智能家庭IoT 無(wú)線(xiàn)模組技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

陳利歡

（杭州涂鴉信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

近幾年，隨著人工智能物聯(lián)網(wǎng)（Artificial Intelligence & Internet of Things，AIoT）產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，各個(gè)垂直行業(yè)應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展。預(yù)計(jì)到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（包括蜂窩和非蜂窩）聯(lián)網(wǎng)數(shù)量將達(dá)到252 億，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為15.3%。通常情況下，每增加一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)，將增加1 ～2個(gè)無(wú)線(xiàn)模組。2018 年全球物聯(lián)網(wǎng)模組出貨量為2.35億片，預(yù)計(jì)到2023 年將增長(zhǎng)到15 億片，復(fù)合年均增長(zhǎng)率（Compound Annual Growth Rate，CAGR）達(dá)到45%［1］。在智能家庭環(huán)境，采用各種無(wú)線(xiàn)通信制式如WiFi、Zigbee 及BLE 的IoT 模組等互相補(bǔ)充，為用戶(hù)構(gòu)建了多樣化、基于場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)應(yīng)用，如內(nèi)嵌無(wú)線(xiàn)模組的智能球泡燈、智能植物生長(zhǎng)機(jī)、無(wú)線(xiàn)溫濕度傳感器、智能掃地機(jī)以及智能中控面板等。這些智能產(chǎn)品越來(lái)越多地進(jìn)入尋常百姓家庭，為用戶(hù)提供了各種智能化體驗(yàn)和服務(wù)。因此，以智能家庭環(huán)境下的WiFi 模組為例，系統(tǒng)闡述無(wú)線(xiàn)模組設(shè)計(jì)及導(dǎo)入過(guò)程中需要重點(diǎn)評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

1 WiFi 模組應(yīng)用拓?fù)?/h2>

典型的智能家庭環(huán)境無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1 所示［2］。手機(jī)通過(guò)對(duì)應(yīng)的App 操作智能終端，智能終端通過(guò)WiFi 模組連接到無(wú)線(xiàn)路由器，無(wú)線(xiàn)路由器通過(guò)2G、3G、4G 及5G 無(wú)線(xiàn)接口或有線(xiàn)寬帶接口等連接到遠(yuǎn)端云服務(wù)器。

2 IoT 模組設(shè)計(jì)技術(shù)考量點(diǎn)

2.1 室內(nèi)環(huán)境下無(wú)線(xiàn)信號(hào)的衰減

為了保證無(wú)線(xiàn)模組在實(shí)際家庭環(huán)境的最佳傳輸效果，保證模組與無(wú)線(xiàn)路由器之間的連接鏈路可靠，需要確保模組的基本收/發(fā)指標(biāo)。模組出廠時(shí)，借助產(chǎn)線(xiàn)儀器和產(chǎn)測(cè)工具對(duì)每一片模組進(jìn)行精確功率校準(zhǔn)，使得模組在各個(gè)模式下的功率值都處于額定范圍。例如，針對(duì)支持IEEE 802.11 b/g/n 模式的模組，出廠時(shí)通過(guò)射頻儀器和對(duì)應(yīng)的產(chǎn)測(cè)工具，校準(zhǔn)各個(gè)工作模式下的目標(biāo)功率到額定范圍，確保模組在實(shí)際工作中功率準(zhǔn)確。同時(shí)，在研發(fā)階段，通過(guò)信令和非信令等方式，確保模組在各個(gè)模式下的靜態(tài)接收靈敏度符合要求。以某WiFi 平臺(tái)為例，各模式高速率下的目標(biāo)功率設(shè)置和接收靈敏度如表1 所示。

圖1 家庭環(huán)境IoT 連接框圖

表1 某WiFi 平臺(tái)在不同工作模式下的功率和接收靈敏度

整體產(chǎn)品中，實(shí)際加上了天線(xiàn)輻射效果和結(jié)構(gòu)件堆疊因素，可以對(duì)整機(jī)進(jìn)行總輻射功率（Total Radiated Power，TRP）/總接收靈敏度（Total Isotropic Sensitivity，TIS）性能測(cè)試。整機(jī)TRP/TIS 衡量的是產(chǎn)品在信令模式下工作時(shí)，以輻射形式表現(xiàn)出來(lái)的全向發(fā)射和全向接收性能，是一個(gè)空間積分的概念。例如，在信令連接11b 1 Mb/s 模式下，可以要求整機(jī)的TRP≥10 dBm、TIS≤-70 dBm，代表輻射的無(wú)線(xiàn)設(shè)備整體效果良好。

2.2 無(wú)線(xiàn)設(shè)備抗干擾能力

由于智能設(shè)備工作在ISM 頻段（2 400 ～2 500 MHz），實(shí)際接收通道會(huì)收到來(lái)自整個(gè)ISM 頻段內(nèi)其他無(wú)線(xiàn)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)，也會(huì)接收到來(lái)自ISM 頻段之外的無(wú)線(xiàn)信號(hào)。根據(jù)干擾信號(hào)的具體來(lái)源與頻率分布，可以把接收機(jī)抗干擾性能分為抗帶內(nèi)同頻干擾和抗帶外Blocking 信號(hào)兩種，分別稱(chēng)之為抗同頻干擾性能和RX Blocking 性能［3］。實(shí)際操作中，評(píng)估抗帶內(nèi)干擾能力時(shí)，用矢量信號(hào)源產(chǎn)生微弱有用信號(hào)和與之同頻的干擾信號(hào)，通過(guò)耦合器一起饋入待測(cè)設(shè)備的接收鏈路，檢測(cè)設(shè)備對(duì)微弱信號(hào)的恢復(fù)接收能力是否造成了影響及影響程度。

常見(jiàn)的WiFi 設(shè)備工作時(shí)都處于非跳頻、可支持自適應(yīng)的工作模式，且最大發(fā)射功率≥10 dBm，因此按照CE 法規(guī)的定義屬于一類(lèi)設(shè)備。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確標(biāo)識(shí)了不同類(lèi)別的設(shè)備所施加Blocking 信號(hào)的頻率具體分布點(diǎn)和所施加干擾信號(hào)的調(diào)制類(lèi)型與功率水平，以衡量存在帶外干擾信號(hào)時(shí)設(shè)備的接收能力是否達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。如果未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則需要通過(guò)調(diào)整接收通道的濾波器、衰減設(shè)置等以滿(mǎn)足認(rèn)證要求。

另外，設(shè)備正常工作時(shí)需要保證發(fā)送諧波、頻譜邊帶、頻譜Mask 包絡(luò)以及接收諧波水平等指標(biāo)滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)的SRRC、FCC 及CE 法規(guī)要求。出口到其他國(guó)家或地區(qū)的設(shè)備，需要滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)國(guó)家或地區(qū)的認(rèn)證法規(guī)要求。

2.3 設(shè)備開(kāi)關(guān)機(jī)及電源時(shí)序要求

很多智能家庭設(shè)備如智能墻插面板或掃地機(jī)等，存在反復(fù)多次開(kāi)關(guān)機(jī)操作或者電源適配器多次上下電的情況，如掃地機(jī)接觸充電底座頻繁進(jìn)行上下電。從成本與方案競(jìng)爭(zhēng)力的角度看，智能球泡燈和智能插座這類(lèi)價(jià)值不高的單品一般都是系統(tǒng)級(jí)芯片（System on Chip，SoC）方案，其中WiFi 芯片既是無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)單元也是任務(wù)處理單元（Micro Control Unit，MCU）。針對(duì)這類(lèi)設(shè)備，如果開(kāi)關(guān)機(jī)操作導(dǎo)致SoC 無(wú)法復(fù)位或者上下電導(dǎo)致了模組上電時(shí)序異常就會(huì)引起死機(jī)，導(dǎo)致無(wú)法完成上電初始化。針對(duì)上下電操作或者設(shè)備上電的時(shí)序要求，需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行充分測(cè)試，以暴露問(wèn)題。必要時(shí)需增加單獨(dú)的復(fù)位電路，以確保SoC 的上下電操作正常。

2.4 設(shè)備低功耗要求

隨著IoT 設(shè)備的逐步普及，用戶(hù)對(duì)設(shè)備待機(jī)工作時(shí)間和設(shè)備響應(yīng)速度等有了更高的要求［4］。例如，WiFi 門(mén)磁一般會(huì)搭配一節(jié)容量為1 000 mAh 的鎳氫電池，保證其至少一年的待機(jī)工作時(shí)間；低功耗智能WiFi 門(mén)鎖也要保證一定的持續(xù)工作時(shí)間。如果功耗過(guò)大需要頻繁更換電池，將會(huì)對(duì)用戶(hù)體驗(yàn)產(chǎn)生不利影響。

WiFi 設(shè)備的常見(jiàn)低功耗策略是按照指定的傳輸流量指示消息（Delivery Traffic Indication Message，DTIM）周期喚醒接收來(lái)自無(wú)線(xiàn)路由器的Beacon 幀，同時(shí)設(shè)備每隔一段時(shí)間發(fā)送一個(gè)NULL 包給無(wú)線(xiàn)路由器作為心跳包。設(shè)備常聯(lián)網(wǎng)模式下的電流一般由系統(tǒng)休眠時(shí)的底電流、設(shè)備喚醒后進(jìn)行Beacon 幀接收的電流以及設(shè)備發(fā)送NULL 心跳包的電流3 部分組成，其中設(shè)備喚醒后進(jìn)行Beacon 幀接收的電流又分為等待Beacon 接收和接收Beacon 兩個(gè)時(shí)間段的電流。上述電流水平與設(shè)備處于接收模式或發(fā)送模式下的電流都存在直接的關(guān)聯(lián)。

可以用DTIM1 模式下的平均電流預(yù)估設(shè)備的工作時(shí)間。例如，一個(gè)搭載1 000 mAh 電池容量的智能WiFi 設(shè)備，在DTIM1 模式下的平均功耗為0.1 mA，那么預(yù)估一天的耗電量為2.4 mAh，整體待機(jī)工作時(shí)間為1 000 mAh/2.4 mAh/365 天=1.14 年?？紤]到用戶(hù)實(shí)際的操作頻次和喚醒狀態(tài)下操作時(shí)功耗更大，設(shè)備功耗還需要進(jìn)一步優(yōu)化才能滿(mǎn)足一年的預(yù)期電池壽命，從而避免頻繁更換電池。

針對(duì)部分搭載紐扣鋰電池的無(wú)線(xiàn)終端設(shè)備，選用的SoC 平臺(tái)最低工作電壓需要支持到2.3 V。鋰電池標(biāo)稱(chēng)電壓一般為3.0 V，隨著電池的逐步放電，需要保證電壓到2.3 V 時(shí)設(shè)備還能正常工作，以盡可能地延長(zhǎng)電池的工作壽命。同時(shí)，在研發(fā)階段，需要保證無(wú)線(xiàn)模塊開(kāi)啟瞬間發(fā)送大電流時(shí)不會(huì)拉低電池電壓，也不會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生沖擊影響。

2.5 設(shè)備穩(wěn)定性工作要求

為了保證無(wú)線(xiàn)智能設(shè)備的工作壽命，在智能模組集成到單品時(shí)需要做一系列的老化及穩(wěn)定性測(cè)試，如表面防靜電水平測(cè)試、高溫穩(wěn)定性測(cè)試、低溫啟動(dòng)測(cè)試以及高低溫循環(huán)測(cè)試等，具體的測(cè)試模型可根據(jù)具體設(shè)備類(lèi)型做適當(dāng)?shù)淖兓{(diào)整。例如，針對(duì)智能球泡燈，如果嵌入的無(wú)線(xiàn)模組離燈腔光源部分很近，則需要保證其在-20 ～+105 ℃區(qū)間內(nèi)的高低溫工作穩(wěn)定性。此時(shí)，可通過(guò)掛機(jī)來(lái)查看上/下線(xiàn)時(shí)間記錄或通過(guò)操控App 查看設(shè)備響應(yīng)延時(shí)等，判斷模組在高低溫環(huán)境下的工作狀態(tài)是否正常。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著AIoT 行業(yè)的深入發(fā)展，IoT 無(wú)線(xiàn)模組的應(yīng)用越來(lái)越廣，使得越來(lái)越多集成了無(wú)線(xiàn)模組的智能聯(lián)網(wǎng)設(shè)備走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)［5］。在IoT 模組尤其是WiFi 無(wú)線(xiàn)模組的集成設(shè)計(jì)階段，需要系統(tǒng)評(píng)估各類(lèi)指標(biāo)性能，以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信距離、設(shè)備工作功耗、聯(lián)網(wǎng)工作穩(wěn)定性以及相應(yīng)國(guó)家或地區(qū)的認(rèn)證法規(guī)要求。如果某個(gè)維度的指標(biāo)存在短板，將會(huì)對(duì)智能家庭設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用體驗(yàn)造成不利影響。因此，IoT 模組的設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)的需求規(guī)劃、詳細(xì)的鏈路推算以及完備的測(cè)試流程，以保障智能設(shè)備的整體性能與使用體驗(yàn)。