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第55期:走进LPWAN开发者的世界

简介:
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【主题】走进LPWAN开发者的世界

【讲师】林克坚 洲斯物联总经理

【时间】7月29日 晚20:00-21:00

【地点】物联网智库微信群

【提纲】

1.LPWAN产品的技术指标:从华为的NB-IoT –Enabling New Business Opportunities 分析;

2.Low Power 的详细计算:如何定义产品的功耗;

3.RTOS(实时操作系统)vs Android:智能机还是功能机;

4.天线、天线、天线:重要的事情说3遍;

5.开发中遇到的一些问题和解决的思路。

【讲师简介】

林克坚:IEEE 会员,Oracle认证系统架构师,信息系统高级项目经理,进入RFID及物联网行业超过8年,曾全面负责全球首款可读取二代身份证和RFID标签Android智能机,对物联网行业的上下游,包括技术导向、供应链、认证体系有深刻的运营思路,对移动物联网技术技术的研发、管理有很强的把握能力。

 

林克坚3.jpg

林克坚:

大家好,我是我司洲斯物联CEO林克坚,微信号码:3511283。很荣幸得到全国低功耗广域网产业联盟的邀请,在这里给大家分享一些关于研发、生产低功耗广域网产品的经验。

今天将从以下几个方面进行分享:

 

LPWAN产品的技术指标:从华为的NB-IoT –Enabling New Business OpportuniTexas Instrumentses 分析;

Low Power的详细计算:如何定义产品的功耗;

RTOS(实时操作系统)vs Android:智能机还是功能机;

天线、天线、天线:重要的事情说3遍;

开发中遇到的一些问题和解决的思路。

 

 LPWAN产品的技术指标

 

1.jpg

 

 上面的图换算成可量化的数据:

1、无线传输距离1公里~20公里+

2、2Ah 电池可以工作10年,每年不超过200mAh

3 、每个网关/基站可以连接5万个节点

在上述的三点中,这里主要讲述影响传输距离的关键指标

2.jpg

上图中,左边为发射端,右边为接收端

  Pt:发射功率

  d:距离

  Pr:接收功率

  f:频率

显然:要提高距离d,只有2个方案,增加发射功率,降低工作频率。这就是为什么无论是NB-IoT ,Lora,我司洲斯物联 interBow等都选用了低于1GHz的频段进行数据通信。

3.jpg

这是Sub 1GHz和Zigbee、WiFi之间的比较,数据来自TI。

我司洲斯物联因为不制造射频的IC,所以洲斯物联的产品采用的是Texas Instruments的方案。这里,给大家共享下Texas Instruments关于IoT的一些背景资料。Sigfox, Lora等都是殊途同归,有友商的朋友可以一起共享相关的资料。NB-IoT因为还没有明确的IC提供,希望华为的朋友能提供更多的资料。

第一部分的结论:只有低于1G的射频更适合LPWAN。

 

Low Power的详细计算:如何定义产品的功耗

 

要实现数年不更换电池,核心的任务就是降低功耗,先来看一组功耗的测算:

4.jpg

上面的表格要做到的核心就是要做好平均待机功耗,将待机功耗做到3µA以下,目前业界流行的RF SoC或低功耗的MCU,要做到这个指标是非常容易的事情,只要将MCU,RF彻底休眠即可。

但是,问题来了,如果产品彻底休眠,这个产品就是一个会说话的聋子,只会喊话,无法接收任何无线数据,根本谈不上智能硬件,而要打开RF接收功能,待机功耗要增加1000倍以上,这里给大家提供下解决的方案:

第一步:在一个较短的周期内(比如2秒),利用1ms左右的周期,打开接收,侦听空气中是否有相关的载波,没有的话立即关闭侦听,如下图:

5.jpg

第二步:如果第一步确认了载波存在,且RSSI大于一个指定的数值,则继续侦听5ms左右,接收有效的无线数据,实现在低功耗下的既可以发射,又可以接收,同时待机功耗可以达到要求,如下图:

6.jpg

第二部分结论:从产品的实际效果来说,整个实现双向通信的产品,整体待机功耗可以控制在4.5µA以下,实现超过18个月的电池更换周期。

 

RTOS(实时操作系统)vs Android

 

在智能手机领域,无论是华为 EMUI、三星、小米 MiUI、魅族Flyme,都是基于Android,通过裁剪、整合后的操作系统,做智能硬件产品,从硬件性能的角度考虑,往往只有64K ROM ,4K RAM,Android肯定不适用,同样需要一个类似Android 的操作系统,而答案就是——嵌入式RTOS!

一个典型的RTOS系统的作用:

 

异步的事件响应

切换时间和中断延迟时间确定

优先级中断和调度

抢占式调度

内存管理

 

流行的RTOS 有:

7.jpg

华为的LiteOS 也宣布过开源,目前可以找到的资料不多。

从成本的角度考虑,目前FreeRTOS是最好的选择。但是,开源的项目资料较少,对软件研发团队要求很高,大家可以根据实际情况选择。

第三部分结论:选择一个RTOS要根据主控芯片的型号和支持的程度,团队成员的能力和背景综合考虑,一旦选定,几乎无法再更换。Nokia选择了Microsoft的Windows Phone作为OS,同一个硬件和团队在支持Android就变成了不可能完成的任务。一定要选择一个合适的RTOS,否则,在开发的后期和维护的时期将有大量不可预知的缺陷在你的产品中暴露。

 

天线、天线、天线(重要的事说三遍)

 

先看一个我司洲斯物联设计的天线:

8.jpg

433MHzFPC天线外观图,天线的尺寸为33mm*11mm

常识普及:天线的长短是根据中心工作频率的波长来决定的,波长和频率的关系是倒数关系,具体的计算公式是:波长(单位:米)=300/频率(单位:MHz)

中心频率为2400MHz时,波长就是0.125米。而430MHz的波长是0.7米,所以430MHz左右的信号又被叫做70厘米波。而使用天线的长短和波长成正比,所以和频率成反比,频率越高,波长越短,天线也就可以做得越短。天线的长度并不等于一个波长,往往是1/4波长或者1/2波长。要想把2.4G的天线做到33mm*11mm尺寸是很容易就实现的,但是把433MHz天线做到这个尺寸,又要保证天线的各项参数满足工程要求就是一件比较难的事情。

我们使用的U段和V段都有一个比较宽的范围,U段从430到440,有10MHz的宽度,V段从144到146有2M的宽度,而天线的最佳点(也就是长度和波长最匹配的频率点)理论上就在某一个频率上。保持在整个频率范围内都有比较好的特性,这就是天线好坏的一个重要特征。

9.jpg

上图是FPC天线参数的测量实验图,在433MHz频点阻抗值为54-1.2*j,S11参数为-27dB。阻抗天线对通连的效果是至关重要的,一副好的天线可以让你用比别人低得多的发射功率把信号送到同样远的地方,或者说,用同样的功率,一副好天线可以把信号送到更远的地方。

第四部分总结:新团队在设计天线时,务必寻求有经验者的帮助,因为任何软件设计出的天线和实际的结果差异巨大。天线的设计接近于艺术创作,而不是工程设计。

 

开发中遇到的一些问题和解决思路

 

一、电池

电池的标称容量是理论值,如果按照理论值进行功耗计算,产品绝对达不到设计指标,原因包括:

  • 电池本身会自放电

  • 温度对电量有很大的影响

  • 脉冲式的大电流放点对电量影响大

所以,我司洲斯物联的经验是,如果室内使用的,一般按照标称电量的75%计算,如果是冰箱内使用的传感器,特别是冷冻环境下使用,可以按照55%计算,保障产品在实际环境中达到宣传的时间。

二、晶振对射频的影响巨大

曲线不稳定的晶振对应的产品,也能发射和接收,但实际的传输距离只有正常产品的1/3,且在距离比较近的环境下,误码率提高了一个数量级。

三、射频部分的参考设计 (reference design)

所有的IC厂家都会提供不同判断下的参考设计,大家请看下面2个测试图例:

10.jpg

11.jpg

注意,左上角红色数值!第一个是根据参考设计做的,第二个是在参考设计上最终调优后的结果。

第五部分结论:从结果分析,第二个的射频性能提高了50%,其实本质上只调整了2个电容和1个电感,成本大约增加2毛钱,性能和稳定性有大幅提高,所以千万不要迷信厂家的参考设计。

以上就是今天我要与大家分享的内容,谢谢各位。

【课后提问环节】

【问题】1.基于LPWAN开发者群体的现状如何?相比基于其他通信方式的开发者,处于什么阶段?

【回答】做蓝牙通信产品的,基本上在小米和苹果的夹缝中生存,做WiFi通信产品的,相关的方案都比较成熟,相对来说难度小一点。

从技术角度分析, 做LPWAN产品的,不但要做终端产品,而且要同步的做网关产品,产品线长,需要的资源多,团队相对都比较完整,从行业来说,目前主要都是面向行业应用的,行业应用的特点是相对毛利率高,但数量小,几乎不可能出爆款的产品。

简单来说,生存压力没这么大,但是想要IPO还有很长的路要走。竞争虽然不激烈,核心芯片还在老外手里,利润还是大量流向国外。

【问题】 林总,您那边用的是TI 的哪个方案么?Zigbee还是cc1310?  在国内用的哪个频率?

【回答】 cc1310;433 or 470

【追问】你们测试实际距离多远?

【回答】不加pa 2公里,加pa 10公里(城市环境)。

【追问】速率呢?

【回答】速率要和功耗平衡,我喜欢50k bps,极限情况用0.625k bps,但太费电了。

【追问】城市环境 加pa功率到达多少?速率多少?能到10km?

【回答】20dbm


【问题】LPWAN商用有哪些行业是刚性需求,具体案例?

【回答】冷链:

12.jpg

13.jpg

14.jpg

 

【问题】部分案例可以通过普通zigbee, Bluetooth 和WAN实现, 比较起来LPWAN 优势在那里

【回答】今天其实主要就是解决这个问题,其实看第一个华为的文件就可以了。

【交流】我是想部分案例两种方法都可以实现...

【交流】有必要的,如果成本不是问题是话,关键还是功耗。ZKS的所有产品都是一节纽扣电池工作两年以上,其实理论上都会在三年以上,但是电池不靠谱啊


【问题】林总,ZKSmart Black BOX是通过3G/4G回传数据的吧?

【回答】对。互联网的事情物联网搞不定,等NB-IoT。

【追问】请教下,你们当时选择TI CC1310这颗SOC主要的考量是什么?还比较过其他哪些可以做LPWAN的方案吗?觉得主要优势在哪里?

【回答】我的首席科学家来自 TI Norway。这颗ic 他参与设计了,上手快啊。然后有问题直接norway fae。

【追问】从终端到Black Box都是私有通信协议吧?

【回答】对。

【交流】行业客户就需要定制私有通信协议 。

【交流】对啊,别说数据,连密钥都要求不一样。

【交流】这个我们也深有体会,行业与行业的需求差异是巨大的。








原文出处:物联网智库
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