Auswahl und Design-Leitfaden für IoT-Protokolle

Erstellt: Juli 8, 2021
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Denken Sie über Ihre Optionen für drahtlose Kommunikation heutzutage nach, fallen einem drei primäre Protokolle ein: WiFi, Bluetooth und Mobilfunk. Jedes davon war massiv erfolgreich und sollte von Designern für Verbraucherelektronik nicht übersehen werden. Wenn Sie etwas als „smart“ oder „verbunden“ für das Verbrauchersegment herausbringen, ist die Einbeziehung von WiFi und Bluetooth (oder beides) mittlerweile fast obligatorisch. Es gibt jedoch viel, was hinter dem drahtlosen Protokoll passiert, mit IoT-Anwendungsschichtprotokollen, die auf Geräten implementiert werden, um verschiedene Nachrichtenmodi oder vollständige Kommunikation über das Internet zu unterstützen.

Die IoT-Welt kann ein Buchstabensalat aus drahtlosen Protokollen und Anwendungsschichtprotokollen sein, daher kann es schwierig sein zu sehen, wo man anfangen soll, außerhalb der einfachen Nutzung von WiFi und Bluetooth, um eine Verbindung zwischen Geräten herzustellen. Ich habe gesehen, wie mehr Designer kürzlich in die Welt der IoT-Entwicklung eingestiegen sind und sogar einige Open-Source-Projekte veröffentlicht haben, die mehrere Fähigkeiten in einem einzigen Paket integrieren. Die meisten davon wählen jedoch den einfachen Weg, WiFi + Bluetooth/BLE zu nutzen, um einige flexible Konnektivitätsoptionen zu bieten. Tatsächlich gibt es viele weitere IoT-Funkprotokolle und Datenebenen, die sehr gut für Ihr System funktionieren können, ohne den ganzen Overhead von WiFi und Bluetooth.

Lassen Sie uns einige der Hardwareoptionen, Funkprotokolle und Optionen für Anwendungsschichtprotokolle betrachten, die Sie nutzen können, um neue IoT-Systeme zu innovieren. Die beste Option für Ihr neues Produkt zu wählen, erfordert die Kombination von Hardware, um Ihr gewünschtes Funkprotokoll zu unterstützen, und ein Anwendungsprotokoll zur Unterstützung der Nachrichtenübermittlung. Mit der richtigen Kombination können Sie ein Produkt bauen, das zuverlässiger und schneller ist als das typische WiFi + Bluetooth-System, indem Sie leichte Protokolle verwenden.

Design mit IoT-Protokollen in 2021

Heute gibt es viele Optionen, Ihr Produkt mit Funkprotokollen zu bauen, und es gibt über ein Dutzend drahtlose Optionen, die Sie implementieren können, um Ihre Plattform auszubauen. Mit dem offensichtlichen Wachstum bei vernetzten Verbraucher- und Büroprodukten im letzten Jahrzehnt gibt es immer eine Nachfrage nach der massiv erfolgreichen Kombination aus WiFi + Bluetooth, die eine Verbindung zum Internet herstellen kann. Es gibt jedoch andere Kombinationen aus Funkprotokollen und Anwendungsschichten, die ihren Wert in bestimmten Anwendungen schnell offenbaren.

Dann gibt es den Chipset zu berücksichtigen. Gefragte Produkte, die möglicherweise WiFi + Bluetooth oder Zigbee benötigen, sind hochintegriert. Viele Hersteller von Mobilchipsets werden SoCs anbieten, die MCU-Funktionalität auf demselben Die wie ein Transceiver und sogar ein Leistungsverstärker für die Übertragung integrieren. Um zu beginnen, müssen Sie über grundlegende Anforderungen für Ihr Gerät wie Datendurchsatz und Stromverbrauch nachdenken, die beide mit dem von Ihnen gewählten Protokoll zusammenhängen.

Auswahl eines Funkprotokolls

Bevor Sie mit dem Einkauf von Hardware beginnen, müssen Sie die Anforderungen Ihres Systems mit einem IoT-Protokoll abgleichen. Hier sind die wichtigsten Bereiche, die Sie bei der Auswahl eines IoT-Protokolls für Ihr System betrachten sollten.

Betriebsfrequenz und Koexistenz. Wenn drahtlose Technologie involviert ist, müssen Sie überlegen, in welcher Frequenz Sie arbeiten werden, was von der Umgebung abhängen kann. Die meisten IoT-Protokolle arbeiten in unlizenzierten Bändern, was Herausforderungen in der Koexistenz mit sich bringt, da das Band effektiv unreguliert ist (abgesehen von EMC-Anforderungen). Einige Chipsätze sind speziell dafür konzipiert, die Koexistenz unter einem IEEE 802er Standard zu unterstützen.
Stromverbrauch und Reichweite. Wird das Endgerät im Netzwerk mit Batteriestrom betrieben, oder wird das Design bei höheren Frequenzen betrieben, die mehr Strom benötigen? Wie viel Strom wird benötigt, um Ihre Zielreichweite zu erreichen? Einige Protokolle schneiden in diesem Bereich besser ab als andere. Wenn Ihr Gerät mit Batterien betrieben wird, werden Sie ein Protokoll mit geringem Stromverbrauch auswählen wollen.
Datendurchsatz. Bauen Sie ein System, das Medien streamen muss, oder senden Sie kleine Datenpakete? Ist die Kommunikation intermittierend oder benötigen Sie eine kontinuierliche Übertragung/Empfang von Daten? Sub-1-GHz-Protokolle bieten Ihnen eine niedrigere Datenrate im kbps-Bereich, aber das ist immer noch ausreichend für viele leichte Datenerfassungsaufgaben,
Netzwerktopologie. Die zwei Standard-IoT-Netzwerktopologien sind Stern und Mesh. Sternnetzwerke können ein zentrales Gateway benötigen, um die Nachrichtenübermittlung zwischen Endgeräten zu vermitteln, abhängig vom drahtlosen Protokollstandard und Anwendungsschichtprotokoll. Einige Mesh-Netzwerke (z.B. Zigbee) benötigen ebenfalls ein Gateway-Gerät.

Wie bei den meisten Design- und Ingenieursentscheidungen, beinhaltet die Auswahl eines IoT-Protokolls eine Reihe von Kompromissen. Zum Beispiel erfordert das Arbeiten bei höherer Frequenz mehr Strom für die Übertragung, um die erforderliche Reichweite zu bieten, aber es bietet auch eine höhere Datenrate. Dann, abhängig von der Topologie, die Sie benötigen, könnten Sie möglicherweise Ihre Datenratenanforderungen nicht erfüllen. Die untenstehende Tabelle bietet eine Zusammenfassung der gängigen IoT-Protokolle und ihrer Fähigkeiten in Ihrem Design.

*Die Daten der Tabelle stammen von GlowLabs.co

Es gibt noch einen anderen Bereich, der bisher nicht erwähnt wurde: Sicherheit, insbesondere in Bereichen wie Verteidigung, kritische Infrastrukturen wie Versorgungseinrichtungen, Industriesysteme und sogar Automobil. Dies ist ein komplexes Gebiet des IoT-Designs und der Entwicklung, da es sich ständig auf der Softwareebene und in Bezug auf das Netzwerkmanagement weiterentwickelt. Da es umfangreich genug ist, um seine eigene Artikelserie zu verdienen, werden wir dieses Thema für später aufheben. Angesichts all der möglichen drahtlosen Protokolle, die Sie auf Ihrer Hardwareplattform implementieren können, ist die Koexistenz in einigen Systemen, insbesondere im 2,4-GHz-Band, eine Herausforderung.

Herausforderungen bei der Koexistenz

Probleme mit der Koexistenz und die Notwendigkeit eines Chipsets, das dies ermöglicht, könnten der entscheidende Faktor beim Aufbau einer IoT-Plattform sein, die in einem ISM-Band betrieben wird. 2,4 GHz ist die einzige Frequenz, die weltweit lizenzfrei ist, daher sollte es nicht überraschen, wenn Probleme mit der Koexistenz bei beliebten IoT-Protokollen immer wieder auftreten. Da jedoch jeder ein Hochfrequenz-, Hochdurchsatznetzwerk in seinen Häusern und Büros hat, produziert die Industrie mittlerweile einige Chipsets, die helfen, diese Probleme für spezifische Protokollkombinationen zu überwinden.

Der Verbraucher- und Geschäftsbereich ist stark abhängig von WiFi + Bluetooth und möglicherweise Zigbee, aber es gibt mehrere Produkte, die Sie verwenden können, die die Koexistenz unterstützen. Über diese integrierten Lösungen hinaus kann die Koexistenz auf Hardwareebene wie folgt implementiert werden:

Zeitmultiplexverfahren (TDMA): Dies ist die einfachste Methode der Koexistenz; ein Protokoll sendet, während das andere deaktiviert ist.
Frequenzmultiplexverfahren (FDMA): Der Host-Treiber wird verwendet, um zu vermeiden, dass für zwei Protokolle in den Übertragungs- und Empfangsrichtungen dieselben Frequenzen verwendet werden. Dies benötigt mehr Spektrum, ermöglicht aber gleichzeitige Übertragungen und Empfänge.
Frequenzsprungverfahren (FHSS): Funksignale werden über mehrere Kanäle innerhalb eines Bandes übertragen, indem die Trägerfrequenz zwischen den Übertragungen schnell geändert wird.

Wenn eine standardisierte, hochintegrierte Lösung nicht verfügbar ist, müssen Sie möglicherweise Komponenten zu einem benutzerdefinierten Chipset zusammenstellen, z.B. ein FPGA oder MCU mit einem benutzerdefinierten RF-Frontend oder einer ähnlichen Lösung. Außerhalb des Verbraucherbereichs werden die Herausforderungen der Koexistenz nur noch interessanter, insbesondere weil es möglicherweise kein hochintegriertes Chipset gibt, das Koexistenzlösungen integriert hat. Die heutigen Unternehmens-/Industrie-IoT-Produkte verwenden mehr als nur WiFi und Bluetooth; IoT-Gateways können beispielsweise vier oder mehr der gängigen ISM-Band-IoT-Protokolle und möglicherweise ein Sub-1-GHz-Protokoll gleichzeitig betreiben. In einigen Spezialbereichen wie Meteorologie, Luftfahrt und Verteidigung haben Sie auch Anwendungen wie Radar, die im 5-6-GHz-Band arbeiten und ein neues Koexistenzproblem mit WiFi 5, 6/6E und neueren Protokollen schaffen.

Anwendungsschichtprotokoll

Im Gegensatz zu einem drahtlosen Protokoll beschreibt ein Anwendungsschichtprotokoll (manchmal auch Datenprotokoll genannt) das Format, in dem Daten im Netzwerk übertragen werden, sowie die Verbindungsmethode zwischen Hosts und Endpunkten. Dies wird in der Firmware (für MCU-basierte Architekturen) oder in der eingebetteten Software als Teil Ihrer Anwendung definiert. Wenn Sie online suchen, finden Sie mehrere Bibliotheken und Tutorials zum Erstellen einer Anwendung, die auf TCP/IP oder UDP mit verschiedenen Anwendungsschichtprotokollen läuft. Einige Beispiele sind unten gezeigt.

Mehrband-IoT-Protokollkomponenten und

Unabhängig davon, wie Sie Ihre IoT-Plattform aufbauen möchten, bilden der Prozessor und das HF-Frontend die Grundlage für Ihr System und Ihre Anwendung. Heute gibt es eine Reihe von WiFi + Bluetooth-fähigen SoCs, die auch zusätzliche Protokolle im 2,4 GHz ISM-Band unterstützen können. Andere Komponenten können neben speziellen 2,4 GHz-Protokollen auch Sub-1 GHz unterstützen.

Nordic Semiconductor, nRF52820

Die nRF-Plattform von Nordic Semiconductor ist sehr beliebt in leichten eingebetteten Systemen und kompakten IoT-Plattformen. Der nRF52820 Mikrocontroller unterstützt Mesh-Netzwerke über 802.15.4 + Zigbee, Bluetooth 5.2/BLE und Thread. Er umfasst auch mehrere Schnittstellen, die man in einem IoT-Mikrocontroller erwarten würde (SPI, UART, USB und GPIOs). Diese Komponente hat einen kleinen Fußabdruck, während sie mehrere 2,4 GHz-Bänder unterstützt. Nordic bietet auch ein umfangreiches SDK und Bibliotheken, die Sie zur Entwicklung Ihrer Anwendung nutzen können.

NRF52820 Anwendungsschaltbild. Quelle: NRF52820 Datenblatt.

Microchip, AT86RF212B-ZUR

Der AT86RF212B-ZUR von Microchip ist ein Mehrband-Transceiver, der ZigBee bei 700/800/900 MHz, IEEE 802.15.4, 6LoWPAN und ISM-Kommunikation unterstützt. Dieser Transceiver wird über SPI mit einem MCU verbunden, wie im untenstehenden Signalisierungsdiagramm gezeigt. Diese Komponente oder eine ähnliche Komponente ist eine großartige Option, um einen leichten MCU zu unterstützen, der möglicherweise kein integriertes HF-Frontend hat.

Signalisierungsdiagramm und Anwendungsschaltbild. Quelle: AT86RF212B-ZUR Datenblatt.

Andere Komponenten zum Aufbau von IoT-Plattformen

Obwohl Software- und Firmware-Entwickler so viel zur Funktionalität und den Fähigkeiten einer IoT-Plattform beitragen, basiert am Ende des Tages alles auf Hardware, und es ist wichtig, die richtigen Komponenten zur Unterstützung Ihres Systems auszuwählen. Die Komponenten, die Sie in Ihre IoT-Plattform einbeziehen, müssen mit anderen Systemen über kabelgebundene oder drahtlose Protokolle kommunizieren können sowie eine lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit gewährleisten.

Nachdem Sie Ihr IoT-Protokoll ausgewählt und eine Lösung für etwaige Koexistenzprobleme gefunden haben, können Sie mit den fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen von Octopart die benötigten Komponenten für Ihre Anwendung finden. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart nutzen, haben Sie Zugriff auf aktuelle Distributorenpreise, Teilebestände und Spezifikationen der Bauteile, und das alles frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die benötigten Komponenten zu finden.

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