Ultra Low Energy Punkt-zu-Punkt-Protokollauswahl

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Ich bin in einem Wald von IoT-Protokollen verloren und brauche Hilfe. Ich suche die richtige Hardware und das richtige Protokoll für meine Anwendung. Ich möchte ein eigenes Gerät erstellen, aber einen vorhandenen Stack und hoffentlich ein vorhandenes Gateway verwenden. Meine Anforderungen sind:

  • Niedrige Energie, batteriebetrieben
  • Senden und schlafen
  • Mittlere Reichweite (20-30 m)
  • Punkt-zu-Punkt- oder Sterntopologie
  • Gebrauchsfertiges oder einfach zu konfigurierendes Gateway
  • Die Daten werden in kleinen Paketen gesendet, die Frequenz kann beispielsweise einmal pro 10 Sekunden sein

Wenn möglich, sprechen Sie bitte jeden der oben genannten Punkte in Ihrer Empfehlung an.

Wi-Fi, BT, BLE, Z-Welle, ZigBee, XBee, LoRa, Ingenu, TI15.4 ... Es macht meinen Kopf weh.

NoobPointerException
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Antworten:

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Wie so oft kommt es darauf an . Es sind viele Faktoren zu berücksichtigen und viele Optionen verfügbar, um die vielen verschiedenen Anwendungsfälle abzudecken.

Angebot

DigiKey schlägt vor, dass Sie die folgenden Bereiche für gängige IoT-Protokolle in einer ungehinderten Umgebung mit geringen Störungen erwarten können :

  • 5 GHz Wi-Fi: 50 m
  • ZigBee / RF4CE: 100 m
  • Bluetooth Low Energy: 100 m
  • 2,4 GHz Wi-Fi: 150 m
  • Bluetooth Low Energy mit Bluetooth 5-Funktion für erweiterte Reichweite: 200 bis 400 m (abhängig vom Codierungsschema für die Vorwärtsfehlerkorrektur)

In den meisten Umgebungen wird dieser Bereich nicht erreicht. Daher ist es eine nützliche Idee, zusätzlichen „Headroom“ hinzuzufügen, um sicherzustellen, dass Sie auch in raueren Umgebungen Ihre Anforderungen erfüllen.


Energieverbrauch

Das Format der Daten, die Sie senden, bestimmt wirklich, welches Protokoll Sie möchten, da viele Optionen Ihren Bereichskriterien entsprechen.

Wi-Fi ist beispielsweise so konzipiert, dass relativ große Datenmengen gleichzeitig übertragen werden, wobei der Durchsatz eine Entwurfspriorität darstellt. Daher sind häufige, kleine Pakete für Wi-Fi schlecht geeignet ( Wi-Fi HaLow ist jedoch möglicherweise einer weiteren Untersuchung wert, da es speziell für den Betrieb mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch entwickelt wurde).

Teil zwei des verlinkten DigiKey-Artikels enthält einige Benchmarks zum Stromverbrauch, die sehr hilfreich sind:

Bluetooth energiesparend

Leistungsaufnahme = 24 μA x 3 Volt = 72 Mikrowatt (µW)
Bits pro Sekunde (im typischen Sensorbetrieb) = 960
Energie pro Bit = 72 µW / 960 Bit / s = 75 Nanojoule (nJ) / Bit

ZigBee

Leistungsaufnahme = 30 mA x 3 V = 90 Milliwatt (mW)
Bits pro Sekunde (bei maximalem Rohdatendurchsatz) = 250.000
Energie pro Bit = 90 mW / 250.000 Bit / s = 360 nJ / Bit

W-lan

Leistungsaufnahme = 116 mA x 1,8 V = 0,210 W
Bits pro Sekunde = 40 Millionen
Energie pro Bit = 0,210 W / 40 Mbit / s = 5,25 nJ / Bit

Ich wollte die Größe Ihrer Daten früher berücksichtigen, da die Statistik "Energie pro Bit" sehr trügerisch ist, wenn nur ein winziger Bruchteil der von Ihnen gesendeten Bits Ihre Nutzlast ist (wie dies bei Wi-Fi der Fall sein könnte). Es kann sich lohnen, nach Benchmarks für Pakete in der Reihenfolge der Größe zu suchen, die Sie senden. Sie finden Hunderte online, die Ihnen bei Ihrer Entscheidung helfen können, z. B. das Bluetooth-Tool zur Berechnung des Niedrigenergieverbrauchs von TI .


Gateways & Kompatibilität

Natürlich würden Sie kein Gateway benötigen, wenn Sie sich für Wi-Fi entscheiden, aber häufig machen die Energieeinschränkungen andere Optionen erforderlich. In diesem Fall wird im Allgemeinen ein Gateway benötigt.

Überlegen Sie, ob Ihre Benutzer wahrscheinlich ein Gateway haben. Beispielsweise verfügen Heimautomaten möglicherweise bereits über einen „Smart Hub“ (diese unterstützen normalerweise ZigBee und Z-Wave zusammen mit Wi-Fi-Geräten). In diesem Fall benötigen sie möglicherweise kein anderes Gateway. In diesem Fall wäre es günstig, eines der am häufigsten unterstützten Protokolle zu verwenden. Einige Smartphones unterstützen BLE jedoch nativ, was in einigen Fällen möglicherweise hilfreich sein kann. Sie müssen entscheiden, ob es für Sie nützlich ist.


Ich kann Ihnen zwar nicht das eine oder andere sagen (wahrscheinlich würden mehrere Protokolle in unterschiedlichem Maße passen), aber dies sollte Ihnen viel geben, um Ihre Entscheidung effektiver zu berücksichtigen und zu informieren. Ich persönlich könnte mich für BLE entscheiden, was Sie angegeben haben, aber es ist eine ziemlich willkürliche Wahl. Viele der anderen Protokolle, die ich aufgelistet habe, würden auch gut funktionieren.

Aurora0001
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Vielen Dank für einen informativen Rundgang. Wenn Sie einen Einblick haben - welche der Standards haben eine vernünftige Lizenzierung, wenn ich ein Produkt entwickeln würde. Ich habe zum Beispiel gelesen, dass Z-Wave aufgrund der wenigen Hersteller von Hardware und der strengen Anforderungen an die Eigentümer ein Albtraum ist.
NoobPointerException
@NoobPointerException Leider habe ich keine persönlichen Erfahrungen mit der Lizenzierung, aber für das, was es wert ist, habe ich dasselbe über Z-Wave gehört. Ein flüchtiger Blick auf die Anforderungen von Bluetooth zeigt, dass die Arbeit mit Bluetooth möglicherweise einfacher ist, aber ich kann nicht aus eigener Erfahrung sprechen.
Aurora0001
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Angesichts Ihrer Anforderungen an Reichweite, Leistung und bewährten Stack ist Z-Wave wahrscheinlich ein geeigneter Kandidat.

  • Niedrige Energie, batteriebetrieben
  • Senden und schlafen
  • Mittlere Reichweite (20-30 m)
  • Gebrauchsfertiges oder einfach zu konfigurierendes Gateway
  • Die Daten werden in kleinen Paketen gesendet, die Frequenz kann beispielsweise einmal pro 10 Sekunden sein

Diese Z-Wave-Module können Ihren Zweck erfüllen. Die typischen Sende- und Ruhemodusströme sind recht niedrig, was Z-Wave ideal für batteriebetriebene Geräte macht. Laut Spezifikation bleiben die Z-Wave-Geräte im Energiesparmodus und verbrauchen wenig Energie und wachen nur auf, um ihre Funktion auszuführen.

  • Punkt-zu-Punkt- oder Sterntopologie Z-Wave verwendet eine quellengeroutete Mesh-Netzwerkarchitektur, die meiner Meinung nach zu ihrem Vorteil bei geringem Stromverbrauch funktioniert.

Eine Einschränkung könnte die Anzahl der Geräte sein, die ein einzelnes Z-Wave-Netzwerk unterstützen kann. Als Z-Wave können Netzwerke maximal 232 Geräte haben. Es gibt jedoch Möglichkeiten, diese Einschränkung zu überwinden, indem separate Netzwerke erstellt werden.

Schluchzen
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BLE wird die klügere Wahl sein.

Vorteile:

  1. Auf dem Markt finden Sie viele fertige Gateways.
  2. Die Reichweite ist variabel. Wenn Sie eine Reichweite von mehr als 20 m wünschen, können Sie BLE-PA-Module (Power Amplifier) ​​verwenden und dann die Sendeleistung auch für die Optimierung steuern.
  3. Je nach Anwendung können Sie die Leistung optimieren. Ich sehe keine andere Option, die weniger Strom verbraucht als BLE.
Avytek Technologies
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