Mobilfunk Designüberlegungen für eine optimale IoT Strategie

Josh Jaeger, Director of Sales, WDS, Digi International
13. Mai 2020

Es gab noch nie einen besseren Zeitpunkt, um in das Internet der Dinge einzusteigen. Heute haben die Entwickler von IoT Zugang zu einer Vielzahl von Cloud-Plattformen, eingebetteten Geräten, Sensoren und Konnektivitätsoptionen - genug, um eine Lähmung der Analyse zu verursachen. Unabhängig davon, ob Sie mit Ihrer "digitalen Transformation" beginnen, um die betriebliche Effizienz zu verbessern und die Betriebskosten zu senken, oder ob Sie ganz neue Geschäftsmodelle rund um den Service entwickeln, ein Eckpfeiler dieser Bemühungen wird die Entwicklung Ihrer IoT Strategie sein. Ein entscheidender Faktor für Ihren Erfolg wird die Konnektivität vom Rand aus sein. Eine der populärsten Methoden ist die Integration der Mobilfunk Konnektivität in Ihre IoT Anwendung.

Digi Wireless Design Services hat in den letzten 15 Jahren Hunderte von Unternehmen bei der erfolgreichen Implementierung von Mobilfunk Konnektivität in ihre IoT Lösungen unterstützt, um einige Hintergrundinformationen zu liefern. Neben der Definition der Architektur, dem Design und der Erstellung von Dienstleistungen bieten wir auch Workshops an, um Unternehmen zu helfen, ihren Entwicklungsprozess voranzutreiben. Diese Dienstleistungen helfen Unternehmen, sich auf ihre Kernkompetenzen zu konzentrieren und ihre Geschäftsprobleme zu lösen, während WDS Ineffizienzen und Designprobleme beseitigt, was den Unternehmen hilft, die Markteinführung zu beschleunigen.

In diesem Artikel gehen wir speziell auf einige Tipps zur Integration von Mobilfunk in Ihre Anwendung ein.

Warum sollte Mobilfunk in Ihr IoT Design integriert werden?

 Hier sind einige der wichtigsten Gründe, die für Mobilfunk sprechen:

• Mobilfunk Geräte können installiert werden, ohne dass sie im Wi-Fi-Netzwerk des Kunden eingerichtet werden müssen.
• Keine Einrichtungszeit für Ihre Installateure oder die Installateure Ihrer Kunden. Sie müssen sich nicht um das Ändern von Passwörtern und die Signalstärke kümmern. Es "funktioniert" einfach nach dem Auspacken.
• Mobilfunk Optionen gibt es im Überfluss. Verbindungen sind um eine Größenordnung günstiger als noch vor ein paar Jahren.
• Mobilfunk legt Meilen zurück, im Gegensatz zu den Fußabständen typischer Wi-Fi-Netzwerke. Die Welt ist mit Mobilfunk überzogen.

Digi bietet mehrere ausgezeichnete Optionen, die eine schnelle und einfache Markteinführung ermöglichen, darunter Mobilfunk-fähige und vorzertifizierte Digi XBee Module. Dennoch stellt die Entwicklung von Produkten mit Mobilfunk neue Herausforderungen an das Design, die berücksichtigt werden müssen. Es gibt einige Dinge, auf die Entwickler achten müssen, die für Mobilfunk einzigartig sind, insbesondere die neueren Technologien, die eine höhere Empfängerempfindlichkeit aufweisen. Wenn Sie dies bei Ihrer Entwicklung nicht berücksichtigen, riskieren Sie, dass die Verbindung abbricht oder, schlimmer noch, gar nicht erst hergestellt werden kann. Dies kann dazu führen, dass Ihr Gerät nicht zertifiziert wird, Ihre Produkteinführung sich verzögert und Ihre Geschäftspläne durchkreuzt werden.

Ihre Kunden verlangen ein nahtloses und einfaches Einrichtungserlebnis. Die Entsendung von Servicewagen oder der Versand von Ersatzgeräten per Expressversand, um problematische Geräte und Teile zu reparieren oder zu ersetzen, kann Ihre Gewinne zunichte machen. Unter den vielen Vorteilen von Mobilfunk können Sie sowohl eine einfache Einrichtung als auch Funktionen zur Fehlersuche und -behebung aus der Ferne integrieren, die die Servicequalität unterstützen.
 

Lehren aus der Mobilfunk Integration

Im Folgenden sind einige hart erarbeitete Lektionen aufgeführt, die die Mitglieder des Digi WDS-Teams gelernt haben und die sie empfehlen, wenn sie ein neues Mobilfunk-fähiges Gerät in Angriff nehmen.
 

1. Achten Sie auf EMI und mindern Sie diese in Ihrem Schaltplan und Layout

 
Die Entscheidungen, die Sie in dieser Hinsicht treffen, wirken sich auf die Funkimplementierung und Rauschfilterung Ihrer Anwendung, die Prozessorkonfiguration/Strapping, die Taktgeber/Oszillatoren, die Speicherkonfiguration/Verbindungen, die Peripheriekonfiguration/Verbindungen und die Konfiguration des Stromversorgungssystems aus.

Einige "Do's" in Bezug auf den Schaltplanentwurf:

• Trennen Sie die Antenne von der Stromversorgung, den Prozessoren und den Schaltreglern.
• Erwägen Sie den Einsatz von LDOs anstelle von Schaltern, wenn möglich.
• Planen Sie den Aufbau der Leiterplatte, den Stack-Up und die Routing-Strategie sorgfältig. Durchgängige Masse- oder Versorgungsebenen neben jeder Signallage.
• Achten Sie bei jedem Kabel- oder Drahtanschluss darauf, alle Ein- und Austrittspunkte auf der Leiterplatte zu filtern.
• Verwenden Sie eine einzige solide Massefläche. Schaffen Sie keine getrennten analogen/digitalen Erdungen, es sei denn, dies ist unbedingt erforderlich.
• Besonders wichtig ist die Entkopplung von High-Speed-Prozessoren.
• Sehen Sie vorsorglich Abschirmungen über Prozessoren, Reglern und Schaltgeräten vor. Eine Abschirmung kann jederzeit in der endgültigen Stückliste weggelassen werden, wenn die Prüfung ergibt, dass sie nicht erforderlich ist.
• Erwägen Sie eine Überprüfung Ihres Schaltplans vor dem Layout und eine Überprüfung des Layouts vor dem Bau von Platinen.

Die Beauftragung eines externen Sachverständigen mit der Prüfung Ihres Entwurfs kann Zeit und Geld sparen, da Probleme frühzeitig erkannt und beseitigt werden können, bevor wertvolle Arbeits- und Materialkosten entstehen. Digi hat Hunderte von solchen Prüfungen durchgeführt, sowohl als interner Entwicklungsprozess als auch als Hilfe für Kunden, die ihre eigenen Entwürfe entwickeln.
 

2. Antennendesign sorgfältig prüfen

 
Es dreht sich alles um die Antenne. Nahezu alles in einem kleinen Gerät IoT ist Teil des Antennensystems. Die Vorplanung des Standorts und die Berücksichtigung mechanischer Aspekte sind entscheidend. Metall und andere Materialien können eine Antenne verstimmen, das Muster beeinträchtigen, die Effizienz verschlechtern oder koppeln und abstrahlen, was dazu führt, dass Ihre Anwendung nicht zertifiziert wird.

Einige "Do's" in Bezug auf das Antennendesign:

• Überprüfen Sie die Auswahl der Antenne und ihre Integration in die mechanische Baugruppe. Ausreichend Platz für eine geeignete Antenne im Vergleich zur Einpassung in den verfügbaren Platz kann die Systemleistung stark beeinflussen. Mit abnehmender Größe sinkt auch die Effizienz.
• Wenn möglich, führen Sie eine Simulation der Antennenleistung durch. Simulationen können helfen, den mechanischen Konstruktionsprozess zu leiten und potenzielle Antennenkandidaten vor dem Bau zu bewerten.
• Halten Sie die Antennen von Störquellen wie Schaltreglern und Mikroprozessoren fern, die eine Desensibilisierung des Empfängers verursachen können.
• Halten Sie Antenne und HF-Übertragung von Stromnetzen fern.
• Wenn Sie Keramikantennen verwenden, sorgen Sie für eine ausreichende Massefläche. Eine gute Referenz ist die Massefläche der Antenne auf der Auswertungsplatine.
• Versuchen Sie, die Kabel so gerade wie möglich zu verlegen. Vermeiden Sie Knicke und scharfe Biegungen, die Reflektionen verursachen können.
• Führen Sie in-situ-Abstimmungsmessungen durch, um die Leistung in jeder Phase des Prototypings und insbesondere in der endgültigen Konfiguration zu überprüfen. Stimmen Sie die Antenne so ab, dass die Sendefrequenzen gegenüber den Empfangsfrequenzen bevorzugt werden.

Wenn Sie Fragen zum Antennendesign haben oder Unterstützung benötigen, wenden Sie sich an Digi WDS. Wir unterstützen unsere Kunden ständig bei der Lösung von Antennenproblemen und stellen sicher, dass ihre Designs die Zertifizierungen bestehen.
 

3. Fügen Sie Empfindlichkeitstests für Empfänger in Ihren Entwicklungszyklus ein

 
Testen Sie die Empfindlichkeit des Empfängers (einschließlich des Zwischenkanals), um Störungen zu charakterisieren und mit den Anforderungen der CTIA und des Betreibers zu vergleichen. Wie bereits erwähnt, kann übermäßiges Rauschen den Empfänger desensibilisieren und seine Leistung stark beeinträchtigen. Dies gilt insbesondere für Cat-M- und NB-IoT -Funkgeräte, die eine höhere Empfindlichkeit als andere LTE-Funkgeräte aufweisen. Denken Sie zum Beispiel an stationäre Geräte, die innerhalb von Gebäuden oder in ländlichen Gebieten eingesetzt werden, wo die Mobilfunksignale schwächer sein können. Ein schlecht funktionierender Empfänger kann zu Verbindungsabbrüchen führen.

Einige "Do's" in Bezug auf die Empfindlichkeit:

• Entwerfen Sie mit Blick auf EMI wie oben beschrieben.
• Führen Sie in jeder Prototyping-Phase Pre-Scan-Tests durch, um Ihre Leistung mit einer Mobilfunk Callbox zu messen. Führen Sie Ihre Tests in einer schalltoten Kammer durch.
• Führen Sie bei Bedarf eine In-Situ-Spektralanalyse durch, um Quellen von Störemissionen zu identifizieren.

Digi hat in der Vergangenheit vielen Kunden geholfen, Probleme im Zusammenhang mit der Empfängerempfindlichkeit zu erkennen und zu beheben. Da wir selbst Hunderte von Mobilfunk Entwürfen durchgeführt haben, können wir Ihnen als vertrauenswürdiger Berater zur Seite stehen und Sie durch den Lösungsprozess führen.
 

4. Entwurf für optimale Sendeleistung

 
Die Sendeleistung steht in direktem Zusammenhang mit der Fähigkeit Ihres Geräts, im Netz gehört zu werden. Die Fähigkeit, zu antworten oder eine Verbindung herzustellen, kann bei einer geringen Sendeleistung beeinträchtigt werden oder bei einem hohen Geräuschpegel während der Übertragung unleserlich sein. Wie bei der Empfindlichkeit des Empfängers hat jeder Netzbetreiber Anforderungen, die Ihr Gerät erfüllen muss, um für die Nutzung in seinem Netz zugelassen zu werden.

Einige "Do's" in Bezug auf die Sendeleistung:

• Wie bereits erwähnt, stimmen Sie Ihre Antenne auf günstige Sendefrequenzen ab. Ein guter Empfang ist zwar wichtig, aber die Fähigkeit Ihres Geräts, gehört zu werden, wird durch eine unzureichende Sendeleistung direkt beeinträchtigt.
• Führen Sie Sendeleistungstests durch, um zu überprüfen, ob der Entwurf den Spezifikationen entspricht.
• Auch hier gilt: Führen Sie in jeder Prototyping-Phase Vorabtests durch, um Probleme frühzeitig ausfindig zu machen.

Zum Schluss

Bei der Entwicklung von Mobilfunk für Ihr IoT Gerät müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Digi ist sich bewusst, dass sich Ihr Geschäft nicht ausschließlich auf die Entwicklung von Mobilfunk Geräten beschränkt. Deshalb ist Digi Wireless Design Services hier, um Ihnen zu helfen, Ihre Markteinführungszeit zu verkürzen und gleichzeitig das Risiko zu reduzieren. Kontaktieren Sie uns noch heute, um Ihre Risikobewertung zu erhalten und Ihre erfolgreiche IoT Einführung zu unterstützen!