Guida alla Selezione e Progettazione dei Protocolli IoT

Creato: luglio 8, 2021
Aggiornato: luglio 1, 2024

Pensate alle vostre opzioni per la comunicazione wireless al giorno d'oggi, e tre protocolli principali vengono in mente: WiFi, Bluetooth e cellulare. Ognuno di questi ha avuto un enorme successo e non dovrebbe essere trascurato dai progettisti di elettronica di consumo. Se state lanciando sul mercato qualcosa etichettato come "intelligente" o "connesso" per il segmento dei consumatori, includere WiFi e Bluetooth (o entrambi) è quasi obbligatorio a questo punto. Tuttavia, c'è molto che avviene dietro al protocollo wireless, con protocolli di livello applicativo IoT implementati sui dispositivi per supportare diversi modi di messaggistica o una comunicazione completa su internet.

Il mondo dell'IoT può essere una zuppa di lettere di protocolli wireless e protocolli di livello applicativo, quindi può essere difficile capire da dove iniziare al di fuori dell'uso di WiFi e Bluetooth per fornire connettività tra dispositivi. Ho visto più progettisti immergersi recentemente nel mondo dello sviluppo IoT e persino rilasciare alcuni progetti open-source che integrano diverse capacità in un unico pacchetto. Tuttavia, la maggior parte di questi prende semplicemente la strada facile usando WiFi + Bluetooth/BLE per fornire alcune opzioni di connettività flessibili. Ci sono in realtà molti più protocolli wireless IoT e strati di dati che funzioneranno molto bene per il vostro sistema senza tutto l'onere di WiFi e Bluetooth.

Esaminiamo alcune delle opzioni hardware, protocolli wireless e opzioni di protocollo di livello applicativo che potete utilizzare per innovare nuovi sistemi IoT. Scegliere l'opzione migliore per il vostro nuovo prodotto richiede l'abbinamento dell'hardware per supportare il vostro protocollo wireless desiderato e un protocollo applicativo per supportare la messaggistica. Con la combinazione giusta, potete costruire un prodotto che è più affidabile e veloce del tipico sistema WiFi + Bluetooth utilizzando protocolli leggeri.

Progettare con i Protocolli IoT nel 2021

Oggi ci sono molte opzioni per costruire il vostro prodotto con protocolli wireless, e ci sono oltre una dozzina di opzioni wireless che potete implementare per sviluppare la vostra piattaforma. Con la crescita evidente dei prodotti connessi per consumatori e uffici nell'ultimo decennio, c'è sempre domanda per la combinazione massicciamente riuscita di WiFi + Bluetooth che può connettersi alla connessione internet. Tuttavia, altre combinazioni di protocolli wireless e strati applicativi rivelano rapidamente il loro valore in applicazioni particolari.

Poi, c'è il chipset da considerare. I prodotti richiesti che potrebbero aver bisogno di WiFi + Bluetooth o Zigbee sono altamente integrati. Molti produttori di chipset mobili offriranno SoC che integrano la funzionalità MCU sullo stesso die di un trasmettitore e anche di un amplificatore di potenza per la trasmissione. Per iniziare, è necessario pensare ai requisiti di base per il vostro dispositivo come il throughput dei dati e il consumo energetico, entrambi legati al protocollo che selezionate.

Selezionare un Protocollo Wireless

Prima di iniziare a cercare l'hardware, dovrai abbinare le esigenze del tuo sistema a un protocollo IoT. Ecco le principali aree da considerare quando si seleziona un protocollo IoT per il tuo sistema.

Frequenza operativa e coesistenza. Se è coinvolto il wireless, dovrai considerare in quale frequenza opererai, che potrebbe dipendere dall'ambiente. La maggior parte dei protocolli IoT opera in bande non licenziate, il che porta sfide nella coesistenza poiché la banda è effettivamente non regolamentata (a parte i requisiti EMC). Alcuni chipset sono specificamente progettati per supportare la coesistenza secondo uno standard della serie IEEE 802.
Consumo di energia e portata. L'endpoint sulla rete funzionerà a batteria, o il design opererà a frequenze più alte che richiedono più energia? Quanta energia è necessaria per raggiungere la tua portata target? Alcuni protocolli si comportano meglio in quest'area rispetto ad altri. Se il tuo dispositivo funziona a batteria, vorrai selezionare un protocollo a basso consumo.
Velocità di trasmissione dati. Stai costruendo un sistema che deve trasmettere media, o stai inviando piccoli pacchetti di dati? La comunicazione è intermittente o hai bisogno di una trasmissione/ricezione continua di dati? I protocolli sub-1 GHz ti daranno una velocità di trasmissione dati inferiore nell'ordine dei kbps, ma ciò è ancora sufficiente per molte attività di acquisizione dati leggere,
Topologia di rete. Le due topologie di rete IoT standard sono stella e mesh. Le reti a stella possono richiedere un gateway centralizzato per mediare la messaggistica tra i dispositivi endpoint, a seconda dello standard del protocollo wireless e del protocollo dell'applicazione. Alcune reti mesh (ad es., Zigbee) richiederanno anche un dispositivo gateway.

Come nella maggior parte delle scelte di progettazione e ingegneria, selezionare un protocollo IoT comporta una serie di compromessi. Ad esempio, lavorare a frequenza più alta richiede più energia per la trasmissione per fornire la portata richiesta, ma fornisce anche una velocità di trasmissione dati più elevata. Poi, a seconda della topologia di cui hai bisogno, potresti non essere in grado di soddisfare i tuoi requisiti di velocità di trasmissione dati. La tabella sottostante fornisce un riassunto dei comuni protocolli IoT e delle loro capacità nel tuo design.

*I crediti per i dati della tabella vanno a GlowLabs.co

C'è un'altra area che non è stata ancora menzionata: la sicurezza, in particolare in aree come la difesa, infrastrutture critiche come i servizi pubblici, sistemi industriali e anche l'automotive. Questa è un'area complessa del design e dello sviluppo IoT poiché è in costante evoluzione a livello software e in termini di gestione della rete. Poiché è abbastanza estesa da meritare una propria serie di articoli, riserveremo questo argomento per più tardi. Data la vasta gamma di protocolli wireless che puoi implementare sulla tua piattaforma hardware, la coesistenza è una sfida in alcuni sistemi, in particolare nella banda dei 2.4 GHz.

Sfide della Coesistenza

I problemi di coesistenza e la necessità di un chipset che possa accomodarla potrebbero essere il fattore decisivo nella costruzione di una piattaforma IoT che opererà in una banda ISM. 2.4 GHz è l'unica frequenza non soggetta a licenza a livello globale, quindi non dovresti sorprenderti se i problemi di coesistenza continuano a emergere nei protocolli IoT popolari. Tuttavia, con tutti che hanno una rete ad alta frequenza e ad alto throughput nelle loro case e uffici, l'industria ora produce alcuni chipset che aiutano a superare questi problemi per specifiche combinazioni di protocolli.

Lo spazio consumer e commerciale si affida molto su WiFi + Bluetooth, e possibilmente Zigbee, ma ci sono diversi prodotti che puoi utilizzare che supportano la coesistenza. Oltre a queste soluzioni integrate, la coesistenza può essere implementata a livello hardware come segue:

Accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA): Questo è il metodo di coesistenza più semplice; un protocollo trasmette mentre l'altro è disattivato.
Accesso multiplo a divisione di frequenza (FDMA): Il driver host è utilizzato per evitare l'uso delle stesse frequenze per due protocolli nelle direzioni di trasmissione e ricezione. Questo occupa più spettro ma consente trasmissioni e ricezioni simultanee.
Spettro a dispersione di salto di frequenza (FHSS): I segnali radio sono trasmessi su più canali all'interno di una banda cambiando rapidamente la frequenza del portante tra le trasmissioni.

Se una soluzione standard altamente integrata non è disponibile, potresti aver bisogno di compilare componenti in un chipset personalizzato, ad esempio, un FPGA o MCU con un front end RF personalizzato o una soluzione simile. Al di fuori dello spazio consumer, le sfide di coesistenza diventano solo più interessanti, specialmente perché potrebbe non esserci un chipset altamente integrato che ha soluzioni di coesistenza integrate. I prodotti IoT enterprise/industriali di oggi utilizzano più di WiFi e Bluetooth; ad esempio, i gateway IoT possono avere quattro o più dei comuni protocolli IoT a banda ISM e possibilmente un protocollo sotto 1 GHz che opera simultaneamente. In alcune aree specialistiche come la meteorologia, l'aviazione e la difesa, hai anche applicazioni come il radar che operano nella banda 5-6 GHz, creando un nuovo problema di coesistenza con WiFi 5, 6/6E e protocolli più recenti.

Protocollo del Livello Applicativo

A differenza di un protocollo wireless, un protocollo del livello applicativo (a volte chiamato protocollo dati) descrive il formato in cui i dati vengono trasferiti nella rete, così come il metodo di connettività tra host e endpoint. Questo è definito nel firmware (per architetture basate su MCU) o nel software incorporato come parte della tua applicazione. Se cerchi online, troverai diverse librerie e tutorial per costruire un'applicazione che funziona su TCP/IP o UDP con diversi protocolli del livello applicativo. Di seguito sono mostrati alcuni esempi.

Componenti del Protocollo IoT Multi-banda e

Indipendentemente dal modo in cui desideri costruire la tua piattaforma IoT, il processore e il front-end RF che scegli costituiranno le fondamenta per il tuo sistema e la tua applicazione. Oggi, esiste una gamma di SoC capaci di WiFi + Bluetooth che possono anche supportare protocolli aggiuntivi nella banda ISM da 2,4 GHz. Altri componenti possono supportare sub-1 GHz insieme a protocolli speciali da 2,4 GHz.

Nordic Semiconductor, nRF52820

La piattaforma nRF di Nordic Semiconductor è molto popolare nei sistemi embedded leggeri e nelle piattaforme IoT compatte. Il microcontrollore nRF52820 supporta il mesh networking su 802.15.4 + Zigbee, Bluetooth 5.2/BLE e Thread. Include anche diverse interfacce che ti aspetteresti di trovare in un microcontrollore IoT (SPI, UART, USB e GPIO). Questo componente ha un ingombro ridotto pur supportando molteplici bande da 2,4 GHz. Nordic fornisce anche un SDK esteso e librerie che puoi utilizzare per sviluppare la tua applicazione.

Schema applicativo NRF52820. Fonte: Scheda tecnica NRF52820.

Microchip, AT86RF212B-ZUR

Il AT86RF212B-ZUR di Microchip è un trasmettitore multi-banda che supporta ZigBee a 700/800/900 MHz, IEEE 802.15.4, 6LoWPAN e comunicazione ISM. Questo trasmettitore si interfaccia con un MCU tramite SPI, come mostrato nello schema di segnalazione qui sotto. Questo componente o un componente simile è un'ottima opzione per supportare un MCU leggero che potrebbe non avere un front-end RF integrato.

Diagramma di segnalazione e schema applicativo. Fonte: Scheda tecnica AT86RF212B-ZUR.

Altri Componenti per la Costruzione di Piattaforme IoT

Anche se lo sviluppo di software e firmware guida gran parte della funzionalità e delle capacità di una piattaforma IoT, alla fine tutto si basa sull'hardware, ed è importante selezionare i componenti giusti per supportare il tuo sistema. I componenti che includi nella tua piattaforma IoT devono interfacciarsi con altri sistemi tramite protocolli cablati o wireless, oltre a garantire una lunga durata e affidabilità.

Una volta selezionato il tuo protocollo IoT e determinato come risolvere eventuali problemi di coesistenza, puoi trovare i componenti di cui hai bisogno per costruire la tua applicazione con le funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio su Octopart. Quando utilizzi il motore di ricerca di componenti elettronici di Octopart, avrai accesso ai dati aggiornati sui prezzi dei distributori, all'inventario dei componenti e alle specifiche dei componenti, ed è tutto liberamente accessibile in un'interfaccia user-friendly. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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