智能家庭IoT 无线模组技术设计要点

陈利欢

（杭州涂鸦信息技术有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

近几年，随着人工智能物联网（Artificial Intelligence & Internet of Things，AIoT）产业的迅猛发展，各个垂直行业应用得到了长足发展。预计到2025年，全球物联网设备（包括蜂窝和非蜂窝）联网数量将达到252 亿，年均复合增长率约为15.3%。通常情况下，每增加一个物联网连接数，将增加1 ～2个无线模组。2018 年全球物联网模组出货量为2.35亿片，预计到2023 年将增长到15 亿片，复合年均增长率（Compound Annual Growth Rate，CAGR）达到45%［1］。在智能家庭环境，采用各种无线通信制式如WiFi、Zigbee 及BLE 的IoT 模组等互相补充，为用户构建了多样化、基于场景联动的物联网服务应用，如内嵌无线模组的智能球泡灯、智能植物生长机、无线温湿度传感器、智能扫地机以及智能中控面板等。这些智能产品越来越多地进入寻常百姓家庭，为用户提供了各种智能化体验和服务。因此，以智能家庭环境下的WiFi 模组为例，系统阐述无线模组设计及导入过程中需要重点评估的关键技术点。

1 WiFi 模组应用拓扑

典型的智能家庭环境无线网络拓扑如图1 所示［2］。手机通过对应的App 操作智能终端，智能终端通过WiFi 模组连接到无线路由器，无线路由器通过2G、3G、4G 及5G 无线接口或有线宽带接口等连接到远端云服务器。

2 IoT 模组设计技术考量点

2.1 室内环境下无线信号的衰减

为了保证无线模组在实际家庭环境的最佳传输效果，保证模组与无线路由器之间的连接链路可靠，需要确保模组的基本收/发指标。模组出厂时，借助产线仪器和产测工具对每一片模组进行精确功率校准，使得模组在各个模式下的功率值都处于额定范围。例如，针对支持IEEE 802.11 b/g/n 模式的模组，出厂时通过射频仪器和对应的产测工具，校准各个工作模式下的目标功率到额定范围，确保模组在实际工作中功率准确。同时，在研发阶段，通过信令和非信令等方式，确保模组在各个模式下的静态接收灵敏度符合要求。以某WiFi 平台为例，各模式高速率下的目标功率设置和接收灵敏度如表1 所示。

图1 家庭环境IoT 连接框图

表1 某WiFi 平台在不同工作模式下的功率和接收灵敏度

整体产品中，实际加上了天线辐射效果和结构件堆叠因素，可以对整机进行总辐射功率（Total Radiated Power，TRP）/总接收灵敏度（Total Isotropic Sensitivity，TIS）性能测试。整机TRP/TIS 衡量的是产品在信令模式下工作时，以辐射形式表现出来的全向发射和全向接收性能，是一个空间积分的概念。例如，在信令连接11b 1 Mb/s 模式下，可以要求整机的TRP≥10 dBm、TIS≤-70 dBm，代表辐射的无线设备整体效果良好。

2.2 无线设备抗干扰能力

由于智能设备工作在ISM 频段（2 400 ～2 500 MHz），实际接收通道会收到来自整个ISM 频段内其他无线设备发出的信号，也会接收到来自ISM 频段之外的无线信号。根据干扰信号的具体来源与频率分布，可以把接收机抗干扰性能分为抗带内同频干扰和抗带外Blocking 信号两种，分别称之为抗同频干扰性能和RX Blocking 性能［3］。实际操作中，评估抗带内干扰能力时，用矢量信号源产生微弱有用信号和与之同频的干扰信号，通过耦合器一起馈入待测设备的接收链路，检测设备对微弱信号的恢复接收能力是否造成了影响及影响程度。

常见的WiFi 设备工作时都处于非跳频、可支持自适应的工作模式，且最大发射功率≥10 dBm，因此按照CE 法规的定义属于一类设备。相关标准明确标识了不同类别的设备所施加Blocking 信号的频率具体分布点和所施加干扰信号的调制类型与功率水平，以衡量存在带外干扰信号时设备的接收能力是否达到相应的标准。如果未达到标准，则需要通过调整接收通道的滤波器、衰减设置等以满足认证要求。

另外，设备正常工作时需要保证发送谐波、频谱边带、频谱Mask 包络以及接收谐波水平等指标满足对应的SRRC、FCC 及CE 法规要求。出口到其他国家或地区的设备，需要满足对应国家或地区的认证法规要求。

2.3 设备开关机及电源时序要求

很多智能家庭设备如智能墙插面板或扫地机等，存在反复多次开关机操作或者电源适配器多次上下电的情况，如扫地机接触充电底座频繁进行上下电。从成本与方案竞争力的角度看，智能球泡灯和智能插座这类价值不高的单品一般都是系统级芯片（System on Chip，SoC）方案，其中WiFi 芯片既是无线数据的收发单元也是任务处理单元（Micro Control Unit，MCU）。针对这类设备，如果开关机操作导致SoC 无法复位或者上下电导致了模组上电时序异常就会引起死机，导致无法完成上电初始化。针对上下电操作或者设备上电的时序要求，需要在产品设计阶段进行充分测试，以暴露问题。必要时需增加单独的复位电路，以确保SoC 的上下电操作正常。

2.4 设备低功耗要求

随着IoT 设备的逐步普及，用户对设备待机工作时间和设备响应速度等有了更高的要求［4］。例如，WiFi 门磁一般会搭配一节容量为1 000 mAh 的镍氢电池，保证其至少一年的待机工作时间；低功耗智能WiFi 门锁也要保证一定的持续工作时间。如果功耗过大需要频繁更换电池，将会对用户体验产生不利影响。

WiFi 设备的常见低功耗策略是按照指定的传输流量指示消息（Delivery Traffic Indication Message，DTIM）周期唤醒接收来自无线路由器的Beacon 帧，同时设备每隔一段时间发送一个NULL 包给无线路由器作为心跳包。设备常联网模式下的电流一般由系统休眠时的底电流、设备唤醒后进行Beacon 帧接收的电流以及设备发送NULL 心跳包的电流3 部分组成，其中设备唤醒后进行Beacon 帧接收的电流又分为等待Beacon 接收和接收Beacon 两个时间段的电流。上述电流水平与设备处于接收模式或发送模式下的电流都存在直接的关联。

可以用DTIM1 模式下的平均电流预估设备的工作时间。例如，一个搭载1 000 mAh 电池容量的智能WiFi 设备，在DTIM1 模式下的平均功耗为0.1 mA，那么预估一天的耗电量为2.4 mAh，整体待机工作时间为1 000 mAh/2.4 mAh/365 天=1.14 年。考虑到用户实际的操作频次和唤醒状态下操作时功耗更大，设备功耗还需要进一步优化才能满足一年的预期电池寿命，从而避免频繁更换电池。

针对部分搭载纽扣锂电池的无线终端设备，选用的SoC 平台最低工作电压需要支持到2.3 V。锂电池标称电压一般为3.0 V，随着电池的逐步放电，需要保证电压到2.3 V 时设备还能正常工作，以尽可能地延长电池的工作寿命。同时，在研发阶段，需要保证无线模块开启瞬间发送大电流时不会拉低电池电压，也不会对电池产生冲击影响。

2.5 设备稳定性工作要求

为了保证无线智能设备的工作寿命，在智能模组集成到单品时需要做一系列的老化及稳定性测试，如表面防静电水平测试、高温稳定性测试、低温启动测试以及高低温循环测试等，具体的测试模型可根据具体设备类型做适当的变化调整。例如，针对智能球泡灯，如果嵌入的无线模组离灯腔光源部分很近，则需要保证其在-20 ～+105 ℃区间内的高低温工作稳定性。此时，可通过挂机来查看上/下线时间记录或通过操控App 查看设备响应延时等，判断模组在高低温环境下的工作状态是否正常。

3 结 语

随着AIoT 行业的深入发展，IoT 无线模组的应用越来越广，使得越来越多集成了无线模组的智能联网设备走进千家万户［5］。在IoT 模组尤其是WiFi 无线模组的集成设计阶段，需要系统评估各类指标性能，以满足无线通信距离、设备工作功耗、联网工作稳定性以及相应国家或地区的认证法规要求。如果某个维度的指标存在短板，将会对智能家庭设备的实际应用体验造成不利影响。因此，IoT 模组的设计需要系统的需求规划、详细的链路推算以及完备的测试流程，以保障智能设备的整体性能与使用体验。