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如何让工业物联网的连接可靠性事半功倍?

2019-09-27 09:52

许多人都有过这样的经历,坐在爆满的体育场馆看比赛或是演唱会,整个晚上都在试图将秒拍和照片发送至朋友圈以便与朋友们分享现场盛况,然而回应我们的总是一个不停旋转的圆圈,这种拥挤或糟糕的网络情况没有人会喜欢。换个角度想想,糟糕的网络倒可以让人们安心享受精彩的演出时刻,然而对于工业或是医疗等行业来说,关键物联网系统中的网络不可靠却会导致灾难性后果。

据技术行业研究公司Gartner表示,物联网中每天增加的"新事物"多达550万件,到2020年,预计总数将达208亿。针对这种爆炸式增长,在这些设备之间建立可靠的无线连接是物联网的最大挑战之一。如果通信技术不能实现可靠的连接,再好的数据采集和云分析也是摆设,甚至丢失一次连接即可能造成重大损失。作为一直致力于设计鲁棒的解决方案来应对这些通信挑战的业内主要射频技术提供商,ADI对于工业物联网的超稳健系统要求并不算新的挑战,该公司超低功耗、sub-GHz ISM频段无线电器件ADF7030-1在工业物联网应用中实现稳定通信链路上发挥的积极作用便是例子。

详解ADF7030-1射频收发器

面向消费电子设备的现有无线连接技术并不总是能满足工业和医疗保健系统的性能要求。这些系统中在安全性、准确性和时间灵敏度等方面的不同侧重点提高了增加可靠性的需求。蜂窝系统接近这一要求,但通常在电池、成本和数据吞吐量要求方面不太合适。当今虽然也存在极度可靠的系统,然而这些系统在设计时通常都不会以成本作为第一考量。而在工业物联网中,我们面临的挑战是以低很多的系统成本实现相同的高级别可靠性。

ADF7030-1收发器采用ADI的高级无线电技术设计而成,是物联网(IoT)设备、智能计量、安全和楼宇自动化、工业控制、无线传感器网络用户的理想之选。ADF7030-1 sub-GHz集成式无线电收发器支持窄带和宽带通信,在sub-GHz ISM频段内工作,数据速率在0.1 kbps至300 kbps之间,使用2GFSK调制。兼具稳定的长范围和超低功耗性能,有干扰存在的情况下都能实现稳定的范围,具有极高的噪声系数以及阻塞性能,可以阻塞100dB以上。同时ADF7030-1拥有低功耗休眠模式,使用该模式可保留全部无线电配置且功耗仅为5nA。

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使用ADF7030-1演示超低功耗6LoWPan无线传感器

ADF7030-1无线电收发器非常注重灵活性和易用性,采用片上ARM® Cortex®-M0无线电处理器,用于执行无线电控制和校准,其时序控制可以减少工程设计开发时间。高度可编程的数据包处理程序可以简化主机微处理器上的编程接口和代码开发,从而节省宝贵的时间。ADI公司对该产品设置进行了全面测试,这使工程师能够充满信心地部署网络设置,而无需花费额外时间来优化设置以最大程度提升性能。

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ADF7030-1 EZ KIT评估套件基板 

ADF7030-1助力解决无线连接三大关键挑战

(1)射频障碍导致数据包丢失

工厂的钢结构和厚壁会造成很大的障碍,可能导致射频信号的功率降低到目标设备无法接收的程度。目标设备中所用无线电器件的接收器灵敏度将决定可以接受的信号衰减程度。灵敏度上低至2 dB的变化都可能决定信号接收的成败。通信系统设计人员在选择无线电器件时必须密切关注接收器灵敏度。

就接收器灵敏度性能而言,ADF7030-1是业界具有非常高水平的无线电器件。在很多情况下,ADF7030-1能够接收低于其他无线电器件可接收功率3 dB的无线电信号。这意味着,即使信号的强度低于其竞争产品可接收功率的一半,该器件仍可接收到该信号。

(2)频段拥挤导致数据包丢失

通常来说,互联设备会在所在地区的相关ISM频段内工作。ISM频段为免执照频段,可用于各种需要无线连接的应用。2.4 GHz为全球标准化频率,广泛用于Wi-Fi和蓝牙®设备。1 GHz以下的频段中也包含ISM频谱。这些频段通常用于物联网应用。在欧洲和美国,该频段分别以868 MHz和915 MHz为中心。当位置接近的多台设备共用相同的ISM频段时,便会出现挑战。发送设备可能干扰附近的接收设备,例如在公立医院中,多种机器会共用相同的ISM频段。无线电器件在此类干扰环境中的工作能力由阻塞规格来衡量。而且,这种挑战并非仅来自于在ISM频段内工作的设备。如果阻塞能力不足,则在附近工作的手机或平板电脑也可能导致系统中出现通信丢失。因此在附近具有多个工作的干扰源时,此类无线电器件需要仍能继续接收消息。

凭借超过100 dB的行业领先阻塞数据,ADF7030-1可达到非常高级别的抗干扰水平,且无需增添昂贵的外部元件。这增加了价值并可确保在极其嘈杂的射频环境中保持正常通信。

(3)环境影响导致性能下降

受所采用的工艺限制,无线电收发器的性能会根据所在的工作环境而发生变化。其中一些影响因素包括温度变化、电池放电导致的电压降低和设备间的芯片制造差异。这些生活中的真实事件可能导致设备的工作稳定性发生变化。让我们来看一下在路灯上采用的事件检测应急响应系统。寒冷冬季的气温可能导致设备的输出功率发生变化或接收器灵敏度下降。这可能在某些条件下导致通信中断。消费类设备很少在此类极端条件下使用,因此不必太过担忧这一问题,但对于应急响应系统而言,这是无法接受的。最好的情况下,代价是最终产品声誉受损,以及收到更换故障设备的维修请求。系统设计人员必须确保选择用于检测和通信系统的元件在不断变化的环境条件下保持稳定。

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经过与领先工业制造商的世代合作,ADI公司已经掌握了成熟的方法,可以应对真实生活环境对无线电收发器产生的影响。例如,在整个工作温度范围内,采用ADF7030-1的设备的输出功率变化不超过0.2 dB。这一成果的实现得益于ADI公司独一无二的无线电设计方法。在同类竞争的无线电产品中,相应的变化高达2 dB。

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关键字:物联网 / ADI / 无线通信
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