物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議選擇和設計指南

2021-07-09

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議選擇和設計指南

想想如今您的無(wú)線(xiàn)通信選項，您會(huì )想到三種主要協(xié)議：WiFi、藍牙和蜂窩。每一個(gè)都取得了巨大的成功，消費電子設計師不應忽視。如果您要為消費者細分市場(chǎng)推出任何標榜為“智能”或“連接”的產(chǎn)品，那么此時(shí)幾乎是強制性的，包括 WiFi 和藍牙（或兩者）。然而，無(wú)線(xiàn)協(xié)議背后還有很多事情要做，物聯(lián)網(wǎng)應用層協(xié)議在設備上實(shí)現，以支持不同的消息傳遞模式或通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行全面通信。

物聯(lián)網(wǎng)世界可以是無(wú)線(xiàn)協(xié)議和應用層協(xié)議的字母湯，因此除了使用 WiFi 和藍牙在設備之間提供連接之外，很難知道從哪里開(kāi)始。我最近看到更多的設計師跳入物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，甚至發(fā)布了一些將多種功能集成到一個(gè)包中的開(kāi)源項目。然而，其中大多數只是簡(jiǎn)單地使用 WiFi + 藍牙/BLE 來(lái)提供一些靈活的連接選項。實(shí)際上還有更多的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)協(xié)議和數據層可以很好地為您的系統工作，而無(wú)需 WiFi 和藍牙的所有開(kāi)銷(xiāo)。

讓我們來(lái)看看可用于創(chuàng )新物聯(lián)網(wǎng)系統的一些硬件選項、無(wú)線(xiàn)協(xié)議和應用層協(xié)議選項。為您的新產(chǎn)品選擇最佳選項需要配對硬件以支持您所需的無(wú)線(xiàn)協(xié)議和應用程序協(xié)議以支持消息傳遞。通過(guò)正確的組合，您可以構建比使用輕量級協(xié)議的典型 WiFi + 藍牙系統更可靠、更快速的產(chǎn)品。

2021 年使用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行設計

今天，使用無(wú)線(xiàn)協(xié)議構建您的產(chǎn)品有很多選擇，并且您可以實(shí)施十多種無(wú)線(xiàn)選項來(lái)構建您的平臺。隨著(zhù)過(guò)去十年連接消費和辦公產(chǎn)品的顯著(zhù)增長(cháng)，對能夠連接到互聯(lián)網(wǎng)連接的大獲成功的 WiFi + 藍牙組合的需求一直存在。然而，無(wú)線(xiàn)協(xié)議和應用層的其他組合很快就會(huì )顯示出它們在特定應用中的價(jià)值。

然后，需要考慮芯片組?？赡苄枰?span> WiFi + 藍牙或 Zigbee 的按需產(chǎn)品高度集成。許多移動(dòng)芯片組制造商將提供將 MCU 功能與收發(fā)器甚至功率放大器集成到同一芯片上的SoC 。首先，您需要考慮設備的基本要求，例如數據吞吐量和功耗，這兩者都與您選擇的協(xié)議有關(guān)。

選擇無(wú)線(xiàn)協(xié)議

在開(kāi)始購買(mǎi)硬件之前，您需要將系統需求與 IoT 協(xié)議相匹配。以下是為您的系統選擇 IoT 協(xié)議時(shí)需要考慮的主要方面。

工作頻率和共存。如果涉及無(wú)線(xiàn)，您需要考慮將在哪個(gè)頻率下運行，這可能取決于環(huán)境。大多數物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在未授權頻段中運行，這給共存帶來(lái)了挑戰，因為該頻段實(shí)際上不受監管（EMC 要求除外）。某些芯片組專(zhuān)門(mén)設計用于支持 IEEE 802 系列標準下的共存。

功耗和范圍。網(wǎng)絡(luò )上的端點(diǎn)是靠電池供電，還是設計在需要更多功率的更高頻率下工作？需要多少功率才能達到目標范圍？一些協(xié)議在這方面的表現比其他協(xié)議更好。如果您的設備由電池供電，您將需要選擇低功耗協(xié)議。

數據吞吐量。您是在構建需要流式傳輸媒體的系統，還是要發(fā)送小數據包？通信是間歇性的還是您需要連續傳輸/接收數據？低于 1 GHz 的協(xié)議將為您提供 kbps 范圍內的較低數據速率，但這對于許多輕量級數據采集任務(wù)來(lái)說(shuō)仍然足夠，

網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。兩種標準的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )拓撲是星型和網(wǎng)狀。星型網(wǎng)絡(luò )可能需要一些集中式網(wǎng)關(guān)來(lái)調解端點(diǎn)設備之間的消息傳遞，具體取決于無(wú)線(xiàn)協(xié)議標準和應用層協(xié)議。一些網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )（例如 Zigbee）也需要網(wǎng)關(guān)設備。

與大多數設計和工程選擇一樣，選擇 IoT 協(xié)議涉及一系列權衡。例如，在較高頻率下工作需要更多的傳輸功率來(lái)提供所需的范圍，但它也提供更高的數據速率。然后根據您需要的拓撲，您可能無(wú)法達到您的數據速率要求。下表總結了常見(jiàn)的 IoT 協(xié)議及其在您的設計中的功能。

還有一個(gè)尚未提及的領(lǐng)域：安全，特別是在國防、公用事業(yè)、工業(yè)系統甚至汽車(chē)等關(guān)鍵基礎設施等領(lǐng)域。這是物聯(lián)網(wǎng)設計和開(kāi)發(fā)的一個(gè)復雜領(lǐng)域，因為它在軟件級別和網(wǎng)絡(luò )管理方面不斷發(fā)展。由于它足夠廣泛，值得擁有自己的系列文章，因此我們將保留該主題以供稍后使用?？紤]到您可以在硬件平臺上實(shí)現的所有可能的無(wú)線(xiàn)協(xié)議，共存在某些系統中是一個(gè)挑戰，尤其是在 2.4 GHz 頻帶中。

共存挑戰

在構建將在 ISM 頻段中運行的 IoT 平臺時(shí)，共存問(wèn)題以及對可以容納它的芯片組的需求可能是決定性因素。2.4 GHz 是全球唯一未經(jīng)許可的頻率，因此當流行的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中不斷出現共存問(wèn)題時(shí)，您應該不會(huì )感到驚訝。然而，隨著(zhù)每個(gè)人的家庭和辦公室都擁有高頻、高吞吐量的網(wǎng)絡(luò )，業(yè)界現在生產(chǎn)了一些芯片組，幫助克服特定協(xié)議組合的這些問(wèn)題。

消費者和商業(yè)領(lǐng)域嚴重依賴(lài) WiFi + 藍牙，可能還有 Zigbee，但您可以使用多種支持共存的產(chǎn)品。除了這些集成解決方案，共存還可以在硬件層面實(shí)現，如下所示：

時(shí)分多址（TDMA）：這是最簡(jiǎn)單的共存方式；一個(gè)協(xié)議正在廣播，而另一個(gè)被停用。

頻分多址 (FDMA)：主機驅動(dòng)程序用于避免在發(fā)送和接收方向對兩個(gè)協(xié)議使用相同的頻率。這會(huì )占用更多頻譜，但允許同時(shí)發(fā)送和接收。

跳頻擴頻 (FHSS)：通過(guò)在傳輸之間快速改變載波頻率，無(wú)線(xiàn)電信號在一個(gè)頻帶內的多個(gè)信道上傳輸。

如果沒(méi)有標準的、高度集成的解決方案，您可能需要將組件編譯到自定義芯片組中，例如具有自定義RF 前端的FPGA 或 MCU或類(lèi)似的解決方案。在消費領(lǐng)域之外，共存挑戰只會(huì )變得更有趣，特別是因為可能沒(méi)有內置共存解決方案的高度集成的芯片組。今天的企業(yè)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品使用的不僅僅是 WiFi 和藍牙；例如，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以有四個(gè)或更多常見(jiàn)的 ISM 頻段物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，可能還有一個(gè)低于 1 GHz 的協(xié)議同時(shí)運行。在氣象學(xué)、航空和國防等一些專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，您還擁有在 5-6 GHz 頻段運行的雷達等應用，這給 WiFi 5、6/6E 和更新的協(xié)議帶來(lái)了新的共存問(wèn)題。

應用層協(xié)議

與無(wú)線(xiàn)協(xié)議相比，應用層協(xié)議（有時(shí)稱(chēng)為數據協(xié)議）描述了數據在網(wǎng)絡(luò )中傳輸的格式，以及主機和端點(diǎn)之間的連接方法。這在固件（對于基于 MCU 的架構）或嵌入式軟件中定義為應用程序的一部分。如果您在網(wǎng)上查找，您會(huì )發(fā)現多個(gè)庫和教程，用于構建在 TCP/IP 或 UDP 上使用不同應用層協(xié)議運行的應用程序。下面顯示了一些示例。

多頻段物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議組件和 

無(wú)論您想如何構建物聯(lián)網(wǎng)平臺，您選擇的處理器和射頻前端都將構成您的系統和應用程序的基礎。今天，有一系列支持 WiFi + 藍牙的 SoC 還可以支持 2.4 GHz ISM 頻段中的其他協(xié)議。其他組件可以支持 sub-1 GHz 以及特殊的 2.4 GHz 協(xié)議。

北歐半導體，nRF52820

nRF 平臺在輕量級嵌入式系統和緊湊型物聯(lián)網(wǎng)平臺中非常受歡迎。所述nRF52820微控制器支持的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )上802.15.4 +紫蜂，藍牙5.2 / BLE，和線(xiàn)程。它還包括您希望在 IoT 微控制器中找到的多個(gè)接口（SPI、UART、USB 和 GPIO）。該組件占用空間小，同時(shí)支持多個(gè) 2.4 GHz 頻段。Nordic 還提供了廣泛的 SDK 和庫，可用于開(kāi)發(fā)應用程序。

NRF52820 應用原理圖。

微芯，AT86RF212B-ZUR

AT86RF212B-ZUR是一款多頻段收發(fā)器，支持 700/800/900 MHz 的 ZigBee、IEEE 802.15.4、6LoWPAN 和 ISM 通信。該收發(fā)器通過(guò) SPI 與 MCU 接口，如下面的信號圖所示。該組件或類(lèi)似組件是支持可能沒(méi)有集成 RF 前端的輕量級 MCU 的絕佳選擇。

信令圖和應用原理圖。

用于構建物聯(lián)網(wǎng)平臺的其他組件

盡管軟件和固件開(kāi)發(fā)人員推動(dòng)了 IoT 平臺的大部分功能和能力，但歸根結底，這一切都取決于硬件，因此選擇正確的組件來(lái)支持您的系統非常重要。您包含在 IoT 平臺中的組件需要通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)協(xié)議與其他系統接口，并確保較長(cháng)的使用壽命和可靠性。

用于數字通信的 CAN 收發(fā)器

用于連接模擬傳感器的 ADC

用于定制共存解決方案的天線(xiàn)開(kāi)關(guān)

用于基于 IPv4/IPv6 的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng) MCU