为物联网设计选择无线电系统时的 9 大因素

2021-09-11

为物联网设计选择无线电系统时的 9 大因素

事实上，您可能每天都可以访问大约九种不同的连接设备。该数字是更高还是更低；您正在受益于被称为物联网的现象。

每年都会庆祝这一现代奇迹——4 月 9 日被指定为世界物联网日。这是 IoT 社区展示其关心人类、环境和动物的机会。

世界正越来越多地与计划使用互联技术运行的整个智能城市联系在一起。

沟通是关键

连接性是物联网设备的基础。它们都在某种程度上与其他产品进行了交流。虽然有些使用有线连接，例如以太网，但大多数使用无线协议并需要无线电系统。

选择正确的系统是一个漫长的过程，值得一试，因为最终产品接收和传输数据的能力取决于这一关键步骤。

以下是对为您的下一个物联网设备选择无线电系统（无论是小型还是大型）时要考虑的九个因素的分析，以帮助您做出最明智的选择。

这些因素是：

电池寿命

范围

尺寸

单位成本

法规

开发成本

数据速率

互操作性

拓扑

电池寿命

虽然物联网设备不需要是无线的，但大多数都依赖电池或类似的有限能源来供电。此外，客户通常期望电池不需要频繁更换。您可以在此处了解有关降低低功耗无线设备功耗的更多信息。

作为消费者，我们倾向于购买新设备以使生活更轻松便捷。每天更换电池会很昂贵，而且会完全抵消设备的好处。

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

无线电系统主要通过接收器电源影响电池。这可能看起来违反直觉，因为发射器在活动时使用更多功率。但问题是发射器仅在发射时才处于活动状态——自然——这不是很多时间。另一方面，接收器可以在等待信息时长时间处于活动状态。

因此，为了最小化功率使用，接收器需要较少活动。一些无线电系统专门考虑了这一点，并设计为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，只有少数选择具有这种技术，而且往往更贵。作为一名工程师，您很可能需要将这种内聚性构建到您的应用程序中，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电池寿命。然而，发射机的功耗很大程度上取决于输出功率，而输出功率又由设备的范围要求决定。

对于具有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中，我们设计的电池供电的 Zigbee 传感器在接收器始终打开的情况下具有 2 周的电池寿命，而设备每 30 秒打开接收器以“登记”则为 18 个月。

GSM 和 Wi-Fi 通常使用大量电力，要么用于市电供电系统，要么由大型或可充电电池支持。也就是说，一些较新的 Wi-Fi 技术能够与网络断开连接并快速重新连接，以减少无线电系统的活动时间。

范围

范围从根本上归结为无线电的链路预算。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，并以分贝为单位。

一个简单的链路预算方程可能如下所示：

接收功率 = 发射功率 + 增益 - 损耗

分贝是对数测量。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。

在项目早期很难预测设备的范围，因为设备和更广阔的空间都受到环境的严重影响。

为了说明这种影响的极端程度，在办公大楼内测试的无线电可能有大约 10 米的范围，但完全相同的系统可以在空旷的开放空间内传输超过一公里。

洛拉（罗吴镭NGE电台），用于长距离，低功耗解决方案一个非常强有力的竞争者，已经发送了数百公里的达气象气球。在建筑环境中，这个范围可以很快减少到几公里。

这种效果如右图所示；与办公室（创新中心）的距离在大型学院大楼的背面大致相等，但信号变化很大，从信号中度丢失到完全死区。

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

尺寸

大小限制的好消息是它们在物联网领域非常普遍。因此，微型无线电有很多选择，尤其是在蓝牙方面。这可以在支持蓝牙的智能手表和其他可穿戴设备中看到。

然而，坏消息是，在实践中，无线电系统的有效性取决于天线，推荐的天线尺寸并没有像芯片一样下降。在查看无线电芯片的数据表时，由于天线的原因，建议的 PCB 布局通常使实际芯片的尺寸相形见绌。

天线的尺寸对范围的影响非常大；因此，设备满足尺寸限制的能力与范围要求密切相关。智能手表最多只需要与客户口袋中的手机通信约 5m，通常小于 1m。

实现大范围和小尺寸几乎是不可能的，仅仅是因为小天线无法在很长的距离上传输强信号。

无线电单位成本

与市场需求导致无线电尺寸大幅缩小一样，市场上无线电系统的流行导致芯片制造商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为 1 美元，所有这一切都意味着可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组成：

硅——在这种情况下，我们假设无线电是基于 IC 的，实际的无线电模块本身是内置的，而不是分立元件。大多数低功率无线电 IC 的批量成本低于 5 美元。

该电路——同样也是非常低成本的，大多数低功率无线电 IC 只需要低成本的无源元件来完成设计。

天线——该装置的多变方面，结果证明这是一个非常有问题的组件！

这里最便宜的选择是 PCB 天线，它经常用于不优先考虑范围的蓝牙应用。线天线可以提供良好的范围，但很容易失谐和性能不一致，具体取决于组装。

最后，芯片和外部天线提供最佳性能——重要的是，可重复的性能——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国家/地区至关重要。

除了合规之外，区域限制还限制了无线电选择。

某些频段（例如蓝牙、Wi-Fi 和 Zigbee 等使用的 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。

大多数其他无线电频段是特定于地区的——例如，欧盟或美国。

一旦确定了目标国家，就需要确定为每个地区分配的频段。区域与区域之间通常有相同的频段——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。

有两个稍微不同的频段对无线电系统没有影响。能够在 868 MHz 频带上传输的模块几乎肯定能够在 915 MHz 下传输。但是，软件需要调整，电路可能需要稍作改动以优化性能。

此外，每个区域的天线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以放出来

设备可以使用的无线电频段的百分比利用率。在 868 MHz 频段中，这是 1%

的最大发射功率，这在868MHz频带为25毫瓦

在开发结束时，新产品必须进行合规性检查，这实际上是一笔相当大的费用。当必须进行修改时尤其如此，因为然后需要重新运行。
值得注意的是，大多数产品都需要进行一些修改，因此应始终留出预算。

无线电指令

在欧洲，物联网设备属于无线电设备指令，您可以在此处了解更多信息。在美国，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，电子设备需要进行某种形式的发射测试以及无线电测试。

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、服务和材料。

对于无线电，通过在完成所有开发工作的情况下在 IC 中进行设计，可以实现最低的开发成本。基本上所有需要的是调谐天线，然后产品就准备好了。

然而，这些模块的成本远高于芯片，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，因为影响因素较少。

特别是，对于全球产品，降低合规性的好处不容小觑，因为多次运行以确保符合几个略有不同的标准非常耗时。

为了展示模块的价值，我们只需要看看笔记本电脑，它是大批量的全球产品，并且倾向于使用模块。这证明了即使在大批量生产时模块也具有成本效益的观点，尤其是对于 Wi-Fi 而言，并且对于 GSM 来说几乎是必不可少的。

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

当然，从历史上看，许多无线电芯片需要仔细平衡芯片周围的网络和分立设计，这需要付出努力和大量测试以优化性能。较新的芯片在设备中集成了更多这种功能，这减少了——但并没有消除——优化无线电性能的需要。

根据经验，对于 GSM 和 WiFi 等高功率无线电，模块更可取，而对于蓝牙或 Zigbee 等低功率无线电，优势更小。

数据速率

数据速率需求可能会有很大差异，例如，从视频应用程序（通常具有非常高的数据速率）到每天可能通信 10 字节左右的水表。

在设计 IoT 设备时，数据速率会在范围和电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，这种权衡得到了有效的说明。作为标准，Wi-Fi 的运行频率为 2.4 GHz，平均下载速率为 54 Mbps。但是，将其与经典蓝牙进行比较——尽管是 2.4 GHz，但数据速率为 1.5 Mbps。通过查看这些技术在实践中的使用方式，很容易解释这种减少。

蓝牙和 Wi-Fi 是在权衡三角形的不同区域运行的两种技术。

数据速率权衡三角

蓝牙专为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。

作为第一步，确定新设备概念在这个三角形上的位置可以消除许多系统，即使它不会立即突出显示一个选项。

互操作性

在设计带有无线电的物联网产品时，可能需要与其他公司的产品配合使用。

如果这是设备的要求，那么这将限制无线电系统的选择，因为所使用的系统必须能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“配置文件”，因为它们被称为，被编程到其中。配置文件本质上是兼容设备所说的语言。

使用配置文件的最佳示例是蓝牙。

蓝牙具有常见物联网产品的标准配置文件，例如键盘和计算机鼠标。因此，这些设备将与其他产品一起使用。Zigbee 还具有多个配置文件，允许设备与不同的供应商合作。

使用已经在使用的配置文件和标准有一个次要的优势；减少开发和调试工作。其他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，使用这些标准将降低总体成本。

尽管如此，没有任何互操作性要求是相当普遍的，这让开发人员在选择无线电系统时有更大的自由度。

拓扑

最后，尽管拓扑选择不会限制无线电系统的选择，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最少的人获得最佳连接，而在房屋或公寓的某些区域，信号非常弱。

网

网状网络仍然可以有一个中央服务器或路由器，但许多设备也可以互连。在理想的网格场景中，所有设备都可以互连。使用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，可能还会出现一些硬件错误。所有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区域或使用有线协议（例如以太网）连接。然后，无线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长电池寿命。

网状网络非常适合大型建筑物，因为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，并且可能变得难以管理。从客户的角度来看，网状拓扑更难理解，因此可能需要持续提供更多技术支持。

星型网络要简单得多，客户大多会理解其原理，但他们会遇到网状网络解决的问题。

总之，物联网项目无线电系统的最终选择将是许多竞争因素的结晶。虽然本文可能会提出与回答的问题一样多的问题，但我们希望它为全面评估 IoT 概念提供框架，然后确保为设备选择最佳无线电系统。

概括

消费者通常购买物联网设备是为了方便。因此，对于大多数无线产品来说，拥有较长的电池寿命是必不可少的。在选择无线电系统方面，这意味着最小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，不同无线电系统的性能取决于环境。标准通常被开发用于特定范围，因此确定设备的范围要求将立即消除多种选择

尺寸与天线尺寸密切相关，因此也与范围密切相关。有各种各样的微型无线电模块，但长距离总是需要更大的天线。

单位成本同样因天线成本变化最大，模块和电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重要。这可能会增加大量成本，绝不能低估。

使用预先认证的模块可以降低开发成本，但是这些成本更高，尤其是对于大批量产品。对于某些无线电类型，例如 Wi-Fi，预认证模块是有意义的，除非音量非常大。

通常可以通过使用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更多功率并且更难以远距离传输。数据速率、电池寿命和范围可以布置为三角形的三个点，这可以作为确定优先级的有用视觉辅助工具。

如果设备需要能够与其他可互操作的产品通信，则需要对配置文件进行编程。使用这些配置文件有时可以减少开发工作，因为它们已经过调试。

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