無線技術(shù)和電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展將打造物聯(lián)網(wǎng)美好未來

摘要：大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將依靠無線技術(shù)，包括NFC、地球同步衛(wèi)星、Bluetooth?、WLAN、ZigBee、點(diǎn)對點(diǎn)無線電通信和蜂窩等方面。在設(shè)計(jì)和測試方面，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件的應(yīng)用將成為一個(gè)新趨勢。

無線技術(shù)將成為未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要支持

　　隨著近年來的市場趨勢，未來將只有一小部分設(shè)備會(huì)采用有線連接，如 USB、以太網(wǎng)和光纖。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將依靠無線技術(shù)，這包括用于移動(dòng)支付的近場通訊(NFC)、無人值守的偏遠(yuǎn)氣象站的地球同步衛(wèi)星、藍(lán)牙(Bluetooth?)、無線局域網(wǎng)(WLAN)、ZigBee、點(diǎn)對點(diǎn)無線電通信和蜂窩等方面。

　　網(wǎng)絡(luò)需要處理各種具有不同通信要求的獨(dú)特設(shè)備。一種是簡單的無線設(shè)備，如電池供電的傳感器和執(zhí)行器，可以連續(xù)數(shù)年無人操作，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)非常少;而另一種則是任務(wù)關(guān)鍵型服務(wù)和設(shè)備，需要穩(wěn)定、可靠和超安全的連接。

　　以獨(dú)有方式識別每個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵是巨大的 IP 地址空間的應(yīng)用。由于 IPv4 尋址空間有限，目前需要使用集中器(如路由器和網(wǎng)關(guān))。因此，端到端使用 IPv6 尋址就成了支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的關(guān)鍵。憑借其近乎無限的地址空間，IPv6 能實(shí)現(xiàn)對數(shù)十億設(shè)備的獨(dú)特尋址。

　　基于服務(wù)器/云的大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)是大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式的核心。終端節(jié)點(diǎn)上的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與云或服務(wù)器連接，獲取商業(yè)情報(bào)和分析數(shù)據(jù)。有些設(shè)備可以直接連接，但大多數(shù)設(shè)備通常會(huì)通過網(wǎng)關(guān)連接(如圖1所示)。

　　網(wǎng)關(guān)可以將低功耗網(wǎng)絡(luò)流量匯聚到高容量的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。它們通常包括比終端節(jié)點(diǎn)(“物”)更大的電源和計(jì)算資源。網(wǎng)關(guān)運(yùn)行的邊緣應(yīng)用或模糊應(yīng)用接管了云端和終端節(jié)點(diǎn)的傳感器和執(zhí)行器上的處理任務(wù)。為了有效地利用嵌入式計(jì)算機(jī)和無線電傳輸，終端節(jié)點(diǎn)通常采用長電池壽命設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)應(yīng)用中的智能閾值觸發(fā)向中央云服務(wù)器傳遞可執(zhí)行信息，使得流量更有效率。

　　網(wǎng)關(guān)采用多樣的蜂窩和非蜂窩無線技術(shù)，與云端和終端節(jié)點(diǎn)銜接。無線接口可以根據(jù)覆蓋范圍、延遲、吞吐量、能源效率和成本，滿足不同應(yīng)用需求。例如，某些家庭自動(dòng)化電器使用智能手機(jī)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。無線網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi)幾乎無處不在，這使之成為許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的首選。當(dāng) Wi-Fi 鏈接不可用時(shí)，通常使用蜂窩協(xié)議;可穿戴應(yīng)用中經(jīng)常用到藍(lán)牙;近距離通信的安全性要求較高時(shí)，NFC 成為自然選擇;ZigBee、Z-Wave 和 Thread 為家庭自動(dòng)化和智能能源設(shè)備提供了可靠的低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

　　按照運(yùn)行范圍分組的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)示例如圖 2 所示。設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間的短距離連接可以采用許多制式實(shí)現(xiàn)，各種標(biāo)準(zhǔn)也在迅速成型和演進(jìn)，以支持新設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的連通性。到目前為止，M2M 及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用中采用了 60 多種傳統(tǒng)和新射頻制式。一些較為流行的制式包括藍(lán)牙、WLAN 和蜂窩，而其他制式如 ZigBee 和 Thread 的出現(xiàn)，則填補(bǔ)了特定利基市場的空白。

　　低功率廣域(LPWA)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了大量創(chuàng)新。對于低數(shù)據(jù)速率和低占空比應(yīng)用，相比當(dāng)前部署的蜂窩制式，LPWA 能延長電池壽命、降低成本，同時(shí)減少鏈路預(yù)算。某些國家使用低收費(fèi)或免費(fèi)頻段對 LPWA 系統(tǒng)(如 LoRa 和 SIGFOX)進(jìn)行全國性的推廣?？紤]到未來在低功耗 M2M 應(yīng)用的強(qiáng)勁增長，3GPP 無線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)工作組正在開發(fā)蜂窩協(xié)議，以便在收費(fèi)頻段支持 LPWA。

　　3GPP 第 12 次發(fā)布中，針對 LTE 機(jī)器類型通信(MTC)推出了一個(gè)新的低復(fù)雜性設(shè)備類別(類別-0)。類別-0 提高了低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的效率，為其進(jìn)一步提升打下基礎(chǔ)。3GPP 第 13 版包括：

　　● 增強(qiáng)型 MTC(eMTC)，類別-M1：LTE 的 1.4MHz 帶寬優(yōu)化;

　　● 擴(kuò)展覆蓋 GPRS(EC-GPRS)：利用重新傳輸和其他協(xié)議更新改善鏈路預(yù)算;

　　● 窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)，也稱為類別-M2：針對 LPWA 應(yīng)用優(yōu)化的新無線電制式。

　　有些公司選擇開發(fā)自己專有的解決方案，以加速產(chǎn)品上市。然而，這種方式很可能被淘汰，因?yàn)槭袌龅娜蚧趯⒃O(shè)備通信從專有設(shè)計(jì)推向標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件成為設(shè)計(jì)和測試解決方案的關(guān)鍵

　　在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)和測試中，解決方案與支持技術(shù)同樣重要。要?jiǎng)?chuàng)建整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的無縫連接，涵蓋設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施、云、遠(yuǎn)程應(yīng)用、后處理和服務(wù)，第一步就是打造更好的設(shè)計(jì)、使用越來越真實(shí)的仿真以及進(jìn)行有意義和經(jīng)濟(jì)高效的測試。鑒于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)工程師所面臨的挑戰(zhàn)，這一步變得越發(fā)困難。例如，隨著物聯(lián)網(wǎng)越來越普及，設(shè)計(jì)工程師不得不付出更多努力，來最大限度地提高電源效率、管理電熱效應(yīng)，以及處理日益緊湊的設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的更嚴(yán)重的電磁耦合。他們還面臨其他一些障礙，如評測與選擇最佳技術(shù)組合(如砷化鎵、氮化鎵、鍺化硅/硅/絕緣硅、CMOS)，集成子系統(tǒng)和驗(yàn)證相對于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的性能。

　　并且，隨著設(shè)計(jì)的復(fù)雜性增加，電路仿真變得更加困難。為了克服這些挑戰(zhàn)，在設(shè)計(jì)和仿真新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)，需要用到專門的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，來解決通信系統(tǒng)中的固有問題(如圖 3(a)所示)。理想的解決方案應(yīng)當(dāng)允許在開發(fā)過程的早期對新設(shè)備進(jìn)行仿真，為系統(tǒng)架構(gòu)師和算法開發(fā)人員帶來無線通信系統(tǒng)物理層的創(chuàng)新自由。同時(shí)還應(yīng)包括各種虛擬測量工具，從而能夠連接到仿真節(jié)點(diǎn)，提供期望的性能視圖。

　　隨著設(shè)計(jì)由仿真到實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)際測量或硬件替換虛擬工具，實(shí)際設(shè)備模塊可以取代仿真。如此一來，開發(fā)人員就能對仿真性能和實(shí)際性能進(jìn)行比較。除了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)和仿真之外，他們還能對設(shè)備進(jìn)行測量和分析。在選擇用于此目的的測試儀器時(shí)，典型的選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)包括性能技術(shù)指標(biāo)、測量速度、物理尺寸、配置的可擴(kuò)展性和成本(前期和后續(xù))。沒有哪個(gè)單一解決方案能滿足所有需求。

　　物聯(lián)網(wǎng)依賴于簡單的電池供電傳感器和執(zhí)行器，它們傳輸?shù)臄?shù)據(jù)非常少，可以連續(xù)數(shù)年無人操作。設(shè)計(jì)和開發(fā)這類設(shè)備需要用到能夠在三種主要條件下(睡眠模式、空閑模式和傳輸模式)測量電池電量消耗的工具。對于信號生成和分析，在設(shè)計(jì)階段，最好采用具有高性能和通用功能(如掃描調(diào)諧頻譜分析以及信號分析和故障診斷綜合功能)的臺式儀器。在之后的產(chǎn)品生命周期中，測試速度、靈活性和封裝形式之類標(biāo)準(zhǔn)更為重要，因此，模塊化和一體化測試儀解決方案是更好的選擇。信號生成和分析軟件可用于創(chuàng)建和分析無線通信制式中采用的定制和標(biāo)準(zhǔn)測試信號，包括蜂窩、IEEE802.11 類、藍(lán)牙、ZigBee 和 Wi-SUN(如圖3(b)所示)。在理想情況下，仿真、設(shè)計(jì)和測試物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的解決方案應(yīng)具備在整個(gè)生命周期內(nèi)提供產(chǎn)品反饋的能力。

結(jié)論

　　任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備從一開始就要落實(shí)設(shè)計(jì)和測試解決方案，以確?？煽康倪B通性。這些支持技術(shù)、設(shè)計(jì)和測試解決方案有助于打造現(xiàn)在和未來的物聯(lián)網(wǎng)。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第12頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。