物联网协议选择和设计指南

2021-07-09

物联网协议选择和设计指南

想想如今您的无线通信选项，您会想到三种主要协议：WiFi、蓝牙和蜂窝。每一个都取得了巨大的成功，消费电子设计师不应忽视。如果您要为消费者细分市场推出任何标榜为“智能”或“连接”的产品，那么此时几乎是强制性的，包括 WiFi 和蓝牙（或两者）。然而，无线协议背后还有很多事情要做，物联网应用层协议在设备上实现，以支持不同的消息传递模式或通过互联网进行全面通信。

物联网世界可以是无线协议和应用层协议的字母汤，因此除了使用 WiFi 和蓝牙在设备之间提供连接之外，很难知道从哪里开始。我最近看到更多的设计师跳入物联网开发领域，甚至发布了一些将多种功能集成到一个包中的开源项目。然而，其中大多数只是简单地使用 WiFi + 蓝牙/BLE 来提供一些灵活的连接选项。实际上还有更多的物联网无线协议和数据层可以很好地为您的系统工作，而无需 WiFi 和蓝牙的所有开销。

让我们来看看可用于创新物联网系统的一些硬件选项、无线协议和应用层协议选项。为您的新产品选择最佳选项需要配对硬件以支持您所需的无线协议和应用程序协议以支持消息传递。通过正确的组合，您可以构建比使用轻量级协议的典型 WiFi + 蓝牙系统更可靠、更快速的产品。

2021 年使用物联网协议进行设计

今天，使用无线协议构建您的产品有很多选择，并且您可以实施十多种无线选项来构建您的平台。随着过去十年连接消费和办公产品的显着增长，对能够连接到互联网连接的大获成功的 WiFi + 蓝牙组合的需求一直存在。然而，无线协议和应用层的其他组合很快就会显示出它们在特定应用中的价值。

然后，需要考虑芯片组。可能需要 WiFi + 蓝牙或 Zigbee 的按需产品高度集成。许多移动芯片组制造商将提供将 MCU 功能与收发器甚至功率放大器集成到同一芯片上的SoC 。首先，您需要考虑设备的基本要求，例如数据吞吐量和功耗，这两者都与您选择的协议有关。

选择无线协议

在开始购买硬件之前，您需要将系统需求与 IoT 协议相匹配。以下是为您的系统选择 IoT 协议时需要考虑的主要方面。

工作频率和共存。如果涉及无线，您需要考虑将在哪个频率下运行，这可能取决于环境。大多数物联网协议在未授权频段中运行，这给共存带来了挑战，因为该频段实际上不受监管（EMC 要求除外）。某些芯片组专门设计用于支持 IEEE 802 系列标准下的共存。

功耗和范围。网络上的端点是靠电池供电，还是设计在需要更多功率的更高频率下工作？需要多少功率才能达到目标范围？一些协议在这方面的表现比其他协议更好。如果您的设备由电池供电，您将需要选择低功耗协议。

数据吞吐量。您是在构建需要流式传输媒体的系统，还是要发送小数据包？通信是间歇性的还是您需要连续传输/接收数据？低于 1 GHz 的协议将为您提供 kbps 范围内的较低数据速率，但这对于许多轻量级数据采集任务来说仍然足够，

网络拓扑结构。两种标准的物联网网络拓扑是星型和网状。星型网络可能需要一些集中式网关来调解端点设备之间的消息传递，具体取决于无线协议标准和应用层协议。一些网状网络（例如 Zigbee）也需要网关设备。

与大多数设计和工程选择一样，选择 IoT 协议涉及一系列权衡。例如，在较高频率下工作需要更多的传输功率来提供所需的范围，但它也提供更高的数据速率。然后根据您需要的拓扑，您可能无法达到您的数据速率要求。下表总结了常见的 IoT 协议及其在您的设计中的功能。

还有一个尚未提及的领域：安全，特别是在国防、公用事业、工业系统甚至汽车等关键基础设施等领域。这是物联网设计和开发的一个复杂领域，因为它在软件级别和网络管理方面不断发展。由于它足够广泛，值得拥有自己的系列文章，因此我们将保留该主题以供稍后使用。考虑到您可以在硬件平台上实现的所有可能的无线协议，共存在某些系统中是一个挑战，尤其是在 2.4 GHz 频带中。

共存挑战

在构建将在 ISM 频段中运行的 IoT 平台时，共存问题以及对可以容纳它的芯片组的需求可能是决定性因素。2.4 GHz 是全球唯一未经许可的频率，因此当流行的物联网协议中不断出现共存问题时，您应该不会感到惊讶。然而，随着每个人的家庭和办公室都拥有高频、高吞吐量的网络，业界现在生产了一些芯片组，帮助克服特定协议组合的这些问题。

消费者和商业领域严重依赖 WiFi + 蓝牙，可能还有 Zigbee，但您可以使用多种支持共存的产品。除了这些集成解决方案，共存还可以在硬件层面实现，如下所示：

时分多址（TDMA）：这是最简单的共存方式；一个协议正在广播，而另一个被停用。

频分多址 (FDMA)：主机驱动程序用于避免在发送和接收方向对两个协议使用相同的频率。这会占用更多频谱，但允许同时发送和接收。

跳频扩频 (FHSS)：通过在传输之间快速改变载波频率，无线电信号在一个频带内的多个信道上传输。

如果没有标准的、高度集成的解决方案，您可能需要将组件编译到自定义芯片组中，例如具有自定义RF 前端的FPGA 或 MCU或类似的解决方案。在消费领域之外，共存挑战只会变得更有趣，特别是因为可能没有内置共存解决方案的高度集成的芯片组。今天的企业/工业物联网产品使用的不仅仅是 WiFi 和蓝牙；例如，物联网网关可以有四个或更多常见的 ISM 频段物联网协议，可能还有一个低于 1 GHz 的协议同时运行。在气象学、航空和国防等一些专业领域，您还拥有在 5-6 GHz 频段运行的雷达等应用，这给 WiFi 5、6/6E 和更新的协议带来了新的共存问题。

应用层协议

与无线协议相比，应用层协议（有时称为数据协议）描述了数据在网络中传输的格式，以及主机和端点之间的连接方法。这在固件（对于基于 MCU 的架构）或嵌入式软件中定义为应用程序的一部分。如果您在网上查找，您会发现多个库和教程，用于构建在 TCP/IP 或 UDP 上使用不同应用层协议运行的应用程序。下面显示了一些示例。

多频段物联网协议组件和 

无论您想如何构建物联网平台，您选择的处理器和射频前端都将构成您的系统和应用程序的基础。今天，有一系列支持 WiFi + 蓝牙的 SoC 还可以支持 2.4 GHz ISM 频段中的其他协议。其他组件可以支持 sub-1 GHz 以及特殊的 2.4 GHz 协议。

北欧半导体，nRF52820

nRF 平台在轻量级嵌入式系统和紧凑型物联网平台中非常受欢迎。所述nRF52820微控制器支持的网状网络上802.15.4 +紫蜂，蓝牙5.2 / BLE，和线程。它还包括您希望在 IoT 微控制器中找到的多个接口（SPI、UART、USB 和 GPIO）。该组件占用空间小，同时支持多个 2.4 GHz 频段。Nordic 还提供了广泛的 SDK 和库，可用于开发应用程序。

NRF52820 应用原理图。

微芯，AT86RF212B-ZUR

AT86RF212B-ZUR是一款多频段收发器，支持 700/800/900 MHz 的 ZigBee、IEEE 802.15.4、6LoWPAN 和 ISM 通信。该收发器通过 SPI 与 MCU 接口，如下面的信号图所示。该组件或类似组件是支持可能没有集成 RF 前端的轻量级 MCU 的绝佳选择。

信令图和应用原理图。

用于构建物联网平台的其他组件

尽管软件和固件开发人员推动了 IoT 平台的大部分功能和能力，但归根结底，这一切都取决于硬件，因此选择正确的组件来支持您的系统非常重要。您包含在 IoT 平台中的组件需要通过有线或无线协议与其他系统接口，并确保较长的使用寿命和可靠性。

用于数字通信的 CAN 收发器

用于连接模拟传感器的 ADC

用于定制共存解决方案的天线开关

用于基于 IPv4/IPv6 的物联网网关的以太网 MCU