Guia de Seleção e Design de Protocolo IoT

Criada: Julho 8, 2021
Atualizada: Julho 1, 2024

Pense nas suas opções para comunicação sem fio atualmente, e três protocolos principais vêm à mente: WiFi, Bluetooth e celular. Cada um destes tem sido massivamente bem-sucedido e não deve ser negligenciado por designers de eletrônicos de consumo. Se você está lançando algo rotulado como “inteligente” ou “conectado” para o segmento de consumidores, incluir WiFi e Bluetooth (ou ambos) é quase obrigatório neste ponto. No entanto, há muito mais por trás do protocolo sem fio, com protocolos de camada de aplicação IoT sendo implementados em dispositivos para suportar diferentes modos de mensagens ou comunicação completa pela internet.

O mundo IoT pode ser um sopa de letrinhas de protocolos sem fio e protocolos de camada de aplicação, então pode ser difícil saber por onde começar além de apenas usar WiFi e Bluetooth para fornecer conectividade entre dispositivos. Eu vi mais designers mergulhando no mundo do desenvolvimento IoT recentemente e até lançando alguns projetos de código aberto que integram várias capacidades em um único pacote. No entanto, a maioria apenas segue o caminho mais fácil de usar WiFi + Bluetooth/BLE para fornecer algumas opções de conectividade flexíveis. Existem, na verdade, muitos mais protocolos sem fio IoT e camadas de dados que funcionarão muito bem para o seu sistema sem todo o excesso de WiFi e Bluetooth.

Vamos olhar para algumas das opções de hardware, protocolos sem fio e opções de protocolo de camada de aplicação que você pode usar para inovar novos sistemas IoT. Escolher a melhor opção para o seu novo produto requer combinar hardware para suportar o seu protocolo sem fio desejado e um protocolo de aplicação para suportar mensagens. Com a combinação certa, você pode construir um produto que é mais confiável e rápido do que o sistema típico de WiFi + Bluetooth usando protocolos leves.

Projetando com Protocolos IoT em 2021

Hoje, existem muitas opções para construir seu produto com protocolos sem fio, e há mais de uma dúzia de opções sem fio que você pode implementar para expandir sua plataforma. Com o crescimento óbvio em produtos conectados de consumo e de escritório ao longo da última década, há sempre demanda pela combinação massivamente bem-sucedida de WiFi + Bluetooth que pode se conectar à conexão de internet. No entanto, outras combinações de protocolos sem fio e camadas de aplicação rapidamente revelam seu valor em aplicações específicas.

Então, há o chipset a considerar. Produtos em demanda que podem precisar de WiFi + Bluetooth ou Zigbee são altamente integrados. Muitos fabricantes de chipsets móveis oferecerão SoCs que integram funcionalidade MCU no mesmo die que um transceptor e até um amplificador de potência para transmissão. Para começar, você precisa pensar em requisitos básicos para o seu dispositivo como taxa de transferência de dados e consumo de energia, ambos relacionados ao protocolo que você selecionar.

Selecionando um Protocolo Sem Fio

Antes de começar a procurar por hardware, você precisará alinhar as necessidades do seu sistema a um protocolo IoT. Aqui estão as principais áreas a considerar ao selecionar um protocolo IoT para o seu sistema.

Frequência de operação e coexistência. Se o wireless estiver envolvido, você precisará considerar em qual frequência operará, o que pode depender do ambiente. A maioria dos protocolos IoT opera em bandas não licenciadas, o que traz desafios de coexistência, já que a banda é efetivamente não regulamentada (exceto por requisitos de EMC). Alguns chipsets são especificamente projetados para suportar coexistência sob um padrão da série IEEE 802.
Consumo de energia e alcance. O ponto de extremidade na rede operará a bateria, ou o design operará em frequências mais altas que requerem mais energia? Quanta energia é necessária para atingir seu alcance alvo? Alguns protocolos se saem melhor nessa área do que outros. Se o seu dispositivo for operado por bateria, você vai querer selecionar um protocolo de baixo consumo de energia.
Throughput de dados. Você está construindo um sistema que precisa transmitir mídia, ou está enviando pequenos pacotes de dados? A comunicação é intermitente ou você precisa de transmissão/recepção contínua de dados? Protocolos sub-1 GHz oferecerão uma taxa de dados menor na faixa de kbps, mas isso ainda é suficiente para muitas tarefas de aquisição de dados leves,
Topologia de rede. As duas topologias de rede IoT padrão são estrela e malha. Redes em estrela podem requerer algum gateway centralizado para mediar mensagens entre dispositivos de extremidade, dependendo do padrão de protocolo sem fio e protocolo de camada de aplicação. Algumas redes em malha (por exemplo, Zigbee) também exigirão um dispositivo gateway.

Como a maioria das escolhas de design e engenharia, selecionar um protocolo IoT envolve uma série de compensações. Por exemplo, trabalhar em frequência mais alta requer mais energia para transmissão para fornecer o alcance necessário, mas também oferece uma taxa de dados mais alta. Então, dependendo da topologia que você precisa, você pode não ser capaz de atingir seus requisitos de taxa de dados. A tabela abaixo fornece um resumo dos protocolos IoT comuns e suas capacidades no seu design.

*Créditos pelos dados da tabela vão para GlowLabs.co

Existe outra área que ainda não foi mencionada: segurança, particularmente em áreas como defesa, infraestrutura crítica como utilidades, sistemas industriais e até automotivo. Esta é uma área complexa do design e desenvolvimento IoT, pois está constantemente evoluindo no nível de software e em termos de gerenciamento de rede. Como é extenso o suficiente para merecer sua própria série de artigos, vamos guardar esse tópico para mais tarde. Dado todos os possíveis protocolos sem fio que você pode implementar na sua plataforma de hardware, a coexistência é um desafio em alguns sistemas, particularmente na banda de 2.4 GHz.

Desafios de Coexistência

Problemas de coexistência, e a necessidade de um chipset que possa acomodá-la, podem ser o fator decisivo ao construir uma plataforma IoT que operará em uma banda ISM. 2,4 GHz é a única frequência que não é licenciada globalmente, então você não deve se surpreender quando problemas de coexistência continuarem surgindo em protocolos IoT populares. No entanto, com todos tendo uma rede de alta frequência e alto throughput em suas casas e escritórios, a indústria agora produz alguns chipsets que ajudam a superar esses problemas para combinações específicas de protocolos.

O espaço do consumidor e comercial depende fortemente de WiFi + Bluetooth, e possivelmente Zigbee, mas existem vários produtos que você pode usar que suportam coexistência. Além dessas soluções integradas, a coexistência pode ser implementada no nível de hardware da seguinte forma:

Acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA): Este é o método de coexistência mais simples; um protocolo está transmitindo enquanto o outro está desativado.
Acesso múltiplo por divisão de frequência (FDMA): O driver do host é usado para evitar o uso das mesmas frequências para dois protocolos nas direções de transmissão e recepção. Isso ocupa mais espectro, mas permite transmissões e recepções simultâneas.
Espectro espalhado por salto de frequência (FHSS): Sinais de rádio são transmitidos por vários canais dentro de uma banda, mudando rapidamente a frequência portadora entre as transmissões.

Se uma solução padrão e altamente integrada não estiver disponível, você pode precisar compilar componentes em um chipset personalizado, por exemplo, um FPGA ou MCU com uma frente de RF personalizada ou solução similar. Fora do espaço do consumidor, os desafios de coexistência só se tornam mais interessantes, especialmente porque pode não haver um chipset altamente integrado que tenha soluções de coexistência embutidas. Os produtos IoT empresariais/industriais de hoje estão usando mais do que WiFi e Bluetooth; gateways IoT, por exemplo, podem ter quatro ou mais dos protocolos IoT de banda ISM comuns e possivelmente um protocolo sub-1 GHz operando simultaneamente. Em algumas áreas especializadas como meteorologia, aviação e defesa, você também tem aplicações como radar operando na banda de 5-6 GHz, criando um novo problema de coexistência com WiFi 5, 6/6E e protocolos mais novos.

Protocolo da Camada de Aplicação

Em contraste com um protocolo sem fio, um protocolo da camada de aplicação (às vezes chamado de protocolo de dados) descreve o formato no qual os dados são transferidos pela rede, bem como o método de conectividade entre hosts e endpoints. Isso é definido no firmware (para arquiteturas baseadas em MCU) ou software embutido como parte de sua aplicação. Se você procurar online, encontrará várias bibliotecas e tutoriais para construir uma aplicação rodando em TCP/IP ou UDP com diferentes protocolos da camada de aplicação. Alguns exemplos são mostrados abaixo.

Componentes de Protocolo IoT Multi-banda e

Não importa como você deseja construir sua plataforma IoT, o processador e a frente de RF que você escolher formarão a base para o seu sistema e sua aplicação. Hoje, existe uma gama de SoCs capazes de WiFi + Bluetooth que também podem suportar protocolos adicionais na banda ISM de 2,4 GHz. Outros componentes podem suportar sub-1 GHz ao lado de protocolos especializados de 2,4 GHz.

Nordic Semiconductor, nRF52820

A plataforma nRF da Nordic Semiconductor é muito popular em sistemas embarcados leves e plataformas IoT compactas. O microcontrolador nRF52820 suporta rede em malha sobre 802.15.4 + Zigbee, Bluetooth 5.2/BLE e Thread. Ele também inclui várias interfaces que você esperaria encontrar em um microcontrolador IoT (SPI, UART, USB e GPIOs). Este componente tem uma pequena pegada enquanto suporta múltiplas bandas de 2,4 GHz. A Nordic também fornece um SDK extenso e bibliotecas que você pode usar para desenvolver sua aplicação.

Esquema de aplicação NRF52820. Fonte: Datasheet do NRF52820.

Microchip, AT86RF212B-ZUR

O AT86RF212B-ZUR da Microchip é um transceptor multi-banda que suporta ZigBee em 700/800/900 MHz, IEEE 802.15.4, 6LoWPAN e comunicação ISM. Este transceptor se conecta a um MCU por SPI, como mostrado no diagrama de sinalização abaixo. Este componente ou um componente similar é uma ótima opção para suportar um MCU leve que pode não ter uma frente de RF integrada.

Diagrama de sinalização e esquema de aplicação. Fonte: Datasheet do AT86RF212B-ZUR.

Outros Componentes para Construir Plataformas IoT

Embora os desenvolvedores de software e firmware impulsionem tanto a funcionalidade e capacidades de uma plataforma IoT, tudo se baseia no hardware no final das contas, e é importante selecionar os componentes certos para suportar seu sistema. Os componentes que você inclui em sua plataforma IoT precisam se interfacear com outros sistemas por protocolos com ou sem fio, além de garantir longa vida útil e confiabilidade.

Uma vez que você selecionar seu protocolo IoT e determinar como resolver quaisquer problemas de coexistência, você pode encontrar os componentes que precisa para construir sua aplicação com as funcionalidades avançadas de busca e filtragem no Octopart. Quando você usa o motor de busca de eletrônicos do Octopart, você terá acesso a dados atualizados de preços de distribuidores, inventário de peças e especificações de peças, e tudo isso é livremente acessível em uma interface amigável ao usuário. Confira nossa página de circuitos integrados para encontrar os componentes de que precisa.

Mantenha-se atualizado com nossos últimos artigos ao inscrever-se em nossa newsletter.