超低能耗点对点协议选择

物联网 协议 蓝牙 紫蜂 劳拉 波波
2021-06-24 03:15:39

我迷失在物联网协议的森林中,需要帮助。我正在为我的应用程序寻找合适的硬件和协议。我想制作自己的设备,但使用现有堆栈并希望使用现有网关,我的要求是:

  • 低能耗,电池供电
  • 发送和睡眠
  • 中距离(20-30m)
  • 点对点或星形拓扑
  • 即用型或易于配置的网关
  • 数据将以小包的形式发送,频率可以是例如每 10 秒一次

如果可能,请在您的建议中解决上述每一点。

Wi-Fi、BT、BLE、Z-wave、ZigBee、XBee、LoRa、Ingenu、TI15.4……让我头疼。

3个回答

通常情况下,这取决于有许多因素需要考虑,并且有许多选项可用于涵盖周围的许多不同用例。

范围

DigiKey建议您可以在几乎没有干扰的无障碍环境中预期常见物联网协议的以下范围

  • 5 GHz Wi-Fi:50 m
  • ZigBee/RF4CE:100 m
  • 低功耗蓝牙:100 m
  • 2.4 GHz Wi-Fi:150 m
  • 使用蓝牙 5 扩展范围能力的低功耗蓝牙:200 至 400 m(取决于前向纠错编码方案)

在大多数环境中,您不会达到这个范围,因此增加额外的“净空”将是一个有用的想法,以确保即使在更恶劣的环境中,您仍能满足您的要求。


能量消耗

鉴于许多选项符合您的范围标准,您发送的数据格式将真正确定您想要哪种协议。

例如,Wi-Fi 旨在同时承载相对大量的数据,并将吞吐量作为设计优先事项。因此,频繁的小数据包不适合 Wi-Fi(也就是说,Wi-Fi HaLow可能值得进一步研究,因为它专为长距离、低功耗操作而设计)。

链接的DigiKey 文章的第二部分提供了一些非常有用的功耗基准:

低功耗蓝牙

功耗 = 24 μA x 3 伏 = 72 微瓦 (µW)
每秒比特数(在典型传感器操作中)= 960
每比特能量 = 72 µW/960 比特/秒 = 75 纳焦 (nJ)/比特

蜂巢

功耗 = 30 mA x 3 V = 90 毫瓦 (mW)
每秒比特数(最大原始数据吞吐量)= 250,000
每比特能量 = 90 mW/250,000 bit/s = 360 nJ/bit

无线上网

功耗 = 116 mA x 1.8 V = 0.210 W
每秒比特数 = 4000 万
比特能量 = 0.210 W/40 Mbits/s = 5.25 nJ/bit

我之前很想强调考虑您的数据大小,因为如果您发送的比特中只有一小部分是您的有效载荷(Wi-Fi 可能就是这种情况),那么“每比特能量”统计数据非常具有欺骗性。根据您要发送的大小的顺序查找数据包的基准可能是值得的;您会在网上找到数百个可能有助于您做出决定的信息,例如TI 的蓝牙低功耗计算工具


网关和兼容性

显然,如果您选择 Wi-Fi,则不需要网关,但通常功率限制使其他选项成为必需,在这种情况下,通常需要网关。

考虑您的用户是否可能拥有网关。例如,家庭自动化公司可能已经拥有一个“智能集线器”(这些通常支持 ZigBee 和 Z-Wave 以及 Wi-Fi 设备)。在这种情况下,他们可能不需要另一个网关,在这种情况下,最好使用一种更普遍支持的协议。也就是说,一些智能手机本身支持 BLE,这在某些情况下可能很有用——你必须决定它是否对你有用。


虽然我不能告诉你一个或另一个(可能有几种协议在不同程度上适合),但这应该给你足够的考虑和更有效地告知你的决定。我个人可能会根据您指定的内容选择 BLE,但这是一个相当随意的选择;我列出的许多其他协议也可以正常工作。

鉴于您对范围、功率和经过验证的堆栈的要求,Z-Wave 可能是合适的候选者。

  • 低能耗,电池供电
  • 发送和睡眠
  • 中距离(20-30m)
  • 即用型或易于配置的网关
  • 数据将以小包的形式发送,频率可以是例如每 10 秒一次

这些Z-Wave 模块可以满足您的需求。典型的发送和睡眠模式电流非常低,使 Z-Wave 非常适合电池供电设备。根据规范,Z-Wave 设备保持在省电模式并消耗低能量,并且仅唤醒以执行其功能。

  • 点对点或星形拓扑 Z-Wave 使用源路由网状网络架构,我认为它的优势在于低功耗。

一个限制可能是单个 Z-Wave 网络可以支持的设备数量。作为 Z-Wave 网络最多可以有 232 个设备。不过,有一些方法可以通过创建单独的网络来克服这种限制。

BLE 将是更明智的选择。

优点:

  1. 您会在市场上找到许多现成的网关。
  2. 范围是可变的,如果你想要它超过20米,你可以使用BLE-PA(功率放大器)模块,然后你也可以控制发射功率进行优化。
  3. 根据您的应用,您可以优化功率。我发现没有其他选项比 BLE 消耗更少的功率。