物联网参考设计的简约化和可扩展性

2021年10月29日 16:44

 

物联网:对快速行动者而言,这是一个潜力巨大的市场

物联网(IoT)市场为开发人员、参考设计人员、模块制造商和系统制造商提供了巨大的发展潜力,使他们能够引领组成行业伙伴们前进,而无惧物联网业态的碎片化和复杂多样。

物联网应用创造的真正价值不在网络边缘,而是在云端,物联网设备生成的数据可以在云端进行分析和处理。但是,为了将数据传输到云端,物联网设备需要一个能够根据其应用场景进行高效传输的天线。然而,应用场景数不胜数且多种多样,它可以是位于楼宇深处或地下的公用事业表计,也可以是国际运输过程中的集装箱中的追踪器,甚至是安装在乡村荒野中牲畜耳朵上的追踪器。

随着应用场景数量无限增加,当涉及到连接问题时,物联网行业有着非常多的可选择连接技术。

LTE-M、Cat-1、NB-IoT、LoRa、Sigfox、Wi-Fi、Wi-SUN、3G、4G以及公共和私有的5G等技术;随着它们向前发展,这些技术正在将物联网应用从局域网(Local Area Network,LAN)扩展到广域网(Wide Area Network,WAN)环境,并对更低延迟、更高性能的连接产生了更多需求。

这种增长背后的驱动性需求随处可见——不仅体现于正在部署更多的智能设备,而且越来越多的设备正变得智能化。根据ABI Research的数据,截至2020年底,全球估计有66亿台物联网设备接入网络并处于活跃状态,其中约有8.4亿台设备使用蜂窝网络,占总数的不到8%。

研究机构ABI预测,在接下来的六年时间里,采用蜂窝网络的物联网设备数量将增长近7倍,到2026年全球蜂窝网络物联网设备的总量将达到57亿台。

将参考设计快速推向市场

然而,基于全球视野开发硬件并在全球范围内进行推广应用是困难的。其中不可退还工程开发费用(Non Recurring Engineering,NRE),即研究、设计、开发和测试新产品或增强功能的一次性成本,不仅决定了该产品是否具有商业可行性,还决定了该产品的上市速度。

天线元件尤其如此。对于物联网应用开发人员而言,如果没有从一开始就考虑到天线因素,那么它肯定会在某个时刻成为一个问题,通常是在对设备的设计做了大量艰巨工作之后。在Ignion等公司推出标准化、芯片式天线,以及可以在其网站上就可以利用Fast Track工具完成天线的设计之前,为物联网产品设计、制作和测试天线总是一件并不轻松的工作。

然而,芯片组和模块参考设计现在可以集成一个天线,它以可轻松转入量产的方式提供端到端连接。这是以前没有广泛得到使用的模式,因为天线要么是必须定制设计,要么是现成可用的解决方案;它们在外形、尺寸和调谐方面的灵活性不高,因此在许多实际应用中不可能重复使用天线部件。

从历史上看,这对参考设计人员来说都是一个相当大的挑战。Nordic Semiconductor产品营销主管Petter Myhre表示:在提供微控制器时,我们一直采取的做法是让开发人员尽可能轻松地构建产品。

“我们生产低功耗蓝牙微控制器已经有十年的时间了,我们一直致力于通过提供软件、工具、参考设计和布线图来让开发人员更容易地使用低功耗蓝牙微控制器,从而使其轻松地构建产品并将产品推向大众市场。我们希望提供可扩展的解决方案,以便开发人员可以轻松地构建产品。Petter Myhre说。

“然后,当我们开始推出蜂窝网络产品时,我们尝试了相同的方法;但在蜂窝网络领域,传统上只有几家大型参考设计公司和数量不多的客户,其产品的销量达数十亿台。因此,他们实际上不需要让客户自己就能够轻松地构建产品,因为参考设计人员可以在整个过程中手把手地指导他们,并在硬件方面为他们定制设计一切。

然而,物联网正在对蜂窝网络行业提出不同的需求,而“一切定制”的方法与物联网所代表的开放性背道而驰。这也与模块制造商和参考设计人员尽力降低进入壁垒和开放物联网市场以实现更大的创新目标背道而驰。

Nordic Semiconductor产品营销主管Petter Myhre表示:“我们希望小规模的公司也能构建基于蜂窝网络的物联网产品。这就是我们将Thingy:91原型设计平台整合在一起的原因,以便于任何人都可以方便使用。那里有传感器和电池,还有一个可以在世界各地许多不同频段上工作的天线。我们需要一个非常灵活的解决方案,我们与Ignion合作开发了一款非常小巧的天线,它足够灵活,可以在许多不同的频段工作,这样您就可以真正构建一个全球可用的产品。

创建真正全球可用的物联网产品

随着向广域网连接的转变不断深入,以及对蜂窝物联网功能提出更多的需求,移动网络认证成为一个需要考虑的问题,因为任何设计不良或连接阻抗不佳的设备,运营商都会拒绝对其进行认证,其原因是这些设备会导致网络效率低下,对运营商产生不好的影响。

面向全球范围的3G、4G和5G频段也意味着,如果制造商不能确切地知道他们的设备将在哪里使用,就需要覆盖广泛的潜在频段。从历史上看,这意味着要设计一系列的天线元件,这通常会破坏商业模式。

根据Sierra Wireless首席工程师、mangOH创始人兼架构师Ashish Syal的说法:我们面临的问题是我们的很多客户都想尝试物联网项目。他们会产生一个想法,但发现很难推进,许多人会在几个月内就放弃了这个想法,因为他们无法使其产生经济效用,结果无法为其获得资金支持。”

Sierra Wireless还采取了一些方法,尽可能简化最终物联网应用开发工作,以确保它们从一开始就能覆盖全球连接。

“对于mangOH开发平台,我们的关注点是包括一个可适用于2G3G4G等一系列技术的天线。Ignion使用户无需部署多个不同的天线,从而使我们的工作变得更加轻松,我们可以在一个小型天线中实现所有这一切。Ashish Syal补充道。

Syal解释了将天线设计转化为射频电路设计的好处,因为它将天线设计和射频工程的黑暗艺术带给大众,显著降低了电子工程的复杂性。

Ignion:适应于不同应用的Virtual Antenna™技术

考虑到射频设计和天线开发工作的复杂性和各种挑战,Ignion通过使用一种多频段多协议的解决方案来完成了所有艰巨的工作;该解决方案可以从一开始就集成到任何产品设计中,并且可以轻松地在不同的射频技术或频率上重新部署。

由于Ignion天线硬件外形尺寸非常小巧,所以它对物联网应用具有非常大的吸引力。而且该天线是非谐振的,它可以通过简单的电路设计为任何无线协议实现完全的多频段运行。这使得天线集成成为一个更简单的“像往常电子系统设计”一样的过程,不需要特定的天线专业知识。

关键的创新之处在于,Ignion将印刷电路板(PCB)变成了唯一的辐射部件。这将天线的尺寸缩减到超出传统的极限,同时系统受益于远远更大元件的辐射性能。这是一种全新的工作原理,它得益于一种全新的芯片式天线元件,在技术上将其称为“天线单元(Booster)”。

正如Sierra Wireless公司的Syal所说:“由于Ignion所做的工作,开发人员无需担心构建物联网产品时所涉及的物理尺寸和复杂性。这使得构建设备的公司能够专注于他们的核心专业技能,即数据的捕捉。

满足对速度的需求

Ignion的开发环境也有助于物联网参考设计人员、开发人员和最终的制造商缩短其设计周期。借助于Ignion的技术,从数千种潜在可用的、彼此不同的天线中找到合适选项的过程,被缩减到从仅有的几款中选择;而且,无论协议或射频技术如何,这些天线都能满足所有的应用场景。

硬件开发人员无需等到设计周期结束后才开始测试天线,然后再选择一种天线进行演示,Ignion的开发环境使开发人员能够从一开始就运行仿真。这可以帮助开发人员更好地了解他们设计的其他方面,以及理解“这是可以用于生产的天线”和“这是可以满足预期的现场性能”。

Sequans产品高级总监和项目经理Sebastien Falgayrettes表示,这一点至关重要,因为物联网产品都有可能进入一个真正的全球性市场,其频段数量自然会急剧增加。

“实际上,我们之前做过一些项目,其过程中我们必须自己去调整天线,所以我们知道做这件事的复杂性,知道这并不是一件容易的事情。我们也知道您不可能只在一次调试中就取得成功。通常情况下,您需要进行多次测量、修改,然后再调整一次,这需要花费大量的时间。现在,我们向客户提供了一套面向实际的评估套件,并且反馈非常好。Falgayrettes说。

现在,利用Ignion的技术和产品,Sequans及其客户可以通过调整电路板上的匹配电路来加快每次调试的速度,这对于其客户来讲尤为重要。一个关键的好处是,这些相同的优势也可以转化到生产中,因为参考设计中的天线元件在最终设备中保持不变。设计中的天线不再是为了演示而存在,这解决了生产制造商的另一个问题,天线元件从设计周期进入生产都保持一致,并简化了最终设备的采购、物流和制造流程。

由于Ignion提供的天线和匹配网络电路已经是生产级的,因此可扩展性已被考虑在内。作为参考设计构建的产品可以在全球范围内重新用于生产,只需对其进行一些小的调整以适应不同的频率。

我们希望我们的客户能够去打造可用于全球市场的产品,这样他们就不需要有一个适用于中国的版本,一个适用于德国的版本,一个适用于美国的版本。”Nordic Semiconductor公司的Myhre表示,这样做实在是太昂贵了,因为您有太多不同的产品需要维护和运输。通过嵌入包括天线在内的完整参考设计,我们就可以尽可能地减少障碍,以便我们能够实现真正基于蜂窝网络的物联网方案。”

Cavli Wireless的使命是通过其独特的价值组合,让接下来的10亿台物联网设备智能地连接到物联网连接管理的所有基本构建模块,包括连接硬件、网络接入、管理云等,它们全部被集成到一个统一的解决方案中,从而将全球第一个“连接即服务(Connectivity as a Service,CaaS)”解决方案以零成本捆绑物联网硬件的形式推向市场。因此,客户可收到预先加载了全球连接功能的工业级物联网模块,然后只需支付连接费用即可使用。

据Cavli Wireless首席运营官Tarun Thomas的描述,Cavli的C系列智能模块评估套件产品线采用了Ignion的TRIO mXTENDTM天线,因为它们具有卓越的多频段性能和小尺寸外形。TRIO mXTENDTM天线在全球所有GSM/LTE频段上都具有很高的效率,支持我们的用户在全球多个应用和场景中进行无缝集成。Cavli还拥有一系列智能连接计算模块,这些模块也由TRIO mXTENDTM天线提供支持,旨在帮助物联网产品制造商快速实现原型设计和产品上市。

让复杂的事情简单化,使物联网实现真正可扩展

The Things Industries首席执行官Wienke Giezeman表示:The Things Industries已将Ignion的芯片式天线元件集成到其基于LoRa的通用节点中。他表示:“硬件是物联网商业用例总成本的重要组成部分。由于工程成本与多次射频调试相关,所以研发活动可能具有很高的风险。”

Giezeman继续说道:“物联网不是一个封闭的系统,它是一个由许多合作伙伴提供的零组件组成的网络连接系统,每个元件都是物料清单(BOM)的一部分。正因为如此,您很容易‘因小失大’,因为您购买了一个更便宜的元件,例如天线,以减少您的物料清单。但如果该天线的功率效率较低,它会更快地消耗电池电量,就需要有人更快地更换它。因此,您虽然减少了物料清单,却增加了维护成本。”

Ignion的Virtual Antenna™技术通过让天线适应客户的设计,而不是反其道而行之,让客户的设计去适应天线,从而消除了嵌入式设计的复杂性。硬件由非常微小的、现成可用的天线单元组成,它是一种表面贴装元件,可使用与任何其他电子元件相同的标准拾取和放置技术无缝安装到电子印制电路板中,并在参考设计阶段就将最终要用的天线选项就放入物料清单中。

将参考设计快速推向市场,更快地投入生产

最后,Ignion易于使用的仿真工具有助于开发人员去实现一个多用途的参考设计,而该参考设计可以很容易地进行调整或重复使用,以将产品快速地推向市场。

Sequans公司的Falgayrettes对此进行了解释,他指出开发人员需要一个功能丰富且易于使用的评估套件。他说:调试天线是非常复杂和困难的,这是一个反复的过程,需要花费大量的时间。”

“但是我想说的是,客户想在不到一分钟的时间内就能获得套件,并能够实现完整的端到端连接,因为他们希望专注于自己的附加价值,而不是在创建连接方面浪费时间。我们还需要该套件具有通用性——既可以在实验室中使用,又可以展示物联网设备在现场试验中的表现,这样您就可以看到对电池使用寿命的影响。”

Falgayrettes补充道:“现在,我们已经向客户提供了一个实际的评估套件,并且反馈非常好,所以我确信我们将扩大与Ignion的合作,双方将在更多的平台和解决方案中进行合作。”

对于Sierra Wireless而言,消除或减少重复的流程不仅可以简化产品开发,还可以让公司更快地实现物联网的商业价值。当公司开发一款产品时,它正在改善我的投资,因为这加快了从开发到最终购买产品之间的时间,”Syal说。但除了缩短上市时间外,它还支持终端客户在各种新情况下去部署物联网。他补充道。

所有这些都推动了更多的需求,但疫情的影响表明,如果某个元件出现供应短缺,供应链就很容易出现问题,并可能对制造业造成灾难性的后果。然而,Ignion是一家总部位于欧洲的公司,硬件设计也是在欧洲完成的。

Ignion的天线生产使用了可由世界各地(包括越南和韩国)供应商制造的预印制电路套件,因此其元件供应链是抗短缺的,也证明了具有抗短缺的能力。

这是物联网设备开发和生产的关键考虑因素。缩短从设计到生产的交付周期是在物联网领域真正取得成功的关键因素,一个可靠的参考设计可以让开发人员在竞争激烈的市场中拥有强大的话语权。

在物联网生态系统中取得成功在于消除瓶颈,Ignion正在帮助参考设计开发人员快速解决从0到1的问题,这样他们的客户就可以轻松且自信地解决从1到1000的问题,同时缩短从开发到盈利的时间。

为了帮助开发商加快产品上市时间,Ignion已经免费提供了其Fast Track开发工具,这在其中文网站上即可进行尝试。使用Fast Track工具,开发人员可以在短短24小时内,就可将经过优化的嵌入式天线加入到他们最终的物联网产品设计中。

利用Ignion英文或者中文网站上的Fast Track工具,在输入其设计信息之后,开发人员将收到一个天线选择;Virtual Antenna™元件选项,这是专为设备和应用选择的;同时会提供在裸PCB中选择最佳的天线位置,以及其他设计建议;还有包括匹配网络拓扑结构、反射系数和估计效率等设置建议。

这在整个设计过程中提供了可预测性,并加速了将参考设计转化为最终产品的过程。通过将现成可用的芯片式天线和Fast Track优化工具相结合,客户可以从“现成可用的标准化高性能天线元件”中受益。

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