電池/SoC/天線面面俱到　物聯網感測器設計有一套(2)

頻譜運作對物聯網感測器的影響

(承前文)廣泛使用的消費性裝置主要共存於所謂的工業、科學和醫療(ISM)頻段。ISM頻譜可分為兩個頻段：sub-GHz和2.4GHz。與2.4GHz相比，Sub-GHz有很多優勢，包括路徑損耗。路徑損耗是訊號經過一定距離時功率的減少。例如，當2.4GHz訊號在空氣中傳播10米時，路徑損耗為60dB。與900MHz訊號相比，相同10米的路徑損耗為51.5dB。就900MHz訊號而言，改善了8.5dB。

2.4GHz訊號具有高數據速率，可超過1MB/s。2.4GHz也可使用小型天線，其尺寸還不到900MHz天線的三分之一，然而它的範圍有限。2.4GHz頻譜也非常擁擠，並且容易受到Wi-Fi和藍牙等設備的大量干擾。另外，Sub-GHz無線電的覆蓋範圍遠高於2.4GHz無線電，Sub-GHz頻段的覆蓋範圍不但超出數千公尺，並且功耗較低，單一電池即可運行多年。

一般而言，通訊範圍取決於發射功率、接收器靈敏度和數據速率，但範圍也會受到選擇天線的影響，因此為了讓特定設計能夠選擇正確的天線，了解其特性和權衡非常重要。在電池供電的感測器應用中，尺寸、輻射方向型態、設計的簡易性、可製造性和成本都應該考慮。

在圖6中，可以看到左側是偶極天線。這是一種差分結構，通常從一端到另一端來測量半波長。此類型的天線應遠離接地層以及任何金屬和導電物體。偶極天線可配置50歐姆的阻抗，但900MHz的長度將超過6英寸，因此很難在小型電池供電感測器中使用。

下一種類型的天線(圖6中)是四分之一波的單極天線，這種類型的天線也很容易和50歐姆電阻相匹配。單極天線的設計非常簡單，只需改變天線的長度即可調節其諧振頻率。當物理尺寸可接受時，這種類型的天線是一個很好的解決方案。例如，在900MHz的頻率下，如果存在接地層，四分之一波長的天線長度約為三英寸。圖6右所示的天線是一種環形天線，有兩種尺寸：小型和大型環形天線。對於電池供電的感測器等設備，只能考慮小型環形天線，因為大型環形天線的圓周長度接近一個波長，對於在900MHz頻段工作的設備來說，圓周長度約為12英寸。小環形天線的頻寬非常窄，對產品的選擇性來說是有利的，但也使調頻能力變成至關重要。一旦調諧確定，其就不容易因手持效應或附近物體等因素而失調，因此適合手持設備。

螺旋天線可由任何導電材料製成(圖7)。小型螺旋天線與螺旋軸成直角的方式工作，在將其中一種天線設計到設備中時必須考慮這一點，因為天線會從電路板上突出，這類型天線也很棘手，因為阻抗取決於許多參數，包括線圈的直徑、環路的節距、纏繞的緊密程度、線圈的長度以及它的工作頻率。

這些參數的任何變化，甚至包括人在內的附近物體，都可能使螺旋天線失諧(Detune)。但從尺寸角度來看，螺旋天線可以非常小。事實上，如果纏繞得足夠緊，它可以比相同頻率的單極天線短得多。圖7右側顯示的天線是晶片天線，是最小的天線，設計用於300MHz至2.5GHz的頻率。晶片天線的頻寬非常窄，必須按照精確的頻率製造，這些可能是最昂貴的天線解決方案，通常用於表面黏著裝置。

感測器軟體和智慧感測器

感測器上運行的軟體對於製造可靠、穩健、易於開發且安全的設備至關重要。廠商如Silicon Labs提供多種用於電池的SoC設備，共享一款名為Simplicity Studio的通用開發環境。由多功能作業系統(OS)、Vault Security和無線電抽象層(RAIL)組成的平台。RAIL為低階硬體提供一個介面層，因此可以經由抽象化寄存器所有的複雜內容，以及設置無線電基層硬體所需的詳細訊息，來簡化和縮短開發時間。

位於該平台之上的是協議棧，負責執行各種協議的所有複雜性作業。例如，Zigbee協議、Z-Wave協議、Thread協議和藍牙協議。位於協議之上的是應用層，負責向上方的應用軟體開放各種API或編程介面，以便它們可以連接到下方的協議棧，讓上面的應用層能夠使用協議棧提供的功能。最後，程式模組中的作業系統具有這些上層所有的介面，因為該作業系統負責計時器、執行任務之間的通訊、同步、調度、中斷、異常和分派任務。

(本文作者為Silicon Labs物聯網感測器經理)

電池/SoC/天線面面俱到　物聯網感測器設計有一套(1)

電池/SoC/天線面面俱到　物聯網感測器設計有一套(2)