為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員提供的示例工具

如今，技術(shù)領(lǐng)域的變化比以往任何時(shí)候都要快，無線應(yīng)用對新技術(shù)的吸收步伐也時(shí)刻沒有放緩。物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 創(chuàng)新如火如荼，幾乎涉及我們生活的每一個(gè)方面。僅將之前從未連接過的“事物”連接起來就將帶來新的數(shù)據(jù)認(rèn)知，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成有意義的變革。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)大技術(shù)趨勢，它不僅考驗(yàn)傳統(tǒng)系統(tǒng)的承受能力，還將決定不同行業(yè)大大小小的公司的命運(yùn)。預(yù)計(jì)到 2020 年底將有 500 億物聯(lián)網(wǎng)連網(wǎng)設(shè)備，到 2025 年這一數(shù)字將達(dá)到 1000 億。

隨著傳輸標(biāo)準(zhǔn)的改變，新標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)能夠適應(yīng)各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。對于無線愛好者來說，嘗試設(shè)計(jì)新的調(diào)制方案從未如此容易，并且很多新的傳感器都可以與無線鏈路配對使用。這些技術(shù)也比以往任何時(shí)候都更容易為人所用。本文將探討該技術(shù)的每一項(xiàng)發(fā)展以及大家如何才能立即將這一廉價(jià)而普及的技術(shù)運(yùn)用起來。

低功率廣域網(wǎng) （LPWAN） 無線電技術(shù)可用于蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，并且從出現(xiàn)到現(xiàn)在已有幾年的歷史了。窄帶物聯(lián)網(wǎng) （NB-IoT）、長期演進(jìn)機(jī)器類型連接 （LTE-M 和 LTE-MTC） 以及增強(qiáng)型機(jī)器類型通信 （eMTC） 是目前流行的技術(shù)。這些技術(shù)的優(yōu)勢在于，它們利用現(xiàn)有用于語音和高帶寬通信量的蜂窩發(fā)射塔。然而，只需要不定期報(bào)告和控制的設(shè)備并不需要高帶寬，而且由于許多設(shè)備都采用電池驅(qū)動(dòng)，因此需要這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持更低的功耗和更低的帶寬標(biāo)準(zhǔn)。

其它未利用現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)且必須重建基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)包括 Sigfox、LoRa/LoRaWAN 以及 NB-Fi 等。這樣的缺點(diǎn)是需要將上行鏈路連接到覆蓋范圍更廣的互聯(lián)網(wǎng)。雖然這些非蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供這種上行鏈路服務(wù)，但這又是另一種需要協(xié)商的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

然而，蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商都是大公司，要與他們有效競爭并不現(xiàn)實(shí)。最好的辦法是采用符合他們標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器，在他們的網(wǎng)絡(luò)上買“時(shí)間”，然后按月為使用方案支付費(fèi)用。

非蜂窩網(wǎng)絡(luò)只需適當(dāng)?shù)馁Y金便可建立起來，但限制是不能實(shí)現(xiàn)全球地域范圍覆蓋，除非將它們連接到一個(gè)能夠執(zhí)行因特網(wǎng)橋接的服務(wù)器。其實(shí)許多情況下，網(wǎng)絡(luò)并不要求實(shí)現(xiàn)全球連接。例如一家組裝和生產(chǎn)傳感器工廠，網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上應(yīng)該是應(yīng)用隔離的。

不過好消息是：有蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，有芯片和模塊可以構(gòu)建低功耗網(wǎng)絡(luò)，并且有的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量套餐低到只需 3 美元一個(gè)月。全部所需就是一臺(tái)蜂窩運(yùn)營商認(rèn)證的調(diào)制解調(diào)器，任何設(shè)備便可全球“在線”。

模塊化的電子解決方案繼續(xù)快速發(fā)展。設(shè)計(jì)人員可以獲得預(yù)先構(gòu)建好的且通過認(rèn)證的無線電，無需芯片層面的專業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)。這不但降低了必要的射頻技術(shù)能力要求，還加快了產(chǎn)品上市速度 。在最近一次調(diào)查中，我們對各種模塊中所使用的芯片和所購買客戶的類型進(jìn)行了分析后，令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，具備必要技術(shù)能力的企業(yè)不僅購買了這些模塊上使用的相同芯片，還購買了模塊，而且數(shù)量都達(dá)到了數(shù)千件，這完全是生產(chǎn)級的需求。這正好支持以下觀點(diǎn)：為了測試新產(chǎn)品的市場，提前推出成本優(yōu)化程度沒那么高的產(chǎn)品可能會(huì)比從一開始就設(shè)計(jì)好一個(gè)成本優(yōu)化的產(chǎn)品更好。如果測試市場足夠大，那么就可以將產(chǎn)品成本一直優(yōu)化到芯片級。但是還一個(gè)層級甚至比芯片更低，就是本文所稱的波形層級。

通過軟件無線電 （SDR） 技術(shù)，開發(fā)人員可以試驗(yàn)全新的調(diào)制方案。如果有獨(dú)特的需求且設(shè)計(jì)人員有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)得出來，那么就可以開發(fā)出一個(gè)專屬的無線電標(biāo)準(zhǔn)。即便經(jīng)驗(yàn)不足，通過用 SDR 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可以教設(shè)計(jì)人員許多東西，而且還很有趣。例如，本文作者的一位同事就獲得過一項(xiàng)關(guān)于解碼 FM 立體聲廣播的專利，這個(gè)專利可以在信號(hào)等于左右波形的精確時(shí)刻對基帶信號(hào)的值進(jìn)行插值，而無需將系統(tǒng)與射頻載波進(jìn)行時(shí)鐘同步。這是一種將信號(hào)分解復(fù)合的軟件方法，所有這些現(xiàn)在都可以在 SDR 中實(shí)現(xiàn)。這個(gè)專利已有將近 30 年的歷史，曾經(jīng)是一項(xiàng)開發(fā)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在有了現(xiàn)成即用的 SDR 就很簡單。

Analog Devices 的高級學(xué)習(xí)模塊 PLUTO （ADALM-PLUTO） 就是一個(gè)這樣的 SDR，到 2020 年 9 月，該模擬現(xiàn)貨價(jià)約為 150 美元。這些模塊通過 USB 鏈路與個(gè)人計(jì)算機(jī)連接，內(nèi)含易于重新配置的 FPGA，廣泛支持編程語言 Python，并且能在 325 MHz 至 3.8 GHz 范圍內(nèi)收發(fā)信號(hào)。如果設(shè)計(jì)人員真的想了解和使用射頻，那么就可以從這個(gè)層級開始。

回到具體產(chǎn)品概念層面，采用芯片和模塊形式的傳感器成百上千，數(shù)量激增。各大分銷商實(shí)際上提供的傳感器有數(shù)十萬種之多，其中 Digi-Key 就提供了 210，000 多種不同的傳感器。

以下是其中的一些傳感器類型：

接近傳感器

傳感器、變送器，溫度傳感器 – 模擬和數(shù)字輸出

傳感器、變送器，專用傳感器

傳感器、變送器，氣體傳感器

傳感器、變送器，位置傳感器 – 角度、線性位置測量

傳感器、變送器，壓力傳感器，變送器

傳感器、變送器，濕度、濕敏傳感器

傳感器、變送器，電流傳感器

傳感器、變送器，光學(xué)傳感器 – 環(huán)境光、紅外線、紫外線傳感器

傳感器、變送器，光學(xué)傳感器 - 測距

開發(fā)板、套件、編程器，評估板 – 傳感器

傳感器、變送器，磁傳感器 – 位置、接近、速度

傳感器、變送器，光學(xué)傳感器 – 光電、工業(yè)

傳感器、變送器，運(yùn)動(dòng)傳感器 - 加速計(jì)

傳感器、變送器，圖像傳感器、攝像頭

其中任何一個(gè)傳感器或者它們的任意組合都能整合到產(chǎn)品中，并可通過各種無線選件連接到互聯(lián)網(wǎng)。

例如，在 maker.io 的 “Trinamic 的 TMC5161 + Microchip 的 AVR-IoT WG + Digi-Key 的 IoT Studio Temp”（圖 1）頁面可以找到展示“百葉窗控制器”互聯(lián)網(wǎng)連接的在線項(xiàng)目 。

Microchip Technology 的開發(fā)套件針對的是智能物聯(lián)網(wǎng)家庭自動(dòng)化應(yīng)用，更多詳細(xì)信息見：物聯(lián)網(wǎng)家庭自動(dòng)化評估套件（圖 2）。

總結(jié)

人人都可以使用物聯(lián)網(wǎng)，本文所討論的開發(fā)套件只是為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員提供的示例工具。

最后，祝愿各位在這個(gè)互聯(lián)的世界中開發(fā)出一個(gè)個(gè)連接到物聯(lián)網(wǎng)的“好東西”。

責(zé)任編輯：lq