1. 工业无线采集终端需求分析
在工业现场部署无线采集终端，第一步不是选芯片、画板子，而是把需求讲清楚。需求分析决定了后续射频方案、协议栈、电源架构和外壳防护等级的全部走向。如果需求阶段把通信距离估短了、把功耗预算算松了，后期往往要推翻硬件重来。本章围绕典型场景、采集对象、通信距离、实时性、可靠性、功耗与成本七个维度，给出可落地的分析方法与示例参数。
一、典型场景决定需求基线
工业无线采集的典型场景大致可分为四类，每类对终端的要求差异很大：
- 旋转设备状态监测：电机、风机、泵的振动与温度采集。传感器随设备旋转或安装在难以布线的位置，必须电池供电，采样率较高（振动常需 1~10 kHz 带宽），数据量大但可容忍秒级延迟。
- 过程仪表无线化：压力、流量、液位变送器。采样慢（1~10 s 一次），要求高可靠和长电池寿命（5~10 年），实时性要求低。
- 离散制造工位采集：工位按钮、光电开关、RFID 读头。事件触发型，要求低延迟（<100 ms），多为市电或产线供电。
- 园区级环境与能耗监测：温湿度、电表、水表。节点分散、距离远，强调覆盖和成本，实时性最弱。
场景一旦确定，采集对象、距离、实时性、功耗的优先级排序就基本确定了。例如旋转设备监测中，功耗和采样带宽是硬约束，而过程仪表中，可靠性和寿命是硬约束。
二、采集对象与信号特征
采集对象决定了前端电路和采样策略。需要先明确每个通道的物理量、量程、精度、带宽和接口类型。以常见的工业采集为例：
| 采集对象 | 典型量程 | 精度要求 | 带宽/更新率 | 接口 |
|---|---|---|---|---|
| 振动（加速度） | ±16 g | ±5% | 10 kHz | IEPE/模拟 |
| 温度（PT100） | -50~200 ℃ | ±0.5 ℃ | 1 Hz | 三线制 |
| 压力（4~20 mA） | 0~1.6 MPa | ±0.2% FS | 10 Hz | 电流环 |
| 开关量 | 0/1 | — | 事件触发 | 干接点 |
这些参数直接决定 ADC 位数、采样率和是否需要抗混叠滤波。例如振动信号带宽 10 kHz，按奈奎斯特至少 20 kHz 采样，实际取 25.6 kHz；而温度 1 Hz 更新率用 12 位 ADC 即可。nRF52/nRF53 系列内置 12 位 ADC，配合外部运放和基准，可覆盖多数中低速采集；高频振动则需外置高速 ADC 或专用 IEPE 前端。
三、通信距离与链路预算
通信距离不能凭经验拍脑袋，要用链路预算估算。自由空间路径损耗公式：
FSPL(dB) = 32.44 + 20·log10(f_MHz) + 20·log10(d_km)以 2.4 GHz、100 m 为例，FSPL ≈ 32.44 + 20·log10(2400) + 20·log10(0.1) ≈ 80 dB。若发射功率 +4 dBm、接收灵敏度 -95 dBm，则链路余量 = 4 - (-95) - 80 = 19 dB。工业环境多径、金属遮挡会额外损耗 10~20 dB，因此 19 dB 余量在视距下可行，在复杂车间则偏紧。若改用 Sub-1 GHz（如 868 MHz），同样距离 FSPL 降低约 9 dB，余量更充裕，但天线尺寸更大、速率更低。
实际选型时，建议先按最恶劣路径估算，再留 10~15 dB 余量。若余量不足，可提高发射功率、改用 Sub-1 GHz、增加中继或改用 Mesh 组网。
四、实时性、可靠性与功耗的三角约束
实时性、可靠性和功耗三者往往互相牵制。提高实时性意味着更频繁的收发，功耗上升；提高可靠性需要重传和确认，也增加功耗和延迟。因此必须明确主次。
以过程仪表为例，若要求电池寿命 5 年，按 2000 mAh 电池计算，平均电流需低于 2000 mAh / (5×8760 h) ≈ 45 µA。若每次采集+发送消耗 20 mA 持续 10 ms，则每天最多可发送约 45 µA × 86400 s / (20 mA × 0.01 s) ≈ 19440 次，即约每 4.4 s 一次。若要求 1 s 一次，则平均电流会超标，必须降低发射功率或改用能量采集。
可靠性方面，工业现场常用指标是丢包率 <1%、重传次数 ≤3。可通过 ACK+重传、跳频、信道黑名单实现。nRF52 的 ESB 和 802.15.4 都支持自动 ACK 和重传，配置时需权衡重传次数与功耗。
五、成本约束与方案取舍
成本包括 BOM 成本、部署成本和维护成本。BOM 上，nRF52832 单芯片方案比“MCU+独立收发器”更省，但若需要 Sub-1 GHz 长距离，可能选 nRF52840+外部前端或 nRF9160（NB-IoT）。部署成本上，Mesh 中继会增加节点数，但可降低单点发射功率；星型组网简单但网关覆盖要求高。维护成本上，电池更换频率直接决定运维人力，长寿命设计虽增加电池成本，但总体更省。
下面用一张需求关系图，把本节的核心约束和它们之间的影响关系梳理出来，便于在方案评审时快速对照。
六、需求分析的可执行清单
把上述分析整理成一份可填写的需求清单，在项目启动会上逐项确认，能显著减少后期返工。示例字段如下：
| 维度 | 需确认内容 | 示例值 |
|---|---|---|
| 场景 | 设备类型、安装位置、供电条件 | 风机轴承，电池供电 |
| 采集对象 | 物理量、量程、精度、带宽、通道数 | 振动 ±16 g，10 kHz，1 通道 |
| 通信距离 | 最远节点距离、遮挡情况、频段 | 80 m，有金属遮挡，2.4 GHz |
| 实时性 | 最大允许延迟、更新率 | 延迟 <1 s，1 Hz 上报 |
| 可靠性 | 丢包率、重传次数、组网方式 | 丢包 <1%，重传 3 次，星型 |
| 功耗 | 电池容量、目标寿命、平均电流 | 2000 mAh，5 年，<45 µA |
| 成本 | 单节点 BOM 上限、部署与维护预算 | BOM <80 元，免维护 |
这份清单不是一次填完就结束，而应在方案设计、样机测试后回填实测值，形成“需求—设计—验证”的闭环。例如样机实测平均电流 52 µA，超出 45 µA 预算，就需要调整上报周期或降低发射功率，而不是等到量产才发现电池寿命不达标。
需求分析完成后，才能进入芯片选型、射频布局和协议设计。下一阶段的所有技术决策，都应能追溯到本章确认的场景、对象和约束条件。