工业互联物联网关产品

工业互联物联网关产品

一.物联网关：功能与应用

1.1 物联网关的定义与核心功能

物联网关是连接边缘设备（如传感器、执行器等）和云端或本地服务器的硬件设备，在物联网系统中扮演着至关重要的角色，是不同网络之间的桥梁

核心功能丰富多样，包括数据聚合，能够从多个源收集数据，并将其传输到云端或本地系统

实现数据的集中管理与分析；协议转换，把设备使用的原始协议转换为可用于进一步处理的标准协议，打破设备间的通信壁垒；数据预处理，对数据进行过滤、聚合和存储，减少传输量和延迟，还可实现断网续传，确保数据的完整性与时效性

安全防护，提供数据加密和安全认证，有效保护设备免受网络攻击；设备管理，可远程监控设备状态，进行配置和故障排除，提高设备的运维效率

1.2 物联网关的应用场景

A 工业自动化领域：在工业物联网（IIoT）中，物联网关用于连接生产线上的各种传感器和机器，实时监控生产状态。通过对设备运行数据的分析，能够预测维护需求，提前安排维护工作，减少设备故障带来的停机时间；还能优化制造流程，提高生产效率和产品质量，助力工业企业实现智能化生产

B 智慧城市建设方面：物联网网关连接城市基础设施，如交通信号灯、监控摄像头、环境监测站等。通过整合这些设备的数据，城市管理者可以实时了解城市的运行状况，实现智能交通管理，优化交通流量，减少拥堵；加强环境监测与治理，及时发现环境污染问题并采取相应措施，提升公共服务效率，打造宜居、宜业的智慧城市

C 农业物联网的应用：物联网关通过连接土壤、气候监测设备，帮助实现精准农业。根据土壤湿度、养分含量以及气候条件等数据，自动控制灌溉、施肥等作业，实现水资源和肥料的合理利用，提高农作物产量和质量，推动农业现代化发展

D 医疗健康行业的应用：连接医疗设备和健康监测装置，物联网网关有助于远程医疗服务的开展。医生可以实时监测患者的健康状况，如心率、血压、血糖等数据，及时发现异常并进行诊断和治疗，为患者提供更加便捷、高效的医疗服务，尤其是对于偏远地区或行动不便的患者

二.物联网关产品的行业标准

2.1 物联网关行业标准概述

物联网关行业标准是确保产品质量、性能和兼容性的重要依据，由国际组织、国家和行业协会共同制定，对物联网关的设计、生产、测试和应用等方面进行规范

随着物联网技术的快速发展和应用场景的不断拓展，统一的行业标准对于促进物联网关的互联互通、保障系统的稳定运行以及推动产业的健康发展具有关键作用，能够减少产品开发的不确定性，降低成本，提高市场竞争力

2.2 主要行业标准解析

国际电工委员会（IEC）标准：

IEC制定的标准在全球范围内具有广泛影响力，涵盖了电磁兼容、通信协议、安全等多个关键领域; 例如:在电磁兼容方面，对物联网关在电磁环境中的抗干扰能力和自身电磁辐射限制做出了明确规定，确保设备在复杂电磁环境下能正常工作且不干扰其他设备

欧洲电信标准协会（ETSI）标准：

ETSI标准侧重于通信技术相关规范，对物联网关的无线通信性能、频谱使用等方面提出严格要求，以保障设备在欧洲市场的合规性和良好通信质量，适应欧洲地区的通信网络和应用需求

中国国家标准：

我国针对物联网关制定了一系列国家标准，《信息技术设备的电磁兼容性限值和测量方法》等;这些标准结合国内实际情况，在参考国际标准的基础上，对物联网关的各项性能指标进行详细规定，推动国内物联网关产业的标准化发展，促进国内市场的规范和有序竞争

三.物联网关EMC电磁兼容标准

3.1 EMC电磁兼容标准简介

该标准由国际电工委员会（IEC）发布，欧洲标准化委员会（CENELEC）将其采纳并根据欧洲法规和需求进行修改补充，形成适用于欧洲市场的标准，在全球电子设备认证中具有重要地位，是物联网关进入国际市场必须遵循的规范

EMC电磁兼容标准用于评估和确保电子设备在电磁环境下的兼容性，涵盖了设备在电磁环境中正常工作且不对其他设备产生不可接受电磁干扰的能力要求

3.2 测试要求及指标详解

该标准由国际电工委员会（IEC）发布，欧洲标准化委员会（CENELEC）将其采纳并根据欧洲法规和需求进行修改补充，形成适用于欧洲市场的标准，在全球电子设备认证中具有重要地位，是物联网关进入国际市场必须遵循的规范

电磁辐射测量：评估物联网关在正常操作时产生的电磁辐射水平

常用测试标准EN 55032针对工业、科学和医疗设备的辐射要求；EN55011用于家用电器、信息技术设备和电信设备的辐射要求。通过对设备辐射的电场强度、磁场强度等指标进行测量，确保其辐射水平在合理范围内，避免对周围其他电子设备造成干扰

电磁感应测量：检测物联网关对外部电磁场干扰的敏感程度

EN55024 针对工业、科学和医疗设备的电磁感应抗扰度要求

EN61000-6-1 适用于住宅、商业和轻工业环境的电磁感应抗扰度要求;通过模拟不同强度和频率的外部电磁场，观察设备的性能变化，判断其对电磁感应的抵抗能力

EN61000-4-2 对静电放电抗扰度的要求，模拟人体或物体静电冲击，测试设备在不同放电电压下的工作状态

EN61000-4-3 针对射频辐射抗扰度的要求，检验设备抵抗空间射频电磁波干扰的能力

EN61000-4-4 用于测试快速瞬变抗扰度，模拟开关感性负载产生的瞬时干扰

EN61000 -4-5 测试浪涌抗扰度，模拟雷击或大功率设备切换产生的浪涌干扰 。通过这些测试，确保设备在各种干扰情况下仍能正常工作

四.物联网关实际使用痛点与常见问题

4.1 物联网关实际使用痛点

01设备间相互干扰：物联网设备种类繁多，不同设备工作时产生的电磁信号可能相互干扰，影响物联网关的数据传输和处理，导致设备性能下降甚至出现故障，降低了整个物联网系统的稳定性和可靠性

02复杂电磁环境挑战：随着无线通信技术的广泛应用，物联网关所处的电磁环境日益复杂，周围存在众多电磁骚扰源，如其他无线设备、工业设备等。这些干扰源产生的电磁波可能对物联网关的通信和运行产生负面影响，增加了设备正常工作的难度   

03小型化与低功耗矛盾：为满足市场对物联网设备小型化和低功耗的需求，物联网关在设计时往往需要在尺寸和功耗上进行优化。然而，这可能会导致设备在电磁兼容性方面的性能下降，例如散热空间减小、电路布局紧凑等因素，使得设备更容易受到电磁干扰，同时自身产生的电磁辐射也可能增加

04法规与标准遵循困难：各国对物联网设备的电磁兼容性有不同的法规和标准要求，物联网关需要满足多个国家和地区的标准才能进入全球市场。这对企业来说，增加了研发、生产和测试的成本与难度，需要投入更多的资源来确保产品符合各种法规和标准

4.2 常见前五大问题

01 电源端口传导干扰超标：电源端口可能会将设备内部的电磁干扰传导到外部电源网络，影响其他设备的正常运行；这可能是由于电源滤波电路设计不合理、元器件性能不佳等原因导致，需要优化电源滤波电路，选用高质量的滤波元器件来解决

02 辐射骚扰超标：物联网关在工作时通过空间辐射出的电磁骚扰超过标准限值，会对周围的无线通信设备、电子设备等造成干扰。原因可能包括PCB布局不合理、信号走线过长、屏蔽措施不完善等，可通过优化PCB布局、缩短信号走线、加强屏蔽等措施来降低辐射骚扰

03 静电放电问题：在日常使用中，人体或物体与物联网关接触时可能产生静电放电现象，静电放电产生的瞬间高电压可能会损坏设备内部的电子元件，导致设备故障。解决方法包括增加静电防护器件、优化接地设计等，提高设备的静电抗扰度

04 通信中断或不稳定：由于电磁干扰、网络信号波动等原因，物联网关与其他设备之间的通信可能会出现中断或不稳定的情况，影响数据的实时传输和系统的正常运行。可通过增强通信抗干扰能力、优化网络配置、采用冗余通信链路等方式来提高通信的稳定性

05 兼容性问题：物联网关需要与多种不同类型的设备进行连接和通信，但不同设备可能采用不同的通信协议和接口标准，导致物联网关与部分设备之间存在兼容性问题，无法实现正常的数据交互和设备控制。这需要物联网关具备更强的协议转换和兼容性适配能力，或者通过开发适配软件和硬件来解决兼容性问题

五.EMC电磁兼容思路与电路设计

5.1 EMC电磁兼容设计思路

思路一  

干扰源抑制：从源头上减少电磁干扰的产生，例如优化电路设计，降低信号传输过程中的噪声和谐波；选用低噪声的元器件，减少元器件自身产生的电磁干扰；合理设计时钟电路，降低时钟信号的辐射强度 

思路二

传播路径切断：采取屏蔽、滤波、接地等措施，阻断电磁干扰的传播途径；通过屏蔽技术，使用金属屏蔽外壳或屏蔽材料，阻止电磁干扰的空间传播；利用滤波电路，对电源线和信号线进行滤波处理，去除高频干扰信号；优化接地设计，确保良好的接地，为干扰电流提供低阻抗的回流路径，减少干扰信号在电路中的传导

思路三

提高设备抗扰度：增强物联网关自身对电磁干扰的抵抗能力，通过合理的PCB布局，将敏感电路与干扰源隔离；增加去耦电容，提高电路的抗干扰能力；采用电磁屏蔽材料对敏感部件进行屏蔽保护，提高设备在复杂电磁环境下的稳定性

5.2 PCB分层设计要点

PCB分层设计：“七分层，三分布”原则至关重要。关键信号层必须紧邻完整地平面，以减少信号传输过程中的干扰；时钟、高速总线等敏感信号应夹在两个地平面之间（地-信号-地结构），最小化回流路径面积，降低电磁辐射；电源平面“内缩”处理，电源层相对地平面内缩5H~20H（H为层间介质厚度，常用设计20H），抑制边缘辐射效应；避免相邻布线层平行走线，当布线层必须相邻时，增大层间距至2倍以上，并确保信号层与回流层间距最小化；

高频信号禁止表层走线，≥50MHz信号必须走在内层，避免空间辐射，如必须走表层，需增加铜箔屏蔽带

不同层数的PCB有各自的黄金结构

4层 板采用信号→地→电源→信号的布局，具有较好的EMC性能

6层 板适合高速信号，采用信号→地→信号→电源→地→信号的结构

8层 板则为信号→地→信号→电源→地→信号→电源→信号

5.3 电路布局与布线技巧

离高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号，将模拟信号与数字信号分开，高频信号与低频信号分开，高频元器件的间隔要充分，减少信号之间的相互干扰；

接口放置“EMC三剑客”

即ESD防护器件→共模电感→滤波电容，顺序不可颠倒，网口、USB等高速接口需增加π型滤波器，提高接口的抗干扰能力；Bulk电容（100-470μF）放在电源入口、大功率器件旁，去耦电容（0.1μF）放在每个IC电源引脚5mm范围内，高频电容（1 - 10nF）放在时钟芯片、RF模块旁，形成有效的电容矩阵，抑制不同频率的干扰信号

遵循3W原则

信号线间距≥3倍线宽，时钟线推荐≥5W，可减少70%串扰；关键信号(如时钟)与回流路径形成的环路面积需<1cm²，实测表明，减小环路面积可有效降低辐射；严禁高速信号跨越平面分割间隙，避免回流路径绕行和产生差模辐射；差分对的线距保持恒定≤2倍线宽，长度差<15mil（严格可以控制5mil），全程等阻抗，避免参考平面切换；高速信号距板边≥3H（H为线到参考面高度），或增加接地Guard Trace，防止边缘辐射

5.4 电源与接地设计

电源完整性设计采用“三级防护网”，输入口使用TVS管 + π型滤波器（10μF + 磁珠 + 0.1μF），对电源进行初步滤波和过压保护；电源平面进行多级解耦，使用Bulk电容和陶瓷阵列，去除不同频率的电源噪声；芯片端使用0402封装0.1μF电容 + 1nF高频电容，进一步降低电源噪声

避免不同电源域重叠，如3.3V与5V投影重叠可能会导致电源干扰，电源层边界间距≥2mm，高速区域禁用平面层开槽，防止干扰信号通过电源

平面传播

低频电路（<1MHz）采用单点接地，高频电路（>10MHz）采用多点接地，混合信号电路采用分区隔离 + 单点桥接的接地策略，确保接地系统的合理性，减少接地噪声

5.5 AC电源接口EMC及可靠性设计

AC 电源接口：用于连接外部220V交流输入

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
2R600L	GDT	电源接口	浪涌，防雷（户外产品，关注续流问题）	2RXXXL
14D561K/14D511K	MOV	电源接口	浪涌，防雷	14D
CMZ/CML	EMI 共模抑制器	电源接口	共模抑制	SMD

5.6 DC电源接口EMC及可靠性设计

DC 电源接口：用于连接外部电源适配器（如 12V/24V 直流输入）

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
3R090L	GDT	电源接口	浪涌，防雷（户外产品，关注续流问题）	3RXXXL
SMBJ15CA	TVS 瞬态抑制二极管	电源接口	浪涌、抛负载	SMB
SMCJ30CA	TVS  瞬态抑制二极管	电源接口	浪涌、抛负载	SMC
CMZ7060A-701T	EMI 共模抑制器	电源接口	CE传导，共模抑制，电流更小，考虑小封装	7060

5.7 USB 3.0接口EMC及热插拔可靠性设计

USB 3.0 接口:USB 3.0 接口具有高速数据传输能力，广泛应用于机器与外部存储设备、传感器等的连接。其高速模式下的数据传输速率可达5Gbps，能快速传输大量数据，如机器视觉图像数据；具备即插即用特性，方便用户随时连接和更换设备，提高机器使用的便捷性，在各类机器应用场景中发挥着关键作用。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
ESD0524P	ESD	USB接口	浪涌、静电	DFN2510
ESDLC5V0D8B	ESD	USB接口	浪涌、静电	DFN1006
SMF6.5CA	TVS	USB接口	浪涌，抛负载	SOD123FL
CMZ2012A-900T	EMI	USB接口	共模抑制	2012

5.8 RS-485接口EMC及可靠性设计

RS485 接口: RS-485 是一种串行通信标准，可以支持多个设备通过同一条串行总线进行通信；且适用于中长距离通信，具有较好的抗干扰能力和数据传输稳定性。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
CMZ3225A-102T	共模电感	RS485接口	抑制共模噪声	2012/3225
PBZ1608A102Z0T	磁珠	RS485接口	消除高频干扰	1608
ESD5V0APB	ESD	RS485接口	浪涌、静电	SOT23
SMAJ6.0AH	TVS	RS485接口	浪涌、静电	SMA

5.9 CAN通讯接口EMC及可靠性设计

CAN通讯接口：控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
CML3225A-510T	共模电感	CAN通讯接口	抑制共模噪声	3225
PBZ1608A102Z0T	磁珠	CAN通讯接口	消除高频干扰	1608
ESD24VAPB	ESD	CAN通讯接口	浪涌、静电	SOT23

5.10 WIFI天线EMC及可靠性设计

WIFI天线：WIFI天线是用于传输和接收电磁波的设备，通过发射和接收电磁波实现无线通信。同时天线通过特定形状和尺寸选择性地接收或发射特定频率的电磁波，实现电信号与电磁波的相互转换。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
NRESDTLC5V0D8B	ESD	WIFI天线	浪涌、静电	DFN1006