物聯網協議選擇和設計指南

2021-07-09

物聯網協議選擇和設計指南

想想如今您的無線通信選項，您會想到三種主要協議：WiFi、藍牙和蜂窩。每一個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推出任何標榜為“智能”或“連接”的產品，那么此時幾乎是強制性的，包括 WiFi 和藍牙（或兩者）。然而，無線協議背后還有很多事情要做，物聯網應用層協議在設備上實現，以支持不同的消息傳遞模式或通過互聯網進行全面通信。

物聯網世界可以是無線協議和應用層協議的字母湯，因此除了使用 WiFi 和藍牙在設備之間提供連接之外，很難知道從哪里開始。我最近看到更多的設計師跳入物聯網開發領域，甚至發布了一些將多種功能集成到一個包中的開源項目。然而，其中大多數只是簡單地使用 WiFi + 藍牙/BLE 來提供一些靈活的連接選項。實際上還有更多的物聯網無線協議和數據層可以很好地為您的系統工作，而無需 WiFi 和藍牙的所有開銷。

讓我們來看看可用于創新物聯網系統的一些硬件選項、無線協議和應用層協議選項。為您的新產品選擇最佳選項需要配對硬件以支持您所需的無線協議和應用程序協議以支持消息傳遞。通過正確的組合，您可以構建比使用輕量級協議的典型 WiFi + 藍牙系統更可靠、更快速的產品。

2021 年使用物聯網協議進行設計

今天，使用無線協議構建您的產品有很多選擇，并且您可以實施十多種無線選項來構建您的平臺。隨著過去十年連接消費和辦公產品的顯著增長，對能夠連接到互聯網連接的大獲成功的 WiFi + 藍牙組合的需求一直存在。然而，無線協議和應用層的其他組合很快就會顯示出它們在特定應用中的價值。

然后，需要考慮芯片組?？赡苄枰?span> WiFi + 藍牙或 Zigbee 的按需產品高度集成。許多移動芯片組制造商將提供將 MCU 功能與收發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議有關。

選擇無線協議

在開始購買硬件之前，您需要將系統需求與 IoT 協議相匹配。以下是為您的系統選擇 IoT 協議時需要考慮的主要方面。

工作頻率和共存。如果涉及無線，您需要考慮將在哪個頻率下運行，這可能取決于環境。大多數物聯網協議在未授權頻段中運行，這給共存帶來了挑戰，因為該頻段實際上不受監管（EMC 要求除外）。某些芯片組專門設計用于支持 IEEE 802 系列標準下的共存。

功耗和范圍。網絡上的端點是靠電池供電，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？一些協議在這方面的表現比其他協議更好。如果您的設備由電池供電，您將需要選擇低功耗協議。

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來說仍然足夠，

網絡拓撲結構。兩種標準的物聯網網絡拓撲是星型和網狀。星型網絡可能需要一些集中式網關來調解端點設備之間的消息傳遞，具體取決于無線協議標準和應用層協議。一些網狀網絡（例如 Zigbee）也需要網關設備。

與大多數設計和工程選擇一樣，選擇 IoT 協議涉及一系列權衡。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，您可能無法達到您的數據速率要求。下表總結了常見的 IoT 協議及其在您的設計中的功能。

還有一個尚未提及的領域：安全，特別是在國防、公用事業、工業系統甚至汽車等關鍵基礎設施等領域。這是物聯網設計和開發的一個復雜領域，因為它在軟件級別和網絡管理方面不斷發展。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現的所有可能的無線協議，共存在某些系統中是一個挑戰，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，共存問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 是全球唯一未經許可的頻率，因此當流行的物聯網協議中不斷出現共存問題時，您應該不會感到驚訝。然而，隨著每個人的家庭和辦公室都擁有高頻、高吞吐量的網絡，業界現在生產了一些芯片組，幫助克服特定協議組合的這些問題。

消費者和商業領域嚴重依賴 WiFi + 藍牙，可能還有 Zigbee，但您可以使用多種支持共存的產品。除了這些集成解決方案，共存還可以在硬件層面實現，如下所示：

時分多址（TDMA）：這是最簡單的共存方式；一個協議正在廣播，而另一個被停用。

頻分多址 (FDMA)：主機驅動程序用于避免在發送和接收方向對兩個協議使用相同的頻率。這會占用更多頻譜，但允許同時發送和接收。

跳頻擴頻 (FHSS)：通過在傳輸之間快速改變載波頻率，無線電信號在一個頻帶內的多個信道上傳輸。

如果沒有標準的、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或類似的解決方案。在消費領域之外，共存挑戰只會變得更有趣，特別是因為可能沒有內置共存解決方案的高度集成的芯片組。今天的企業/工業物聯網產品使用的不僅僅是 WiFi 和藍牙；例如，物聯網網關可以有四個或更多常見的 ISM 頻段物聯網協議，可能還有一個低于 1 GHz 的協議同時運行。在氣象學、航空和國防等一些專業領域，您還擁有在 5-6 GHz 頻段運行的雷達等應用，這給 WiFi 5、6/6E 和更新的協議帶來了新的共存問題。

應用層協議

與無線協議相比，應用層協議（有時稱為數據協議）描述了數據在網絡中傳輸的格式，以及主機和端點之間的連接方法。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。如果您在網上查找，您會發現多個庫和教程，用于構建在 TCP/IP 或 UDP 上使用不同應用層協議運行的應用程序。下面顯示了一些示例。

多頻段物聯網協議組件和 

無論您想如何構建物聯網平臺，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 頻段中的其他協議。其他組件可以支持 sub-1 GHz 以及特殊的 2.4 GHz 協議。

北歐半導體，nRF52820

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

NRF52820 應用原理圖。

微芯，AT86RF212B-ZUR

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

信令圖和應用原理圖。

用于構建物聯網平臺的其他組件

盡管軟件和固件開發人員推動了 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有線或無線協議與其他系統接口，并確保較長的使用壽命和可靠性。

用于數字通信的 CAN 收發器

用于連接模擬傳感器的 ADC

用于定制共存解決方案的天線開關

用于基于 IPv4/IPv6 的物聯網網關的以太網 MCU