一文讀懂LPWA技術(shù)應(yīng)用和組網(wǎng)器件選擇

物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景讓“舊”的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)很不適應(yīng)，不管是傳統(tǒng)的近距離無(wú)線接入技術(shù)和移動(dòng)蜂窩網(wǎng)技術(shù)，都暴露出明顯的不足，研發(fā)一種新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迫在眉睫。LPWA(Low Power Wide Area，低功耗廣域)技術(shù)就是在這樣的大背景下誕生的。

LPWA市場(chǎng)增長(zhǎng)趨勢(shì)

LPWA能夠在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代被廣泛接受有其自身優(yōu)勢(shì)。第一，LPWA技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高數(shù)據(jù)量接入，以NB-IoT舉例，其網(wǎng)絡(luò)接入容量是當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的近百倍;第二，LPWA技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)超低功耗，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，很多地方不可能做到電源頻繁更替，在電池技術(shù)難以突破的情況下，低功耗的特性彌足珍貴;第三，LPWA技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)深度覆蓋，我們都知道廣域物聯(lián)網(wǎng)的眾多接入技術(shù)都提升了功率譜密度，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋深度，NB-IoT比LTE提升了20dB增益，覆蓋能力也加強(qiáng)了近百倍;第四，LPWA技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)低成本，國(guó)際運(yùn)營(yíng)商推崇的eMTC模組成本小于10美元，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT成本更是在5美元以下。據(jù)了解，當(dāng)前一個(gè)2G物聯(lián)網(wǎng)通信模組的成本是20元人民幣左右，設(shè)備商對(duì)此表示，當(dāng)LPWA技術(shù)普及之后，NB-IoT可率先達(dá)到和超越這個(gè)水平，低成本是部署物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)選擇LPWA技術(shù)的重要原因。

物聯(lián)網(wǎng)大致包含三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景：低時(shí)延、高可靠性業(yè)務(wù)，中等需求類業(yè)務(wù)以及LPWA業(yè)務(wù)。我們剛剛梳理了LPWA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可以得出LPWA業(yè)務(wù)的主要特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、要求廣覆蓋且所涉終端數(shù)量巨大。因此，LPWA技術(shù)最適合兩種類型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，一類是位置固定的、密度相對(duì)集中的場(chǎng)景，雖然現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)用于這些領(lǐng)域，但信號(hào)穿透問題一直是其短板;另一類是長(zhǎng)距離的，需要電池供電的應(yīng)用，蜂窩網(wǎng)絡(luò)也在這些方面有所涉及，但由于高功耗問題無(wú)法解決都無(wú)功而返。

2017年12月，IHS Markit發(fā)布了《低功耗廣域中期市場(chǎng)更新報(bào)告 - 2017》，預(yù)測(cè)到2021年，全球公共低功率廣域(LPWA)連接預(yù)計(jì)將達(dá)到10億以上 。由于在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中需要低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從2014年到2021年的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)206%。幾乎所有的芯片廠商、設(shè)備商、電信運(yùn)營(yíng)商和企業(yè)等都將 LPWA技術(shù)看作是公司物聯(lián)網(wǎng)的重要戰(zhàn)略布局。

基于我們討論的LPWA應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)，LPWA技術(shù)主要面向的市場(chǎng)包括：智能抄表、智能停車、資產(chǎn)追蹤、智慧醫(yī)療和倉(cāng)儲(chǔ)管理等應(yīng)用領(lǐng)域。

我們以智慧醫(yī)療舉例。當(dāng)下，醫(yī)生、器械和患者在大多時(shí)間需要處于同一空間下才能做診斷，在沒有聯(lián)網(wǎng)的情況下，大多時(shí)間只能讓患者先跑腿到醫(yī)院，醫(yī)生才能根據(jù)病人的描述和各種體液、器官等檢測(cè)報(bào)告來診斷病情。而通過設(shè)備和LPWA網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，可以很好地解決看病耗時(shí)費(fèi)力的現(xiàn)狀。設(shè)備廠商可以將數(shù)字聽診器、血糖儀、血壓計(jì)等設(shè)備集成在一起，患者在家里佩戴儀器診斷上傳，然后LPWA網(wǎng)絡(luò)可以將診斷信息傳送到數(shù)據(jù)中心和醫(yī)生客戶端，對(duì)患者進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。

智慧醫(yī)療

雖然和WiFi、藍(lán)牙等通信技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景不同，但LPWA應(yīng)用仍然屬于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)外乎是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分組成。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)

首先是感知層，傳感器是物聯(lián)網(wǎng)感知層重要的組成部件。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IDC 預(yù)測(cè)，到2020 年，數(shù)以百億計(jì)的傳感器將時(shí)刻采集生活和生產(chǎn)中的壓力、光照、溫度、脈搏等信息，為我們的世界構(gòu)建一張龐大的、交叉的感知網(wǎng)絡(luò)。

全球知名半導(dǎo)體制造商ROHM擁有豐富的傳感器產(chǎn)品：

·地磁傳感器

3軸磁傳感器，它采用了磁阻抗(MI)元件來檢測(cè)磁場(chǎng)，以及一個(gè)小型封裝的控制IC。與傳統(tǒng)方法相比，MI傳感器具有明顯較低的電流消耗和噪音，不僅適用于標(biāo)準(zhǔn)ecompass應(yīng)用，還適用于要求更高精度的設(shè)備。

·霍爾系列傳感器

ROHM的磁性開關(guān)用霍爾IC系列/滾輪鍵，軌跡球用霍爾IC最適用于檢測(cè)開關(guān)及滑動(dòng)動(dòng)作。

·照度傳感器

ROHM照度傳感器IC具備近似于人類視覺的光學(xué)特性，它通過顯示器背光燈的自動(dòng)調(diào)光功能，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的低功耗，提升了可視性。

·顏色傳感器

檢測(cè)光的色彩成分(RGB)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的ROHM顏色傳感器IC。具有高靈敏度，大檢測(cè)范圍，優(yōu)異的紅外光去除特性，因此可輕松，高精度地獲取環(huán)境光線的照度和色溫。最適用于根據(jù)環(huán)境光的照度，色溫調(diào)整電視，手機(jī)，平板電腦等液晶背光的應(yīng)用。

·氣壓傳感器

ROHM的氣壓傳感器是壓電電阻式氣壓傳感器。在IC內(nèi)部進(jìn)行溫度補(bǔ)償處理，可輕松獲取高精度的氣壓信息。最適于檢測(cè)智能手機(jī)和平板電腦等室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的高度，以及檢測(cè)運(yùn)動(dòng)量監(jiān)測(cè)器，可穿戴式設(shè)備等的高低差。

上述ROHM傳感器產(chǎn)品均帶有ROHM傳感器評(píng)估套件與Arduino Uno和mbed兼容。除此，在脈搏、溫度、人體感應(yīng)和紅外等應(yīng)用領(lǐng)域，你也可以在ROHM找到適合你的解決方案。

由于LPWA應(yīng)用場(chǎng)景豐富多變，傳感器作為核心應(yīng)用部件不能過于死板和單一，需要具備靈活的可擴(kuò)展性。ROHM開發(fā)出通過Arduino及mbed 等開放平臺(tái)可輕松測(cè)量加速度、氣壓、地磁、脈搏等8種信息的傳感器擴(kuò)展板——“SensorShield-EVK-003”。

ROHM “SensorShield-EVK-003”

“SensorShield-EVK-003”是支持開放平臺(tái)并已獲得高度好評(píng)的ROHM傳感器評(píng)估套件新產(chǎn)品。該產(chǎn)品將ROHM量產(chǎn)的8種傳感器產(chǎn)品分別安裝在PCB板上并與開放平臺(tái)連接用擴(kuò)展板集成為套件，僅需與在全球應(yīng)用廣泛的Arduino Uno等連接并嵌入軟件即可輕松構(gòu)建傳感器環(huán)境。利用傳感器產(chǎn)品的評(píng)估簡(jiǎn)單、導(dǎo)入容易的優(yōu)勢(shì)，可大幅縮減IoT設(shè)備等的開發(fā)工時(shí)，并可助力市場(chǎng)的進(jìn)一步拓展。

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當(dāng)然，在LPWA應(yīng)用場(chǎng)景中，光有傳感器還不能完美地解決問題，還需要讓傳感器符合低功耗的特性，讓系統(tǒng)能夠更長(zhǎng)時(shí)間的工作。ROHM推出的電容式控制開關(guān)可以很完美地解決這個(gè)困擾，該電容式控制IC系列作為內(nèi)置傳感器數(shù)據(jù)處理功能及應(yīng)用功能的專用IC，大幅降低了主機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)。

其次是網(wǎng)絡(luò)層，信號(hào)單元在網(wǎng)絡(luò)搭建中不可缺少。ROHM特定小功率無(wú)線模塊(Wi-SUN模塊)受到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，其使用的920HMz頻段不容易引起與以往無(wú)線之間的電波干擾，功耗低，且可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)通信的電波頻段。與ZigBee、Bluetooth使用的2.4GHz相比，電波的迂回特性優(yōu)異，即使在存在墻壁或障礙物的場(chǎng)所，也能確保穩(wěn)定的通信。并且，已在美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)和澳大利亞等國(guó)使用，歐洲也在考慮使用。正成為全球通用的頻段，預(yù)計(jì)今后市場(chǎng)前景越發(fā)廣闊。

最后是應(yīng)用層面，需要用戶按照自己的應(yīng)用場(chǎng)景和需求做定制性的開發(fā)，將網(wǎng)絡(luò)層、感知層和具體的應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)合起來。

此外，不管是感知層，還是網(wǎng)絡(luò)層，亦或者是應(yīng)用終端，LPWA應(yīng)用對(duì)于電池的使用時(shí)長(zhǎng)要求是極高的，高效能的電源管理產(chǎn)品非常重要。ROHM的電源管理IC包括線性調(diào)節(jié)器、開關(guān)調(diào)節(jié)器、電源管理開關(guān)IC、系統(tǒng)電源等多個(gè)品種，當(dāng)前官方售賣的就有84種之多。其中，AC/DC控制用IC實(shí)現(xiàn)了高效化和小型化，還備有減少輕負(fù)載時(shí)的功耗，內(nèi)置POWER MOS的小型產(chǎn)品，且內(nèi)置豐富的保護(hù)電路和低噪音功能。DC/DC轉(zhuǎn)換器具有效率高、外置元器件少、輸出開關(guān)內(nèi)置、功能多、貼裝方便等特點(diǎn)?？梢哉f，具備寬廣電壓范圍的ROHMAC/DC轉(zhuǎn)換器是LPWA領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)選擇。