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全民皆享物聯網

作者:Rolf Horn

資料提供者:Digi-Key Electronics

科技世界近來的變化比以往任何時候都快,無線應用也持續導入新的技術,毫未停歇。物聯網 (IoT) 可在生活中幾乎所有層面促進創新。將過去不曾連線的「物件」彼此連線,會帶來嶄新的資訊見解,進而轉化成有意義的改變。IoT 屬於重大技術趨勢,對舊型系統來說不僅是一項持久戰,還將牽動眾多不同產業中各種規模企業的命運。預計在 2020 年底時會有 500 億個 IoT 連線裝置,而到 2025 年將達到 1000 億個。

對熱衷於無線技術的人員而言,由於傳輸標準為適應 IoT 裝置而有所改變,因此嘗試設計新的調變機制變得再簡單不過,更何況還有許多新的感測器問世,能和無線連結相互搭配。對任何人來說,這些技術也比以往更容易取得。本文將探討這些開發進展,瞭解大家如何現在就開始運用這個經濟實惠且普及的技術。

低功率廣域網路 (LPWAN) 無線電技術可用在行動通訊基礎設施中,且已實際運用好幾年。窄頻帶物聯網 (NB-IoT)、長期演進技術機器類型通訊 (LTE-M 與 LTE-MTC),以及增強型機器類型通訊 (eMTC),都是很常見的技術。這些技術的優點在於,已經運用在既有的行動通訊塔,可管控語音和高頻寬流量。不過,只需要偶爾通報與控制的裝置並不需要高頻寬,而且許多裝置都是以電池供電,因此需要這些技術標準所促成的更低功率與更低頻寬。

其他未利用現有行動通訊網路且必須新建基礎架構的技術,包括 Sigfox、LoRa/LoRaWAN 以及 NB-Fi 等等。這些技術的缺點在於需要上行鏈路,以連接到更廣大的網際網路。雖然這些非行動通訊網路的業者提供此上行鏈路的服務,但這又是另一個需要協商的電腦網路系統。

然而,行動通訊網路業者都是大公司,要與其有效競爭,其實不切實際。最好的做法是採用符合其標準的數據機,購買其網路的「使用時間」,然後支付月租費。

非行動通訊網路只需適當的資金就能打造,但會有訊號涵蓋範圍無法遍及全球的限制,必須連接到可橋接網際網路的伺服器才能達成。無論如何,還是有許多的情況,網路並不需要全球連線。其中一個例子就是充滿組件與生產感測器的工廠。事實上,這些應用的網路必須進行隔離。

好消息是,打造低功率網路所需的行動通訊網路、晶片與模組都可取得,且網路數據月租費每個月最低只要 $3.00 美元。只需要行動通訊業者認證的數據機,任何裝置都可獲得全球上網能力。

模組式電子解決方案持續驚人地成長。設計人員可取得預先打造且經過認證的無線電,不需要像專家一樣懂得如何在晶片層級進行設計。這不只降低必要的 RF 技術敏銳度,也能讓產品更快上市。最近的一份調查,探查了模組所使用的晶片,以及客戶所購買的模組類型。令人驚訝的是,擁有必要敏銳度的公司不只購買模組上所採用的同款晶片,也會購買模組,而且購買數量都以千為單位起跳,也就是生產用的數量。這可進一步支持以下論點,也就是用較不著重成本最佳化的產品儘早進入市場,替新產品試水溫,會比從頭開始設計成本最佳化的產品來的更好。如果受測試的市場夠大,便能將產品成本最佳化一路套用到晶片層級。但還有一個層級比晶片更深入,本文稱為波形層級。

軟體定義無線電 (SDR) 能讓開發人員實驗全新的調變機制。若有獨特的需求,且設計人員有相關專業知識,就可制訂專有的無線電標準。即便沒有相關專業知識,用 SDR 進行實驗亦可讓設計人員學到許多,並享受此過程。舉例而言,本文作者的同事擁有 FM 立體聲廣播解碼的專利,可在訊號等同左或右波形的精準時刻插入基頻訊號值,且無需將系統的時脈與 RF 載波同步。此軟體做法可混合訊號解構作業,且目前都可在 SDR 中進行。此專利已經問世將近 30 年,但在當時卻是一大挑戰。如今就只要利用現成的 SDR 就可輕鬆完成。

Analog Devices 的先進學習模組 PLUTO (ADALM-PLUTO) 就是此類 SDR 之一,以 2020 年 9 月發文時來看,皆有現貨供應,只需約 150 美元即可購得。此元件透過 USB 鏈路介接個人電腦,其中含有可輕易重新配置的 FPGA,能廣泛支援 Python 程式語言,並可收發 325 MHz 至 3.8 GHz 範圍內的訊號。若設計人員真的想瞭解並使用 RF,可從此層級開始。

讓我們回頭談談特定的產品。晶片式和模組式感測器大量激增,一次皆數以百計。眾多經銷商供應成千上萬種不同的感測器,光 Digi-Key 就提供超過 210,000 種不同的感測器。

以下列舉一些可供貨的感測器類型:

其中任何一種感測器 (或任何感測器組合) 都能合併到產品中,並能透過多種無線選項連至網際網路。

例如在 maker.io 網站上,就有個展示「百葉窗控制器」連接網際網路的線上專案,其利用了 Trinamic 的 TMC5161 + Microchip 的 AVR-IoT WG + Digi-Key 的 IoT Studio Temp 達成 (圖 1)。

遙控百葉窗專案圖片圖 1:遙控百葉窗專案,如 maker.io 的專案「開始您的百葉窗控制設計並進行創新」所述。(圖片來源:maker.io)

Microchip Technology 的開發套件配有適合智慧 IoT 家庭自動化應用所需的設備,如需更多詳情,請查看:IoT 家庭自動化評估套件 (圖 2)。

Microchip 的 IoT 家庭自動化評估套件圖片圖 2:Microchip 的 IoT 家庭自動化評估套件(圖片來源:Microchip)

總結

每個人都可享受 IoT,本文所談論的開發套件只是 IoT 設計人員可取得的工具範例之一。

最後,希望您在連網世界中開發下一個可連接物聯網的重大「物件」時一切順利。

聲明:各作者及/或論壇參與者於本網站所發表之意見、理念和觀點,概不反映 Digi-Key Electronics 的意見、理念和觀點,亦非 Digi-Key Electronics 的正式原則。

關於作者

Rolf Horn

Rolf Horn 已經在 Digi-Key Electronics 的應用工程部門任職超過六年。他負責協助客戶挑選並使用先進的技術產品。Digi-Key 是全球最大且全方位服務的電子元件經銷商之一,提供超過 1000 家優質品牌製造商的 1100 萬款產品,且庫存現貨超過 260 萬款,能立即出貨。

關於出版者

Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics 總部位於美國明尼蘇達州錫夫里弗福爾斯市,是全球化的全方位服務供應商,能夠滿足電子元件的原型開發/設計以及量產需求,並透過 Digi-Key 網站提供超過 750 家優質知名品牌製造商的 650 多萬款產品。