Guía de selección y diseño de protocolos IoT

Creado: Julio 8, 2021
Actualizado: Julio 1, 2024

Piensa en tus opciones para la comunicación inalámbrica hoy en día, y tres protocolos principales vienen a la mente: WiFi, Bluetooth y celular. Cada uno de estos ha tenido un éxito masivo y no debe ser pasado por alto para los diseñadores de electrónica de consumo. Si estás lanzando algo etiquetado como "inteligente" o "conectado" para el segmento de consumidores, incluir WiFi y Bluetooth (o ambos) es casi obligatorio en este punto. Sin embargo, hay mucho que sucede detrás del protocolo inalámbrico, con protocolos de capa de aplicación IoT siendo implementados en dispositivos para soportar diferentes modos de mensajería o comunicación completa a través de internet.

El mundo del IoT puede ser un revoltijo de protocolos inalámbricos y protocolos de capa de aplicación, por lo que puede ser difícil saber por dónde empezar fuera de simplemente usar WiFi y Bluetooth para proporcionar conectividad entre dispositivos. He visto a más diseñadores sumergirse en el mundo del desarrollo de IoT recientemente e incluso lanzar algunos proyectos de código abierto que integran varias capacidades en un solo paquete. Sin embargo, la mayoría simplemente elige la ruta fácil de usar WiFi + Bluetooth/BLE para proporcionar algunas opciones de conectividad flexibles. De hecho, hay muchos más protocolos inalámbricos IoT y capas de datos que funcionarán muy bien para tu sistema sin todo el sobrecargo de WiFi y Bluetooth.

Vamos a ver algunas de las opciones de hardware, protocolos inalámbricos y opciones de protocolos de capa de aplicación que puedes usar para innovar nuevos sistemas IoT. Elegir la mejor opción para tu nuevo producto requiere emparejar hardware para soportar tu protocolo inalámbrico deseado y un protocolo de aplicación para soportar la mensajería. Con la combinación adecuada, puedes construir un producto que sea más confiable y rápido que el sistema típico de WiFi + Bluetooth usando protocolos ligeros.

Diseñando con Protocolos IoT en 2021

Hoy en día, hay muchas opciones para construir tu producto con protocolos inalámbricos, y hay más de una docena de opciones inalámbricas que puedes implementar para desarrollar tu plataforma. Con el crecimiento obvio en productos conectados de consumo y oficina durante la última década, siempre hay demanda para la combinación masivamente exitosa de WiFi + Bluetooth que puede conectarse a la conexión a internet. Sin embargo, otras combinaciones de protocolos inalámbricos y capas de aplicación rápidamente revelan su valor en aplicaciones particulares.

Luego, está el chipset a considerar. Los productos en demanda que podrían necesitar WiFi + Bluetooth o Zigbee están altamente integrados. Muchos fabricantes de chipsets móviles ofrecerán SoCs que integran funcionalidad MCU en el mismo dado que un transceptor e incluso un amplificador de potencia para la transmisión. Para empezar, necesitas pensar en requisitos básicos para tu dispositivo como el rendimiento de datos y el consumo de energía, ambos relacionados con el protocolo que selecciones.

Seleccionando un Protocolo Inalámbrico

Antes de comenzar a buscar hardware, necesitarás hacer coincidir las necesidades de tu sistema con un protocolo IoT. Aquí están las áreas principales a considerar al seleccionar un protocolo IoT para tu sistema.

Frecuencia de operación y coexistencia. Si se involucra lo inalámbrico, necesitarás considerar en qué frecuencia operarás, lo cual podría depender del entorno. La mayoría de los protocolos IoT operan en bandas no licenciadas, lo que presenta desafíos en coexistencia ya que la banda es efectivamente no regulada (aparte de los requisitos de EMC). Algunos chipsets están específicamente diseñados para soportar la coexistencia bajo un estándar de la serie IEEE 802.
Consumo de energía y alcance. ¿Operará el punto final en la red con batería, o funcionará el diseño a frecuencias más altas que requieren más energía? ¿Cuánta energía se necesita para alcanzar tu rango objetivo? Algunos protocolos se desempeñan mejor en esta área que otros. Si tu dispositivo funciona con batería, querrás seleccionar un protocolo de bajo consumo.
Throughput de datos. ¿Estás construyendo un sistema que necesita transmitir medios, o estás enviando pequeños paquetes de datos? ¿Es la comunicación intermitente o necesitas transmisión/recepción continua de datos? Los protocolos sub-1 GHz te darán una tasa de datos más baja en el rango de kbps, pero esto sigue siendo suficiente para muchas tareas de adquisición de datos ligeros,
Topología de red. Las dos topologías de red IoT estándar son estrella y malla. Las redes estrella pueden requerir alguna puerta de enlace centralizada para mediar en la mensajería entre dispositivos finales, dependiendo del estándar de protocolo inalámbrico y protocolo de capa de aplicación. Algunas redes de malla (por ejemplo, Zigbee) también requerirán un dispositivo de puerta de enlace.

Como la mayoría de las decisiones de diseño e ingeniería, seleccionar un protocolo IoT implica una serie de compensaciones. Por ejemplo, trabajar a una frecuencia más alta requiere más energía para la transmisión para proporcionar el alcance requerido, pero también proporciona una tasa de datos más alta. Luego, dependiendo de la topología que necesites, podrías no ser capaz de alcanzar tus requisitos de tasa de datos. La tabla a continuación proporciona un resumen de los protocolos IoT comunes y sus capacidades en tu diseño.

*Crédito por los datos de la tabla a GlowLabs.co

Hay otra área que aún no se ha mencionado: la seguridad, particularmente en áreas como la defensa, infraestructura crítica como servicios públicos, sistemas industriales e incluso automotriz. Esta es un área compleja del diseño y desarrollo IoT ya que está constantemente evolucionando a nivel de software y en términos de gestión de red. Dado que es lo suficientemente extenso como para merecer su propia serie de artículos, guardaremos ese tema para más adelante. Dadas todas las posibles protocolos inalámbricos que puedes implementar en tu plataforma de hardware, la coexistencia es un desafío en algunos sistemas, particularmente en la banda de 2.4 GHz.

Desafíos de Coexistencia

Los problemas de coexistencia, y la necesidad de un chipset que pueda acomodarla, podrían ser el factor decisivo al construir una plataforma IoT que operará en una banda ISM. 2.4 GHz es la única frecuencia que no está licenciada a nivel mundial, por lo que no debería sorprenderse cuando los problemas de coexistencia sigan surgiendo en protocolos IoT populares. Sin embargo, con todos teniendo una red de alta frecuencia y alto rendimiento en sus hogares y oficinas, la industria ahora produce algunos chipsets que ayudan a superar estos problemas para combinaciones específicas de protocolos.

El espacio comercial y de consumidores depende en gran medida de WiFi + Bluetooth, y posiblemente Zigbee, pero hay varios productos que puedes usar que soportan la coexistencia. Más allá de estas soluciones integradas, la coexistencia se puede implementar a nivel de hardware de la siguiente manera:

Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA): Este es el método de coexistencia más simple; un protocolo está transmitiendo mientras el otro está desactivado.
Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA): El controlador anfitrión se utiliza para evitar usar las mismas frecuencias para dos protocolos en las direcciones de transmisión y recepción. Esto ocupa más espectro pero permite transmisiones y recepciones simultáneas.
Espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS): Las señales de radio se transmiten sobre múltiples canales dentro de una banda cambiando rápidamente la frecuencia portadora entre transmisiones.

Si una solución estándar altamente integrada no está disponible, es posible que necesite compilar componentes en un chipset personalizado, por ejemplo, un FPGA o MCU con un frente de RF personalizado o una solución similar. Fuera del espacio del consumidor, los desafíos de coexistencia solo se vuelven más interesantes, especialmente porque puede que no haya un chipset altamente integrado que tenga soluciones de coexistencia incorporadas. Los productos IoT empresariales/industriales de hoy están utilizando más que WiFi y Bluetooth; por ejemplo, las pasarelas IoT pueden tener cuatro o más de los protocolos IoT de banda ISM comunes y posiblemente un protocolo sub-1 GHz operando simultáneamente. En algunas áreas especializadas como meteorología, aviación y defensa, también tienes aplicaciones como radar operando en la banda de 5-6 GHz, creando un nuevo problema de coexistencia con WiFi 5, 6/6E y protocolos más nuevos.

Protocolo de Capa de Aplicación

A diferencia de un protocolo inalámbrico, un protocolo de capa de aplicación (a veces llamado protocolo de datos) describe el formato en el que se transfieren los datos alrededor de la red, así como el método de conectividad entre hosts y puntos finales. Esto se define en el firmware (para arquitecturas basadas en MCU) o software embebido como parte de su aplicación. Si busca en línea, encontrará varias bibliotecas y tutoriales para construir una aplicación que funcione en TCP/IP o UDP con diferentes protocolos de capa de aplicación. A continuación, se muestran algunos ejemplos.

Componentes de Protocolo IoT Multibanda y

No importa cómo desees construir tu plataforma IoT, el procesador y el frente de RF que elijas formarán la base de tu sistema y tu aplicación. Hoy en día, existe una gama de SoCs capaces de WiFi + Bluetooth que también pueden soportar protocolos adicionales en la banda ISM de 2.4 GHz. Otros componentes pueden soportar sub-1 GHz junto con protocolos especializados de 2.4 GHz.

Nordic Semiconductor, nRF52820

La plataforma nRF de Nordic Semiconductor es muy popular en sistemas embebidos ligeros y plataformas IoT compactas. El microcontrolador nRF52820 soporta redes en malla sobre 802.15.4 + Zigbee, Bluetooth 5.2/BLE y Thread. También incluye varias interfaces que esperarías encontrar en un microcontrolador IoT (SPI, UART, USB y GPIOs). Este componente tiene una huella pequeña mientras soporta múltiples bandas de 2.4 GHz. Nordic también proporciona un SDK extenso y bibliotecas que puedes usar para desarrollar tu aplicación.

Esquema de aplicación NRF52820. Fuente: Hoja de datos NRF52820.

Microchip, AT86RF212B-ZUR

El AT86RF212B-ZUR de Microchip es un transceptor multibanda que soporta ZigBee en 700/800/900 MHz, IEEE 802.15.4, 6LoWPAN y comunicación ISM. Este transceptor se conecta con un MCU a través de SPI, como se muestra en el diagrama de señalización a continuación. Este componente o un componente similar es una gran opción para soportar un MCU ligero que podría no tener un frente de RF integrado.

Diagrama de señalización y esquema de aplicación. Fuente: Hoja de datos AT86RF212B-ZUR.

Otros Componentes para Construir Plataformas IoT

Aunque los desarrolladores de software y firmware impulsan gran parte de la funcionalidad y capacidades de una plataforma IoT, todo se basa en hardware al final del día, y es importante seleccionar los componentes adecuados para soportar tu sistema. Los componentes que incluyas en tu plataforma IoT necesitan interfaz con otros sistemas a través de protocolos alámbricos o inalámbricos, así como asegurar una larga vida útil y fiabilidad.

Una vez que selecciones tu protocolo IoT y determines cómo resolver cualquier problema de coexistencia, puedes encontrar los componentes que necesitas para construir tu aplicación con las características avanzadas de búsqueda y filtrado en Octopart. Cuando usas el motor de búsqueda de electrónica de Octopart, tendrás acceso a datos de precios de distribuidores actualizados, inventario de partes y especificaciones de partes, y todo es libremente accesible en una interfaz amigable para el usuario. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados para encontrar los componentes que necesitas.

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