在蜂窩工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中使用Altium Designer

“物聯(lián)網(wǎng)” (IoT) 多年來一直是熱門話題。連接和構(gòu)建“事物”似乎是每個(gè)人都在做的事情。早在 2014 年，我就在認(rèn)真考慮使用 NXP Kinetis K64 MCU 從互聯(lián)網(wǎng)上的亞當(dāng)家族獲取“東西”！

圖1.物的互聯(lián)網(wǎng)

圖2.Thing命令行界面

如果你想要一個(gè)好的笑聲，有一些額外的細(xì)節(jié) 哈卡迪遺址 .

“家”這個(gè)詞能讓人聯(lián)想起“家”這個(gè)詞云服務(wù)最終會(huì)被關(guān)閉。不幸的是，“互聯(lián)網(wǎng)連接廁所”受到了很大的壓力，當(dāng)有應(yīng)用程序是物聯(lián)網(wǎng)的理想用例時(shí)。我覺得對(duì)于許多工業(yè)場(chǎng)景來說，物聯(lián)網(wǎng)，特別是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)硬件，是一種提供持續(xù)價(jià)值的互聯(lián)解決方案的經(jīng)濟(jì)高效的方式。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是傳輸原始數(shù)據(jù)；我們現(xiàn)在可以利用云的力量將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的智能，使許多行業(yè)保持最高效率。

所有使現(xiàn)代生活成為可能的“東西”都是由大型機(jī)器驅(qū)動(dòng)的，這些機(jī)器代表著巨大的資本投資，并承擔(dān)著持續(xù)的維護(hù)成本。這些巨大的機(jī)器是允許企業(yè)運(yùn)作的價(jià)值流的一部分。像人類制造的任何設(shè)備一樣，這些機(jī)器需要維護(hù)和維護(hù)。在許多情況下，一個(gè)組織付錢給技術(shù)人員定期檢查和修理機(jī)器。技術(shù)人員的時(shí)間和管理費(fèi)用都是金錢，而且無論技術(shù)人員是組織內(nèi)部人員還是供應(yīng)商維護(hù)團(tuán)隊(duì)的一員，您都需要為此支付服務(wù)費(fèi)。最好的情況是技師可以定期（比如每月）檢查這些機(jī)器，并在出現(xiàn)問題時(shí)出現(xiàn)維修。畢竟，當(dāng)制作奧利奧餅干的機(jī)器出故障時(shí)，我們需要盡快解決問題！

在這種情況下，您可以將日常維護(hù)檢查和維修的成本計(jì)算為美元。這種每月的“訂閱”是做生意的成本。與其花錢讓人定期進(jìn)行維護(hù)檢查，不如讓數(shù)據(jù)收集自動(dòng)化，并利用云計(jì)算的力量來推斷到底發(fā)生了什么？一旦您了解了運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本的底線，您現(xiàn)在就可以看到物聯(lián)網(wǎng)和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)具有不可思議的價(jià)值。我觀察到很多人對(duì)物聯(lián)網(wǎng)“月費(fèi)”的想法很反感。在我介紹的場(chǎng)景中，這是最便宜的做生意的方式，而且它提供了持續(xù)的價(jià)值。您可以隨時(shí)隨地了解關(guān)鍵流程的狀態(tài)。在我看來，有一家公司利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)模式每年為其他公司節(jié)省數(shù)億美元。

為了使這一概念生效，我們需要我們的傳感器和邊緣設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。我認(rèn)為這是一種安全可靠的通信方式。

• 新協(xié)議有新的蜂窩協(xié)議，即CAT-M1和NB物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了低功耗（甚至是電池供電）的連接解決方案，并由投資數(shù)十億美元的網(wǎng)絡(luò)作為后盾。

• 低成本有些人可能會(huì)說“為什么不使用WIFI，這不是免費(fèi)的嗎？”。不！網(wǎng)絡(luò)連接從來都不是免費(fèi)的。你總是可以把它的成本追溯到某個(gè)地方或某個(gè)人身上?？紤]一下網(wǎng)絡(luò)工程師的時(shí)間，并考慮150美元/小時(shí)的完全負(fù)擔(dān)率，這是網(wǎng)絡(luò)安全工程師審核和提供設(shè)備的實(shí)際價(jià)格。有了手機(jī)，你可以得到每月幾美元的數(shù)據(jù)計(jì)劃。如果是月報(bào)，可以是月報(bào)。

• 即時(shí)安全部署“并行”聯(lián)網(wǎng)的思想一直是保障工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)非常重要的組成部分。使用手機(jī)，你可以發(fā)送一個(gè)解決方案，在拆箱，這不需要接觸客戶的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。用于傳感器的全球蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有10億美元的投資，允許接入人類有史以來最先進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)。

問問你自己這個(gè)問題：如果你正在解決的問題不能保證每個(gè)月花幾個(gè)錢就能遠(yuǎn)程訪問信息，那么監(jiān)控資產(chǎn)或流程是否有價(jià)值？如果我們談?wù)摰氖莾r(jià)值數(shù)萬或幾十萬美元的機(jī)器，那么決定非常簡(jiǎn)單。

使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，客戶可以在不需要每次部署都花費(fèi)網(wǎng)絡(luò)工程師的費(fèi)用的情況下獲得開箱即用的連接。我們甚至可以隔離網(wǎng)絡(luò)流量，所以物聯(lián)網(wǎng)解決方案在公共互聯(lián)網(wǎng)上永遠(yuǎn)看不到。數(shù)據(jù)可用且安全。當(dāng)您需要方便的安裝和即時(shí)的客戶價(jià)值，手機(jī)是一個(gè)很好的選擇。我目前正在一個(gè)發(fā)酵監(jiān)測(cè)平臺(tái)為工藝釀酒。對(duì)于TZero Brew服務(wù)，我們經(jīng)常被問到是否已啟用Wi-Fi。簡(jiǎn)短的回答是“不”。對(duì)于許多產(chǎn)品來說，Wi-Fi是一個(gè)糟糕的選擇，最終會(huì)侵蝕產(chǎn)品的價(jià)值主張。這似乎與流行觀點(diǎn)相反，但當(dāng)你關(guān)注客戶價(jià)值時(shí)，很容易理解為什么。我們的目標(biāo)是提供持續(xù)的價(jià)值，并在不中斷啤酒廠日常工作流程的情況下進(jìn)入啤酒廠。我們是來幫助人們專注于他們的手藝。如果解決方案不易于安裝和部署，則它無法提供價(jià)值。

圖3：細(xì)胞連接的超聲波發(fā)酵傳感器

TZero Brew產(chǎn)品從內(nèi)部設(shè)計(jì)的超聲波探頭開始。在探測(cè)器“邊緣”處理數(shù)據(jù)，并通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)將壓縮集發(fā)送到“云”。我們利用云處理的能力來做更復(fù)雜的算法來估計(jì)液體的狀態(tài)，這樣釀酒者就可以隨時(shí)隨地了解發(fā)酵罐內(nèi)的情況。有了這個(gè)模型，更新我們的算法很容易，因?yàn)樗械臇|西都部署在云中。

圖4.隨時(shí)隨地訪問您的流程

這種發(fā)酵監(jiān)控應(yīng)用程序不僅僅局限于釀造。我們可以遠(yuǎn)程訪問關(guān)鍵流體，如15萬美元冷水機(jī)組中的乙二醇，以保持關(guān)鍵流程的運(yùn)行和機(jī)器的平穩(wěn)運(yùn)行。我們甚至可以為下一代生物農(nóng)場(chǎng)提供電力合成生物學(xué)應(yīng)用 !

當(dāng)然，對(duì)于Instagram和YouTube來說，Wi-Fi是一個(gè)有用的數(shù)據(jù)管道。對(duì)于工業(yè)級(jí)服務(wù)，Wi-Fi并不總是為客戶提供最大價(jià)值。在TZero，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)入云中時(shí)，我們遇到了兩種一般情況：

1. 你走進(jìn)一個(gè)客戶所在地，后屋里有一個(gè)消費(fèi)級(jí)路由器和交換機(jī)。偉大的。您將獲得Wi-Fi密碼和默認(rèn)SSID。這是為了安全嗎？你愿意讓衣柜里的消費(fèi)者級(jí)路由器來控制你的服務(wù)質(zhì)量嗎？即使是最好的意圖也會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的服務(wù)。

2. 一個(gè)更大的組織幾乎肯定會(huì)有IT員工和某種形式的數(shù)字安全策略。在這種情況下，如果沒有某種程度的審核，您將無法連接到他們的網(wǎng)絡(luò)（有線或無線）。這并不簡(jiǎn)單，可能需要數(shù)周的繁文縟節(jié)和審批。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)工程師花費(fèi)多少時(shí)間？客戶和解決方案提供商都會(huì)產(chǎn)生不小的部署成本。

我們的解決方案通過使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)完全繞過了連接難題。再加上一些設(shè)備可能在外面，沒有WIFI連接。解決方案在第一天就準(zhǔn)備好并配置好了。事實(shí)上，手機(jī)覆蓋并不是無處不在，但我認(rèn)為它是在大多數(shù)關(guān)鍵過程所在的地方。它可以覆蓋廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。再加上CAT-M1和NB-IoT等技術(shù)可以比手機(jī)蜂窩芯片組中使用的調(diào)制方案更進(jìn)一步。這一能力被納入3GPP標(biāo)準(zhǔn)，它們是為物聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計(jì)的。

這些年來，手機(jī)解決方案的價(jià)格大幅下降。曾經(jīng)，獲得解決方案的唯一方法是在PCB模塊上使用打包的解決方案。現(xiàn)在有一些PCB級(jí)的解決方案，它們成本低，易于集成到您的設(shè)計(jì)中，并且具有各種功能，包括在單個(gè)解決方案中運(yùn)行應(yīng)用程序代碼。北歐半導(dǎo)體就是其中之一9160尼泊爾盧比 :

圖5.nRF9160蜂窩SIP

nRF9160包含兩個(gè)處理器。有一個(gè)Cortex M33內(nèi)核，帶有1MB閃存和256KB RAM，與專用于蜂窩通信的網(wǎng)絡(luò)處理器相連。除了能夠在CAT-M1和NB物聯(lián)網(wǎng)上工作外，它還支持GPS。該模塊有足夠的功率來處理任何本地傳感器/邊緣處理，并處理TLS安全堆棧，同時(shí)能夠參與蜂窩網(wǎng)絡(luò)。所有這些價(jià)格都在16美元，數(shù)量為1k。有沒有GPS的選擇更便宜。這是一個(gè)非常好的交易，也是移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)模塊的游戲規(guī)則改變者。nRF9160針對(duì)低/功率電池應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)整，這些應(yīng)用可以使網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)閃爍數(shù)年。

我最喜歡的nRF9160是北歐給你他們的開發(fā)工具包設(shè)計(jì)完整的Altium文件。這意味著您對(duì)原理圖符號(hào)、示意圖和RF布局都有準(zhǔn)確的參考。你可以看到天線匹配網(wǎng)絡(luò)以及GPS低噪聲放大器。例如，下面是一個(gè)示例鈥 事情91“原型工具

圖 5. Nordic Thingy:91 Altium 參考設(shè)計(jì)文件

圖 5. Nordic Thingy:91 Altium 參考設(shè)計(jì)文件

圖 5. Nordic Thingy:91 Altium 參考設(shè)計(jì)文件

執(zhí)行你的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)所需的一切都在那里。Nordic還為 挪威盧比9160丹麥克朗，這對(duì)我來說是一個(gè)巨大的價(jià)值。目前，我們正在為TZero Brew產(chǎn)品進(jìn)行其他設(shè)計(jì)，以支持合成生物學(xué)和乙二醇監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。使用北歐參考，我能夠在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備好我的設(shè)計(jì)。甚至還有“刺”的空間。

圖6.使用nRF9160 DK參考文件的快速轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)原型

這里要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，我能夠快速完成一個(gè)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)，這樣我們就可以很快得到預(yù)算估計(jì)，從而做出決策。我提倡快速犯錯(cuò)，而北歐人使硬件設(shè)計(jì)過程變得非常容易。參考資料不停留在硬件上；Nordic還提供優(yōu)秀的軟件支持，以最大限度地利用該模塊。提供了一個(gè)基于Zephyr實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的SDK來引導(dǎo)固件工作。北歐設(shè)定了提供文件和參考設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)！

我希望我已經(jīng)給了你一些關(guān)于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。在您的產(chǎn)品中開始使用蜂窩通信是前所未有的簡(jiǎn)單。