Protocolos de Rede sem fio de IoT

Protocolos de Rede sem fio de IoT

Na Internet das Coisas (IoT), o intercâmbio de dados entre sensores, dispositivos, gateways, servidores e aplicações de usuário é habilitado por protocolos de rede como WiFi, Bluetooth, ZigBee e muitos outros. Os requisitos da aplicação final de alcance, dados, segurança, energia e vida útil da bateria determinam a escolha do protocolo de rede. Este artigo explora algumas dessas tecnologias e protocolos de comunicação.

Ecossistema IoT

Um ecossistema de IoT normalmente consiste em nós, dados, conectividade e camada de aplicação. A camada de nó é uma coalizão de dispositivos inteligentes, como microcontroladores, microprocessadores, sensores, atuadores, conectividade e gateways interagindo com uma rede.

A camada de dados está preocupada com os dados coletados, processados, enviados, armazenados, analisados, apresentados e usados ​​em contextos de negócios. A camada de aplicação ou usuário é o componente que permite que humanos interajam com dispositivos IoT. Discutiremos a camada de conectividade que compreende os protocolos de comunicação e IoT. Para obter mais informações sobre produtos IoT, clique aqui.

Protocol Network in an IoT Ecosystem
Figura 1: Ecossistema IoT

Tipos de protocolos IoT

A natureza adaptável e confiável inerente do Internet Protocol (IP) o torna um meio aceitável para transmissão entre módulos IoT. A arquitetura do sistema (através da qual os dados devem trafegar) determina o tipo de protocolo IoT. O modelo Open Systems Interconnection (OSI) fornece um mapa das várias camadas que enviam e aprovam o recebimento de dados. Cada protocolo na arquitetura do sistema IoT permite a comunicação dispositivo a dispositivo, dispositivo a gateway, gateway a data center, comunicação gateway a nuvem e comunicação entre data centers. A Figura 2 mostra a pilha do protocolo IoT.

IoT Protocol stack
Figura 2: pilha de protocolos IoT

Alguns dos principais protocolos de IoT usados ​​nas diferentes camadas da rede IoT são os seguintes

Protocolo avançado de enfileiramento de mensagens (AMQP)

AMQP é um protocolo de camada de aplicação (software) que oferece roteamento e enfileiramento para um ambiente de middleware orientado a mensagens. Ele é usado para conexões ponto-a-ponto confiáveis ​​e suporta a troca de dados perfeita e segura entre os dispositivos e a nuvem. O AMQP possui três componentes distintos, a saber, Exchange, Message Queue e Binding. Esses três garantem uma troca confiável e bem-sucedida e um armazenamento de mensagens. Eles também denotam a relação entre duas mensagens. Para obter mais informações sobre o AMQP, clique aqui.

Protocolo de aplicação restrita (CoAP)

CoAP é um protocolo de rede restrita e largura de banda restrita para dispositivos limitados. Esse protocolo permite que o cliente envie uma solicitação ao servidor e o servidor envie uma resposta em HTTP de volta ao cliente. Ele usa o User Datagram Protocol (UDP) para implementação light e minimiza o uso de espaço. O protocolo emprega o formato de dados binários EXL. O protocolo CoAP é usado principalmente em automação, microcontroladores e celulares. O protocolo despacha uma solicitação para o terminal da aplicação da casa e retorna a resposta da aplicação aos serviços e recursos. Para saber mais sobre o CoAP, clique aqui.

Serviço de Distribuição de Dados (DDS)

O DDS é um protocolo de comunicação ponto a ponto flexível. Ele faz tudo, desde a execução de pequenos dispositivos até a conexão de redes de alto desempenho. O DDS simplifica a implantação, aumenta a confiabilidade e minimiza a complexidade.

Transporte de Telemetria da Fila de Mensagens (MQTT)

O MQTT, também conhecido como protocolo de assinatura/publicação, é um protocolo de mensagens leve e o mais preferível para dispositivos IoT. Ele coleta dados de vários dispositivos e supervisiona dispositivos remotos. Ele é executado sobre o Transmission Control Protocol (TCP) e oferece suporte à troca de mensagens orientada a eventos por meio de redes sem fio. O MQTT é usado principalmente em dispositivos que exigem menos memória, por exemplo, sensores no carro e smartwatches. Para saber mais sobre o MQTT, clique aqui.

Protocolo de comunicação máquina a máquina (M2M)

Refere-se a um protocolo aberto para indústria. O M2M foi criado para gerenciar dispositivos IoT remotamente. Esses protocolos econômicos usam redes públicas. O M2M cria um ambiente onde duas máquinas se comunicam mutuamente e trocam dados. Tal protocolo reforça o automonitoramento das máquinas e permite que os sistemas se adaptem de acordo com o ambiente variável. É usado principalmente para casas inteligentes, veículos e caixas eletrônicos. Para saber mais sobre comunicação M2M, clique aqui.

Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP)

O XMPP tem um design único. Foi desenvolvido em XML aberto (Extensible Markup Language). Ele emprega um mecanismo push para trocar mensagens síncronas. O XMPP flexível pode se integrar perfeitamente a quaisquer alterações. XMPP funciona como um indicador de presença. Ele exibe o status de disponibilidade dos servidores.

Além do WhatsApp, Google Talk e outros aplicativos de mensagens instantâneas, o XMPP também é útil em jogos online, Voice over Internet Protocol (VoIP) e sites de notícias. Para saber mais sobre o XMPP, clique aqui.

Bluetooth

O Bluetooth é amplamente usado para comunicação de curto alcance e é um protocolo IoT padrão para transmissão de dados sem fio. Sua versão de baixo consumo de energia é Bluetooth Low Energy (BLE). A versão mais recente, BLE 5.0, suporta aplicações de baixa taxa de dados e um alcance estendido de até 150 metros. Recursos como balizamento e serviços de localização ajudaram a implementá-lo em uma ampla gama de aplicações de fitness e automotivas. Pode suportar topologia em estrela. As versões mais recentes suportam topologia de malha, estendendo a rede usando a rede de muitos para muitos dispositivos adequada para aplicações de automação residencial.

Zigbee

O ZigBee usa a camada física e de link padrão IEEE 802.15.4, operando na banda ISM de 2,4 GHz e oferece um alcance de até 300 pés. Ele suporta topologia de malha. Portanto, a rede pode ser estendida por uma distância maior usando operações multi-hop. O protocolo é altamente interoperável e inclui bibliotecas padrão de modelos de dados, segurança e procedimentos de gerenciamento de rede. O ZigBee tem baixo consumo de energia, descoberta de nós, detecção de pacotes duplicados, descoberta de rotas, modo de suspensão e confiabilidade. É amplamente utilizado em residências inteligentes e aplicações de automação predial.

Z-Wave

Z-Wave é uma tecnologia sem fio de baixo consumo projetada para aplicações de automação residencial IoT. Oferece comunicação confiável e de baixa latência de pequenos pacotes de dados com taxas de dados de até 100kbit/s. Ele suporta topologia de malha com um máximo de 232 nós em uma única rede. Ele funciona em 868 MHz para a região da Europa e 915 MHz para a América do Norte e Austrália, fornecendo uma taxa de dados de 100 Kbps. Para saber mais sobre o Z-Wave, clique aqui.

6LowPAN

IPv6 Low-power Wireless Personal Area Network (6LowPAN) é uma tecnologia baseada em protocolo de Internet. É um protocolo de rede que define mecanismos de encapsulamento e compressão de cabeçalho. Ele tem a liberdade de banda de frequência e camada física e também pode ser usado em várias plataformas de comunicação, incluindo Ethernet, WiFi, 802.15.4 e ISM sub-1GHz. Ele foi desenvolvido para despachar pacotes IPv6 pelas redes baseadas em IEEE802.15.4 e implementar muitos padrões IP abertos, incluindo TCP, soquetes da Web, UDP, HTTP, COAP e MQTT. O padrão fornece nós endereçáveis ​​de ponta a ponta, permitindo que um roteador vincule a rede ao IP. O 6LowPAN é uma rede mesh robusta, escalável e auto-reparável.

Thread

Thread, baseado em vários padrões, incluindo IEEE802.15.4, IPv6 e 6LoWPAN, é um novo protocolo de rede IPv6 baseado em IP direcionado para o ambiente de automação residencial. Ele complementa principalmente o WiFi e oferece uma solução baseada em IP resiliente para IoT. Thread reforça uma rede mesh utilizando transceptores de rádio IEEE802.15.4. Ele gerencia até 250 nós com altos níveis de autenticação e criptografia.

Wi-fi

WiFi é um protocolo de comunicação sem fio. O WiFi usa a topologia de rede em estrela e o ponto de acesso pode ser usado como um gateway para a Internet. Cada ponto de acesso pode se conectar a um máximo de 250 dispositivos, e a maioria das soluções disponíveis comercialmente suportam até 50 dispositivos. O 802.11-b/g/n opera em 2,4 GHZ e fornece taxa de dados de 150-200 Mbps no ambiente doméstico ou no escritório, normalmente em uma faixa de 50 metros. O padrão 802.11-ac mais recente funciona em 5 GHz e fornece uma taxa de dados de 500 Mbps-1 Gbps.

Celular

Muitas aplicações de IoT usam redes celulares existentes, como 3G, 4G LTE e 5G para comunicação de dados. O 3G usa 2100 MHz e oferece uma taxa de dados de 384 Kbps-10Mbps, e o 4G LTE oferece uma alta taxa de dados de 3Mbps-10 Mbps a 2700 MHz. Eles são inadequados para a maioria dos aplicativos de IoT devido ao alto consumo de energia e altos custos de implementação. Cat-M1 e NB-IOT foram introduzidos no 3rd Generation Partnership Project (3GPP) para adoção às redes 4G LTE existentes para comunicação IoT e M2M. O 5G, com maior capacidade do que qualquer rede 4G, está em desenvolvimento para aumentar os usuários de banda larga móvel e suportar a comunicação entre dispositivos. Para isso, diferentes técnicas são aplicadas ao 5G, como MIMO, comunicação full-duplex, redes heterogêneas (HetNet), onda milimétrica (mmWave) e fatiamento de rede. Todos os serviços de rede 5G podem ser classificados em três categorias diferentes de acordo com a União Internacional de Telecomunicações (ITU): banda larga móvel aprimorada (eMBB), comunicações massivas do tipo máquina (mMTC) e comunicações ultraconfiáveis ​​e de baixa latência (uRLLC).

NFC

Near Field Communication (NFC) é um protocolo de comunicação de rádio de alcance ultracurto. Ele usa o padrão ISO/IEC 18000-3 e a banda de frequência ISM de 13,56 MHz. Ele fornece uma taxa de dados de 100-420 Kbps e um alcance de até 20 cm. Alguns dispositivos NFC podem ler (em conformidade com ISO 15693) etiquetas RFID passivas de alta frequência, que também funcionam em 13,56 MHz. O NFC fornece comunicação full-duplex na faixa de detecção de substratos metálicos e não metálicos. Ele é usado para pagamento sem contato, sincronização rápida e aplicativos de acesso a conteúdo digital.

Sigfox

A Sigfox é um provedor de rede privada semelhante aos provedores de serviços de telefonia ou celular, focado em atender clientes em IoT. Ele usa bandas ISM sub-GHz (868 a 869 MHz ou 902 a 928 MHz) e suporta um longo alcance (até 50 km) usando a topologia em estrela. Embora a comunicação do Sigfox seja bidirecional, a carga útil da estação base para o nó é escassa. É usado para sensoriamento remoto, onde pequenas quantidades de dados precisam ser transmitidas esporadicamente com requisitos de alta vida útil da bateria. Para saber mais sobre o Sigfox, clique aqui.

LoRaWAN

LoRaWAN é um protocolo de comunicação WAN sem fio de baixa potência na faixa de frequência sub-GHz (433/ 868/ 915 MHz). Tem uma taxa de dados típica de 0,3-50 Kbps e pode cobrir um alcance de até 15 km. A distância mais alta é alcançada diminuindo dinamicamente as taxas de dados. Ele foi projetado para fornecer comunicação de baixo consumo de energia, baixo custo, segura e full-duplex para IoT, M2M, Smart City e aplicações industriais. Para saber mais sobre LoRaWan, clique aqui.

Contato da Newark no Brasil

Para mais informações e adquirir componentes contate a LATeRe , representante da Newark, pelo Telefone (11) 4066-9400 ou e-mail: [email protected] 

* Texto originalmente publicado em: link

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Luiz Antonio Vargas Pinto
Luiz Antonio Vargas Pinto
12/05/2022 13:40

Parabéns pela apresentação. Sei o trabalho em reunir informações.
Abraço

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