IoTプロトコル選択と設計ガイド

投稿日 2021/07/8, 木曜日
更新日 2024/07/1, 月曜日

無線通信のオプションを考えるとき、主に3つのプロトコルが思い浮かびます：WiFi、Bluetooth、セルラーです。これらはそれぞれ大成功を収めており、消費者向け電子機器の設計者が見過ごすべきではありません。何かを「スマート」または「接続済み」として販売する場合、この時点でWiFiとBluetooth（または両方）を含めることはほぼ義務です。しかし、無線プロトコルの背後には、異なるメッセージングモードをサポートするためにデバイスに実装されるIoTアプリケーション層プロトコルや、インターネット上での完全な通信など、多くのことが行われています。

IoTの世界は無線プロトコルとアプリケーション層プロトコルのアルファベットスープのようなものであり、デバイス間の接続を提供するために単にWiFiとBluetoothを使用する以外のスタート地点を見つけるのは難しいかもしれません。最近、IoT開発の世界に飛び込む設計者をより多く見かけ、いくつかの機能を1つのパッケージに統合するオープンソースプロジェクトをリリースしています。しかし、これらのほとんどは、柔軟な接続オプションを提供するためにWiFi + Bluetooth/BLEを使用する簡単な方法を選んでいます。実際には、WiFiとBluetoothのすべてのオーバーヘッドなしでシステムに非常に適している多くのIoT無線プロトコルとデータ層があります。

新しいIoTシステムを革新するために使用できるハードウェアオプション、無線プロトコル、およびアプリケーション層プロトコルオプションを見てみましょう。新製品に最適なオプションを選択するには、希望する無線プロトコルをサポートするハードウェアと、メッセージングをサポートするアプリケーションプロトコルを組み合わせる必要があります。適切な組み合わせを使用することで、軽量プロトコルを使用した典型的なWiFi + Bluetoothシステムよりも信頼性が高く、速い製品を構築できます。

2021年のIoTプロトコルを使用した設計

今日、無線プロトコルを使用して製品を構築するためのオプションはたくさんあり、プラットフォームを構築するために実装できる無線オプションは十数あります。過去10年間で接続された消費者向けおよびオフィス製品の明らかな成長に伴い、インターネット接続に接続できる大成功を収めたWiFi + Bluetoothの組み合わせには常に需要があります。しかし、特定のアプリケーションでその価値をすぐに明らかにする無線プロトコルとアプリケーション層の他の組み合わせもあります。

次に、チップセットを考慮する必要があります。WiFi + BluetoothまたはZigbeeが必要な需要の高い製品は、高度に統合されています。多くのモバイルチップセットメーカーは、MCU機能を統合したSoCを提供し、トランシーバーと同じダイ上に、さらには送信用のパワーアンプまでも提供します。始めるにあたって、データスループットと消費電力のようなデバイスの基本要件について考える必要があります。これらは選択するプロトコルに関連しています。

無線プロトコルの選択

ハードウェアを購入する前に、システムのニーズに合ったIoTプロトコルを選択する必要があります。システム用のIoTプロトコルを選択する際に見るべき主要な領域は以下の通りです。

動作周波数と共存。 ワイヤレスが関係する場合、どの周波数で動作するかを考慮する必要があります。これは環境に依存するかもしれません。ほとんどのIoTプロトコルは無許可帯で動作しますが、帯域は事実上規制されていないため（EMC要件を除く）、共存には課題があります。一部のチップセットは、IEEE 802シリーズの標準の下で共存をサポートするように特別に設計されています。
消費電力と範囲。 ネットワーク上のエンドポイントはバッテリー電源で動作しますか、それともより多くの電力を必要とする高周波で動作しますか？目標範囲に到達するために必要な電力はどのくらいですか？一部のプロトコルはこの領域で他よりも優れています。デバイスがバッテリー駆動の場合、低電力プロトコルを選択することになるでしょう。
データスループット。 メディアをストリーミングするシステムを構築していますか、それとも小さなデータパケットを送信していますか？通信は断続的ですか、それともデータの連続送受信が必要ですか？サブ1GHzプロトコルはkbps範囲で低いデータレートを提供しますが、これは多くの軽量データ取得タスクには十分です。
ネットワークトポロジー。 標準的なIoTネットワークトポロジーはスターとメッシュです。スターネットワークは、無線プロトコル標準とアプリケーション層プロトコルに応じて、エンドポイントデバイス間のメッセージングを仲介するために一部の集中型ゲートウェイを必要とする場合があります。一部のメッシュネットワーク（例えば、Zigbee）もゲートウェイデバイスを必要とする場合があります。

ほとんどの設計およびエンジニアリングの選択と同様に、IoTプロトコルを選択することは一連のトレードオフを伴います。例えば、高周波で動作するには、必要な範囲を提供するためにより多くの送信電力が必要ですが、それによってデータレートも高くなります。そして、必要なトポロジーに応じて、データレートの要件を満たすことができないかもしれません。下の表は、設計における一般的なIoTプロトコルとその能力の要約を提供します。

*表のデータのクレジットはGlowLabs.coに帰属します

まだ触れられていないもう一つの領域があります：特に防衛、公益事業のような重要インフラ、産業システム、さらには自動車などの分野でのセキュリティです。これはソフトウェアレベルおよびネットワーク管理の観点から絶えず進化しているIoT設計および開発の複雑な領域です。その重要性から、このトピックは独自の一連の記事に値するので、後で取り上げます。ハードウェアプラットフォームに実装できる無線プロトコルがたくさんある中で、特に2.4 GHz帯では一部のシステムで共存が課題となります。

共存の課題

共存の問題とそれを受け入れることができるチップセットの必要性は、ISMバンドで動作するIoTプラットフォームを構築する際の決定要因となるかもしれません。2.4 GHzは世界的に無許可の唯一の周波数なので、人気のあるIoTプロトコルで共存の問題が続出することに驚かないでください。しかし、今や誰もが自宅やオフィスに高周波、高スループットのネットワークを持っているため、業界はこれらの問題を特定のプロトコルの組み合わせで克服するためのチップセットをいくつか生産しています。

消費者および商業スペースは、WiFi + Bluetooth、おそらくZigbeeに大きく依存していますが、共存をサポートするいくつかの製品があります。これらの統合ソリューションを超えて、共存は以下のようにハードウェアレベルで実装できます：

時分割多重アクセス（TDMA）：これは最も単純な共存方法です。一方のプロトコルが放送中の間、もう一方は非アクティブになります。
周波数分割多重アクセス（FDMA）：ホストドライバーを使用して、送受信の方向で2つのプロトコルが同じ周波数を使用しないようにします。これによりスペクトルをより多く使用しますが、同時に送受信を可能にします。
周波数ホッピング拡散スペクトラム（FHSS）：無線信号を複数のチャネルでバンド内に送信し、送信ごとにキャリア周波数を迅速に変更します。

標準的で高度に統合されたソリューションが利用できない場合、カスタムチップセットにコンポーネントをコンパイルする必要があるかもしれません。例えば、FPGAやMCUにカスタムのRFフロントエンドまたは類似のソリューションを組み合わせるなどです。消費者スペースの外では、共存の課題は特に興味深くなります。特に、共存ソリューションが組み込まれた高度に統合されたチップセットが存在しない場合があります。今日のエンタープライズ/産業用IoT製品は、WiFiやBluetoothだけでなく、例えばIoTゲートウェイは、同時に動作する一般的なISMバンドIoTプロトコルを4つ以上、場合によっては1GHz未満のプロトコルも持っています。気象学、航空、防衛などの特殊分野では、5-6 GHzバンドで動作するレーダーなどのアプリケーションもあり、WiFi 5、6/6E、および新しいプロトコルとの新たな共存問題を生じさせています。

アプリケーション層プロトコル

無線プロトコルとは対照的に、アプリケーション層プロトコル（時にはデータプロトコルと呼ばれる）は、ネットワーク上でデータが転送される形式と、ホストとエンドポイント間の接続方法を記述します。これは、アプリケーションの一部としてファームウェア（MCUベースのアーキテクチャ用）または組み込みソフトウェアで定義されます。オンラインで調べると、TCP/IPやUDPで動作するアプリケーションを構築するためのさまざまなアプリケーション層プロトコルを使用したライブラリやチュートリアルがいくつか見つかります。以下にいくつかの例を示します。

マルチバンドIoTプロトコルコンポーネントと

IoTプラットフォームを構築する方法に関わらず、選択するプロセッサとRFフロントエンドがシステムとアプリケーションの基盤を形成します。今日では、WiFi + Bluetoothが可能なSoCの範囲があり、2.4 GHz ISMバンドの追加プロトコルもサポートできます。他のコンポーネントは、1 GHz未満のサポートと特殊な2.4 GHzプロトコルをサポートできます。

Nordic Semiconductor, nRF52820

Nordic SemiconductorのnRFプラットフォームは、軽量な組み込みシステムやコンパクトなIoTプラットフォームで非常に人気があります。nRF52820マイクロコントローラは、802.15.4 + Zigbee、Bluetooth 5.2/BLE、およびThreadを介したメッシュネットワーキングをサポートしています。また、IoTマイクロコントローラに期待されるいくつかのインターフェース（SPI、UART、USB、GPIO）も含まれています。このコンポーネントは、複数の2.4 GHzバンドをサポートしながら小さなフットプリントを持っています。Nordicは、アプリケーションの開発に使用できる広範なSDKとライブラリも提供しています。

NRF52820アプリケーション回路図。出典: NRF52820データシート。

Microchip, AT86RF212B-ZUR

MicrochipのAT86RF212B-ZURは、700/800/900 MHzのZigBee、IEEE 802.15.4、6LoWPAN、およびISM通信をサポートするマルチバンドトランシーバーです。このトランシーバーは、以下のシグナリング図に示されているように、MCUとSPIを介してインターフェースします。このコンポーネントまたは類似のコンポーネントは、統合されたRFフロントエンドを持たないかもしれない軽量MCUをサポートするための優れたオプションです。

シグナリング図とアプリケーション回路図。出典: AT86RF212B-ZURデータシート。

IoTプラットフォームを構築するためのその他のコンポーネント

ソフトウェアとファームウェアの開発者がIoTプラットフォームの機能性と能力を大きく推進しているとしても、最終的にはすべてがハードウェアに依存しており、システムをサポートするために適切なコンポーネントを選択することが重要です。IoTプラットフォームに含めるコンポーネントは、有線または無線プロトコルを介して他のシステムとインターフェースする必要があり、長寿命と信頼性を確保する必要があります。

IoTプロトコルを選択し、共存問題をどのように解決するかを決定したら、Octopartの高度な検索およびフィルタリング機能を使用して、アプリケーション構築に必要なコンポーネントを見つけることができます。Octopartの電子部品検索エンジンを使用すると、最新のディストリビューター価格データ、部品在庫、部品仕様にアクセスでき、すべてがユーザーフレンドリーなインターフェースで自由に利用可能です。統合回路ページをご覧ください必要なコンポーネントを見つけてください。

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