成功实施工业物联网的发展蓝图

成功实施工业物联网的发展蓝图

白皮书

目前，面向工业物联网 (IIoT) 的应用数量正在持续稳步增长。事实上，根据 MillionInsights 公司 的 调 查 数 据， 到 2025 年， 全 球 工 业 物 联 网 的 市 场 规 模 预 计将 达 到9330 亿美元。

 

 

与面向消费者的物联网设备不同，面向工业的物联网设备主要连接石油和天然气、汽车、发电、建筑和运输等行业中的机器、车辆和设备。此外，工业物联网设备与其他物联网应用不同，因为它们主要专注于大规模的运营效率和安全性。工业物联网必须使用能够在严苛的环境中实时运行的低能耗、低维护的高性能设备。这也是在工业物联网设备的设计和制造过程中，每一步都非常重要的原因。

 

 

为了制定有效的测试计划，设计工程师们必须首先设想并预测设备将来工作会面临哪些最恶劣的条件。然后，设计工程师必须对设备中的各个组件以及最终成品进行严格测试，充分探索它们在这些条件下的工作性能。本白皮书将介绍以下各个组件，并为制定有效的测试配置大纲提供指导。开发人员可以依托这些概念构建完整的测试计划，从而更自信地部署工业物联网设备。 

 

 

要想确保为工业物联网设备提供一个成功的测试框架，需要执行以下测试 ：

  • 设备可靠性
    • 无论在什么条件下运行，设备都必须始终保持一致的性能，并且大多数设备都需要能够持续工作多年。
  • 符合行业标准与法规
    • 设备必须符合标准并遵守相关法规，以确保能够在 工 业 物 联 网中正常运行，并且支持不同的系统能够相互通信。
  • 互操作性
    • 工业物联网设备在其工作环境中必须能够与其他物联网设备进行互操作，并且能 够正常工作，不会造成干扰或受到干扰影响。

 

 

电源管理

鉴于许多工业物联网设备的电池续航时间必须达到 10 年之久，因此对设备电池在各种情况下的耗电率进行测试非常重要。例如，3GPP 针对工业物联网设备制定的标准将 M1 类(CAT M1) 和窄带物联网 (NB-IoT) 同时都定义为物联网的候选接入协议。这两种协议都使用较低的频率和较小的净荷，以帮助减少电池功耗。CAT M1 使用现有的 LTE 频谱进行通信，而窄带物联网使用直接序列扩频 (DSSS) 技术进行通信。

 

 

两个协议为延长电池续航时间提供了两种创新方法。第一种创新是省电模式 (PSM)，在该模式下，物联网设备将会长时间处于休眠状态，仅根据编程逻辑或计时器设置定期唤醒。设备随后会发送所需的数据，并在短时间内（4 个空闲帧或 4 X 5.12 秒）保持在接收模式。第二种创新是扩展不连续接收 (eDRX)。每个物联网设备都有一个寻呼周期或阶段，在此期间它可以从网络接收数据。不过，寻呼周期越多，持续时间越长，电池的功耗也就越多。

 

 

通过采用 eDRX 技术，物联网设备可在唤醒寻呼周期之前向网络发送信号，告知其将实施多少个 休眠周期。如果实施得当，eDRX 可以显著延长电池的使用寿命，并且避免用户花费大量资金购置只需要偶尔发送或接收信号的设备。

 

 

电源管理测试技巧

对于基本的物联网设备，设计工程师需要测试电池在正常工作模式下的功耗和续航时间。不过，对于工业物联网设备，设计人员需要进行更多测试。在测试过程中需要考虑可能会影响电池续航时间的各种情况，例如，网络连接不正常、在寻呼周期中网络不可用或长时间的网络中断等。设计工程师需要在各种情况和环境条件下测试或重新测试电池功耗情况：

  • 比如低功耗模式、正常工作模式、恒定活动模式以及高低温环境等。
  • 工程师们还应检查电池的散热、配电网络 (PDN)、设备活动、PDN 中互连之间的阻抗，以及设备接地和屏蔽引起的功耗对电池功耗的影响。

 

 

EMI/EMC

为了确保物联网设备不会发出大量电磁干扰 (EMI)，并且能够在遇到其他电磁干扰的情况下继续正常运行，必须进行电磁兼容性 (EMC) 测试。EMI 有两种 ：传导 EMI，由设备自身生成并传导到系统的其他部分 ；辐射 EMI，用于测量从设备辐射出的电磁干扰并可能干扰附近的系统。为了符合这些标准，工业物联网设备制造商必须执行内部辐射和传导 EMI 发射测试。此外，设备需要不受环境辐射和传导 EMI 的影响。EMC 测试的监管指南包括国际无线电干扰特别委员会 (CISPR) 标准、联邦通信委员会 (FCC)第 15 部分标准和军用标准 461G。

 

 

由于各个国家/地区和行业（医疗、汽车、军事）的要求各不相同，因此很难为 EMI/EMC 测试提供一套统一标准。许多国家都要求由经过认可的实验室负责进行EMI/EMC测试和认证。不过，考虑到这些实验室的昂贵收费及业务的繁忙，大多数公司都会选择购买 EMI/EMC测试平台来进行预认证。首先是了解各个国家/地区的 EMI 法规，以便帮助您确定必要的测试标准。

  • 在美国，联邦法规电子法案 (e-CFR) 第 47 章（电信）第 15 部分定义了 EMI/EMC 细则。
  • 在欧洲，有多个组织共同定义了 EMI/EMC 欧洲标准，包括 CISPR、国际电工委员会 (IEC)和国际标准组织 (ISO)。另外，还有其他几个组织也参与其中。
  • 中国国家认证认可监督管理委员会 (CNCA) 定义了中国的 EMI/EMC 标准。
  • 其他国家，包括加拿大、日本、澳大利亚、新西兰和俄罗斯，也都制定了各自的标准。
  • IEC 60601-1-2 定义了医疗设备适用的 EMI/EMC 标准。
  • 各个汽车组织定义了汽车标准，包括 SAE、ISO7637、CISPR-25、E-MARK 和 ISO1145（第 1 部分和第 2 部分）。
  • MIL-STD-461 定义了美国军用标准。NATO、飞机、轮船和陆地车辆还需遵守其他要求。

 

 

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