯網

物聯網在關鍵任務領域的進步在醫療保健領域最為明顯。在這里，醫療設備制造商正在生產一系列創新的連接設備，從手術機器人、真皮植入傳感器和跟蹤藥丸，到收集和傳輸關鍵醫療數據的輸液泵等各種可穿戴設備。這種所謂的醫療物聯網 (IoMT) 正在實現醫療保健服務的根本轉變，降低成本，同時提高臨床醫生的效率并改善患者的治療效果。

但這只是冰山一角。任務關鍵型物聯網也正在推進到其他關鍵工業領域，例如聯網汽車和工業 4.0。

自動駕駛汽車是受益于物聯網的最引人注目的應用之一。在此應用中，傳感器用于檢測其他車輛、道路、高速公路基礎設施甚至行人并與之通信。在智能工廠中，物聯網的使用正在實現工業 4.0。這意味著在工廠車間實施自主機器人和增強現實。它允許機器、系統和人類操作員在裝配線上一起交流和操作，同時還為人類操作員提供可操作的洞察力。

但這些進步是以物聯網運行所在行業定義的新的、更嚴格的性能特征和要求為代價的。表 1 總結了最常見的要求列表。這些特征使任務關鍵型 IoT 應用程序比消費者應用程序要求更高，它迫使 IoT 生態系統中的參與者解決對互操作性、安全性和可靠性日益增長的擔憂。

表 1.任務關鍵型物聯網應用的典型性能特征和要求。

與任何新興市場一樣，解決這些問題的方法在于適當的監管和標準定義。然而，由于物聯網仍處于起步階段，目前還沒有單一的標準來管理所有應用程序中的物聯網設備操作。相反，物聯網標準是分散的，有多個組織（例如，ITU、ETSI、IEEE 和 IETF，以及 oneM2M 和 GCF 等行業機構）在全球范圍內努力平衡監管與創新市場的需求。

針對這種不斷變化的監管環境，設備設計人員必須繼續設計他們的物聯網設備和系統，以符合關鍵任務要求。同樣，設備或系統中的每個組件都需要設計為滿足其環境帶來的特定挑戰。此外，必須使用全面且透明的測試方法對其進行全面測試，以優化性能和可靠性。

了解未來的挑戰

在物聯網生態系統中，設計師面臨三個關鍵層面的挑戰：

物聯網設備

物聯網設備（傳感器模塊）通常圍繞具有模擬和數字接口的微控制器單元設計，具體取決于應用程序的需求。與外界通信也需要一個 RF 收發器接口（圖 1）。

圖 1.

典型物聯網傳感器模塊框圖。

在設備中，尺寸和電源管理是設計人員面臨的常見挑戰，許多傳感器必須使用電池供電或使用收集的能量長時間運行。RF 接口可能是電池電量的重要消耗者。已經開發了低功率無線協議（例如，LP-WAN）以提供傳輸范圍和功耗之間的折衷。在某些環境中，例如智能工廠，與傳感器密度相比，功耗可能不是一個問題，在傳感器密度中，多個設備必須在不受干擾的情況下進行通信。在這里，信號完整性成為重中之重。此外，在重型機械司空見慣的工業環境中，電磁干擾 (EMI) 合規性至關重要。

到目前為止，物聯網設備級別的最大挑戰之一是電池壽命。設計具有優化電池壽命的物聯網設備需要準確的功耗配置文件和設備動態負載的準確表征。了解負載需求、所需電流量以及需要多長時間之間的關系是確定可能的電池壽命的一個重要方面。

電池的工作特性，無論是非可充電紐扣電池還是可充電鋰聚合物電池，都需要了解并將其納入復雜的電源管理程序，以延長和優化電池壽命。能夠準確跟蹤電池上的負載以及對它的要求，可以提供幫助。

設計人員可以使用這些信息來開發強大的電源管理流程。例如，設計人員可能會確定，在運行期間，物聯網設備的電流跨越一個非常動態的范圍，從無線收發器啟動鏈接時的數百 mA 到收發器關閉時的 sub uA，微控制器處于最最佳睡眠模式，并且傳感器未激活。有了這樣的洞察力，設計人員就可以對高電流消耗的程序功能進行排序，這樣它們就不會同時發生（圖 2）。

圖 2

。使用正確的工具來分析無線物聯網設備中的電池消耗對于優化電池壽命至關重要。Keysight N6705B 直流電源分析儀和 N6781A 2 象限源測量單元是可用于表征電池消耗和深入了解設備電池負載隨時間變化的工具的理想示例。

無線通信

無線通信對于物聯網設備至關重要。為了實現這種通信，設計人員可以根據應用的特性從多種協議中進行選擇，例如藍牙、ZigBee、Z-Wave、Wi-Fi、NB-IoT 等等。在關鍵任務場景中，物聯網設備必須在多個用戶存在的情況下使用不同的無線技術在相同的頻譜中運行。驗證設備是否可以處理此負載對于確保強大的無線連接至關重要。

在醫院等大型建筑中，設備操作密集，可靠的無線通信是強制性的。在這里，醫療設備、病人監護設備、智能照明、安全系統，甚至訪客攜帶的可穿戴設備都必須同時運行，并且不受彼此干擾的阻礙。這在醫療監控設備與無繩電話、無線攝像機和微波爐等共享 2.4 GHz ISM 頻段的醫院中尤其成問題。確保物聯網設備的操作可以在這種類型的環境中按預期工作是至關重要的。

網絡

隨著 5G 的到來，越來越多的應用將利用提升的蜂窩網絡性能將計算工作量“卸載”到數據中心，更加重視網絡的安全性和穩定性。各種設備都可以連接到網絡，其中一些設備可能有意或無意地對網絡完整性和安全性構成威脅。因此，必須開發網絡管理工具和系統以減輕這些問題和其他此類風險。

結論

物聯網功能現在正被設計到所有工業部門的任務關鍵型應用程序中。在這一領域取得成功要求設計人員遵循經過深思熟慮的流程來設計、測試和驗證他們的智能設備和系統。該過程必須涉及設備、無線通信和網絡級別的測試和測量。

幸運的是，設計人員現在可以使用各種測試選項來幫助驗證物聯網生態系統中各個層的功能（表 2）。然而，僅僅進行正確的測試是不夠的。為確保物聯網設備或系統能夠在關鍵任務應用程序中生存和發展，設計人員必須為正確的工作選擇正確的工具，并且這些工具必須準確、高性能和靈活。

需要考慮的關鍵工具之一是電池消耗分析，它可以幫助設計人員準確確定其設備的當前使用情況以及每種工作模式的持續時間。信號完整性和電源完整性工具可用于評估高速串行互連并分析電源如何有效地從電源轉換和傳輸到系統內的負載。準確的 EMI 仿真和建模工具可以幫助在開發硬件之前估計輻射水平。而且，為了確保物聯網設備能夠有效通信，無線連接和共存測試是必不可少的。

表 2.物聯網生態系統的測試和測量工具。

毫無疑問，關鍵任務物聯網中有大量機會。設計師是否成功將在很大程度上取決于他們做出的選擇以及他們如何應對出現的挑戰。

預先做出正確的決定，比如選擇正確的設計工具，可以大大幫助設計師超越競爭對手。