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物聯網正在把交通工具變成通信樞紐,但是有些注意事項

2020-11-03 來源:Laird Connectivity

本文作者:Ted HEBRON,LAIRD CONNECTIVITY高級產品經理


物聯網如今有了一個新的領域,它代表著物聯網部署的一個新類別:卡車、火車、公共汽車、飛機、輪船和其他類型的車隊,共同創造了世界各地的交通網絡。


迄今為止,在我們的行業中,大多數物聯網使用案例都是在固定地點實施的:工業工廠、智能建筑、智能城市網絡、農業傳感器網絡以及幾乎所有商業行業案例。但物聯網不僅僅是靜止的,它可以移動。事實上,它需要高度的移動性,以支持物聯網的各種用例,其中涉及到作為移動通信樞紐的車輛。


車輛物聯網具有一系列獨特的設計挑戰,工程團隊必須應對這些挑戰,才能在此類物聯網項目中取得成功。本文旨在為從事這些物聯網項目的工程師們提供一個啟發,他們需要在車輛無線實現的復雜射頻技術,但是卻缺乏在這些環境下成功部署物聯網的專業知識。


在我們討論這些最佳實踐和注意事項之前,讓我們先來看看車輛物聯網的一些例子。無線技術在汽車上并不新鮮。許多車輛使用藍牙連接,例如,在座艙中,用于立體聲控制和語音命令等功能。此外,Wi-Fi連接在從飛機到巴士的交通工具中已經變得很普遍。但是車載物聯網將事情提升到了另一個層面,即并行運行的無線技術數量以及依賴于這種連接的設備和應用的數量。當車輛作為無線通信樞紐時,這些環境的復雜性最好描述為車輛物聯網。


像警用巡洋艦這樣的公共安全車輛就是這種轉變的一個很好的例子。警用巡洋艦擁有無線技術已有數十年,在舊電視劇和電影中巡洋艦頂部的許多天線就是一個證明。然而,如今警用巡洋艦正在升級下一代設備和應用,這些設備和應用需要在每輛巡洋艦上安裝更復雜的無線網絡。實際上,如今每輛車都成為了自己的無線通信生態系統,FirstNet、Wi-Fi、藍牙、GNSS、UHF、4G/5G等技術都位于同一輛車上。這些無線技術支持越來越多的設備和應用,包括人體攝像頭、語音通信、高清視頻訪問、面部檢測、筆記本電腦連接、跟蹤設備等。所有這些都發生在一個工程師可以工作的最復雜的射頻環境中:一個由超過一噸金屬部件組成的車輛上,并且通常移動迅速。


像警用巡洋艦這樣的交通樞紐所需要的不僅僅是連通性。他們需要一個車載物聯網策略。所有其他類型的交通工具都是如此,它們被要求更多地使用無線技術、設備和應用程序。卡車車隊、貨運列車和貨運飛機等交通工具正在配備越來越多的無線連接設備和無線應用,這些設備和應用需要一個復雜的車載物聯網系統。物聯網的實現包括診斷系統、環境傳感器、物理安全設備、溫度控制傳感器、產品跟蹤功能、增強通信系統、工人安全設備、移動計算設備等。所有這些都需要一個多技術的無線環境,包括Wi-Fi、藍牙、蜂窩、GPS和LoRa。同樣的道理也適用于運載乘客的交通工具,如火車、校車、班車等。越來越多的車輛不僅為乘客提供公共Wi-Fi,而且無線系統還支持售票系統、位置跟蹤設備、使用/容量報告系統、數字標牌、調度通信、安全/安保系統、增強型駕駛員支持系統等。


每一個車載物聯網部署都面臨著許多挑戰,這些挑戰涉及到車輛的射頻環境、集中在一個小空間的無線技術,以及必須在每個無線生態系統中發揮良好作用的設備。本文的剩余部分提供了一個清單,列出了在車載物聯網設備和實現上工作的工程團隊為了使他們的項目成功而應該牢記的事情。


為金屬屏蔽的影響做好準備


車輛的射頻動力學與工程團隊從事的其他物聯網項目不同,金屬屏蔽是一個主要原因。對于車頂為金屬表面的安裝,天線的位置會對整體性能產生重大影響。對于車內天線的安裝,金屬物體會成為屏蔽及反射罩,多徑源會對系統性能產生負面影響。無論安裝位置如何,金屬都是影響系統性能的重要因素。


另一個需要注意的問題是來自附加無線系統/服務的其他近距離無線信號的集中,這與車頂和車內安裝都相關,這些都會造成信號干擾。這些復雜的射頻動態特性,對天線的選擇是一大挑戰。射頻建模和測試成為系統性能的一個重要步驟,天線的選擇、放置和實現至關重要。


射頻建模很重要…但還不夠


車輛射頻建模是理解復雜射頻學的重要步驟。它將根據天線和設備在車輛中的相對位置,為工程團隊提供重要指導,這對于使用眾多無線技術和設備的物聯網部署非常有價值。但光靠射頻建模是不夠的。應進行射頻測試,以確保實現預期性能。測試將揭示建模軟件未預料到的射頻沖突,并將引導您正確選擇天線和安裝位置,從而優化車輛所有無線系統性能。


盡量減少鉆孔


許多物聯網項目都涉及到鉆孔,包括農業、工業環境和智能城市中涉及的傳感器和設備網絡。但是,由于車輛在行駛過程中進水的風險很高,車輛項目也增加了復雜性。在車輛上鉆的每個孔都是潛在的漏水源,不僅威脅物聯網的實施,而且威脅到整車的電子系統。集成的多技術天線對于車載物聯網來說非常重要,不僅因為它們可以最大限度地減少車輛外部的鉆孔數量。同時,在確保不降低信號模式和性能的情況下,很難在一輛車上共用多個獨立的天線。集成天線的設計可以使多種無線技術在沒有退化和干擾的情況下進行配置。與部署多個天線相比,選擇集成天線通常可以降低射頻設計的復雜性,同時還可以簡化最終設計的測試和認證過程(當集成天線經過預認證時)。


選擇低剖面天線


還應該注意到天線很容易損壞,而且當車輛行駛時,它們周圍的間隙通常很小。例如,在城市環境中,貨車在許多立交橋下的凈空通常很小。火車在經過部分線路時,周圍的凈空通常是有限的。而且,雜草叢生的植被對每種車輛上的高天線都是一種威脅。選擇一個低剖面天線將是車輛物聯網項目的一個重要考慮,以防止這種損害。


注意電纜長度的影響


其他物聯網實現與車載物聯網的最大區別之一是車輛系統中的電纜長度較長。隨著電纜長度的增加,衰減挑戰的可能性也會增加,而車載設備中的電纜長度通常比其他設置中長得多。在這些項目中工作的工程師應仔細選擇組件、電纜和天線,通過選擇高質量、低損耗的解決方案,以滿足物聯網系統的射頻性能要求。


關于作者


Ted Hebron是Laird Connectivity的高級產品經理,該公司提供全套天線解決方案和無線模塊,簡化了無線技術的使用過程。在擔任這一職務期間,Hebron領導Laird的車載天線和其他連接產品的開發。Hebron在射頻設計和天線工程方面擁有36年的經驗,使用了一系列無線技術,包括蜂窩、雷達、無線電、電視和低可觀測連接。曾在全球六個Laird運營中心管理工程團隊,他在Laird之前的工作包括在波音和哈里斯廣播公司任職,在堪薩斯大學獲得了學士學位。

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