ワイヤレス設計の失敗

輸送や保管を含む製造のほぼすべての側面でエネルギーと運用コストの削減を実現できる可能性があるため、産業用モノのインターネット IIoT は飛躍的に成長すると予測されています。 ワイヤレス接続は、インストール、アプリケーション、再構成が簡単であるため、IIoT の導入を加速できます。 しかし、IIoT アプリケーションでのワイヤレスの使用に対する反対の議論は、主に否定的なユーザー エクスペリエンスに基づいて、その信頼性を中心に行われてきました。 ワイヤレス キーボードからデータ アグリゲーターに至るまで、あらゆるものは通信範囲の制限に悩まされており、単一のセメント壁が究極の通信範囲キラーとなる場合があります。 障害が許されない産業施設における無線通信には、信頼性とセキュリティが非常に重要です。

ありがたいことに、最近では無線通信の信頼性が劇的に向上しています。 ネットワーク アーキテクチャと RF パフォーマンスの大幅な進歩により、石油やガス、スマート電力メーターなど、過酷な産業環境で短距離無線通信を使用する無数のデバイスが導入されるようになりました。 ただし、成熟するにつれて、すべてのワイヤレス テクノロジが良好なパフォーマンスを発揮すると誤解しやすくなります。 無線で通信するプロトタイプ製品の構築は非常に簡単になってきていますが、パフォーマンスの低下は通常、設計者の専門知識や専門知識の不足に起因する可能性があります。 最初から簡単な設計ガイドラインに従うことで、障害を回避できます。 簡単に言えば、適切な RF 設計がなければワイヤレス接続は機能しません。 RF 設計が機能しない可能性のあるすべての原因に対処することはほぼ不可能ですが、以前に犯した一般的な間違いを見直すことで、少なくともこれらの間違いを回避することはできます。

おそらく、RF システムで最も重要な部分はアンテナ、つまり空中に電磁放射を推進する金属片です。 RF 製品が可能な限り良好に動作するには、アンテナのサイズが送受信する RF 信号の周波数に一致し、障害物なく自由に放射できる場所に配置する必要があります。 アンテナを内蔵した RF モジュールは、グランド カットアウトのあるキャリア PCB の端に配置する必要があります。 アンテナには次のガイドラインが適用されます。

RF 回路は電気ノイズや磁気ノイズの影響を受けやすくなります。 電気ノイズには高周波高調波が含まれており、RF レシーバーの感度が低下したり、RF トランスミッターによってアップ変調されて送信され、帯域外放射が発生する可能性があります。 高速クロック信号によって生成される高調波も RF レシーバーの感度を低下させる可能性があるため、RF 回路は高速 CPU とメモリ バスを備えたシステムから遠く離れた場所に配置する必要があります。 また、RF 回路は、トライアック、スイッチモード電源、電気モーターの制御回路などのスイッチング コンポーネントの近くに配置しないでください。 電圧スイッチングによって生成される過渡現象は、無線によってスプリアスとして送信され、RF 受信機の感度を低下させる可能性があります。

RF デバイスは通常、消費電流がマイクロ アンペアのオーダーである非常に低電力状態から、通常の消費電流が数ミリアンペアのオーダーであるアクティブ状態に移行します。 RF デバイスに電力を供給する電源 (バッテリー) が正しく選択されていない場合、消費電流の急激な変化により電圧降下が発生し、RF デバイスがリセットされて、正しく送信できなくなる可能性があります。 RF 回路が適切にデカップリングされておらず、電源電圧レベルがリセットしきい値に近い場合、ワイヤレス送信中の電圧降下によって RF 回路がリセットされる可能性があります。

上記の間違いの実例としては、次のようなものがあります。

RF アンテナがノイズの近くに設置されている — 高速 CPU を備えたゲートウェイは 2 つの PCB を使用して実装されました。1 つは CPU PCB 用で、もう 1 つはメモリ バスの隣にある内蔵アンテナ付きです。 結果として得られた製品の到達距離はわずか約 2 メートルでした。 再設計の際、アンテナはメモリ バスから、また CPU PCB から (エンクロージャの制約を考慮して) 可能な限り遠くに移動され、製品の到達距離は 30 メートル以上に改善されました。

過度の騒音 — トライアックを使用した調光器の範囲は、ライトが完全に消灯または完全にオンの場合、30 メートル以上でしたが、トライアックを使用して照明を調光すると、範囲は 10 メートル未満に減少しました（トライアックからのノイズによる）。 同じテクノロジーの異なる実装を備えた他のベンダーの同様の調光器製品では、調光器スイッチの状態に関係なく、範囲の低下は発生しませんでした。

最適ではないアンテナ位置（以下を含む） — ワイヤーアンテナが金属製の筐体内に配置されたドレープモーター。 アンテナがディスプレイの後ろにあるサーモスタット。 または、RF モジュールが画面の後ろにあるテレビ。

安定した電力供給 — コイン型電池で駆動される壁に取り付けられたスイッチは、ネットワークに接続されているデバイスが 5 台未満の場合でも正常に動作しました。 5 つを超えるデバイスを追加すると、消費される電流量により電圧降下が発生し、スイッチがリセットされます。

ワイヤレス通信の通信範囲と信頼性は大幅に向上し、現在では IIoT デバイスにとって実行可能な接続ソリューションとなっています。 しかし、優れたテクノロジーは基本的な設計ミスによって簡単に台無しになってしまいます。 この記事では、基本的な設計エラーが製品のパフォーマンス低下につながった例をいくつか示し、設計者がこれらの間違いを繰り返さないようにするためのガイドラインを提供しました。

著者のオルファート・ポールセンは、Silicon Labs のワイヤレス システム アーキテクトの肩書きを持っています。

www.silabs.com