Выбор протокола IoT и руководство по проектированию

Создано: 8 Июля, 2021
Обновлено: 1 Июля, 2024

Подумайте о ваших вариантах беспроводной связи на сегодняшний день, и на ум приходят три основных протокола: WiFi, Bluetooth и сотовая связь. Каждый из них имел огромный успех и не должен игнорироваться дизайнерами потребительской электроники. Если вы выпускаете что-то, что называется «умным» или «соединенным» для потребительского сегмента, наличие WiFi и Bluetooth (или обоих) на данный момент почти обязательно. Однако за беспроводным протоколом стоит многое, с протоколами прикладного уровня IoT, реализуемыми на устройствах для поддержки различных режимов сообщений или полноценной связи через интернет.

Мир IoT может быть похож на алфавитный суп из беспроводных протоколов и протоколов прикладного уровня, поэтому может быть сложно понять, с чего начать, помимо простого использования WiFi и Bluetooth для обеспечения связи между устройствами. Я видел, как больше дизайнеров недавно погружаются в мир разработки IoT и даже выпускают некоторые проекты с открытым исходным кодом, которые интегрируют несколько возможностей в один пакет. Однако большинство из них выбирают простой путь использования WiFi + Bluetooth/BLE для обеспечения некоторых гибких вариантов подключения. На самом деле существует гораздо больше беспроводных протоколов IoT и уровней данных, которые будут очень хорошо работать для вашей системы без всего избыточного функционала WiFi и Bluetooth.

Давайте рассмотрим некоторые аппаратные варианты, беспроводные протоколы и варианты протоколов прикладного уровня, которые вы можете использовать для инноваций в новых системах IoT. Выбор лучшего варианта для вашего нового продукта требует сочетания аппаратных средств для поддержки желаемого беспроводного протокола и протокола приложения для поддержки обмена сообщениями. С правильной комбинацией вы можете создать продукт, который будет более надежным и быстрым, чем типичная система WiFi + Bluetooth, используя легковесные протоколы.

Проектирование с протоколами IoT в 2021 году

Сегодня существует множество вариантов для создания вашего продукта с беспроводными протоколами, и есть более дюжины беспроводных вариантов, которые вы можете реализовать для развития вашей платформы. С очевидным ростом подключенной потребительской и офисной продукции за последнее десятилетие, всегда есть спрос на массово успешную комбинацию WiFi + Bluetooth, которая может подключаться к интернету. Однако другие комбинации беспроводных протоколов и прикладных уровней быстро демонстрируют свою ценность в конкретных приложениях.

Затем следует учитывать чипсет. Востребованные продукты, которым может потребоваться WiFi + Bluetooth или Zigbee, являются высокоинтегрированными. Многие производители мобильных чипсетов предложат SoC, которые интегрируют функциональность MCU на том же кристалле, что и передатчик, и даже усилитель мощности для передачи. Чтобы начать, вам нужно подумать о базовых требованиях к вашему устройству, таких как пропускная способность данных и потребление энергии, оба из которых связаны с выбранным вами протоколом.

Выбор беспроводного протокола

Прежде чем начать выбор оборудования, вам нужно будет сопоставить потребности вашей системы с протоколом IoT. Вот основные аспекты, на которые следует обратить внимание при выборе протокола IoT для вашей системы.

Рабочая частота и сосуществование. Если используется беспроводная связь, вам нужно будет учитывать, на какой частоте вы будете работать, что может зависеть от окружающей среды. Большинство протоколов IoT работают в нелицензированных диапазонах, что создает проблемы сосуществования, поскольку диапазон фактически не регулируется (за исключением требований EMC). Некоторые чипсеты специально разработаны для поддержки сосуществования в соответствии со стандартом серии IEEE 802.
Потребление энергии и дальность. Будет ли конечное устройство в сети работать от батареи, или дизайн будет работать на более высоких частотах, требующих больше энергии? Сколько энергии необходимо для достижения вашего целевого диапазона? Некоторые протоколы работают лучше в этой области, чем другие. Если ваше устройство работает от батареи, вы захотите выбрать протокол с низким энергопотреблением.
Пропускная способность данных. Вы создаете систему, которая должна транслировать медиа, или вы отправляете небольшие пакеты данных? Является ли связь прерывистой, или вам нужна непрерывная передача/прием данных? Протоколы с частотой ниже 1 ГГц предоставят вам более низкую скорость передачи данных в диапазоне кбит/с, но это все еще достаточно для многих задач легкого сбора данных,
Топология сети. Две стандартные топологии сети IoT - это звезда и меш. Сети типа звезда могут требовать некоторого централизованного шлюза для посредничества в обмене сообщениями между конечными устройствами, в зависимости от стандарта беспроводного протокола и протокола прикладного уровня. Некоторые меш-сети (например, Zigbee) также потребуют устройство шлюза.

Как и большинство выборов в дизайне и инженерии, выбор протокола IoT влечет за собой серию компромиссов. Например, работа на более высокой частоте требует больше энергии для передачи, чтобы обеспечить необходимую дальность, но это также обеспечивает более высокую скорость передачи данных. Затем, в зависимости от необходимой топологии, вы можете не достичь требуемых параметров скорости передачи данных. В таблице ниже представлены общие протоколы IoT и их возможности в вашем дизайне.

*Благодарность за данные таблицы принадлежит GlowLabs.co

Есть еще одна область, о которой еще не упоминалось: безопасность, особенно в таких областях, как оборона, критическая инфраструктура, например, коммунальные услуги, промышленные системы и даже автомобильная промышленность. Это сложная область дизайна и разработки IoT, поскольку она постоянно развивается на уровне программного обеспечения и в терминах управления сетью. Поскольку это достаточно обширная тема, чтобы заслужить собственную серию статей, мы оставим эту тему на потом. Учитывая все возможные беспроводные протоколы, которые вы можете реализовать на вашей аппаратной платформе, сосуществование является проблемой в некоторых системах, особенно в диапазоне 2,4 ГГц.

Проблемы сосуществования

Проблемы совместного существования и необходимость в чипсете, который может это обеспечить, могут стать решающим фактором при создании платформы IoT, которая будет работать в полосе ISM. 2.4 ГГц - это единственная частота, которая не лицензирована на глобальном уровне, поэтому неудивительно, что проблемы совместного использования продолжают возникать в популярных протоколах IoT. Однако, поскольку у каждого теперь есть сеть с высокой частотой и большой пропускной способностью в своих домах и офисах, индустрия теперь производит некоторые чипсеты, которые помогают преодолеть эти проблемы для конкретных комбинаций протоколов.

Потребительское и коммерческое пространство в значительной степени зависит от WiFi + Bluetooth, и, возможно, Zigbee, но есть несколько продуктов, которые вы можете использовать и которые поддерживают совместное использование. Помимо этих интегрированных решений, совместное использование может быть реализовано на аппаратном уровне следующим образом:

Множественный доступ с временным разделением (TDMA): Это самый простой метод совместного использования; один протокол передает сигнал, пока другой деактивирован.
Множественный доступ с частотным разделением (FDMA): Драйвер хоста используется для избежания использования одних и тех же частот для двух протоколов в направлениях передачи и приема. Это занимает больше спектра, но позволяет одновременно передавать и принимать сигналы.
Частотно-перестраиваемое расширение спектра (FHSS): Радиосигналы передаются по нескольким каналам в пределах полосы, быстро изменяя несущую частоту между передачами.

Если стандартное, высокоинтегрированное решение недоступно, вам может потребоваться собрать компоненты в пользовательский чипсет, например, FPGA или MCU с пользовательским RF фронт-эндом или аналогичным решением. Вне потребительского пространства, проблемы совместного использования становятся только более интересными, особенно потому, что может не быть высокоинтегрированного чипсета с встроенными решениями для совместного использования. Сегодняшние продукты IoT для предприятий/промышленности используют больше, чем WiFi и Bluetooth; например, IoT-шлюзы могут одновременно использовать четыре или более общих протоколов IoT полосы ISM и, возможно, протокол суб-1 ГГц. В некоторых специализированных областях, таких как метеорология, авиация и оборона, также есть приложения, такие как радар, работающие в диапазоне 5-6 ГГц, создавая новую проблему совместного использования с WiFi 5, 6/6E и более новыми протоколами.

Протокол прикладного уровня

В отличие от беспроводного протокола, протокол прикладного уровня (иногда называемый протоколом данных) описывает формат, в котором данные передаются по сети, а также метод связи между хостами и конечными точками. Это определяется в прошивке (для архитектур на базе MCU) или встроенном программном обеспечении как часть вашего приложения. Если вы посмотрите в Интернете, вы найдете несколько библиотек и учебников для создания приложения, работающего на TCP/IP или UDP с различными протоколами прикладного уровня. Ниже приведены некоторые примеры.

Компоненты многодиапазонного протокола IoT и

Независимо от того, как вы хотите построить свою платформу IoT, процессор и RF-фронтенд, которые вы выберете, станут основой для вашей системы и вашего приложения. Сегодня существует ряд SoC, поддерживающих WiFi + Bluetooth, которые также могут поддерживать дополнительные протоколы в диапазоне 2,4 ГГц ISM. Другие компоненты могут поддерживать диапазон ниже 1 ГГц наряду со специализированными протоколами 2,4 ГГц.

Nordic Semiconductor, nRF52820

Платформа nRF от Nordic Semiconductor очень популярна в легких встраиваемых системах и компактных платформах IoT. Микроконтроллер nRF52820 поддерживает сети mesh через 802.15.4 + Zigbee, Bluetooth 5.2/BLE и Thread. Он также включает в себя несколько интерфейсов, которые вы ожидаете найти в микроконтроллере IoT (SPI, UART, USB и GPIO). Этот компонент имеет маленький размер при поддержке нескольких диапазонов 2,4 ГГц. Nordic также предоставляет обширный SDK и библиотеки, которые вы можете использовать для разработки вашего приложения.

Схема применения NRF52820. Источник: Техническое описание NRF52820.

Microchip, AT86RF212B-ZUR

AT86RF212B-ZUR от Microchip - это многодиапазонный приемопередатчик, который поддерживает ZigBee на частотах 700/800/900 МГц, IEEE 802.15.4, 6LoWPAN и ISM связь. Этот приемопередатчик подключается к MCU через SPI, как показано на схеме сигнализации ниже. Этот компонент или подобный ему является отличным вариантом для поддержки легкого MCU, который может не иметь интегрированного RF-фронтенда.

Схема сигнализации и применения. Источник: Техническое описание AT86RF212B-ZUR.

Другие компоненты для создания платформ IoT

Хотя разработчики программного обеспечения и прошивок во многом определяют функциональность и возможности платформы IoT, в конечном итоге все опирается на аппаратное обеспечение, и важно выбрать правильные компоненты для поддержки вашей системы. Компоненты, которые вы включаете в свою платформу IoT, должны взаимодействовать с другими системами по проводным или беспроводным протоколам, а также обеспечивать долгий срок службы и надежность.

После выбора протокола IoT и определения способов решения проблем совместимости вы можете найти необходимые компоненты для создания вашего приложения с продвинутыми функциями поиска и фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему электронных компонентов Octopart, вы получите доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, наличии на складах и спецификациям компонентов, и всё это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.