Hướng dẫn Lựa chọn và Thiết kế Giao thức IoT

Created: Tháng Bảy 8, 2021
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Hãy nghĩ về các lựa chọn của bạn cho giao tiếp không dây ngày nay, và ba giao thức chính xuất hiện: WiFi, Bluetooth và di động. Mỗi giao thức này đã thành công lớn và không nên bị bỏ qua bởi các nhà thiết kế điện tử tiêu dùng. Nếu bạn đang phát hành bất cứ thứ gì được quảng cáo là “thông minh” hoặc “kết nối” cho phân khúc tiêu dùng, việc bao gồm WiFi và Bluetooth (hoặc cả hai) vào thời điểm này gần như là bắt buộc. Tuy nhiên, có rất nhiều điều diễn ra đằng sau giao thức không dây, với các giao thức lớp ứng dụng IoT được triển khai trên thiết bị để hỗ trợ các chế độ tin nhắn khác nhau hoặc giao tiếp trực tiếp qua internet.

Thế giới IoT có thể là một mớ bòng bong của các giao thức không dây và giao thức lớp ứng dụng, vì vậy có thể khó để biết bắt đầu từ đâu ngoài việc chỉ sử dụng WiFi và Bluetooth để cung cấp kết nối giữa các thiết bị. Tôi đã thấy nhiều nhà thiết kế nhảy vào thế giới phát triển IoT gần đây và thậm chí phát hành một số dự án mã nguồn mở tích hợp nhiều khả năng vào một gói duy nhất. Tuy nhiên, hầu hết trong số này chỉ đi theo lối mòn sử dụng WiFi + Bluetooth/BLE để cung cấp một số tùy chọn kết nối linh hoạt. Thực tế có nhiều giao thức không dây IoT và lớp dữ liệu khác sẽ rất phù hợp cho hệ thống của bạn mà không cần tất cả sự phức tạp của WiFi và Bluetooth.

Hãy xem xét một số lựa chọn phần cứng, giao thức không dây, và lựa chọn giao thức lớp ứng dụng bạn có thể sử dụng để đổi mới các hệ thống IoT mới. Chọn lựa tốt nhất cho sản phẩm mới của bạn đòi hỏi phải kết hợp phần cứng để hỗ trợ giao thức không dây mong muốn và một giao thức ứng dụng để hỗ trợ tin nhắn. Với sự kết hợp đúng đắn, bạn có thể xây dựng một sản phẩm đáng tin cậy và nhanh hơn hệ thống WiFi + Bluetooth thông thường sử dụng các giao thức nhẹ.

Thiết kế Với Giao Thức IoT vào năm 2021

Ngày nay, có rất nhiều lựa chọn để xây dựng sản phẩm của bạn với các giao thức không dây, và có hơn một chục lựa chọn không dây bạn có thể triển khai để xây dựng nền tảng của mình. Với sự tăng trưởng rõ rệt trong sản phẩm tiêu dùng và văn phòng kết nối trong thập kỷ qua, luôn có nhu cầu cho sự kết hợp thành công lớn của WiFi + Bluetooth có thể kết nối với kết nối internet. Tuy nhiên, các kết hợp khác của giao thức không dây và lớp ứng dụng nhanh chóng thể hiện giá trị của chúng trong các ứng dụng cụ thể.

Sau đó, cần phải xem xét đến chipset. Các sản phẩm được yêu cầu có thể cần WiFi + Bluetooth hoặc Zigbee là cực kỳ tích hợp. Nhiều nhà sản xuất chipset di động sẽ cung cấp SoCs có tích hợp chức năng MCU trên cùng một die với bộ thu phát và thậm chí là bộ khuếch đại công suất cho truyền dẫn. Để bắt đầu, bạn cần suy nghĩ về các yêu cầu cơ bản cho thiết bị của mình như thông lượng dữ liệu và tiêu thụ năng lượng, cả hai đều liên quan đến giao thức bạn chọn.

Chọn một Giao Thức Không Dây

Trước khi bạn bắt đầu tìm mua phần cứng, bạn cần phải xác định nhu cầu của hệ thống với một giao thức IoT. Dưới đây là những lĩnh vực chính cần xem xét khi chọn giao thức IoT cho hệ thống của bạn.

Tần số hoạt động và sự đồng tồn. Nếu liên quan đến không dây, bạn cần xem xét bạn sẽ hoạt động ở tần số nào, có thể phụ thuộc vào môi trường. Hầu hết các giao thức IoT hoạt động trong các băng tần không cần giấy phép, điều này tạo ra thách thức về sự đồng tồn vì băng tần hiệu quả không được quản lý (ngoại trừ các yêu cầu EMC). Một số chipset được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ sự đồng tồn dưới tiêu chuẩn IEEE 802 series.
Mức tiêu thụ năng lượng và phạm vi. Liệu điểm cuối trên mạng sẽ hoạt động bằng năng lượng pin, hay thiết kế sẽ hoạt động ở tần số cao hơn yêu cầu nhiều năng lượng hơn? Bao nhiêu năng lượng là cần thiết để đạt được phạm vi mục tiêu của bạn? Một số giao thức hoạt động tốt hơn trong lĩnh vực này so với những giao thức khác. Nếu thiết bị của bạn hoạt động bằng pin, bạn sẽ muốn chọn một giao thức tiêu thụ năng lượng thấp.
Lưu lượng dữ liệu. Bạn đang xây dựng một hệ thống cần phát trực tiếp phương tiện, hay bạn đang gửi các gói dữ liệu nhỏ? Liệu giao tiếp là không thường xuyên hay bạn cần truyền/nhận dữ liệu liên tục? Các giao thức dưới 1 GHz sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu thấp hơn ở phạm vi kbps, nhưng điều này vẫn đủ cho nhiều nhiệm vụ thu thập dữ liệu nhẹ,
Topo mạng. Hai topo mạng IoT tiêu chuẩn là sao và lưới. Mạng sao có thể yêu cầu một cổng trung tâm để điều phối tin nhắn giữa các thiết bị điểm cuối, tùy thuộc vào tiêu chuẩn giao thức không dây và giao thức tầng ứng dụng. Một số mạng lưới (ví dụ, Zigbee) cũng sẽ yêu cầu một thiết bị cổng.

Như hầu hết các lựa chọn thiết kế và kỹ thuật, việc chọn một giao thức IoT liên quan đến một loạt các sự đánh đổi. Ví dụ, hoạt động ở tần số cao hơn yêu cầu nhiều năng lượng hơn cho việc truyền để cung cấp phạm vi yêu cầu, nhưng nó cũng cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn. Sau đó, tùy thuộc vào topo bạn cần, bạn có thể không đạt được yêu cầu về tốc độ dữ liệu. Bảng dưới đây cung cấp một bản tóm tắt về các giao thức IoT phổ biến và khả năng của chúng trong thiết kế của bạn.

*Dữ liệu bảng được cung cấp bởi GlowLabs.co

Có một lĩnh vực khác chưa được đề cập: an ninh, đặc biệt là trong các lĩnh vực như quốc phòng, cơ sở hạ tầng quan trọng như tiện ích, hệ thống công nghiệp, và cả ô tô. Đây là một lĩnh vực phức tạp của thiết kế và phát triển IoT vì nó liên tục phát triển ở cấp độ phần mềm và về quản lý mạng. Vì nó đủ rộng để xứng đáng có một loạt bài viết riêng, chúng tôi sẽ lưu chủ đề này cho sau. Với tất cả các giao thức không dây có thể thực hiện trên nền tảng phần cứng của bạn, sự đồng tồn là một thách thức trong một số hệ thống, đặc biệt là trong băng tần 2.4 GHz.

Thách thức về Sự Đồng Tồn

Vấn đề về sự đồng tồn, và nhu cầu về một bộ vi xử lý có thể hỗ trợ nó, có thể là yếu tố quyết định khi xây dựng một nền tảng IoT sẽ hoạt động trong băng tần ISM. 2.4 GHz là tần số duy nhất không cần giấy phép trên toàn cầu, vì vậy bạn không nên ngạc nhiên khi vấn đề đồng tồn tiếp tục xuất hiện trong các giao thức IoT phổ biến. Tuy nhiên, với mọi người đều có mạng tần số cao, băng thông cao trong nhà và văn phòng của mình, ngành công nghiệp hiện nay sản xuất một số bộ vi xử lý giúp vượt qua những vấn đề này cho các kết hợp giao thức cụ thể. Không gian tiêu dùng và thương mại phụ thuộc nhiều vào WiFi + Bluetooth, và có thể là Zigbee, nhưng có một số sản phẩm bạn có thể sử dụng hỗ trợ đồng tồn. Ngoài những giải pháp tích hợp này, đồng tồn có thể được thực hiện ở cấp độ phần cứng như sau:

Truy cập đa kênh phân chia thời gian (TDMA): Đây là phương pháp đồng tồn đơn giản nhất; một giao thức đang phát sóng trong khi giao thức khác được tắt.
Truy cập đa kênh phân chia tần số (FDMA): Trình điều khiển máy chủ được sử dụng để tránh sử dụng cùng một tần số cho hai giao thức trong hướng truyền và nhận. Điều này chiếm nhiều băng tần hơn nhưng cho phép truyền và nhận đồng thời.
Dải tần nhảy tần số (FHSS): Tín hiệu radio được truyền qua nhiều kênh trong một băng tần bằng cách thay đổi nhanh chóng tần số mang trong các lần truyền.

Nếu một giải pháp tích hợp cao, tiêu chuẩn không có sẵn, bạn có thể cần phải biên soạn các thành phần thành một bộ vi xử lý tùy chỉnh, ví dụ, một FPGA hoặc MCU với một mặt trước RF tùy chỉnh hoặc giải pháp tương tự. Ngoài không gian tiêu dùng, thách thức đồng tồn chỉ trở nên thú vị hơn, đặc biệt là vì có thể không có bộ vi xử lý tích hợp cao nào có giải pháp đồng tồn tích hợp. Sản phẩm IoT doanh nghiệp/công nghiệp ngày nay sử dụng nhiều hơn WiFi và Bluetooth; ví dụ, cổng thông tin IoT có thể có bốn hoặc nhiều hơn các giao thức IoT băng tần ISM phổ biến và có thể là một giao thức dưới 1 GHz hoạt động đồng thời. Trong một số lĩnh vực chuyên biệt như khí tượng, hàng không và quốc phòng, bạn cũng có các ứng dụng như radar hoạt động trong băng tần 5-6 GHz, tạo ra một vấn đề đồng tồn mới với WiFi 5, 6/6E, và các giao thức mới hơn.

Giao thức Lớp Ứng dụng

Ngược lại với một giao thức không dây, giao thức lớp ứng dụng (đôi khi được gọi là giao thức dữ liệu) mô tả định dạng mà dữ liệu được chuyển giao xung quanh mạng, cũng như phương thức kết nối giữa máy chủ và điểm cuối. Điều này được định nghĩa trong firmware (cho các kiến trúc dựa trên MCU) hoặc phần mềm nhúng như một phần của ứng dụng của bạn. Nếu bạn tìm kiếm trực tuyến, bạn sẽ tìm thấy một số thư viện và hướng dẫn để xây dựng một ứng dụng chạy trên TCP/IP hoặc UDP với các giao thức lớp ứng dụng khác nhau. Một số ví dụ được hiển thị dưới đây.

Dù bạn muốn xây dựng nền tảng IoT của mình như thế nào, bộ vi xử lý và phần mạch RF bạn chọn sẽ tạo nên nền tảng cho hệ thống và ứng dụng của bạn. Ngày nay, có một loạt SoC hỗ trợ WiFi + Bluetooth có khả năng hỗ trợ thêm các giao thức khác trong băng tần ISM 2.4 GHz. Các thành phần khác có thể hỗ trợ dưới 1 GHz cùng với các giao thức chuyên biệt 2.4 GHz.

Nordic Semiconductor, nRF52820

Nền tảng nRF từ Nordic Semiconductor rất phổ biến trong các hệ thống nhúng nhẹ và nền tảng IoT gọn nhẹ. Vi điều khiển nRF52820 hỗ trợ mạng lưới mesh qua 802.15.4 + Zigbee, Bluetooth 5.2/BLE, và Thread. Nó cũng bao gồm một số giao diện bạn mong đợi tìm thấy trong một vi điều khiển IoT (SPI, UART, USB, và GPIOs). Thành phần này có kích thước nhỏ gọn trong khi hỗ trợ nhiều băng tần 2.4 GHz. Nordic cũng cung cấp một bộ SDK và thư viện rộng lớn mà bạn có thể sử dụng để phát triển ứng dụng của mình.

Sơ đồ ứng dụng NRF52820. Nguồn: Tài liệu dữ liệu NRF52820.

Microchip, AT86RF212B-ZUR

AT86RF212B-ZUR từ Microchip là một bộ thu phát đa băng tần hỗ trợ ZigBee ở 700/800/900 MHz, IEEE 802.15.4, 6LoWPAN, và giao tiếp ISM. Bộ thu phát này kết nối với MCU qua SPI, như được hiển thị trong sơ đồ tín hiệu bên dưới. Thành phần này hoặc một thành phần tương tự là một lựa chọn tuyệt vời để hỗ trợ một MCU nhẹ có thể không có phần mạch RF tích hợp.

Sơ đồ tín hiệu và sơ đồ ứng dụng. Nguồn: Tài liệu dữ liệu AT86RF212B-ZUR.

Các Thành Phần Khác để Xây Dựng Nền Tảng IoT

Mặc dù nhà phát triển phần mềm và firmware thúc đẩy rất nhiều chức năng và khả năng của một nền tảng IoT, cuối cùng tất cả đều dựa trên phần cứng, và việc chọn lựa đúng các thành phần để hỗ trợ hệ thống của bạn là rất quan trọng. Các thành phần bạn bao gồm trong nền tảng IoT của mình cần phải giao tiếp với các hệ thống khác qua các giao thức có dây hoặc không dây, cũng như đảm bảo tuổi thọ lâu dài và độ tin cậy.

Sau khi bạn chọn giao thức IoT và xác định cách giải quyết bất kỳ vấn đề đồng tồn nào, bạn có thể tìm các linh kiện cần thiết để xây dựng ứng dụng của mình với các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá của nhà phân phối được cập nhật, hàng tồn kho linh kiện, và thông số kỹ thuật của linh kiện, và tất cả đều dễ dàng truy cập qua giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.