Guide de sélection et de conception de protocoles IoT

Créé: Juillet 8, 2021
Mise à jour: Juillet 1, 2024

Pensez à vos options pour la communication sans fil de nos jours, et trois protocoles principaux viennent à l'esprit : WiFi, Bluetooth et cellulaire. Chacun d'eux a connu un succès massif et ne devrait pas être négligé par les concepteurs d'électronique grand public. Si vous lancez quelque chose qualifié de « intelligent » ou « connecté » pour le segment des consommateurs, inclure le WiFi et le Bluetooth (ou les deux) est presque obligatoire à ce stade. Cependant, il y a beaucoup de choses qui se passent derrière le protocole sans fil, avec des protocoles de couche d'application IoT mis en œuvre sur les dispositifs pour supporter différents modes de messagerie ou une communication complète sur Internet.

Le monde de l'IoT peut être une soupe d'alphabet de protocoles sans fil et de protocoles de couche d'application, donc il peut être difficile de voir par où commencer en dehors de simplement utiliser le WiFi et le Bluetooth pour fournir une connectivité entre les dispositifs. J'ai vu plus de concepteurs se plonger récemment dans le monde du développement IoT et même publier certains projets open-source qui intègrent plusieurs capacités dans un seul paquet. Cependant, la plupart d'entre eux empruntent simplement la voie facile en utilisant WiFi + Bluetooth/BLE pour fournir quelques options de connectivité flexibles. Il existe en réalité bien d'autres protocoles sans fil IoT et couches de données qui fonctionneront très bien pour votre système sans tout le surcoût du WiFi et du Bluetooth.

Examinons certaines des options matérielles, des protocoles sans fil et des options de protocoles de couche d'application que vous pouvez utiliser pour innover de nouveaux systèmes IoT. Choisir la meilleure option pour votre nouveau produit nécessite d'associer le matériel pour supporter votre protocole sans fil désiré et un protocole d'application pour supporter la messagerie. Avec la bonne combinaison, vous pouvez construire un produit qui est plus fiable et plus rapide que le système typique WiFi + Bluetooth en utilisant des protocoles légers.

Concevoir avec les protocoles IoT en 2021

Aujourd'hui, il existe de nombreuses options pour construire votre produit avec des protocoles sans fil, et il y a plus d'une douzaine d'options sans fil que vous pouvez mettre en œuvre pour développer votre plateforme. Avec la croissance évidente des produits connectés pour les consommateurs et les bureaux au cours de la dernière décennie, il y a toujours une demande pour la combinaison massivement réussie WiFi + Bluetooth qui peut se connecter à la connexion Internet. Cependant, d'autres combinaisons de protocoles sans fil et de couches d'application révèlent rapidement leur valeur dans des applications particulières.

Ensuite, il y a le chipset à considérer. Les produits très demandés qui pourraient nécessiter WiFi + Bluetooth ou Zigbee sont hautement intégrés. De nombreux fabricants de chipsets mobiles proposeront des SoCs qui intègrent la fonctionnalité MCU sur le même die qu'un émetteur-récepteur et même un amplificateur de puissance pour la transmission. Pour commencer, vous devez réfléchir aux exigences de base pour votre dispositif comme le débit de données et la consommation d'énergie, qui sont tous deux liés au protocole que vous sélectionnez.

Sélectionner un protocole sans fil

Avant de commencer à chercher du matériel, vous devrez adapter les besoins de votre système à un protocole IoT. Voici les principaux domaines à examiner lors de la sélection d'un protocole IoT pour votre système.

Fréquence de fonctionnement et coexistence. Si le sans-fil est impliqué, vous devrez considérer quelle fréquence vous utiliserez, ce qui pourrait dépendre de l'environnement. La plupart des protocoles IoT fonctionnent dans des bandes non licenciées, ce qui pose des défis en termes de coexistence puisque la bande est effectivement non réglementée (à part les exigences EMC). Certains chipsets sont spécifiquement conçus pour supporter la coexistence sous une norme de la série IEEE 802.
Consommation d'énergie et portée. L'extrémité du réseau fonctionnera-t-elle sur batterie, ou le design fonctionnera-t-il à des fréquences plus élevées nécessitant plus d'énergie ? Combien d'énergie est nécessaire pour atteindre votre portée cible ? Certains protocoles sont plus performants dans ce domaine que d'autres. Si votre appareil fonctionne sur batterie, vous voudrez choisir un protocole à faible consommation d'énergie.
Débit de données. Construisez-vous un système qui doit diffuser des médias, ou envoyez-vous de petits paquets de données ? La communication est-elle intermittente ou avez-vous besoin d'une transmission/réception continue de données ? Les protocoles sub-1 GHz vous donneront un débit de données inférieur dans la gamme des kbps, mais cela reste suffisant pour de nombreuses tâches d'acquisition de données légères,
Topologie du réseau. Les deux topologies de réseau IoT standard sont étoile et maillage. Les réseaux en étoile peuvent nécessiter une passerelle centralisée pour médier la messagerie entre les dispositifs d'extrémité, selon la norme de protocole sans fil et le protocole de couche d'application. Certains réseaux maillés (par exemple, Zigbee) nécessiteront également un dispositif passerelle.

Comme la plupart des choix de conception et d'ingénierie, sélectionner un protocole IoT implique une série de compromis. Par exemple, travailler à une fréquence plus élevée nécessite plus d'énergie pour la transmission afin de fournir la portée requise, mais cela fournit également un débit de données plus élevé. Puis, selon la topologie dont vous avez besoin, vous pourriez ne pas être en mesure d'atteindre vos exigences de débit de données. Le tableau ci-dessous fournit un résumé des protocoles IoT courants et de leurs capacités dans votre conception.

*Les crédits pour les données du tableau vont à GlowLabs.co

Il y a un autre domaine qui n'a pas encore été mentionné : la sécurité, en particulier dans des domaines comme la défense, les infrastructures critiques comme les services publics, les systèmes industriels, et même l'automobile. C'est un domaine complexe de la conception et du développement IoT car il évolue constamment au niveau logiciel et en termes de gestion de réseau. Comme il est assez vaste pour mériter sa propre série d'articles, nous garderons ce sujet pour plus tard. Étant donné tous les protocoles sans fil possibles que vous pouvez implémenter sur votre plateforme matérielle, la coexistence est un défi dans certains systèmes, particulièrement dans la bande des 2,4 GHz.

Défis de la coexistence

Les problèmes de coexistence, et le besoin d'un chipset capable de l'accommoder, pourraient être le facteur décisif lors de la construction d'une plateforme IoT qui fonctionnera dans une bande ISM. 2,4 GHz est la seule fréquence qui n'est pas soumise à licence à l'échelle mondiale, donc il ne faut pas s'étonner que les problèmes de coexistence continuent de surgir dans les protocoles IoT populaires. Cependant, avec tout le monde ayant un réseau à haute fréquence et à haut débit dans leurs maisons et bureaux, l'industrie produit maintenant certains chipsets qui aident à surmonter ces problèmes pour des combinaisons spécifiques de protocoles.

L'espace consommateur et commercial repose fortement sur le WiFi + Bluetooth, et éventuellement Zigbee, mais il existe plusieurs produits que vous pouvez utiliser qui supportent la coexistence. Au-delà de ces solutions intégrées, la coexistence peut être mise en œuvre au niveau matériel comme suit :

Accès multiple par répartition dans le temps (TDMA) : C'est la méthode de coexistence la plus simple ; un protocole émet pendant que l'autre est désactivé.
Accès multiple par répartition en fréquence (FDMA) : Le pilote hôte est utilisé pour éviter d'utiliser les mêmes fréquences pour deux protocoles dans les directions d'émission et de réception. Cela prend plus de spectre mais permet des transmissions et réceptions simultanées.
Spectre étalé par saut de fréquence (FHSS) : Les signaux radio sont transmis sur plusieurs canaux à l'intérieur d'une bande en changeant rapidement la fréquence porteuse entre les transmissions.

Si une solution standard et hautement intégrée n'est pas disponible, vous pourriez avoir besoin de compiler des composants dans un chipset personnalisé, par exemple, un FPGA ou MCU avec une extrémité frontale RF personnalisée ou une solution similaire. En dehors de l'espace consommateur, les défis de coexistence ne font que devenir plus intéressants, surtout parce qu'il peut ne pas y avoir de chipset hautement intégré qui intègre des solutions de coexistence. Les produits IoT industriels/entreprises d'aujourd'hui utilisent plus que le WiFi et le Bluetooth ; par exemple, les passerelles IoT peuvent avoir quatre ou plus des protocoles IoT en bande ISM courants et éventuellement un protocole sub-1 GHz fonctionnant simultanément. Dans certains domaines spécialisés comme la météorologie, l'aviation et la défense, vous avez également des applications comme le radar fonctionnant dans la bande 5-6 GHz, créant un nouveau problème de coexistence avec le WiFi 5, 6/6E et les nouveaux protocoles.

Protocole de Couche Application

Contrairement à un protocole sans fil, un protocole de couche application (parfois appelé protocole de données) décrit le format dans lequel les données sont transférées autour du réseau, ainsi que la méthode de connectivité entre les hôtes et les points de terminaison. Ceci est défini dans le firmware (pour les architectures basées sur MCU) ou le logiciel embarqué dans le cadre de votre application. Si vous regardez en ligne, vous trouverez plusieurs bibliothèques et tutoriels pour construire une application fonctionnant sur TCP/IP ou UDP avec différents protocoles de couche application. Quelques exemples sont montrés ci-dessous.

Composants de Protocole IoT Multi-bande et

Peu importe comment vous souhaitez construire votre plateforme IoT, le processeur et le front-end RF que vous choisissez constitueront la base de votre système et de votre application. Aujourd'hui, il existe une gamme de SoC capables WiFi + Bluetooth qui peuvent également prendre en charge des protocoles supplémentaires dans la bande ISM de 2,4 GHz. D'autres composants peuvent supporter le sub-1 GHz ainsi que des protocoles spécialisés de 2,4 GHz.

Nordic Semiconductor, nRF52820

La plateforme nRF de Nordic Semiconductor est très populaire dans les systèmes embarqués légers et les plateformes IoT compactes. Le microcontrôleur nRF52820 prend en charge le maillage réseau via 802.15.4 + Zigbee, Bluetooth 5.2/BLE, et Thread. Il inclut également plusieurs interfaces que vous vous attendriez à trouver dans un microcontrôleur IoT (SPI, UART, USB et GPIOs). Ce composant a une petite empreinte tout en supportant de multiples bandes de 2,4 GHz. Nordic fournit également un SDK étendu et des bibliothèques que vous pouvez utiliser pour développer votre application.

Schéma d'application NRF52820. Source : Fiche technique NRF52820.

Microchip, AT86RF212B-ZUR

Le AT86RF212B-ZUR de Microchip est un émetteur-récepteur multi-bande qui prend en charge ZigBee à 700/800/900 MHz, IEEE 802.15.4, 6LoWPAN et la communication ISM. Cet émetteur-récepteur est connecté à un MCU via SPI, comme le montre le schéma de signalisation ci-dessous. Ce composant ou un composant similaire est une excellente option pour prendre en charge un MCU léger qui pourrait ne pas avoir de front-end RF intégré.

Schéma de signalisation et schéma d'application. Source : Fiche technique AT86RF212B-ZUR.

Autres composants pour la construction de plateformes IoT

Bien que les développeurs de logiciels et de firmware pilotent une grande partie de la fonctionnalité et des capacités d'une plateforme IoT, tout repose sur le matériel en fin de compte, et il est important de sélectionner les bons composants pour soutenir votre système. Les composants que vous incluez dans votre plateforme IoT doivent s'interfacer avec d'autres systèmes via des protocoles filaires ou sans fil, ainsi que garantir une longue durée de vie et une fiabilité.

Une fois que vous avez sélectionné votre protocole IoT et déterminé comment résoudre les problèmes de coexistence, vous pouvez trouver les composants nécessaires pour construire votre application avec les fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données de prix des distributeurs à jour, aux inventaires de pièces, et aux spécifications des pièces, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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