Wybór protokołu IoT i przewodnik projektowy

Utworzono: lipiec 8, 2021
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

Zastanów się nad swoimi opcjami komunikacji bezprzewodowej w dzisiejszych czasach, a na myśl przychodzą trzy główne protokoły: WiFi, Bluetooth i komórkowy. Każdy z nich odniósł ogromny sukces i nie powinien być pomijany przez projektantów elektroniki konsumenckiej. Jeśli wypuszczasz na rynek coś, co jest reklamowane jako "inteligentne" lub "połączone", włączenie WiFi i Bluetooth (lub obu) jest w tym momencie prawie obowiązkowe. Jednak za protokołem bezprzewodowym kryje się wiele więcej, z protokołami warstwy aplikacji IoT implementowanymi na urządzeniach w celu obsługi różnych trybów komunikacji lub pełnej komunikacji przez internet.

Świat IoT może być mieszanką różnych protokołów bezprzewodowych i protokołów warstwy aplikacji, więc może być trudno zobaczyć, od czego zacząć poza po prostu używaniem WiFi i Bluetooth do zapewnienia łączności między urządzeniami. Ostatnio widziałem więcej projektantów, którzy wchodzą w świat rozwoju IoT i nawet wypuszczają niektóre projekty open-source, które integrują kilka możliwości w jednym pakiecie. Jednak większość z nich idzie na łatwiznę, używając WiFi + Bluetooth/BLE, aby zapewnić pewne elastyczne opcje łączności. Istnieje jednak wiele innych protokołów bezprzewodowych IoT i warstw danych, które bardzo dobrze sprawdzą się w twoim systemie bez całego obciążenia związanego z WiFi i Bluetooth.

Spójrzmy na niektóre z opcji sprzętowych, protokołów bezprzewodowych i opcji protokołów warstwy aplikacji, które możesz wykorzystać do innowacji nowych systemów IoT. Wybór najlepszej opcji dla twojego nowego produktu wymaga dopasowania sprzętu do obsługi wybranego protokołu bezprzewodowego oraz protokołu aplikacji do obsługi komunikacji. Z odpowiednią kombinacją możesz zbudować produkt, który jest bardziej niezawodny i szybszy niż typowy system WiFi + Bluetooth, używając lekkich protokołów.

Projektowanie z protokołami IoT w 2021 roku

Dzisiaj istnieje wiele opcji budowania twojego produktu z protokołami bezprzewodowymi, i jest ponad tuzin opcji bezprzewodowych, które możesz zaimplementować, aby rozbudować swoją platformę. Z oczywistym wzrostem połączonych produktów konsumenckich i biurowych przez ostatnią dekadę, zawsze istnieje zapotrzebowanie na masowo udane połączenie WiFi + Bluetooth, które może łączyć się z połączeniem internetowym. Jednak inne kombinacje protokołów bezprzewodowych i warstw aplikacji szybko ujawniają swoją wartość w szczególnych zastosowaniach.

Następnie należy wziąć pod uwagę chipset. Produkty na czasie, które mogą potrzebować WiFi + Bluetooth lub Zigbee, są wysoko zintegrowane. Wiele firm produkujących chipsety mobilne oferuje SoC, które integrują funkcjonalność MCU na tym samym krzemie co nadajnik i nawet wzmacniacz mocy do transmisji. Aby zacząć, musisz pomyśleć o podstawowych wymaganiach dla twojego urządzenia, takich jak przepustowość danych i zużycie energii, które obie są związane z wybranym protokołem.

Wybór protokołu bezprzewodowego

Zanim zaczniesz szukać sprzętu, musisz dopasować potrzeby swojego systemu do protokołu IoT. Oto główne obszary, na które należy zwrócić uwagę przy wyborze protokołu IoT dla swojego systemu.

Częstotliwość pracy i koegzystencja. Jeśli chodzi o łączność bezprzewodową, musisz rozważyć, na jakiej częstotliwości będzie działać system, co może zależeć od środowiska. Większość protokołów IoT działa w niezarejestrowanych pasmach, co stwarza wyzwania w zakresie koegzystencji, ponieważ pasmo to jest efektywnie nieuregulowane (poza wymaganiami EMC). Niektóre chipsety są specjalnie zaprojektowane do wspierania koegzystencji zgodnie z normą IEEE 802.
Zużycie energii i zasięg. Czy punkt końcowy w sieci będzie działał na baterii, czy projekt będzie działał na wyższych częstotliwościach wymagających więcej energii? Ile energii jest potrzebne, aby osiągnąć żądany zasięg? Niektóre protokoły radzą sobie w tej dziedzinie lepiej niż inne. Jeśli twoje urządzenie jest zasilane baterią, będziesz chciał wybrać protokół o niskim zużyciu energii.
Przepustowość danych. Czy budujesz system, który musi przesyłać media, czy wysyłasz małe pakiety danych? Czy komunikacja jest sporadyczna, czy potrzebujesz ciągłej transmisji/odbioru danych? Protokoły poniżej 1 GHz zapewnią Ci niższą prędkość transmisji danych w zakresie kbps, ale to nadal wystarcza dla wielu lekkich zadań akwizycji danych,
Topologia sieci. Dwie standardowe topologie sieci IoT to gwiazda i siatka. Sieci gwiazdowe mogą wymagać pewnego scentralizowanego bramki do pośredniczenia w komunikacji między urządzeniami końcowymi, w zależności od standardu protokołu bezprzewodowego i protokołu warstwy aplikacji. Niektóre sieci siatkowe (np. Zigbee) również będą wymagać urządzenia bramki.

Podobnie jak większość decyzji projektowych i inżynierskich, wybór protokołu IoT wiąże się z serią kompromisów. Na przykład, praca na wyższej częstotliwości wymaga więcej energii na transmisję, aby zapewnić wymagany zasięg, ale zapewnia również wyższą przepustowość danych. W zależności od potrzebnej topologii, możesz nie być w stanie spełnić wymagań dotyczących przepustowości danych. Poniższa tabela zawiera podsumowanie wspólnych protokołów IoT i ich możliwości w twoim projekcie.

*Podziękowania za dane tabeli dla GlowLabs.co

Jest jeszcze jeden obszar, który nie został jeszcze wspomniany: bezpieczeństwo, szczególnie w obszarach takich jak obrona, krytyczna infrastruktura jak usługi komunalne, systemy przemysłowe, a nawet motoryzacja. Jest to skomplikowany obszar projektowania i rozwoju IoT, ponieważ ciągle ewoluuje na poziomie oprogramowania i zarządzania siecią. Ponieważ jest to na tyle obszerny temat, że zasługuje na własną serię artykułów, zostawimy ten temat na później. Biorąc pod uwagę wszystkie możliwe protokoły bezprzewodowe, które możesz zaimplementować na swojej platformie sprzętowej, koegzystencja jest wyzwaniem w niektórych systemach, szczególnie w paśmie 2,4 GHz.

Wyzwania koegzystencji

Problemy z koegzystencją oraz potrzeba chipsetu, który może ją umożliwić, mogą być decydującym czynnikiem przy budowie platformy IoT, która będzie działać w paśmie ISM. 2,4 GHz to jedyna częstotliwość, która nie jest licencjonowana na całym świecie, więc nie powinno być zaskoczeniem, że problemy z koegzystencją ciągle pojawiają się w popularnych protokołach IoT. Jednakże, z uwagi na to, że każdy ma obecnie sieć o wysokiej częstotliwości i przepustowości w swoich domach i biurach, przemysł obecnie produkuje niektóre chipsety, które pomagają przezwyciężyć te problemy dla konkretnych kombinacji protokołów.

Przestrzeń konsumencka i komercyjna opiera się głównie na WiFi + Bluetooth, a możliwe że także na Zigbee, ale istnieje kilka produktów, które wspierają koegzystencję. Poza tymi zintegrowanymi rozwiązaniami, koegzystencję można zaimplementować na poziomie sprzętowym w następujący sposób:

Dostęp wielodostępny z podziałem czasowym (TDMA): Jest to najprostsza metoda koegzystencji; jeden protokół nadaje, podczas gdy drugi jest dezaktywowany.
Dostęp wielodostępny z podziałem częstotliwości (FDMA): Sterownik hosta jest używany, aby unikać używania tych samych częstotliwości dla dwóch protokołów w kierunkach nadawania i odbioru. To zajmuje więcej spektrum, ale umożliwia jednoczesne nadawanie i odbiór.
Rozpraszanie widma przez skok częstotliwości (FHSS): Sygnały radiowe są transmitowane przez wiele kanałów w paśmie poprzez szybką zmianę częstotliwości nośnej między transmisjami.

Jeśli standardowe, wysoko zintegrowane rozwiązanie jest niedostępne, może być konieczne skompilowanie komponentów w niestandardowy chipset, np. FPGA lub MCU z niestandardowym frontem RF lub podobnym rozwiązaniem. Poza przestrzenią konsumencką, wyzwania związane z koegzystencją stają się tylko bardziej interesujące, zwłaszcza że może nie być wysoko zintegrowanego chipsetu, który ma wbudowane rozwiązania koegzystencji. Dzisiejsze produkty IoT dla przedsiębiorstw/przemysłu używają więcej niż WiFi i Bluetooth; na przykład bramki IoT mogą obsługiwać cztery lub więcej powszechnych protokołów IoT w paśmie ISM i możliwe, że protokół poniżej 1 GHz działający jednocześnie. W niektórych specjalistycznych obszarach, takich jak meteorologia, lotnictwo i obrona, masz także aplikacje takie jak radar działający w paśmie 5-6 GHz, tworząc nowy problem koegzystencji z WiFi 5, 6/6E i nowszymi protokołami.

Protokół warstwy aplikacji

W przeciwieństwie do protokołu bezprzewodowego, protokół warstwy aplikacji (czasami nazywany protokołem danych) opisuje format, w jakim dane są przesyłane w sieci, jak również metodę łączności między hostami i punktami końcowymi. Jest to zdefiniowane w firmware (dla architektur opartych na MCU) lub oprogramowaniu wbudowanym jako część twojej aplikacji. Jeśli poszukasz w internecie, znajdziesz wiele bibliotek i poradników do budowania aplikacji działającej na TCP/IP lub UDP z różnymi protokołami warstwy aplikacji. Poniżej przedstawiono kilka przykładów.

Wielopasmowe komponenty protokołu IoT i

Niezależnie od tego, jak chcesz zbudować swoją platformę IoT, procesor i front-end RF, które wybierzesz, będą stanowić fundament dla Twojego systemu i aplikacji. Dzisiaj istnieje szereg SoC-ów z WiFi + Bluetooth, które mogą również obsługiwać dodatkowe protokoły w paśmie ISM 2,4 GHz. Inne komponenty mogą obsługiwać pasmo poniżej 1 GHz wraz ze specjalistycznymi protokołami 2,4 GHz.

Nordic Semiconductor, nRF52820

Platforma nRF od Nordic Semiconductor jest bardzo popularna w lekkich systemach wbudowanych i kompaktowych platformach IoT. Mikrokontroler nRF52820 obsługuje sieci mesh przez 802.15.4 + Zigbee, Bluetooth 5.2/BLE i Thread. Zawiera również kilka interfejsów, których można oczekiwać w mikrokontrolerze IoT (SPI, UART, USB i GPIO). Ten komponent ma małą powierzchnię przy jednoczesnym wsparciu dla wielu pasm 2,4 GHz. Nordic oferuje również obszerny SDK i biblioteki, których możesz użyć do rozwijania swojej aplikacji.

Schemat aplikacji NRF52820. Źródło: Datasheet NRF52820.

Microchip, AT86RF212B-ZUR

AT86RF212B-ZUR od Microchip to wielopasmowy transceiver obsługujący ZigBee na 700/800/900 MHz, IEEE 802.15.4, 6LoWPAN i komunikację ISM. Ten transceiver łączy się z MCU przez SPI, jak pokazano na poniższym schemacie sygnalizacji. Ten komponent lub podobny jest świetną opcją do wspierania lekkiego MCU, które może nie mieć zintegrowanego front-endu RF.

Schemat sygnalizacji i schemat aplikacji. Źródło: Datasheet AT86RF212B-ZUR.

Inne komponenty do budowy platform IoT

Chociaż programiści oprogramowania i firmware'u napędzają tak wiele funkcjonalności i możliwości platformy IoT, ostatecznie wszystko opiera się na sprzęcie, dlatego ważne jest, aby wybrać odpowiednie komponenty wspierające Twój system. Komponenty, które włączysz do swojej platformy IoT, muszą łączyć się z innymi systemami za pomocą protokołów przewodowych lub bezprzewodowych, a także zapewniać długą żywotność i niezawodność.

Po wybraniu protokołu IoT i określeniu sposobu rozwiązania problemów z koegzystencją, możesz znaleźć komponenty potrzebne do zbudowania swojej aplikacji, korzystając z zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, uzyskasz dostęp do aktualnych danych o cenach dystrybutorów, zapasach części i specyfikacjach części, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym interfejsie. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.