Escolha de protocolo ponto a ponto de energia ultra baixa

Estou perdido em uma floresta de protocolos de IoT e preciso de ajuda. Estou procurando o hardware e o protocolo certos para o meu aplicativo. Gostaria de criar um dispositivo próprio, mas use uma pilha existente e, espero, um gateway existente, meus requisitos são:

• Baixa energia, alimentado por bateria
• Enviar e dormir
• Médio alcance (20-30m)
• Topologia ponto a ponto ou estrela
• Gateway pronto a usar ou facilmente configurável
• Os dados serão enviados em pacotes pequenos, a frequência pode ser, por exemplo, uma vez a cada 10 segundos

Se possível, aborde cada um dos pontos acima em sua recomendação.

Wi-Fi, BT, BLE, onda Z, ZigBee, XBee, LoRa, Ingenu, TI15.4 ... Faz minha cabeça doer.

Como é frequentemente o caso, depende . Há muitos fatores a serem considerados e muitas opções disponíveis para cobrir os diversos casos de uso existentes.

Alcance

A DigiKey sugere que você pode esperar os seguintes intervalos para protocolos comuns de IoT em um ambiente desobstruído com pouca interferência :

• Wi-Fi de 5 GHz: 50 m
• ZigBee / RF4CE: 100 m
• Bluetooth de baixa energia: 100 m
• 2,4 GHz Wi-Fi: 150 m
• Baixo consumo de energia do Bluetooth usando o recurso de alcance estendido do Bluetooth 5: 200 a 400 m (dependendo do esquema de codificação da correção direta de erros)

Na maioria dos ambientes, você não alcançará esse intervalo; portanto, adicionar 'espaço livre' adicional seria uma idéia útil para garantir que, mesmo em ambientes mais severos, você ainda atenda aos seus requisitos.

Consumo de energia

O formato dos dados que você está enviando realmente determinará qual protocolo você deseja, uma vez que muitas opções atendem aos seus critérios de intervalo.

O Wi-Fi, por exemplo, foi projetado para transportar quantidades relativamente grandes de dados ao mesmo tempo, com a taxa de transferência como prioridade de design. Assim, pacotes pequenos e frequentes não são adequados para o Wi-Fi (dito isso, o Wi-Fi HaLow pode ser digno de uma investigação mais aprofundada, pois foi projetado especificamente para operações de longo alcance e baixo consumo de energia).

A parte dois do artigo vinculado da DigiKey tem algumas referências sobre o consumo de energia, que são bastante úteis:

Baixa energia Bluetooth

Consumo de energia = 24 μA x 3 volts = 72 microwatts (µW)
Bits por segundo (em operação típica do sensor) = 960
Energia por bit = 72 µW / 960 bit / s = 75 nanojoules (nJ) / bit

ZigBee

Consumo de energia = 30 mA x 3 V = 90 miliwatts (mW)
Bits por segundo (na taxa de transferência máxima de dados brutos) = 250.000
Energia por bit = 90 mW / 250.000 bit / s = 360 nJ / bit

Wi-fi

Consumo de energia = 116 mA x 1,8 V = 0,210 W
Bits por segundo = 40 milhões
Energia por bit = 0,210 W / 40 Mbits / s = 5,25 nJ / bit

Eu gostaria de enfatizar a consideração do tamanho dos seus dados anteriormente, porque a estatística 'energia por bit' é muito enganadora se apenas uma pequena fração dos bits enviados for sua carga útil (como pode ser o caso do Wi-Fi). Pode valer a pena procurar referências de pacotes na ordem do tamanho que você enviará; você encontrará centenas on-line que podem ajudar a informar sua decisão, como a ferramenta de cálculo de energia de baixa energia Bluetooth da TI .

Gateways e compatibilidade

Obviamente, você não precisaria de um gateway se escolher o Wi-Fi, mas muitas vezes as restrições de energia tornam necessárias outras opções; nesse caso, geralmente é necessário um gateway.

Considere se é provável que seus usuários tenham um gateway. Por exemplo, os fabricantes de automóveis domésticos podem já ter um 'hub inteligente' (normalmente eles suportam ZigBee e Z-Wave junto com dispositivos Wi-Fi). Nesse caso, eles podem não precisar de outro gateway, caso em que seria favorável usar um dos protocolos mais comumente suportados. Dito isso, alguns smartphones suportam BLE nativamente, o que pode ser útil em alguns casos - você terá que decidir se é útil para você.

Embora eu não possa lhe dizer um ou outro (provavelmente vários protocolos se ajustariam em diferentes graus), isso deve lhe dar muito o que considerar e informar sua decisão com mais eficácia. Eu pessoalmente poderia optar pelo BLE pelo que você especificou, mas é uma escolha bastante arbitrária; muitos dos outros protocolos que listei também funcionariam bem.

Dadas as suas exigências de alcance, potência e pilha comprovada, o Z-Wave é provavelmente o candidato adequado.

• Baixa energia, alimentado por bateria
• Enviar e dormir
• Médio alcance (20-30m)
• Gateway pronto a usar ou facilmente configurável
• Os dados serão enviados em pacotes pequenos, a frequência pode ser, por exemplo, uma vez a cada 10 segundos

Esses módulos Z-Wave podem servir ao seu propósito. As correntes típicas dos modos de envio e suspensão são bastante baixas, tornando o Z-Wave ideal para dispositivos operados por bateria. Por especificação, os dispositivos Z-Wave permanecem no modo de economia de energia e consomem pouca energia, e acordam apenas para executar sua função.

• Topologia ponto a ponto ou em estrela O Z-Wave usa uma arquitetura de rede de malha roteada por fonte, que eu acho que funciona como vantagem por ser de baixa energia.

Uma limitação pode ser o número de dispositivos que uma única rede Z-Wave pode suportar. Como um Z-Wave, as redes podem ter no máximo 232 dispositivos. existem maneiras de superar essa limitação criando redes separadas.

O BLE será a escolha mais sábia.

Prós:

1. Você encontrará muitas portas prontas no mercado.
2. O alcance é variável, se você quiser que seja superior a 20 m, poderá usar os módulos BLE-PA (Amplificador de Potência) e, em seguida, controlar a potência de transmissão também para a otimização.
3. De acordo com o seu aplicativo, você pode otimizar a energia. Não vejo outra opção que consuma menos energia que o BLE.