发挥物联网的强大威力

通过 5C 探索物联网面临的五大挑战

在每个 垂直领域，物联网 (IoT) 都 在飞 速 发 展（图 1）。到 2025 年，互联的物联网设备数量预计将达到 280 亿个。1 到 2023 年，全球各市场在物联网上的支出将达到1.1 万亿美元，复合年增长率 (CAGR) 为 12.6%。2 随着任务关键型应用激增，物联网设备和系统必须能够承受现实世界中的严峻考验。设计工程师面临巨大的技术挑战。在从早期设计到制造的整个产品生命周期中，他们不仅需要进行关键的设计评估和测试，还需要权衡各方面的要素。为了应对物联网设计和测试中的多方面挑战，我们需要从全局出发，综合考量。

物联网部署已经全面开花，从消费领域延伸到公共安全、应急响应、工业自动化和自动驾驶汽车等任务关键型应用。任务关键型应用充分利用了物联网技术的便捷性、低成本、持久的电池续航时间以及成熟的无线基础设施。这些技术提高了便利性、互操作性和互连性，使工程师能够对关键设备和系统进行实时监控。

全面解决物联网设备设计挑战的方法

虽然物联网设备提供了极大的便利，但要在狭小的空间内容纳大量设备，会导致设备设计、测试、性能和安全防护变得非常复杂。测试这些设备是设计工程师和设备制造商面临的最大困难之一。他们需要在物联网设备生命周期中解决 5C 挑战 ：

• 连通性确保您的物联网设备可以连接其他物联网设备、云以及周围环境。
• 连续性要求您的物联网设备具有胜任工作所需的长电池续航时间。
• 合规性要求您的物联网设备遵守全球各地的法规。
• 共存确保您的合规性联网设备能在拥挤的物联网环境中和谐地运行。
• 网络安全保护您的数据免受网络威胁。

第一个 C ：连通性

在物联网中，无线连通性对于设备、基础设施、云和应用之间的无缝信息传输非常重要。在复杂的系统和密集的设备部署中，连通性是设备设计人员面临的最大挑战。无论环境多么恶劣，设备都需要可靠地工作，不能出现故障。快速发展的无线标准使设备开发和测试变得越来越复杂。物联网设备设计人员和工程师在以下领域面临共同的挑战 ：

• 缺乏射频知识
  • 许多公司都在设计他们的第一款无线产品。他们自身掌握的专业技术往往有所欠缺，无法为开发和制造阶段选择出合适的测试解决方案。传统的射频测试设备价格非常昂贵，操作起来也很复杂。要制订测试方案以获得准确、可靠的测量结果，他们需要掌握渊博的射频和编程知识。
• 不能控制被测设备 (DUT)
  • 电子设备的外型不断缩小，意味着电路板设计的尺寸也在缩小，电路板取消了内置的天线和输入/输出端口。设计人员需要解决多个难题，包括如何控制没有物理连接的被测设备来仿真实际操作模式？如何通过空中接口 (OTA) 方式测量射频 (RF) 性能？
• 射频测试覆盖范围不够
  • 在研发和制造阶段需要测试哪些射频参数？在产品开发期间，设备可能需要根据相关的无线标准进行一系列完整的测试，才能确保合规性。而在制造阶段，应当不再需要精密的射频测试。但是，哪些射频测试有助于发现制造缺陷？
• 测试成本高
  • 物联网设备数量激增，对这些设备的需求也随之水涨船高。制造商需要扩展性好、可靠性高的制造测试系统来应对这种增长。
• 测试结果不可靠
  • 随着物联网设备部署到任务关键型应用（例如智能电网、互联汽车和任务关键型医疗设备）中，使用配套设备的传统低成本制造测试方法（例如黄金射频法）不足以确保设备质量。这类方法的测试覆盖范围很有限，有可能导致灾难性的运行故障，甚至是代价高昂的产品召回。

为了应对这些挑战，我们需要仔细选择设计和测试解决方案，最好是非常灵活而且可配置、可扩展的。

• 测试解决方案应当非常灵活，可以测试采用各种无线制式的众多设备，并且可以升级，以便支持修订后的制式或新无线制式。
• 软件必须能够控制被测设备和测试仪，从而将设备置于各种操作模式下来评测其实际射频性能。
• 硬件必须支持 OTA 射频测量，无需与设备或特定芯片控制软件建立物理连接。
• 测试系统必须构造简单，价格实惠，并且同时适用于设计验证和制造，以便最大限度地减少不同阶段之间的测量相关性问题。
• 解决方案应当具有极好的可扩展性，可以重新进行配置，为未来扩大生产提供多被测设备测试。

第二个 C ：连续性

电池续航时间是物联网设备的重要参数。它不仅是决定竞争胜负的关键，也是影响消费者购买决策的因素之一。智能电表或工业无线传感器必须长期工作，一次充电往往需要工作10 年甚至更久。对于心脏起搏器等医疗设备来说，电池续航时间可谓生死攸关。无线通信标准机构还定义了新的低功耗工作模式，例如 NB-IoT、LTE-M、LoRa 和 Sigfox，这些模式通常只在有限的时间内激活并进行工作，其他时间处于休眠状态。在物联网设备的电池续航时间方面，集成电路 (IC) 设计人员、设备设计人员和测试工程师面临以下挑战 ：

• 为了满足较长的电池续航时间要求，设计人员设计的 IC 不仅需要具有深度睡眠模式，可尽量减少电流消耗，还需要降低时钟速度，减少指令集，并降低电池的工作电压。
• 设备设计人员在将传感、处理、控制和通信元器件集成到最终产品中时，需要了解外围设备的特性和功耗。最终，他们需要优化设备的固化软件和软件，从而简化操作并降低功耗。
• 设备设计人员和测试工程师需要在设备生命周期的每个阶段以大动态范围的电流进行测量。低功耗物联网设备大部分时间都处在休眠或空闲模式下，只会偶尔唤醒并进行数据传输和接收。
• 物联网设备的功耗情况差异很大，工作周期最短只有几微秒，最长几秒钟，电流最小只有几皮安，最大能达到几安。对于设备设计人员和测试工程师而言，测量这种变化快、范围广的电流极有难度。图 2 显示了一个低功耗设备及其测量要求。

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