據(jù)技術(shù)行業(yè)研究公司Gartner表示，物聯(lián)網(wǎng)中每天增加的"事物"多達(dá)550萬件。截止2020年，預(yù)計總數(shù)將達(dá)208億。鑒于這種爆炸式增長，檢查連接所有事物并在它們之間實現(xiàn)通信的互聯(lián)網(wǎng)勢在必行。然而，在這些設(shè)備之間建立可靠的無線連接是物聯(lián)網(wǎng)的最大挑戰(zhàn)之一。

通信系統(tǒng)的可靠性可以用兩個關(guān)鍵元件的性能來定義：射頻收發(fā)器和通信微控制器。本文以ADI公司打造的智能農(nóng)業(yè)實踐項目——番茄物聯(lián)網(wǎng)為例，討論基于ADI公司關(guān)鍵的射頻收發(fā)器和通信微控制器，以及相關(guān)的軟件解決方案，如何能夠最大程度地提高系統(tǒng)級可靠性，以支持對數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性以及洞察有極高要求的高影響力應(yīng)用。

打造智能農(nóng)業(yè)愿景的創(chuàng)新樣本——番茄物聯(lián)網(wǎng)

本文要談?wù)摰闹黝}是從ADI公司與新英格蘭的番茄農(nóng)場主合作開發(fā)相關(guān)技術(shù)開始，ADI公司利用其在檢測、測量、轉(zhuǎn)換方面的專業(yè)技術(shù)，以及對物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的深入研究，構(gòu)建了完整的從傳感器到云端的解決方案，將讓農(nóng)場主能夠在整個種植周期內(nèi)做出更好的決策，最終改善番茄的品質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境成效。該系統(tǒng)是面向美國和歐洲農(nóng)業(yè)市場的無線環(huán)境監(jiān)控解決方案，它能有效提供及時可行的信息，讓種植者能夠更好地利用自然資源，并更好地預(yù)測作物生長周期。該項目也代表了ADI公司對智能農(nóng)業(yè)的愿景。

該系統(tǒng)包括一組無線傳感器節(jié)點，一臺網(wǎng)關(guān)設(shè)備以及ADI Connect云平臺，每個無線傳感器節(jié)點都帶有微控制器，即ADuCM3029超低功耗Cortex M3，以及ADF7030-1低功耗sub-GHz無線電，還有一套傳感器，用于測量溫度、濕度、環(huán)境光照和方向。系統(tǒng)每15分鐘喚醒一次，收集傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲在本地，每天喚醒一次，將完整數(shù)據(jù)集傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過這種方式，充分利用了ADuCM3029的超低休眠電流（750nA）以及無線電的超低休眠電流（10nA）。

該系統(tǒng)可以輕松部署在農(nóng)場中，現(xiàn)場部署可采用電池供電，一次可工作10年以上，50個節(jié)點連接到單個網(wǎng)關(guān)，相互間距半英里，今天我?guī)砹嗽?，這是在馬薩諸塞農(nóng)場上部署的早期原型，專用于西紅柿種植，該系統(tǒng)的設(shè)計適用于任何作物，我們可以看到它顯著改進(jìn)了西紅柿種植。

工程師在農(nóng)田現(xiàn)場進(jìn)行番茄物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測測試

這個原型使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)連接到一部充當(dāng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的iPad，收集一套傳感器數(shù)據(jù)每隔30秒就將這些數(shù)據(jù)傳送至iPad，這部iPad連接到互聯(lián)網(wǎng)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸DI Connect云平臺。在屏幕上我們可以看到結(jié)果，屏幕左側(cè)顯示原始數(shù)據(jù)，屏幕右側(cè)顯示計算的合成結(jié)果，特別是蒸氣壓差，它代表非常潮濕、完全飽和的空氣，與作物周邊實際空氣之間的區(qū)別

隨著蒸氣壓差減小，空氣變得更加潮濕，如果蒸氣壓差太低，植物的葉子可能腐爛，這會對植物健康構(gòu)成威脅，生長度日是代表植物成熟程度的合成值，幫助種植者了解何時可以收割作物

硬件平臺剖析：射頻收發(fā)器和通信處理器

50多年來，ADI公司一直致力于設(shè)計魯棒的解決方案來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的超穩(wěn)健系統(tǒng)要求并不算新的挑戰(zhàn)。超低功耗、sub-GHz ISM頻段無線電器件ADF7030-1旨在提供可實現(xiàn)最穩(wěn)定通信鏈路的性能級別和功能特性。

ADF7030-1是ADI公司兩年前推出的一款低功耗、高性能的無線電收發(fā)器，適合電池供電應(yīng)用。就接收器非常關(guān)鍵的靈敏度性能而言，ADF7030-1在業(yè)界具有非常突出的性能表現(xiàn)，在很多情況下，ADF7030-1能夠接收低于其他無線電器件可接收功率3 dB的無線電信號。這意味著，即使信號的強度低于其競爭產(chǎn)品可接收功率的一半，該器件仍可接收到該信號。

基于ADuCM3029和ADF7030-1的低功耗sub-GHz無線電的無線傳感器節(jié)點

對于像智慧農(nóng)業(yè)等很多基于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點應(yīng)用，更低的功耗能延長電池使用壽命從而大大節(jié)省維護(hù)成本。ADF7030-1提供了低功耗模式，智能喚醒功能可以實現(xiàn)很低的整體功耗。在進(jìn)入低功耗休眠模式，在保留存儲器數(shù)據(jù)的情況下，功耗僅為10 nA。此外，由于能夠?qū)崿F(xiàn)更加可靠的無線連接，減少重試次數(shù)和數(shù)據(jù)包丟失，ADF7030-1的高性能還能進(jìn)一步延長電池壽命。

新型ADF7030-1 sub-GHz集成式無線電收發(fā)器支持窄帶和寬帶通信，在sub-GHz ISM頻段內(nèi)工作，數(shù)據(jù)速率在0.1 kbps至300 kbps之間，使用2GFSK調(diào)制。該無線電收發(fā)器還支持無線M-Bus (WMBUS)協(xié)議和基于IEEE 802.15.4g的協(xié)議。新型收發(fā)器提供出色的接收機靈敏度，最大程度地增加鏈路預(yù)算，支持更大范圍小區(qū)，具有很高的抗干擾能力，還能提高系統(tǒng)可靠性。在整個工作溫度范圍內(nèi)，采用ADF7030-1的設(shè)備的輸出功率變化不超過0.2 dB（同類競爭產(chǎn)品相應(yīng)的變化高達(dá)2 dB）。

ADF7030-1無線電收發(fā)器非常注重靈活性和易用性，采用片上ARM® Cortex®-M0無線電處理器，用于執(zhí)行無線電控制和校準(zhǔn)，其時序控制可以減少工程設(shè)計開發(fā)時間。高度可編程的數(shù)據(jù)包處理程序可以簡化主機微處理器上的編程接口和代碼開發(fā)，從而節(jié)省寶貴的時間。

ADuCM3029微控制器單元是一款集成電源管理的超低功耗微控制器系統(tǒng)，可用于處理、控制和連接。該MCU系統(tǒng)基于ARM Cortex-M3處理器，由數(shù)字外設(shè)、嵌入式SRAM和閃存、模擬子系統(tǒng)（提供時鐘、復(fù)位和電源管理 功能）以及ADC子系統(tǒng)組成。此外，ADuCM3029具有閃存和ECC奇偶校驗檢查功能，可確保識別存儲器損壞造成的錯誤并盡可能地糾正錯誤。另外，ADuCM3029還在休眠模式下配備電池監(jiān)控功能。這確?？蓹z測到電壓的意外下降并提醒處理器可能存在惡意威脅或電源故障。然后，終端設(shè)備可采取相應(yīng)的措施，提醒管理員或進(jìn)入安全模式，以確保更廣泛的系統(tǒng)不會被入侵。

本文總結(jié)

憑借ADuCM3029超低功耗處理器性能以及ADF7030-1低功耗sub-GHz無線電功能，ADI打造的這套系統(tǒng)在每15分鐘喚醒一次收集傳感器數(shù)據(jù)并存儲在本地，每天喚醒一次將完整數(shù)據(jù)集傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)設(shè)備。通過這種方式充分利用了ADuCM3029的超低休眠電流（750nA）以及無線電的超低休眠電流（10nA），使得對于電池供電的類似傳感器無線網(wǎng)絡(luò)在確保無線信號采集性能的同時，有效大大降低系統(tǒng)功耗從而降低系統(tǒng)維護(hù)成本。

ADI公司開發(fā)的技術(shù)遍及物聯(lián)網(wǎng)信號鏈的每個階段，從檢測和測量到解析和連接數(shù)據(jù)，無處不在。確保這個信號鏈中所產(chǎn)生信息的質(zhì)量和完整性是這個“樣版工程”以及任何類似無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)計原則，也是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)真正潛力的基本要求。