Elección de protocolo punto a punto de energía ultrabaja

Estoy perdido en un bosque de protocolos de IoT y necesito ayuda. Estoy buscando el hardware y el protocolo correctos para mi aplicación. Me gustaría hacer un dispositivo propio, pero usar una pila existente y, con suerte, una puerta de enlace existente, mis requisitos son:

• Baja energía, alimentado por batería
• Enviar y dormir
• Rango medio (20-30 m)
• Punto a punto o topología en estrella
• Gateway listo para usar o fácilmente configurable
• Los datos se enviarán en paquetes pequeños, la frecuencia puede ser, por ejemplo, una vez cada 10 segundos

Si es posible, aborde cada uno de los puntos anteriores en su recomendación.

Wi-Fi, BT, BLE, Z-wave, ZigBee, XBee, LoRa, Ingenu, TI15.4 ... Me duele la cabeza.

Como suele ser el caso, depende . Hay muchos factores a considerar, y muchas opciones disponibles para cubrir los diferentes casos de uso.

Rango

DigiKey sugiere que puede esperar los siguientes rangos para protocolos IoT comunes en un entorno sin obstáculos con poca interferencia :

• Wi-Fi de 5 GHz: 50 m
• ZigBee / RF4CE: 100 m
• Bluetooth de baja energía: 100 m
• Wi-Fi de 2.4 GHz: 150 m
• Bluetooth de baja energía usando la capacidad de alcance extendido de Bluetooth 5: 200 a 400 m (dependiendo del esquema de codificación de corrección de errores hacia adelante)

En la mayoría de los entornos, no alcanzará este rango, por lo que agregar 'espacio libre' adicional sería una idea útil para garantizar que incluso en entornos más duros, cumpla con sus requisitos.

El consumo de energía

El formato de los datos que está enviando determinará realmente qué protocolo desea, dado que muchas opciones cumplen con sus criterios de rango.

Wi-Fi, por ejemplo, está diseñado para transportar cantidades relativamente grandes de datos a la vez, con el rendimiento como prioridad de diseño. Como tal, los paquetes pequeños y frecuentes son poco adecuados para Wi-Fi (dicho esto, Wi-Fi HaLow puede ser digno de una mayor investigación, ya que está específicamente diseñado para operaciones de largo alcance y baja potencia).

La segunda parte del artículo vinculado de DigiKey tiene algunos puntos de referencia sobre el consumo de energía que son bastante útiles:

Bluetooth de baja energía

Consumo de energía = 24 μA x 3 voltios = 72 microwatts (µW)
Bits por segundo (en funcionamiento típico del sensor) = 960
Energía por bit = 72 µW / 960 bit / s = 75 nanojulios (nJ) / bit

ZigBee

Consumo de energía = 30 mA x 3 V = 90 milivatios (mW)
Bits por segundo (con el máximo rendimiento de datos brutos) = 250,000
Energía por bit = 90 mW / 250,000 bit / s = 360 nJ / bit

Wifi

Consumo de energía = 116 mA x 1.8 V = 0.210 W
Bits por segundo = 40 millones
Energía por bit = 0.210 W / 40 Mbits / s = 5.25 nJ / bit

Estaba ansioso por enfatizar considerando el tamaño de sus datos antes porque la estadística de 'energía por bit' es muy engañosa si solo una pequeña fracción de los bits que envía son su carga útil (como podría ser el caso con Wi-Fi). Puede valer la pena buscar puntos de referencia para paquetes en el orden del tamaño que enviará; encontrará cientos en línea que podrían ayudarlo a informar su decisión, como la herramienta de cálculo de energía de baja energía Bluetooth de TI .

Puertas de enlace y compatibilidad

Obviamente, no necesitaría una puerta de enlace si elige Wi-Fi, pero a menudo las limitaciones de energía hacen que sean necesarias otras opciones, en cuyo caso generalmente se necesita una puerta de enlace.

Considere si es probable que sus usuarios tengan un portal. Por ejemplo, los automatizadores domésticos ya pueden tener un 'hub inteligente' (estos típicamente son compatibles con ZigBee y Z-Wave junto con dispositivos Wi-Fi). En ese caso, es posible que no necesiten otra puerta de enlace, en cuyo caso sería favorable utilizar uno de los protocolos más comúnmente compatibles. Dicho esto, algunos teléfonos inteligentes son compatibles con BLE de forma nativa, lo que podría ser útil en algunos casos; tendrá que decidir si es útil para usted.

Si bien no puedo decirte uno u otro (probablemente varios protocolos encajarían en diversos grados), esto debería darte mucho para considerar e informar tu decisión de manera más efectiva. Personalmente, podría optar por BLE de lo que ha especificado, pero es una elección bastante arbitraria; muchos de los otros protocolos que he enumerado también funcionarían bien.

Teniendo en cuenta sus requisitos de alcance, potencia y pila probada, Z-Wave es un candidato adecuado.

• Baja energía, alimentado por batería
• Enviar y dormir
• Rango medio (20-30 m)
• Gateway listo para usar o fácilmente configurable
• Los datos se enviarán en paquetes pequeños, la frecuencia puede ser, por ejemplo, una vez cada 10 segundos

Estos módulos Z-Wave pueden servir a su propósito. Las corrientes típicas de envío y modo de suspensión son bastante bajas, lo que hace que Z-Wave sea ideal para dispositivos que funcionan con batería. Por especificación, los dispositivos Z-Wave permanecen en modo de ahorro de energía y consumen poca energía, y se activan solo para realizar su función.

• Topología punto a punto o estrella Z-Wave utiliza una arquitectura de red de malla enrutada en origen, lo que supongo que es ventajoso por su bajo consumo.

Una limitación podría ser la cantidad de dispositivos que puede soportar una sola red Z-Wave. Como una red Z-Wave puede tener un máximo de 232 dispositivos. Sin embargo, hay formas de superar esta limitación creando redes separadas.

BLE será la mejor opción.

Pros:

1. Encontrará muchas puertas de enlace listas en el mercado.
2. El rango es variable, si desea que sea más de 20 m, puede usar módulos BLE-PA (amplificador de potencia), y luego puede controlar la potencia de transmisión también para la optimización.
3. Según su aplicación, puede optimizar la potencia. No hay otra opción que vea que consuma menos energía que BLE.