物联网协议选择和设计指南

已创建：July 8, 2021
已更新：July 1, 2024

想想如今无线通信的选项，三种主要协议浮现脑海：WiFi、蓝牙和蜂窝。这些协议都取得了巨大的成功，对于消费电子设计师来说不应忽视。如果你正在推出任何标榜为“智能”或“连接”的消费品，此时加入WiFi和蓝牙（或两者兼备）几乎是必须的。然而，在无线协议背后还有很多工作要做，IoT应用层协议被实现在设备上以支持不同的消息模式或完全的互联网通信。

IoT世界可以是一个由无线协议和应用层协议组成的字母汤，因此，除了仅仅使用WiFi和蓝牙来提供设备间的连接外，很难看出从何处开始。我最近看到更多的设计师跳入IoT开发的世界，甚至发布一些集成了多种功能于一体的开源项目。然而，大多数项目只是采取了使用WiFi + 蓝牙/BLE来提供一些灵活的连接选项的简单路线。实际上，还有许多更多的IoT无线协议和数据层可以非常好地为你的系统服务，而不需要WiFi和蓝牙的所有开销。

让我们来看看一些硬件选项、无线协议和应用层协议选项，你可以用它们来创新新的IoT系统。为你的新产品选择最佳选项需要匹配硬件以支持你所需的无线协议和一个应用协议来支持消息传递。通过正确的组合，你可以构建一个比典型的WiFi + 蓝牙系统更可靠、更快的产品，使用轻量级协议。

在2021年使用IoT协议进行设计

今天，有很多选项可以用无线协议构建你的产品，并且有十几种无线选项可以实现来构建你的平台。随着过去十年连接的消费和办公产品的明显增长，总是有对能够连接到互联网的大获成功的WiFi + 蓝牙组合的需求。然而，其他无线协议和应用层的组合在特定应用中很快就显示出它们的价值。

然后，还需要考虑芯片组。可能需要WiFi + 蓝牙或Zigbee的热门产品是高度集成的。许多移动芯片制造商将提供SoCs，这些SoCs集成MCU功能到与收发器甚至是用于传输的功率放大器相同的芯片上。要开始，你需要考虑你的设备的基本要求，如数据吞吐量和功耗，这两者都与你选择的协议有关。

选择无线协议

在您开始购买硬件之前，您需要将系统的需求与一个物联网协议相匹配。以下是在为您的系统选择物联网协议时需要考虑的主要领域。

操作频率和共存。如果涉及无线，您需要考虑将在哪个频率下操作，这可能取决于环境。大多数物联网协议在未经许可的频段内运行，这在共存方面带来挑战，因为该频段实际上是未受管制的（除了EMC要求之外）。一些芯片组专门设计用于在IEEE 802系列标准下支持共存。
功耗和范围。网络上的端点是否以电池供电，或者设计是否在需要更多功率的更高频率下运行？需要多少功率才能达到您的目标范围？有些协议在这一领域的表现比其他协议更好。如果您的设备是电池供电的，您会想选择一个低功耗协议。
数据吞吐量。您是否正在构建一个需要流媒体的系统，或者您是否发送小数据包？通信是间歇性的还是您需要持续传输/接收数据？低于1 GHz的协议将提供较低的数据速率，处于kbps范围内，但这对于许多轻量级数据采集任务仍然足够，
网络拓扑。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，这取决于无线协议标准和应用层协议。一些网状网络（例如，Zigbee）也将需要一个网关设备。

像大多数设计和工程选择一样，选择物联网协议涉及一系列权衡。例如，在更高频率下工作需要更多的传输功率以提供所需的范围，但它也提供了更高的数据速率。然后根据您需要的拓扑，您可能无法达到数据速率要求。下表提供了常见物联网协议及其在设计中的能力的总结。

*表格数据的来源是 GlowLabs.co

还有一个尚未提及的领域：安全性，特别是在国防、关键基础设施如公用事业、工业系统甚至汽车等领域。这是物联网设计和开发的一个复杂领域，因为它在软件层面和网络管理方面不断发展。由于这个领域足够广泛，值得单独撰写一系列文章，我们将留待以后讨论。鉴于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，特别是在2.4 GHz频段。

共存挑战

共存问题以及需要能够适应这种共存的芯片组可能是构建将在ISM频段运行的物联网平台时的决定性因素。2.4 GHz是唯一一个全球未经许可的频率，因此当流行的物联网协议不断出现共存问题时，你不应感到惊讶。然而，由于每个人的家庭和办公室都拥有高频率、高吞吐量的网络，行业现在生产了一些芯片组，帮助克服了特定协议组合的这些问题。

消费者和商业空间严重依赖于WiFi + 蓝牙，可能还有Zigbee，但有几种产品可以支持共存。除了这些集成解决方案之外，还可以通过以下方式在硬件级别实现共存：

时分多址(TDMA)：这是最简单的共存方法；一个协议在广播时，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上为两个协议使用相同的频率。这会占用更多的频谱，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，将无线电信号传输到带内的多个频道上。

如果没有可用的标准、高度集成的解决方案，你可能需要将组件编译成自定义芯片组，例如，带有自定义FPGA或MCU的RF前端或类似解决方案。在消费者空间之外，共存挑战只会变得更加有趣，特别是因为可能没有内置共存解决方案的高度集成芯片组。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，物联网网关可以同时操作四个或更多常见的ISM频段物联网协议，可能还有一个低于1 GHz的协议。在一些特殊领域，如气象、航空和国防，你还有应用，如在5-6 GHz频段操作的雷达，与WiFi 5、6/6E和较新协议创造了一个新的共存问题。

应用层协议

与无线协议相反，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）或作为应用程序的一部分的嵌入式软件中定义。如果你在线查找，会发现几个库和教程，用于构建基于TCP/IP或UDP的应用程序，使用不同的应用层协议。下面展示了一些示例。

多频段物联网协议组件和

无论您想如何构建您的物联网平台，您选择的处理器和射频前端将构成您的系统和应用程序的基础。如今，有一系列支持2.4 GHz ISM频段中额外协议的WiFi + 蓝牙能力的SoCs。其他组件可以支持低于1 GHz的频段以及特殊的2.4 GHz协议。

Nordic Semiconductor, nRF52820

Nordic Semiconductor的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。nRF52820微控制器支持通过802.15.4 + Zigbee、蓝牙5.2/BLE和Thread的网状网络。它还包括您期望在物联网微控制器中找到的几个接口（SPI、UART、USB和GPIOs）。这个组件在支持多个2.4 GHz频段的同时具有小尺寸。Nordic还提供了您可以用来开发应用程序的广泛SDK和库。

NRF52820应用原理图。来源：NRF52820数据手册。

Microchip, AT86RF212B-ZUR

Microchip的AT86RF212B-ZUR是一个多频段收发器，支持700/800/900 MHz的ZigBee、IEEE 802.15.4、6LoWPAN和ISM通信。这个收发器通过SPI与MCU接口，如下面的信号图所示。这个组件或类似组件是支持可能没有集成射频前端的轻量级MCU的绝佳选择。

信号图和应用原理图。来源：AT86RF212B-ZUR数据手册。

构建物联网平台的其他组件

尽管软件和固件开发者在物联网平台的功能和能力上起着巨大的作用，但归根结底，一切都依赖于硬件，选择合适的组件来支持您的系统非常重要。您在物联网平台中包含的组件需要通过有线或无线协议与其他系统接口，同时确保长期使用寿命和可靠性。

一旦您选择了物联网协议并确定了如何解决任何共存问题，您就可以使用Octopart中的高级搜索和过滤功能找到构建应用程序所需的组件。当您使用Octopart的电子元件搜索引擎时，您将能够访问最新的分销商定价数据、零件库存和零件规格，并且所有这些都在用户友好的界面中免费提供。请查看我们的集成电路页面，以找到您需要的组件。

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