智能家庭IoT 無線模組技術設計要點

陳利歡

（杭州涂鴉信息技術有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

近幾年，隨著人工智能物聯網（Artificial Intelligence & Internet of Things，AIoT）產業的迅猛發展，各個垂直行業應用得到了長足發展。預計到2025年，全球物聯網設備（包括蜂窩和非蜂窩）聯網數量將達到252 億，年均復合增長率約為15.3%。通常情況下，每增加一個物聯網連接數，將增加1 ～2個無線模組。2018 年全球物聯網模組出貨量為2.35億片，預計到2023 年將增長到15 億片，復合年均增長率（Compound Annual Growth Rate，CAGR）達到45%［1］。在智能家庭環境，采用各種無線通信制式如WiFi、Zigbee 及BLE 的IoT 模組等互相補充，為用戶構建了多樣化、基于場景聯動的物聯網服務應用，如內嵌無線模組的智能球泡燈、智能植物生長機、無線溫濕度傳感器、智能掃地機以及智能中控面板等。這些智能產品越來越多地進入尋常百姓家庭，為用戶提供了各種智能化體驗和服務。因此，以智能家庭環境下的WiFi 模組為例，系統闡述無線模組設計及導入過程中需要重點評估的關鍵技術點。

1 WiFi 模組應用拓撲

典型的智能家庭環境無線網絡拓撲如圖1 所示［2］。手機通過對應的App 操作智能終端，智能終端通過WiFi 模組連接到無線路由器，無線路由器通過2G、3G、4G 及5G 無線接口或有線寬帶接口等連接到遠端云服務器。

2 IoT 模組設計技術考量點

2.1 室內環境下無線信號的衰減

為了保證無線模組在實際家庭環境的最佳傳輸效果，保證模組與無線路由器之間的連接鏈路可靠，需要確保模組的基本收/發指標。模組出廠時，借助產線儀器和產測工具對每一片模組進行精確功率校準，使得模組在各個模式下的功率值都處于額定范圍。例如，針對支持IEEE 802.11 b/g/n 模式的模組，出廠時通過射頻儀器和對應的產測工具，校準各個工作模式下的目標功率到額定范圍，確保模組在實際工作中功率準確。同時，在研發階段，通過信令和非信令等方式，確保模組在各個模式下的靜態接收靈敏度符合要求。以某WiFi 平臺為例，各模式高速率下的目標功率設置和接收靈敏度如表1 所示。

圖1 家庭環境IoT 連接框圖

表1 某WiFi 平臺在不同工作模式下的功率和接收靈敏度

整體產品中，實際加上了天線輻射效果和結構件堆疊因素，可以對整機進行總輻射功率（Total Radiated Power，TRP）/總接收靈敏度（Total Isotropic Sensitivity，TIS）性能測試。整機TRP/TIS 衡量的是產品在信令模式下工作時，以輻射形式表現出來的全向發射和全向接收性能，是一個空間積分的概念。例如，在信令連接11b 1 Mb/s 模式下，可以要求整機的TRP≥10 dBm、TIS≤-70 dBm，代表輻射的無線設備整體效果良好。

2.2 無線設備抗干擾能力

由于智能設備工作在ISM 頻段（2 400 ～2 500 MHz），實際接收通道會收到來自整個ISM 頻段內其他無線設備發出的信號，也會接收到來自ISM 頻段之外的無線信號。根據干擾信號的具體來源與頻率分布，可以把接收機抗干擾性能分為抗帶內同頻干擾和抗帶外Blocking 信號兩種，分別稱之為抗同頻干擾性能和RX Blocking 性能［3］。實際操作中，評估抗帶內干擾能力時，用矢量信號源產生微弱有用信號和與之同頻的干擾信號，通過耦合器一起饋入待測設備的接收鏈路，檢測設備對微弱信號的恢復接收能力是否造成了影響及影響程度。

常見的WiFi 設備工作時都處于非跳頻、可支持自適應的工作模式，且最大發射功率≥10 dBm，因此按照CE 法規的定義屬于一類設備。相關標準明確標識了不同類別的設備所施加Blocking 信號的頻率具體分布點和所施加干擾信號的調制類型與功率水平，以衡量存在帶外干擾信號時設備的接收能力是否達到相應的標準。如果未達到標準，則需要通過調整接收通道的濾波器、衰減設置等以滿足認證要求。

另外，設備正常工作時需要保證發送諧波、頻譜邊帶、頻譜Mask 包絡以及接收諧波水平等指標滿足對應的SRRC、FCC 及CE 法規要求。出口到其他國家或地區的設備，需要滿足對應國家或地區的認證法規要求。

2.3 設備開關機及電源時序要求

很多智能家庭設備如智能墻插面板或掃地機等，存在反復多次開關機操作或者電源適配器多次上下電的情況，如掃地機接觸充電底座頻繁進行上下電。從成本與方案競爭力的角度看，智能球泡燈和智能插座這類價值不高的單品一般都是系統級芯片（System on Chip，SoC）方案，其中WiFi 芯片既是無線數據的收發單元也是任務處理單元（Micro Control Unit，MCU）。針對這類設備，如果開關機操作導致SoC 無法復位或者上下電導致了模組上電時序異常就會引起死機，導致無法完成上電初始化。針對上下電操作或者設備上電的時序要求，需要在產品設計階段進行充分測試，以暴露問題。必要時需增加單獨的復位電路，以確保SoC 的上下電操作正常。

2.4 設備低功耗要求

隨著IoT 設備的逐步普及，用戶對設備待機工作時間和設備響應速度等有了更高的要求［4］。例如，WiFi 門磁一般會搭配一節容量為1 000 mAh 的鎳氫電池，保證其至少一年的待機工作時間；低功耗智能WiFi 門鎖也要保證一定的持續工作時間。如果功耗過大需要頻繁更換電池，將會對用戶體驗產生不利影響。

WiFi 設備的常見低功耗策略是按照指定的傳輸流量指示消息（Delivery Traffic Indication Message，DTIM）周期喚醒接收來自無線路由器的Beacon 幀，同時設備每隔一段時間發送一個NULL 包給無線路由器作為心跳包。設備常聯網模式下的電流一般由系統休眠時的底電流、設備喚醒后進行Beacon 幀接收的電流以及設備發送NULL 心跳包的電流3 部分組成，其中設備喚醒后進行Beacon 幀接收的電流又分為等待Beacon 接收和接收Beacon 兩個時間段的電流。上述電流水平與設備處于接收模式或發送模式下的電流都存在直接的關聯。

可以用DTIM1 模式下的平均電流預估設備的工作時間。例如，一個搭載1 000 mAh 電池容量的智能WiFi 設備，在DTIM1 模式下的平均功耗為0.1 mA，那么預估一天的耗電量為2.4 mAh，整體待機工作時間為1 000 mAh/2.4 mAh/365 天=1.14 年。考慮到用戶實際的操作頻次和喚醒狀態下操作時功耗更大，設備功耗還需要進一步優化才能滿足一年的預期電池壽命，從而避免頻繁更換電池。

針對部分搭載紐扣鋰電池的無線終端設備，選用的SoC 平臺最低工作電壓需要支持到2.3 V。鋰電池標稱電壓一般為3.0 V，隨著電池的逐步放電，需要保證電壓到2.3 V 時設備還能正常工作，以盡可能地延長電池的工作壽命。同時，在研發階段，需要保證無線模塊開啟瞬間發送大電流時不會拉低電池電壓，也不會對電池產生沖擊影響。

2.5 設備穩定性工作要求

為了保證無線智能設備的工作壽命，在智能模組集成到單品時需要做一系列的老化及穩定性測試，如表面防靜電水平測試、高溫穩定性測試、低溫啟動測試以及高低溫循環測試等，具體的測試模型可根據具體設備類型做適當的變化調整。例如，針對智能球泡燈，如果嵌入的無線模組離燈腔光源部分很近，則需要保證其在-20 ～+105 ℃區間內的高低溫工作穩定性。此時，可通過掛機來查看上/下線時間記錄或通過操控App 查看設備響應延時等，判斷模組在高低溫環境下的工作狀態是否正常。

3 結 語

隨著AIoT 行業的深入發展，IoT 無線模組的應用越來越廣，使得越來越多集成了無線模組的智能聯網設備走進千家萬戶［5］。在IoT 模組尤其是WiFi 無線模組的集成設計階段，需要系統評估各類指標性能，以滿足無線通信距離、設備工作功耗、聯網工作穩定性以及相應國家或地區的認證法規要求。如果某個維度的指標存在短板，將會對智能家庭設備的實際應用體驗造成不利影響。因此，IoT 模組的設計需要系統的需求規劃、詳細的鏈路推算以及完備的測試流程，以保障智能設備的整體性能與使用體驗。