物联网设计技巧和方法

关键的外卖

• 了解不同的物联网领域和应用
• 学习物联网设计的基本构建模块
• 物联网设计的混合信号、无线和低功耗技巧

智能物联网设计对于进一步用新的物联网设备连接我们的世界至关重要

的物联网是一个由数十亿个设备组成的网络，这些设备收集、处理并提供信息，以提高我们的生活质量。作为一个快速发展的领域，物联网设备现在包括个人可穿戴设备、工业机械、医疗设备等。单一物联网设备合并了射频通信、混合信号功能和高速数据传输等技术，同时最大限度地降低功耗。出于这个原因，物联网设计需要进行大量工作，以确保设备可靠和高效。

我们将详细介绍物联网设计的不同元素——物联网设备的基本构建模块、物联网设计标准、低功耗设计、混合信号设计，以及如何将SPICE纳入设计流程。

物联网应用

医疗设备物联网是增长最快的物联网应用之一

物联网设备被用于从消费电子产品到医疗设备的多个行业。其中一个应用就是RFID(无线电场识别)。有了RFID，企业已经能够跟踪装有RFID标签的物品的位置。这使他们能够实现具有更高效率跟踪和更多信息的系统。以下是物联网元素正在发挥越来越大作用的其他几个行业。

业务

物联网可以改善商业领域如:

• 自动化的办公环境、客户服务和资源管理。
• 更多关于产品、服务和交互的数据。
• 物流库存管理，跟踪和维护。
• 面向客户的产品，在需要维修时发送通知。
• 零售效率就像恒温器和智能灯泡。

制造业

在工业和制造业中，通过使用智能背心、智能头盔、智能眼镜和其他收集健康、位置、环境和生产力数据的设备，工厂、磨坊和炼油厂都变得更加安全。这些设备连接在一起，并在工厂运行期间提供信息，结合在线分析，确保工人的安全和工厂机器的平稳运行。

体育和医疗保健

物联网的好处不仅体现在企业身上，物联网也改变了体育运动。业余爱好者和专业人士都可以佩戴腕带传感器，测量心率、体温等重要指标。这为个体提供了关于他们对刺激的表现和反应的更详细的信息。

与健康相关的监测身体基本数据的产品也改变了医疗保健和生物技术行业．跟踪使用情况的智能吸入器或溶解在胃里的可摄入传感器等设备可以与体外通信，并增加医疗保健提供者可以访问的数据量，从而做出更明智的决策。

物联网设计:基本构建模块

在其核心，物联网设备有一个几个关键组件定义它:传感器，无线连接块和电源管理块。成功物联网设计的主要挑战是让它们顺利地协同工作。

传感器

首先，传感器专注于收集外部世界的数据。例如测量温度、压力、湿度、红外、摄像机和RFID标签的传感器。在设计物联网设备时，不仅要考虑设备本身可以从哪些现实世界的信息中受益，还要记住它也将与其他服务器、设备和节点通信。咨询这篇博文聆听我们关于选择传感器的技巧，包括设计考虑因素和具体应用。

无线连接模块

其次，无线连接模块在连接设备之外的世界方面发挥着至关重要的作用。常见的通信方式包括蓝牙、Zigbee、WiFi和NFC。如需直接上网，可考虑使用GSM/ LTE或WiFi。每种模式在连接时都有不同的时间、不同的范围和不同的功耗。例如，一些NFC设备可以通过无线供电与收发器通信，而支持wifi的设备则需要始终开机。

电源调节模块

最后,你的功率调节模块是关键设备的便携性和通讯能力。如果你要用电池为你的设备供电，那么在设计时考虑到电源效率是至关重要的。为了使您的设备尽可能长时间地运行，请使用低静态电流的稳压器。考虑设计你的电路，在任何给定的时间只有相关的子电路被供电。

物联网设计要点

物联网板将多种不同的技术组合在一起，形成一个紧密的设计

物联网设计成功的真正衡量标准是将这些之前讨论过的技术整合到一个紧凑的设备中。这种设备应该具有成本效益，甚至可能需要用于数字信号处理、自然用户界面处理、控制操作或模拟传感的额外功能。

人们一直在努力使物联网设备具有更好的性能、电源效率、更高的范围和更小的尺寸。设备可以包含CPU、内存、图形、处理和无线电路。为了制造尽可能小的设备，许多这些元素可以放在一个单片系统(SoC)上，但不是全部。

由于需要节省空间，物联网设计的关键区别是将整个产品或板设计为单个单元，而不是像过去那样设计许多较小的单独板。这将需要与机械设计师密切合作，以确保信号完整性、热管理和尺寸都被考虑在内。

在设计物联网时，请记住传感器和集成电路正在迅速发展。产品上使用的芯片可能会比你想象的更快过时。因此，用子电路划分设计，这允许系统的方法，并使更新电路上的部件更容易。考虑每个子电路的输入和输出以及它们如何整合到更大的设备中作为一个整体。

物联网设计的重要标准

确保单板上的各种组件符合您计划使用的标准

物联网体系结构可以描述为三个不同的层:

1. 设备层有收集数据的传感器和执行器。
2. 边缘层的数据处理组件，过滤，聚合，并做预处理。
3. 连接移动应用程序或基于web的应用程序进行最终处理的云层。

设备并不存在于真空中，尤其是在物联网中。它们将必须与其他系统进行功能、通信和集成。在设计物联网设备时，要考虑它如何融入整体架构。做到这一点的最佳方法是采用和维护标准。考虑采用单一标准，比如IEEE 243，并在创建设备时应用它。为了让你的设计经久耐用，你应该超越基本功能，考虑它将被用于的环境，尤其重要的是，它将与哪些其他设备通信。

对于更多的标准，请考虑研究印刷电路学会(IPC)作为起点。其他基于标准的IP解决方案包括:

• 接口:MIPI DSI, CSI, SLIMbus, UniPro, DigRF, BIG, D-PHY, M-PHY, M-PCIe, USB, HDMI, SDIO
• 内存:SD/eMMC, NAND, LPDDR，宽IO
• 模拟IP: AFE, A/D(传感器，无线电)，电源监视器，热传感器
• 系统/外设IP:微处理器、总线和音频IP、定时器IP

低功耗物联网设备设计

在开发移动物联网设备时，拥有节能设备对产品的寿命和可靠性至关重要

由于您的物联网设计可能是移动的，因此将其设计为消耗最少的电力是至关重要的。与让你的设备一直处于开机状态相反，你应该包含不同的操作模式。此外，智能电源管理将增加设备的运行时间。对于移动设备，你要么需要使用能量收集电路(通常使用感应式无线电力传输)，要么依赖电池供电。

电池供电

节省电池电量的最好方法之一是在不使用时关闭设备的某些部分。为此，将PCB划分为功能块，并为每个块分配适当的功耗预算。选择符合规格的电源调节ic，并确保设计的每个模块都在分配的预算范围内。

内存

物联网设备的内存模块也会消耗电量，选择合适的内存对于保持在功率预算范围内非常重要。例如，在使用直接内存访问(DMA)时，与动态随机访问内存(DRAM)相比，您可以更好地节省电力，但会损失一些延迟和吞吐量。

精确的电力预算计算

避免长PCB走线或大量通孔造成的能源浪费。从一个平面到另一个平面会给你的滑板造成不必要的损失。精确的电力预算计算和高效的电力输送网络将增加您的设备的寿命。在制造和测试之前，使用精确的电力网络分析工具来获得设备效率的准确图像。

物联网无线设计

您的设备将通过WiFi、蓝牙或前面提到的其他方式无线连接到世界其他地方。因此，重要的是熟悉自己的各种无线网络协议．

请记住，政府监管无线电频谱的使用，某些频段是为特定目的分配的。WiFi最常见的频率是2.4 GHz, NFC是13.56 MHz，其他射频协议则是各自的频率。出于这个原因，可以购买现成的、已经符合政府和行业法规的无线模块，并将其整合到您的设计中。

天线设计也是另一个至关重要的方面——在设计PCB时，要考虑天线的方向、增益和方向性，然后选择与所需形状因子匹配的天线。Z-Wave网状网络拓扑结构能否支持数百台设备；例如，Sigfox使用新的超窄带(UNB)进行无线电信息交换。

噪音

您的设备将在所有其他使用它们自己的无线通信标准的设备之间运行。因此，噪音可能成为一个更大的因素。设备大部分时间将处于空闲或待机模式，仅在短时间内开启通信以进行传输和接收。让自己熟悉处理射频电磁干扰的方法并将它们融入到你的设计中。

温度

温度也会对交流产生重大影响。考虑您希望设备运行的温度范围，并确保您的组件都符合这些规格。

混合信号设计

物联网设计中的数据可能包括多个模拟和数字信号，因此必须以尽可能少的噪声保持信号完整性

你的物联网设备将通过模拟传感器从现实世界收集数据，这些传感器需要转换成数字信号。数据一旦变成数字格式，就可以进行编码和操作，甚至可以通过无线方式发送出去。

您需要有一个能够高速移动数据的处理器。出于这个原因，你需要设计你的布局来处理诸如串扰、时钟倾斜、传播延迟、衰减和阻抗匹配等问题。作为混合信号布局的良好实践，分离模拟和高速数字路段板子的不同部分。

紧凑的设计

用于物联网设备的pcb需要紧凑的设计，具有潜在的柔性截面和高密度互连

将所有不同的子电路和模块装配成一个紧凑的PCB将需要使用更先进的设计技术。这些包括高密度互连(HDI)、嵌入式组件和其他紧凑组件例如多芯片模块(MCM)或三维集成电路(3D-ICs)。使你的电路板更加紧凑多层多氯联苯．

确保PCB的形式因素已确定并达成一致。具体来说，与机械工程师和产品设计师交谈，以确保制造商有能力组装和生产您的设计。组件的放置变得更加关键，因为PCB的特定部分可能容易受到机械弯曲的影响。这就是flex设计可能派上用场的地方。

Flex设计

您在设计中也可能有机械限制，这可能可以用挠性或刚性-挠性板来解决，这是标准刚性pcb的一种日益流行的替代方案。具体来说，与使用复杂线束或高密度互连(HDIs)连接到传感器的标准刚性PCB不同，该技术PCB组件、互连和传感器可以放置在柔性PCB上．这减少了互连和电线的数量，这有助于缩小您的设备。

香料模拟

SPICE程序的模拟结果将有助于预测设备的行为

在设计和制作过程中使用SPICE工具将允许您调节设计的功能和可用性。与大多数消费电子产品一样，设计可制造性和产品良率对于创造成功的电路板至关重要。

通过SPICE模拟，您将能够根据制造产量和可靠性标准设置公差。SPICE仿真还可以帮助您跟踪电源效率和设计漏洞，以及分析阻抗和确定形状因素限制。SPICE库还将具有易于访问的组件参数集成和建模，并使用模板构建自定义模型。

Cadence的PSpice程序可让您访问超过33,000个组件，轻松确保组件的成品率和可靠性，验证电气性能，并在生产前进一步优化设计。