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、无线和低功耗提示

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，用来收集、处理和提供信息，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。单个物联网设备融合了射频通信、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。因此，物联网设计需要投入大量精力，以确保设备的可靠性和效率。

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融入到您的设计流程中。

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

物联网设备应用于多个行业，从消费电子产品到医疗设备。其中一个应用就是射频识别(RFID)。有了射频识别技术，企业就能够追踪装有射频识别标签的商品的位置。这使他们能够实现具有更高跟踪效率和更多信息的系统。以下是物联网元素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。
• 用于库存管理、跟踪和维护的物流。
• 面向客户的产品，在需要修理时发送通知。
• 零售效率就像nest恒温器和智能灯泡一样。

制造业

在工业和制造业中，通过使用智能背心、智能头盔、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安全了。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械的平稳运行。

体育和医疗

物联网的好处不仅仅体现在商业上，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的表现和对刺激的反应的更详细的信息。

监测身体基本数据的健康相关产品也改变了医疗保健和生物技术行业．追踪使用情况的智能吸入器或溶解在胃里的可吞咽传感器等设备可以与体外通信，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

物联网设备的核心是几个关键组件它们定义了它:传感器、无线连接块和电源管理块。成功的物联网设计的主要挑战是让它们顺利地一起工作。

传感器

首先，传感器专注于从外部世界收集数据。例如，测量温度、压力、湿度、红外、摄像头和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。咨询这篇博客聆听我们关于选择传感器的建议，包括设计考虑和具体应用。

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起着至关重要的作用。常用的通信方式包括蓝牙、Zigbee、WiFi和NFC。对于直接上网，可以考虑使用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，而启用wifi的设备则需要始终开机。

功率调节模块

最后,你的电源调节模块是关键在您的设备的可移植性和通信能力。如果你要用电池为你的设备供电，在设计时考虑到能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，请使用具有低静止电流的稳压器。考虑设计你的电路，以便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封装在一起，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打包到一个紧凑的设备中。这种设备应该具有成本效益，甚至可能需要数字信号处理、自然用户界面处理、控制操作或模拟传感的附加功能。

人们一直在推动物联网设备的性能、能效、范围和尺寸的提高。设备可能包含CPU、内存、图形、处理和无线电路。为了创造出尽可能小的设备，许多这些元素可以放在一个单一的芯片系统(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，而不是像过去那样将许多较小的单个板设计成一个单元。这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快速发展。用于产品的芯片可能比你想象的更快过时。出于这个原因，将设计划分为子电路，这样可以采用系统化的方法，并使电路上的部件更新更容易。考虑每个子电路的输入和输出以及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

确保板上的各种组件符合计划使用的标准

物联网体系结构可以描述为三个不同的层次:

1. 设备层有收集数据的传感器和执行器。
2. 边缘层具有数据处理组件，用于过滤、聚合和进行预处理。
3. 与移动应用程序或基于网络的应用程序进行最终处理的云层。

设备不是存在于真空中，特别是在物联网中。它们将必须运行、通信并与其他系统集成。在设计物联网设备时，要考虑它如何适应整体架构。做到这一点的最佳方法是采用并保持标准。考虑采用单一标准，比如IEEE 243，并在创建设备时应用它。为了设计的寿命，要超越基本的功能，还要考虑它将用于的环境，尤其重要的是，它将与哪些其他设备通信。

对于更多的标准，请考虑查看来自印刷电路研究所(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, digf, 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

因为你的物联网设计很可能是移动的，设计它消耗最少的电量是至关重要的。与让你的设备一直处于开机状态相反，要包含不同的操作模式。此外，拥有智能电源管理将增加设备的运行时间。对于移动设备，您要么需要使用能量收集电路(通常使用感应无线功率传输)，要么依赖电池供电。

电池供电

节约电池电量的最好方法之一就是在不使用的时候关闭设备的部分电源。为此，将PCB划分为功能块，并为每个块分配适当的功耗预算。选择符合规格的功率调节ic，并确保设计的每个模块都在分配的预算内。

内存

物联网设备的内存模块也会消耗电源——选择合适的内存对于保持在电源预算内非常重要。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，您可以节省更好的电源，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痕迹或众多通孔的能量浪费。从一架飞机到另一架飞机可能会造成飞机上不必要的损失。精确的电力预算计算和高效的电力传输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

您的设备将通过无线连接到世界其他地方，可能是通过WiFi、蓝牙或前面提到的其他一些方式。因此，重要的是要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，并为特定目的分配特定频段。WiFi最常见的工作频率是2.4 GHz, NFC是13.56 MHz，其他射频协议则是各自的频率。因此，可以购买现成的、满足政府和行业规定的无线模块，并将其集成到设计中。

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，然后选择匹配所需形状因子的天线。Z-Wave网状网络拓扑能支持数百台设备吗；例如，Sigfox使用新的超窄带(UNB)进行无线电消息交换。

噪音

您的设备将使用它们自己的无线通信标准在所有其他设备之间运行。因此，噪音可能成为一个更大的因素。设备大部分时间处于空闲或待机模式，只在短时间内短暂开启通信传输和接收。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。考虑您希望您的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，因此尽可能少的噪声保持信号完整性至关重要

您的物联网设备将通过模拟传感器从现实世界收集数据，这些数据需要转换为数字信号。数据一旦变成数字格式，就可以进行编码和操作，甚至可以无线发送出去。

你需要一个能够高速移动数据的处理器。出于这个原因，您需要设计您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部分在黑板的不同部分。

紧凑的设计

用于物联网设备的pcb要求设计紧凑，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到一个单一的，紧凑的PCB将需要更先进的设计技术。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)。使您的电路板更加紧凑多层多氯联苯．

确保PCB的形状系数设置好并达成一致。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的特定部件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

在您的设计中，您可能也有机械上的限制，这可能可以通过柔性或刚性柔性板来解决，这是一种越来越流行的标准刚性pcb的替代方案。具体地说，与使用复杂线束或高密度互连(HDIs)连接传感器的标准刚性PCB不同，该PCB组件、互连器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

在设计和生产过程中使用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，设计的可制造性和产品产量是创造成功的电路板的关键。

通过SPICE模拟，您将能够根据制造收率和可靠性标准获得公差设置。SPICE模拟还可以帮助您跟踪功率效率和设计漏洞，并分析阻抗和确定形状因素的限制。SPICE库还将具有易于访问的组件参数集成和建模功能，以及用于构建定制模型的模板。

Cadence的PSpice程序可以访问超过33000个组件，使其易于确保组件的良率和可靠性，验证电气性能，并在生产前进一步优化设计。