Análise completa dos protocolos de comunicação da Internet das Coisas.

Com o crescente número de dispositivos IoT, a comunicação ou conexão entre esses dispositivos tornou-se um tópico crucial. A comunicação é fundamental e essencial para a Internet das Coisas. Seja por meio de tecnologias de transmissão sem fio de curto alcance ou de comunicação móvel, ela influencia o desenvolvimento da Internet das Coisas. Na comunicação, os protocolos são particularmente importantes. Eles representam as regras e os acordos que as entidades de ambos os lados devem seguir para concluir comunicações ou serviços. Este artigo apresenta diversos protocolos de comunicação IoT disponíveis, com diferentes níveis de desempenho, taxas de dados, cobertura, consumo de energia e memória, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens. Alguns desses protocolos são adequados apenas para pequenos eletrodomésticos, enquanto outros podem ser utilizados em projetos de cidades inteligentes de grande escala. Os protocolos de comunicação da Internet das Coisas são divididos em duas categorias: protocolos de acesso e protocolos de comunicação. O protocolo de acesso é geralmente responsável pela rede e comunicação entre dispositivos dentro de uma sub-rede; o protocolo de comunicação é principalmente um protocolo de comunicação entre dispositivos, que opera sobre o protocolo TCP/IP tradicional da Internet e é responsável pela troca de dados e comunicação entre dispositivos através da Internet.

1. Protocolos da camada física e da camada de enlace de dados

1. Comunicação celular de longa distância

(1) Os protocolos de comunicação 2G/3G/4G referem-se aos protocolos de sistemas de comunicação móvel de segunda, terceira e quarta geração, respectivamente.

（2）NB-IoT

A Internet das Coisas de Banda Estreita (NB-IoT) tornou-se um ramo importante da Internet de Tudo. A NB-IoT é construída sobre uma rede celular e consome apenas cerca de 180 kHz de largura de banda. Ela pode ser implantada diretamente em redes GSM, UMTS ou LTE para reduzir custos de implantação e permitir atualizações sem problemas. A NB-IoT concentra-se no mercado de Internet das Coisas (IoT) de Baixa Potência e Ampla Cobertura (LPWA) e é uma tecnologia emergente com grande potencial de uso global. Ela possui características como ampla cobertura, múltiplas conexões, alta velocidade, baixo custo, baixo consumo de energia e excelente arquitetura.

Cenários de aplicação: Os cenários de aplicação trazidos pela rede NB-IoT incluem estacionamento inteligente, proteção inteligente contra incêndio, serviços inteligentes de água, iluminação pública inteligente, bicicletas compartilhadas e eletrodomésticos inteligentes.

(3)5G

A tecnologia de comunicação móvel de quinta geração é a geração mais recente da tecnologia de comunicação móvel celular. Os objetivos de desempenho do 5G são altas taxas de dados, latência reduzida, economia de energia, redução de custos, aumento da capacidade do sistema e conectividade de dispositivos em larga escala.

Cenários de aplicação: Realidade Aumentada/Realidade Virtual, Internet dos Veículos, manufatura inteligente, energia inteligente, assistência médica sem fio, entretenimento doméstico sem fio, drones conectados, transmissão ao vivo panorâmica/em ultra-alta definição, assistente pessoal de IA e cidades inteligentes.

2. Comunicação não celular de longa distância

（1） Wi-Fi

Devido à rápida popularização de roteadores Wi-Fi domésticos e smartphones nos últimos anos, os protocolos Wi-Fi também têm sido amplamente utilizados no campo das casas inteligentes. A maior vantagem do protocolo Wi-Fi é o acesso direto à internet. Comparado ao ZigBee, a solução para casas inteligentes que utiliza o protocolo Wi-Fi elimina a necessidade de gateways adicionais. Comparado ao protocolo Bluetooth, elimina a dependência de dispositivos móveis, como celulares.

A cobertura de Wi-Fi comercial em locais públicos, como transportes urbanos e centros comerciais, revelou sem dúvida o potencial do Wi-Fi comercial em aplicações práticas.

（2）ZigBee

ZigBee é um protocolo de comunicação sem fio para transmissão de baixa velocidade e curta distância. É uma rede de transmissão de dados sem fio altamente confiável. Suas principais características são baixa velocidade, baixo consumo de energia, baixo custo, suporte a um grande número de nós online, suporte a múltiplas topologias online, baixa complexidade, rapidez, confiabilidade e segurança. A tecnologia ZigBee é uma tecnologia recente. Ela se baseia principalmente em redes sem fio para transmissão. Permite conexões sem fio em curtas distâncias e é uma tecnologia de comunicação de rede sem fio.

As vantagens inerentes da tecnologia ZigBee a tornaram gradualmente uma tecnologia dominante na indústria da Internet das Coisas, sendo amplamente utilizada na indústria, agricultura, casas inteligentes e outros campos.

（3）LoRa

LoRa (LongRange, longo alcance) é uma tecnologia de modulação que proporciona distâncias de comunicação maiores do que tecnologias similares. É amplamente utilizada em gateways, sensores de fumaça, monitoramento de água, detecção infravermelha, posicionamento, réguas de energia e outros produtos de IoT. Como uma tecnologia sem fio de banda estreita, o LoRa utiliza a diferença de tempo de chegada (TDA) para realizar a geolocalização. Aplicações do posicionamento LoRa incluem: cidades inteligentes e monitoramento de tráfego, medição e logística, e monitoramento de posicionamento na agricultura.

3. Comunicação por campo próximo

（1）RFID

RFID é a abreviação de Identificação por Radiofrequência. O princípio é a comunicação de dados sem contato entre o leitor e a etiqueta para identificar o alvo. A RFID é amplamente utilizada. Aplicações típicas incluem microchips para animais, alarmes automotivos, controle de acesso, controle de estacionamento, automação de linhas de produção e gerenciamento de materiais. Um sistema RFID completo consiste em três partes: leitor (Reader), etiqueta eletrônica (Tag) e sistema de gerenciamento de dados.

（2）NFC

O nome completo em chinês de NFC é tecnologia de comunicação por campo próximo. A NFC foi desenvolvida com base na tecnologia de identificação por radiofrequência (RFID) sem contato e combinada com a tecnologia de interconexão sem fio. Ela oferece um método de comunicação muito seguro e rápido para diversos produtos eletrônicos que são cada vez mais populares em nosso dia a dia. O termo "campo próximo" no nome chinês de NFC refere-se às ondas de rádio próximas ao campo eletromagnético.

Cenários de aplicação: utilizado em controle de acesso, registro de presença, visitantes, check-in em reuniões, patrulhamento e outras áreas. A tecnologia NFC possui funções como interação humano-computador e interação máquina-máquina.

(3) Bluetooth

A tecnologia Bluetooth é uma especificação global aberta para comunicações sem fio de dados e voz. Trata-se de uma tecnologia especial de conexão sem fio de curto alcance que estabelece um ambiente de comunicação para dispositivos fixos e móveis com base em conexões sem fio de baixo custo e curto alcance.

O Bluetooth permite a troca de informações sem fio entre diversos dispositivos, incluindo celulares, PDAs, fones de ouvido sem fio, laptops, periféricos e outros. O uso da tecnologia Bluetooth simplifica a comunicação entre dispositivos móveis e também facilita a comunicação entre o dispositivo e a internet, tornando a transmissão de dados mais rápida e eficiente e ampliando as possibilidades de comunicação sem fio.


4. Comunicação com fio

(1) USB

USB, abreviação de Universal Serial Bus em inglês, é um padrão de barramento externo usado para padronizar a conexão e a comunicação entre computadores e dispositivos externos. É uma tecnologia de interface aplicada na área de PCs.

(2) Protocolo de comunicação serial

O protocolo de comunicação serial refere-se às especificações relevantes que estipulam o conteúdo do pacote de dados, incluindo o bit de início, os dados principais, o bit de verificação e o bit de parada. Ambas as partes precisam concordar com um formato de pacote de dados consistente para enviar e receber dados normalmente. Na comunicação serial, os protocolos mais comuns incluem RS-232, RS-422 e RS-485.

A comunicação serial refere-se a um método de comunicação que transmite dados bit a bit através de linhas de dados entre periféricos e computadores. Este método de comunicação utiliza menos linhas de dados e pode reduzir os custos de comunicação em longas distâncias, mas sua velocidade de transmissão é inferior à da transmissão paralela. A maioria dos computadores (exceto laptops) possui duas portas seriais RS-232. A comunicação serial também é um protocolo de comunicação comumente utilizado para instrumentação e equipamentos.

(3) Ethernet

Ethernet é uma tecnologia de rede local de computadores. O padrão IEEE 802.3 da organização IEEE formula o padrão técnico do Ethernet, que especifica o conteúdo, incluindo a fiação da camada física, os sinais eletrônicos e os protocolos da camada de acesso ao meio.

（4）MBus

O sistema de leitura remota de medidores MBus (Symphonic MBus) é um barramento padrão europeu de dois fios, usado principalmente para instrumentos de medição de consumo, como medidores de calor e de água.

2. Camada de rede e protocolo de transmissão

1. IPv4

O Protocolo de Comunicações da Internet versão 4 (IPv4) é a quarta revisão no processo de desenvolvimento do Protocolo da Internet e a primeira versão amplamente implementada desse protocolo. O IPv4 é o núcleo da Internet e a versão mais utilizada do Protocolo da Internet.

2. IPv6

O Protocolo de Internet versão 6 (IPv6) foi introduzido porque o maior problema do IPv4 era a limitação de endereços de rede, o que restringia seriamente a aplicação e o desenvolvimento da Internet. O uso do IPv6 não só resolve o problema da quantidade de endereços de rede disponíveis, como também elimina os obstáculos que impediam múltiplos dispositivos de acessar a Internet.

3.TCP

O Protocolo de Controle de Transmissão (TCP) é um protocolo de comunicação de camada de transporte orientado a conexão, confiável e baseado em fluxo de bytes. O TCP foi projetado para acomodar uma hierarquia de protocolos em camadas que suporta múltiplas aplicações de rede. O TCP é essencial para fornecer serviços de comunicação confiáveis ​​entre pares de processos em um computador host conectado a diferentes redes de comunicação interconectadas. O TCP pressupõe a capacidade de obter serviços de datagramas simples, possivelmente não confiáveis, de protocolos de nível inferior.

4、6LoWPAN

6LoWPAN é um padrão de rede pessoal sem fio de baixa velocidade baseado em IPv6, especificamente IPv6 sobre IEEE 802.15.4.

3. Protocolo da camada de aplicação

1. Módulo MQTT

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), traduzido para o chinês, é um protocolo de transmissão de telemetria. Ele oferece principalmente dois modos de mensagem: assinatura/publicação. É mais simples, leve e fácil de usar. É especialmente adequado para distribuição de mensagens em ambientes com recursos limitados (baixa largura de banda, alta latência de rede e comunicação de rede instável). É um protocolo de transmissão padrão para a Internet das Coisas (IoT).

Em muitos casos, inclusive em ambientes com recursos limitados, como comunicações máquina a máquina (M2M) e a Internet das Coisas (IoT), a tecnologia tem sido amplamente utilizada em sensores de comunicação via satélite, equipamentos médicos para discagem ocasional, casas inteligentes e alguns dispositivos miniaturizados.

2. CoAP

O CoAP (Constrained Application Protocol) é um protocolo semelhante à Web no mundo da Internet das Coisas. É adequado para pequenos sensores de baixa potência, interruptores, válvulas e componentes similares que precisam ser controlados ou monitorados remotamente por meio de uma rede de Internet padrão. O servidor não precisa responder a tipos não suportados.

3. Servidor REST/HTTP

RESTful é um estilo de arquitetura de software baseado em recursos. Um recurso, por exemplo, é uma entidade na rede ou uma informação específica nela. Uma imagem ou uma música são exemplos de recursos. Uma API RESTful é uma implementação baseada no protocolo HTTP (um protocolo da camada de aplicação, simples e rápido).

Aplicações ou projetos que atendem às especificações REST são considerados RESTful, e APIs projetadas de acordo com as especificações REST são chamadas de APIs RESTful.

4. Protocolo DDS

O DDS (Data Distribution Service) é um protocolo middleware para serviços de distribuição de dados em tempo real distribuídos. É o "TCP/IP" em redes distribuídas de tempo real. Sua função é equivalente à de um "barramento dentro de outro barramento".

5. AMQP Categoria

AMQP, ou Advanced Message Queuing Protocol, é um protocolo padrão da camada de aplicação para enfileiramento avançado de mensagens que fornece serviços unificados de mensagens. É um padrão aberto para protocolos da camada de aplicação e foi projetado para middleware orientado a mensagens. Clientes e middleware de mensagens baseados neste protocolo podem transmitir mensagens sem restrições impostas por diferentes produtos de cliente/middleware, linguagens de desenvolvimento, etc. Implementações em Erlang incluem o RabbitMQ, entre outros.

6. XMPP

XMPP é um protocolo baseado em XML, um subconjunto da Linguagem de Marcação Universal Padrão (SUML), que herda a flexibilidade para desenvolvimento em um ambiente XML. Portanto, aplicações baseadas em XMPP são altamente escaláveis. Após ser estendido, o XMPP pode atender às necessidades do usuário enviando informações adicionais, e aplicações como sistemas de publicação de conteúdo e serviços baseados em endereços podem ser construídas sobre o XMPP.

4. Comparação de alguns protocolos de comunicação

1. Comparação entre o protocolo NB-IoT e o protocolo LoRa

Primeiro, a faixa de frequência. O LoRa opera em faixas de frequência não licenciadas abaixo de 1 GHz e não exige taxas adicionais para a aplicação. O NB-IoT e as comunicações celulares utilizam faixas de frequência abaixo de 1 GHz, que são autorizadas pela norma 2113 e exigem o pagamento de taxas.

Em segundo lugar, a duração da bateria. Os módulos LoRa possuem características únicas no tratamento de interferências, sobreposição de redes, escalabilidade, etc., mas não conseguem oferecer a mesma qualidade de serviço que os protocolos celulares. Devido a considerações de qualidade de serviço, o NB-IoT não consegue proporcionar a mesma duração de bateria que o LoRa.

Em terceiro lugar, os custos de equipamento. Para os nós finais, o protocolo LoRa é mais simples que o NB-IoT, mais fácil de desenvolver e mais aplicável e compatível com microprocessadores. Ao mesmo tempo, módulos LoRa de baixo custo e com tecnologia relativamente madura já podem ser encontrados no mercado, e versões atualizadas serão lançadas sucessivamente.

Em quarto lugar, a cobertura da rede e o cronograma de implantação. O padrão NB-IoT foi anunciado em 2016. Além da implantação da rede, a comercialização correspondente e o estabelecimento da cadeia produtiva exigirão mais tempo e esforço. Toda a cadeia produtiva do LoRa está relativamente madura e seus produtos estão "prontos para lançamento". Ao mesmo tempo, muitos países ao redor do mundo estão em processo de implantação de redes em âmbito nacional ou já as concluíram.

2. Comparação dos protocolos Bluetooth, WiFi e ZigBee

Atualmente, a vantagem do Wi-Fi é sua ampla utilização e popularização em milhares de residências; a vantagem do ZigBee é o baixo consumo de energia e a rede auto-organizável; a vantagem da tecnologia de comunicação sem fio UWB é a alta taxa de transmissão; a vantagem do Bluetooth é a simplicidade de conexão em rede. No entanto, essas três tecnologias também apresentam suas próprias desvantagens, e nenhuma delas consegue atender plenamente a todos os requisitos de casas inteligentes.

O surgimento da tecnologia Bluetooth tornou possível a comunicação sem fio de curto alcance, mas seus protocolos complexos, alto consumo de energia e alto custo não são adequados para controle industrial e redes domésticas que exigem baixo custo e baixo consumo de energia. Em particular, o maior obstáculo do Bluetooth é o alcance de transmissão limitado. Geralmente, o alcance efetivo é de cerca de 10 metros. Problemas como a fraca capacidade anti-interferência e questões de segurança da informação também são os principais fatores que restringem seu desenvolvimento e aplicação em larga escala.

O Wi-Fi também é uma tecnologia de transmissão sem fio de curto alcance que permite o acesso a sinais sem fio a qualquer momento. É altamente móvel e mais adequado para uso em ambientes de escritório e domésticos. Claro, o Wi-Fi também tem uma desvantagem crucial. Como utiliza tecnologia de radiofrequência, que envia e recebe dados pelo ar e usa ondas de rádio para transmitir sinais de dados, é mais suscetível a interferências externas.

ZigBee é uma tecnologia de comunicação sem fio internacionalmente reconhecida. Cada uma de suas portas de rede pode acessar mais de 65,000 dispositivos, sendo adequada para uso em residências, indústrias, agricultura e outros setores. Em contrapartida, dispositivos Bluetooth e Wi-Fi geralmente acessam apenas 10 portas, o que obviamente não atende às necessidades de uma residência. O ZigBee também apresenta as vantagens de baixo consumo de energia e baixo custo.

3. Comparação entre o protocolo MQTT e o protocolo CoAP

MQTT é um protocolo de comunicação muitos-para-muitos usado para transmitir mensagens entre diferentes clientes através de um proxy intermediário, desacoplando produtores e consumidores e permitindo que o cliente publique e deixe o proxy decidir o roteamento e a cópia das mensagens. Embora o MQTT suporte alguma persistência, ele é melhor utilizado como um barramento de comunicação de dados em tempo real.

O CoAP é principalmente um protocolo ponto a ponto usado para transmitir informações com estado entre clientes e servidores. Embora suporte a observação de recursos, o CoAP é mais adequado a um modelo de transferência com estado e não é inteiramente baseado em eventos.

O cliente MQTT estabelece uma conexão TCP de longa duração. Isso geralmente significa que não há problemas. Tanto o cliente CoAP quanto o servidor estão enviando e recebendo pacotes UDP. Em um ambiente NAT, o tunelamento ou o encaminhamento de portas podem ser usados ​​para permitir o CoAP ou, como no caso do LWM2M, o dispositivo pode inicializar a conexão de front-end primeiro.

O MQTT não oferece suporte a tags de tipo de mensagem ou outros metadados para ajudar os clientes a entenderem a mensagem. As mensagens MQTT podem ser usadas para qualquer finalidade, mas todos os clientes precisam conhecer o formato de dados recebido para permitir a comunicação. O CoAP, por outro lado, oferece suporte integrado para negociação e descoberta de conteúdo, permitindo que os dispositivos se detectem mutuamente para encontrar uma maneira de trocar dados.

Ambos os protocolos têm vantagens e desvantagens, e a escolha do mais adequado depende da sua aplicação.

Este artigo foi reproduzido de "Associação de Aplicação de Tecnologia Inteligente da Internet das Coisas de PequimApoie a proteção dos direitos de propriedade intelectual. Ao reproduzir este conteúdo, indique a fonte original e o autor. Caso haja alguma violação de direitos autorais, entre em contato conosco para que possamos removê-lo.