根據技術行業研究員Gartner的數據，物聯網中的事物數量每天增加550萬。到2020年，總數預計將達到208億。鑒于這種爆炸性增長，必須檢查將連接并實現所有事物之間通信的互聯網。在這些設備之間創建可靠的無線連接被證明是物聯網的巨大挑戰之一。通信系統的可靠性可以通過兩個關鍵組件的性能來定義：無線電收發器和通信微控制器。本文討論ADI公司的組件和解決方案如何最大限度地提高系統級可靠性，實現數據質量、完整性和洞察力對任務至關重要的高影響應用。

現在好的東西還不夠好

消費類設備的現有無線連接技術并不總是滿足工業和醫療保健系統的性能需求。這些系統中的不同優先級（包括安全性、準確性和時間敏感性）提高了對提高可靠性的需求。蜂窩系統接近這一點，但在電池、成本和數據吞吐量要求方面通常不合適。如今，對于利基工業和軍事應用，存在極其可靠的系統。然而，這些設計將可靠性放在首位，成本出現在列表的后面。對于工業物聯網，挑戰在于以更低的系統成本提供同樣高水平的可靠性。

讓我們考慮一些場景，其中添加了無線功能以增強系統的有效性，并且連接的可靠性可能至關重要。

智能工廠：工業4.0的生產過程控制

連接設備在制造業中的一個關鍵吸引力包括提高產量的潛力。為此，通常需要遠程控制生產鏈中的各種設備以進行調整。一個例子是在化學生產過程中運行的鍋爐的控制閥。該閥門的即時自主控制可以根據過程中其他階段的反饋進行實時調整，從而優化整體效率。

智慧醫療：生命體征監測

醫院和護理中心正在尋求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用通過本地網關連接的無線傳感器貼片代替。這樣的系統可以更有效地監測患者，同時減輕醫護人員的負擔。

智慧城市：用于應急響應的事件感知

借助先進的圖像和聲學傳感和處理方法，安裝在公共場所（例如燈柱上）的系統可以高度自信地檢測車輛事故和犯罪活動等事件。這些信息可以通過無線通信中繼到相應的機構或單位，以及位置信息，以實現更快的應急響應。

在復雜環境中構建可靠無線連接的主要挑戰

射頻障礙導致數據包丟失

前面提到的每個示例都受到不同的環境挑戰的影響，這些挑戰可能會對無線通信產生負面影響。工廠的鋼結構和厚墻會產生巨大的障礙，可能會將RF信號的功率降低到目標設備無法接收的程度。目標設備中使用的無線電的接收器靈敏度將決定可以容忍的信號衰減程度。靈敏度的微小變化僅2 dB就可能成為信號成功接收與否之間的差異。通信系統設計人員在選擇無線電時必須密切注意接收器靈敏度。

擁擠的頻段導致數據包丟失

連接的設備通常在該區域的相關 ISM 頻段內運行。ISM頻段無需許可證，可用于需要無線連接的各種應用。2.4 GHz 是全球標準化的，被 Wi-Fi 和藍牙?設備廣泛使用。在低于 1 GHz 的頻段中也有可用的 ISM 頻譜。這些頻段通常用于物聯網應用。該頻段在歐洲的中心頻率為868 MHz，在美國以915 MHz為中心，當位于附近的多個設備共享同一個ISM頻段時，就會出現挑戰。發射設備可能會干擾附近的接收設備，例如在公立醫院中，有各種各樣的機器共享相同的ISM頻段。無線電在存在此類干擾源的情況下運行的能力由阻塞規范來衡量。挑戰不僅限于在ISM頻段內運行的設備。如果沒有足夠的阻塞能力，在附近運行的手機或平板電腦可能會導致系統中的通信中斷。在軍事和航空航天應用中，使用非常昂貴的組件來減輕干擾源的影響。用于關鍵任務數據的無線電，例如前面提到的應用，必須實現與軍事和航空航天相似的性能，而不會產生額外外部組件的高成本。此類無線電將繼續接收附近有多個干擾源的消息。

環境影響會降低性能

無線電收發器建立在容易出現性能變化的工藝之上，具體取決于其運行環境。一些變化包括溫度變化、電池放電時的電壓降低以及設備之間的硅制造差異。這些現實生活中的事件可能會導致設備運行穩定性的變化。讓我們看一下在路燈上運行的事件感應應急響應系統。寒冷的冬季溫度可能導致設備的輸出功率變化或接收器靈敏度下降。在某些情況下，這可能會導致通信中斷。雖然這對于在這種極端條件下很少使用的消費類設備來說不那么重要，但對于應急響應系統來說是不可接受的。充其量，成本是對最終產品的聲譽損害以及更換故障設備的服務電話。系統設計人員必須確保為傳感和通信系統選擇的組件在不斷變化的環境條件下具有魯棒性。

內存損壞可能會導致意外結果

可靠性也是通信微控制器的一個問題。雖然非常可靠，但閃存和非易失性存儲器偶爾會損壞。這可能是由于操作環境引起的意外影響或通過惡意硬件黑客攻擊故意造成的。無論采用何種機制，微控制器都必須具備必要的完整性功能，以識別設備何時損壞。一旦識別出錯誤，微控制器可以糾正錯誤或關閉設備，適當地確保更廣泛系統的安全性不被破壞。

ADI公司——可靠性設計

50多年來，ADI公司一直在設計可靠的解決方案來應對這些挑戰。工業物聯網對超魯棒系統的需求并不新鮮。ADF7030-1超低功耗、sub-GHz ISM頻段無線電和ADuCM3029 Cortex-M3?微控制器的目標是實現最可靠通信鏈路的性能水平和功能特性。

ADF7030-1是業界領先的無線電接收器靈敏度性能。在許多情況下，ADF7030-1能夠接收比其他無線電功率低3 dB的無線電信號。這意味著仍然可以接收不到其競爭對手一半功率的信號強度。

ADF7030-1具有業界領先的阻塞數，超過100 dB，可實現與軍事和航空航天設備相當的抗干擾能力，而無需額外的昂貴外部元件。這增加了價值，并確保在最嘈雜的RF環境中保持通信。

通過與領先工業制造商的幾代合作，ADI公司已經開發出應對無線電收發器現實環境影響的成熟方法。例如，使用ADF7030-1的器件傳輸的輸出功率在整個溫度工作范圍內變化小于0.2 dB。這是通過ADI公司獨有的無線電設計方法實現的。競爭無線電的變化最高可達 2 dB。

ADuCM3029設計有閃存和ECC奇偶校驗功能，以確保在可能的情況下識別和糾正由存儲器損壞引起的錯誤。ADuCM3029還具有休眠模式下的電池監控功能。這可確保可以檢測到意外的電壓下降，并提醒處理器可能的惡意威脅或電源故障。然后，終端設備可以通過提醒管理員或進入安全模式來采取適當的措施，以確保更廣泛的系統不會受到損害。

ADI公司開發的技術適用于物聯網信號鏈的每個階段，從檢測和測量到解釋和連接數據。確保通過該鏈創建的信息的質量和完整性是核心設計原則，也是實現物聯網真正潛力的基本要求。

審核編輯：郭婷