物联网应用技术——掌握LPWA技术和组网器件选择

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【物联网应用技术】
物联网
作为一个新的网络场景让“旧”的网络通信技术很不适应,不管是传统的近距离无线接入技术和移动蜂窝网技术,都暴露出明显的不足,研发一种新的网络技术迫在眉睫。LPWA(Low Power Wide Area,低功耗广域)技术就是在这样的大背景下诞生的。

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掌握LPWA技术应用和组网器件选择

LPWA市场增长趋势

LPWA能够在物联网时代被广泛接受有其自身优势。第一,LPWA技术能够实现高数据量接入,以NB-IoT举例,其网络接入容量是当前无线网络技术的近百倍;第二,LPWA技术能够实现超低功耗,物联网设备应用场景复杂,很多地方不可能做到电源频繁更替,在电池技术难以突破的情况下,低功耗的特性弥足珍贵;第三,LPWA技术能够实现深度覆盖,我们都知道广域物联网的众多接入技术都提升了功率谱密度,增强了网络的覆盖深度,NB-IoT比LTE提升了20dB增益,覆盖能力也加强了近百倍;第四,LPWA技术能够实现低成本,国际运营商推崇的eMTC模组成本小于10美元,基于蜂窝网络的NB-IoT成本更是在5美元以下。据了解,当前一个2G物联网通信模组的成本是20元人民币左右,设备商对此表示,当LPWA技术普及之后,NB-IoT可率先达到和超越这个水平,低成本是部署物联网的企业选择LPWA技术的重要原因。

物联网大致包含三个应用场景:低时延、高可靠性业务,中等需求类业务以及LPWA业务。我们刚刚梳理了LPWA技术的优势,可以得出LPWA业务的主要特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、要求广覆盖且所涉终端数量巨大。因此,LPWA技术最适合两种类型的物联网应用场景,一类是位置固定的、密度相对集中的场景,虽然现在蜂窝网络已应用于这些领域,但信号穿透问题一直是其短板;另一类是长距离的,需要电池供电的应用,蜂窝网络也在这些方面有所涉及,但由于高功耗问题无法解决都无功而返。

2017年12月,IHS Markit发布了《低功耗广域中期市场更新报告 - 2017》,预测到2021年,全球公共低功率广域(LPWA)连接预计将达到10亿以上 。由于在物联网设备中需要低功耗无线网络技术,从2014年到2021年的复合年增长率(CAGR)将达206%。几乎所有的芯片厂商、设备商、电信运营商和企业等都将 LPWA技术看作是公司物联网的重要战略布局。

基于我们讨论的LPWA应用场景的特点,LPWA技术主要面向的市场包括:智能抄表、智能停车、资产追踪、智慧医疗和仓储管理等应用领域。

我们以智慧医疗举例。当下,医生、器械和患者在大多时间需要处于同一空间下才能做诊断,在没有联网的情况下,大多时间只能让患者先跑腿到医院,医生才能根据病人的描述和各种体液、器官等检测报告来诊断病情。而通过设备和LPWA网络的结合,可以很好地解决看病耗时费力的现状。设备厂商可以将数字听诊器、血糖仪、血压计等设备集成在一起,患者在家里佩戴仪器诊断上传,然后LPWA网络可以将诊断信息传送到数据中心和医生客户端,对患者进行实时诊断。

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掌握LPWA技术应用和组网器件选择

智慧医疗

虽然和WiFi、蓝牙等通信技术的应用场景不同,但LPWA应用仍然属于物联网领域,应用系统无外乎是感知层、网络层和应用层三部分组成。

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掌握LPWA技术应用和组网器件选择

物联网应用系统

首先是感知层,传感器是物联网感知层重要的组成部件。据市场研究机构IDC 预测,到2020 年,数以百亿计的传感器将时刻采集生活和生产中的压力、光照、温度、脉搏等信息,为我们的世界构建一张庞大的、交叉的感知网络。

全球知名半导体制造商ROHM拥有丰富的传感器产品:

·地磁传感器

3轴磁传感器,它采用了磁阻抗(MI)元件来检测磁场,以及一个小型封装的控制IC。与传统方法相比,MI传感器具有明显较低的电流消耗和噪音,不仅适用于标准ecompass应用,还适用于要求更高精度的设备。

·霍尔系列传感器

ROHM的磁性开关用霍尔IC系列/滚轮键,轨迹球用霍尔IC最适用于检测开关及滑动动作。

·照度传感器

ROHM照度传感器IC具备近似于人类视觉的光学特性,它通过显示器背光灯的自动调光功能,实现了整机的低功耗,提升了可视性。

·颜色传感器

检测光的色彩成分(RGB),将其转换为数字数据的ROHM颜色传感器IC。具有高灵敏度,大检测范围,优异的红外光去除特性,因此可轻松,高精度地获取环境光线的照度和色温。最适用于根据环境光的照度,色温调整电视,手机,平板电脑等液晶背光的应用。

·气压传感器

ROHM的气压传感器是压电电阻式气压传感器。在IC内部进行温度补偿处理,可轻松获取高精度的气压信息。最适于检测智能手机和平板电脑等室内导航系统的高度,以及检测运动量监测器,可穿戴式设备等的高低差。

上述ROHM传感器产品均带有ROHM传感器评估套件与Arduino Uno和mbed兼容。除此,在脉搏、温度、人体感应和红外等应用领域,你也可以在ROHM找到适合你的解决方案。

由于LPWA应用场景丰富多变,传感器作为核心应用部件不能过于死板和单一,需要具备灵活的可扩展性。ROHM开发出通过Arduino及mbed 等开放平台可轻松测量加速度、气压、地磁、脉搏等8种信息的传感器扩展板——“SensorShield-EVK-003”。

“SensorShield-EVK-003”是支持开放平台并已获得高度好评的ROHM传感器评估套件新产品。该产品将ROHM量产的8种传感器产品分别安装在PCB板上并与开放平台连接用扩展板集成为套件,仅需与在全球应用广泛的Arduino Uno等连接并嵌入软件即可轻松构建传感器环境。利用传感器产品的评估简单、导入容易的优势,可大幅缩减IoT设备等的开发工时,并可助力市场的进一步拓展。

当然,在LPWA应用场景中,光有传感器还不能完美地解决问题,还需要让传感器符合低功耗的特性,让系统能够更长时间的工作。ROHM推出的电容式控制开关可以很完美地解决这个困扰,该电容式控制IC系列作为内置传感器数据处理功能及应用功能的专用IC,大幅降低了主机CPU的负担。

其次是网络层,信号单元在网络搭建中不可缺少。ROHM特定小功率无线模块(Wi-SUN模块)受到了市场的广泛认可,其使用的920HMz频段不容易引起与以往无线之间的电波干扰,功耗低,且可实现长距离数据通信的电波频段。与ZigBee、Bluetooth使用的2.4GHz相比,电波的迂回特性优异,即使在存在墙壁或障碍物的场所,也能确保稳定的通信。并且,已在美国、中国、韩国和澳大利亚等国使用,欧洲也在考虑使用。正成为全球通用的频段,预计今后市场前景越发广阔。

最后是应用层面,需要用户按照自己的应用场景和需求做定制性的开发,将网络层、感知层和具体的应用场景结合起来。

此外,不管是感知层,还是网络层,亦或者是应用终端,LPWA应用对于电池的使用时长要求是极高的,高效能的电源管理产品非常重要。ROHM的电源管理IC包括线性调节器、开关调节器、电源管理开关IC、系统电源等多个品种,当前官方售卖的就有84种之多。其中,AC/DC控制用IC实现了高效化和小型化,还备有减少轻负载时的功耗,内置POWER MOS的小型产品,且内置丰富的保护电路和低噪音功能。DC/DC转换器具有效率高、外置元器件少、输出开关内置、功能多、贴装方便等特点。可以说,具备宽广电压范围的ROHMAC/DC转换器是LPWA领域的优质选择。

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