物联网关键技术挑战和痛点

“贸泽与你大咖说”携手Silicon Labs和TE Connectivity（以下简称“TE”），以“物联网 连接智能世界”为主题，和大家一起探讨物联网相关的技术。

上期内容中，我们谈到从物联网到智能物联网的关键技术挑战，在本期内容中，我们将分享关键技术痛点等精彩内容：

从物联网到智能物联网

关键技术挑战和痛点

挑战一：碎片化痛点

物联网应用碎片化和技术标准碎片化

物联网应用的碎片化问题困扰了物联网厂商很长时间。而随着联网的设备越来越多，应用场景越来越丰富，覆盖的区域越来越广，碎片化的痛点也进一步凸显。

刘俊解释，就目前来看，由于没有一个技术标准可以涵盖所有的应用场景，事实上，工业、家庭等不同应用面临不同的技术标准。这就导致了当前需要多种标准协议共存的状态。这就势必会增加部署的复杂度以及设备及其维护成本。在他看来，碎片化问题的解决终究是要靠市场来推动的。“比如说某一天，当一个技术能够覆盖更多应用场景，势必很多技术就会慢慢趋于整合。事实上，我们也看到各个无线通信标准也在不断地演进，所以有待时日由市场去推动。” 无线协议是物联网发展的一个关键焦点，当前主流的协议包括Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Matter和Thread等。面对当前多个无线连接协议标准共存的情况下，采用不同协议的物联网设备如何实现兼容，也成为物联网产业界近年来努力的方向。 2022年10月发布的Matter标准是一大成果。100%投入物联网的Silicon Lab深度参与了Matter这项全球性物联网标准的制定、开发、验证等工作Matter这项全球性的物联网连接标准。Matter构建在现有的IP连接协议之上，可以实现包括终端产品、移动应用和云服务在内的跨平台物联网通信。 据介绍，Silicon Labs已经推出了可量产的Matter无线解决方案，并且通过了CSA连接标准联盟的认证，可用于开发支持Thread、Wi-Fi和蓝牙协议的Matter终端产品。通过为LED灯泡、门锁、暖通空调（HVAC）、商业照明和门禁控制等各种不同的智能家居和商业应用提供统一的连接标准，Matter可简化产品开发和用户体验。

图2：无线Gecko系列产品

在此之前，Silicon Labs则致力于通过一颗芯片实现多协议解决多种应用场景。2015年，Silicon Labs推出业内首颗多协议物联网芯片无线Gecko EFR32xG系列，到目前已经是第三代。该芯片可以支持Zigbee、蓝牙、Wi-SUN、Z-Wave等多种协议。也就是说，当用户需要设计一个产品适合不同的应用的时候，完全可以通过这一颗芯片去符合所有的应用场景，大大简化了设计流程。

挑战二：低功耗是物联网方案成败的关键

随着应用层面日趋丰富，物联网的功耗问题也越来越受关注。低功耗已经成为物联网解决方案的标配，几乎可以说是成败的关键。

刘俊解释，功耗问题存在于两个部分。一个是硬件层面，芯片本身的功耗。而半导体行业几十年来的发展，工艺制程从90纳米到40纳米到28纳米、14纳米，不断提高集成度以实现更多功能的同时，一个重要的目标就是降低功耗。另一个是软件层面，即无线协议或标准方面，因为物联网数据传输带来的功耗其实跟发送数据的频率和数据量有很大的关系。 除此之外，低功耗问题还不仅仅与芯片和标准协议有关系，与许多被动元器件，比如蓝牙天线等的相关指标也是息息相关的。 公配伟以心脏起搏器监视器方案为例做解释，他指出，在该方案中，除了蓝牙芯片以及相关的蓝牙协议外，在被动元件上同样可以围绕低功耗做文章。以蓝牙天线的功耗为例，有一个叫做“效率值”的概念，如果天线的效率值只有10%，那么意味着芯片的功率再大，也有90%已经损失了，而如果天线效率值能达到90%，同样对降低功耗做出了贡献。  

挑战三：电磁干扰问题

电磁干扰问题是困扰工程师的另一大难题。随着物联网设备和应用越来越多，各个频段的应用几乎达到了极致，这就导致了不同模块之间的相互干扰，对于滤波以及抗干扰性的要求不断提升。

比如，城市应用就中有太多的同频干扰问题，让众多工程师犯难。要如何克服？ 公配伟解释，从设计上看，电磁干扰之所以会产生，是因为当两个设备之间，几个天线离得太近，就会容易产生串扰。他指出，目前行业中用于解决电磁干扰问题通常会有多种方法，从被动元件的角度，比如用一些方法控制射频信号对外的辐射量，以及尽量让元器件接地来将这些辐射信号做一个屏蔽。 不过他也指出，由于目前各类物联网方案的应用场景复杂，且需求和设计规范等都各有不同，因而现阶段难以有一个可以解决所有问题的方案，只能根据不同设备的要求去不停地调试解决。而从长远来看，要让电磁干扰问题更有效地解决，需要多方的综合努力，包括要有一整套统一严格的物联网方案设计规范等。

深耕垂直应用

智慧城市、智慧医疗

智能家居市场潜力无限

  随着物联网技术在各个行业中的渗透和深化，或将掀起“下一个工业革命”，它将深刻改变人们生活、工作、出行、娱乐的方方面面，甚至改变全球的企业或组织的交互方式。如今，物联网已经进入到快速发展期，涵盖穿戴设备、智能家居、智慧城市、物流管理、智能制造、智慧农业等众多垂直应用领域，有着非常广阔的市场前景。 物联网正在我们的身边发生，比如在智慧城市应用中，智能电表的应用可以实现可联网化远程抄表，节省了城市运营中的大量人工和时间成本。而在工业物联网的应用中，我们也看到很多的工厂在让更多的设备能够联网贡献数据，从而为进一步优化产线、提高效率提供数据洞见。  

热门垂直应用一：智慧城市

智慧城市是指利用各种信息技术或创新概念，将城市的系统和服务打通、集成，以提升资源运用的效率，优化城市管理和服务，以及改善市民生活质量。创造出更加人性化、便捷化的都市生活。

在一座城市里，包含的应用非常多，比如配电设施、表计设施、屋顶太阳能面板以及路灯管理，以及智能楼宇、车、路系统管理等等。要让城市具备“智慧”，数字化管理是非常重要的方面。但要实现数字化管理的前提是，城市里的各类设施要逐渐成为物联网化的设备，它能够实时采集城市的运行中的各类数据，并把这些数据贡献到云端，来进一步分析从而优化城市管理、提升整体效率。 刘俊介绍，在智慧城市的方案设计上面临诸多挑战。首先必须要求具备可扩展性，要实现100-100,000+装置，在恶劣环境下保持长距离通信。 其次是复杂性，面临多个标准需要共存，线路和电池供电等问题。比如智慧城市里面有非常多的应用场景，势必会带来有不同的通信方式。比如常见的有5G，像是摄像头应用就需要5G的高带宽高速率。也有一些低功耗的设备，比如广域网的就可以用NB-IoT。此外还有一些新的应用趋势，比如在电表中加入蓝牙，用户就可以实现实时读取家中耗电情况。 另外还有兼容性，要支持传统和未来的技术标准。此外，更重要的是，智慧城市方案的部署时间往往要持续5-20年，其可靠性和安全性至关重要。 例如，智能表计应用，在智慧城市应用中已经十分广泛。主要有用于住宅用电和监控的智能电表，用于住宅和商业天然气的使用和监控智能燃气表以及一些能量表或热量表及热量计。 公配伟指出，这对传感器和连接器提出更高要求。如在工业仪表系统中，综合成本压力推动压力传感器性能升级。其中，高精度数字压力传感器吸收了很大一部分校准成本，以及内嵌定制通讯协议等；在住宅计量系统，工业物联网和节能驱动了智能住宅燃气计量升级的需求。 智能表计的连接挑战，则要必须足够耐用，能够可靠地运行数十年，并在其整个生命周期内准确无误地传输使用数据；许多组件在保证坚固耐用的同时，还要实现小型化，以便为高级功能留出空间；量表的无线传输通常需要抗干扰，可能需要定制天线，以适应不同的应用环境；户外无线连接常常会遇到一些挑战，包括各种潜在干扰源及信号阻塞的问题。  

热门垂直应用二：智慧健康

过去三年的疫情，也让公众对健康问题关注度大幅提升。

智慧医疗或健康方面，物联网能做什么？刘俊指出，很多医疗健康设备变得越来越智能，具有便携化、小型化、可联网，即物联化的特点。从脉搏血氧仪和心电图监测仪到健身可穿戴设备，智能医疗设备可续监控和跟踪患者的生理状况，并且通过蓝牙连接在智能手机应用程序上远程查看收集的健康数据。 另外一个重要的趋势是，当健康数据可以被收集并分析，就意味着我们可以对自己的身体健康趋势有一个提前的预判。刘俊认为，这也是医疗健康设备的物联网化带来的重要发展。随着健康数据积累得越来越多，就更有可能对疾病做提前的预防和改善，而不是等到出现症状才进行治疗干预。这其实才是更有意义的一步。 而这其中涉及的技术层面的问题，包括传感器精度的提升以及算法的发展。刘俊介绍，现在可以利用机器学习等手段，通过大数据、云端运算的方式来训练出算法，再把这个算放放到本地，以低功耗、低成本的方式来运行，同时这个算法也是不断在进化的。“随着数据量的增加和时间的推移，这个算法会变得越来越精准，也就是说我们每一个智能的医疗设备，它其实带了一个小大脑，它能够给你的趋势或者数据做出更精确的一个诊断。”刘俊说。 据了解，Silicon Labs通过打造可扩展平台方法来提供的物联网连接，使客户能够为其智能家居中的主要应用场景选择合适无线解决方案（Zigbee、Z-Wave、Thread、蓝牙 Mesh、低功耗蓝牙、Wi-Fi和专有协议），同时利用硬件、软件栈来实现这些无线传输。 公配伟也强调，随着人口老龄化的大趋势，未来大健康数据将是迅速增长的产业。物联网连接便是革新医疗保健和实现各种挽救生命应用载体。TE近年来一直专注于基于智慧健康设备的电源、信号、天线、数据的互联方案。公配伟指出，智慧健康的关键技术指标包括坚固耐用设计、小型化以及数据连接。此外还有对使用寿命、一体化解决方案、容错等方面的额外要求。  

热门垂直应用三：智能家居

智能家居是物联网技术的一个重要的应用领域。近年来，在智能化、5G、AI、物联网等新兴技术的驱动下，智能家居行业得以快速发展。消费者正在采用智能家居技术，并从其带来的增强便利性、安全性和舒适性中受益。在全球新冠疫情反复、无接触服务需求增长、居家办公模式逐步走向常态化的大背景下，预计将进一步催化智能家居技术行业的快速发展。

图3：全球智能家居设备市场 刘俊指出，智能家居行业已经发展了20多年，尤其是过去几年，随着越来越多的智能设备进入家庭，比如智能灯泡、智能插座以及各类带有传感器的智能家居设备。一大显著的趋势是，智能家居设备的成本大幅降低。只有普通人能够消费得起，整个行业才能进入规模发展。而成本问题不单单是器件层面，还包括开发成本。所以对于物联网厂商而言，如何开发出低成本、更易用的产品是接下去的重点。 不过这其中也伴随着新问题。随着你的家越来越“懂”你，家里的每一个智能设备也同时保留了大量的私人数据，数据安全隐私保护成为智能家居产业关键的一环。 据了解，Silicon Labs很早就已经和生态合作伙伴一起研究物联网设备以及数据安全的问题，其新一代的EFR32xG2x系列芯片提供了高级安全功能Security Vault，这是业内第一颗通过PSA高等级Level 3的物联网芯片。 此外，生态化发展也是目前智能家居产业的重要趋势。比如，现在有智能家居的设备都是来自于不同的厂家，我们需要让各个厂家的设备都能够互联互通的，才能真正让用户体验到智能化的魅力。“所以接下来产业面临的状况就是，生态有了以后，大家未来会打破这样一个生态的壁垒，让用户无需考虑品牌或是来自于哪一个生态的产品，都可以让整个家智能的运作起来。”刘俊说。 相应地，在智能家居方面，TE内部有一个单独的家电事业部。公配伟介绍，TE的天线、应用工具、电缆组件、连接器、无源元件、继电器和开关、传感器、端子和管道解决方案可满足客户的特定设计要求，并预测设计挑战的发生。

未来趋势

万物互联 无限可能

  万物互联正在不断深入，并创造无限可能。从现阶段的产业发展来开未来更多的趋势和可能性，本期的大咖观点总结下来主要集中在小型化、便携化、低功耗等需求将继续攀升。这对于方案设计端到应用落地端而言，都将不断提出新挑战。 在创新应用场景层面，则会有更多的可能性。  

智慧农业

在智慧农业的应用上，更多的深入创新已经萌芽。嘉宾们提到，已经有运营商在农场奶牛监测的应用上更进一步，他们开始利用物联网技术来监测奶牛的体温、健康状况、甚至关心奶牛们的运动状况和情绪状态——给它们播放音乐，鼓励它们每天走一万步…… 这些都可能影响奶牛的产奶质量。人们越来越相信，一头健康且心情愉悦的奶牛，会产出更高质量的牛奶。这是非常有趣的视角，也是技术发展带来的观念革新。

电动工具

物联网无线连接技术的发展，未来也将改变电动工具的应用。据刘俊介绍，比如电动工具在流水线上打螺丝的应用，可以通过蓝牙的方式去配置电动工具的力矩，来针对某一个产品线进行标准化的操作。此外，无线连接技术还可以用于对电动工具等资产的追踪管理上，以及预测性维护等。

Matter智能家居协议：Matter协议的发展也值得物联网产业界进一步期待。Matter智能家居协议在成立之初就承诺，使用Matter协议的设备将可以兼容Aamzon、Google、Apple、Samsung等智能家居生态。Matter无疑将加速全球智能家居生态以及企业的融合，通过Matter来无缝对接全球智能家居市场，加快企业全球化战略拓展速度为企业带来的新增长。

从未来技术趋势层面，5G、AIoT以及智能边缘技术也将随着物联网进一步发展，成为物联网应用的重要支持技术。 低延迟、高可靠性的物联网应用连接将越来越关键。而5G的超可靠、低延迟通信容量和对时间敏感网络的支持对于物联网的采用非常重要。医疗保健领域的可穿戴技术，将增大从5G中的受益。 AI和物联网（IoT）的相互融合渗透形成AIoT的概念，即将AI技术嵌入到IoT组件中，这一技术趋势将越来越重要。将连接的传感器和执行器收集的数据与AI相结合，可以在边缘减少延迟、增加隐私和实时智能。 此外，智能边缘计算也是另一个重要技术趋势。随着物联网技术的发展，传感器无处不在，这将导致收集的数据量大幅增加。然而，大多数物联网设备的处理能力有限，因此数据处理在云端/上位机系统进行，数据中心通常远离生成传感器数据的物联网设备。随着物联网生态系统变得更加复杂，以减少延迟并在响应来自物联网设备的传感器信号时实现近乎自主的决策，一些数据分析功能正在转移到网络边缘，更靠近数据生成源。 “物联网就是把一个没有生命的东西变成有生命了。”这或许能从一个侧面形象地总结物联网技术对于当前的物理世界和数字世界所产生的影响。而技术的魅力正在于这种无限的可能性。

　　

      审核编辑：彭静