Οι συσκευές Internet of Things (IoT) που χρησιμοποιούνται για έξυπνο φωτισμό και αυτοματισμό κτιρίων εξελίσσονται ραγδαία, με τους ρόλους τους να μετατοπίζονται από απλούς κόμβους ελέγχου σε πλούσια διασυνδεδεμένα συστήματα. Αυτά τα συστήματα πρέπει να υποστηρίζουν υψηλότερες υπολογιστικές απαιτήσεις, ισχυρή απόδοση ασφάλειας και υψηλότερη απόδοση ραδιοσυχνοτήτων (RF). Αντιμέτωποι με αυτήν την τάση, οι σχεδιαστές δέχονται αυξανόμενη πίεση για να εξισορροπήσουν διαφορετικές απαιτήσεις, όπως συνδεσιμότητα πολλαπλών πρωτοκόλλων, προηγμένα χαρακτηριστικά ασφαλείας και απόδοση ενέργειας, ενώ παράλληλα προσπαθούν να μειώσουν το κόστος τιμολόγησης υλικών (BOM) και την πολυπλοκότητα του συστήματος. Το κλειδί για την αντιμετώπιση των απαιτήσεων αυτών των αναδυόμενων εφαρμογών IoT βρίσκεται στην υιοθέτηση προηγμένων συσκευών ασύρματου συστήματος σε τσιπ (SoC).
Αυτό το άρθρο στοχεύει να αναλύσει τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι σχεδιαστές αναδυόμενων συσκευών και συστημάτων IoT και, στη συνέχεια, να παρουσιάσει πώς το ασύρματο IoT SoC επόμενης γενιάς της Silicon Labs αντιμετωπίζει αυτές τις προκλήσεις μέσω της αρχιτεκτονικής εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Αυτή η αρχιτεκτονική συνδυάζει επεξεργαστές υψηλής απόδοσης με πολλαπλά αποκλειστικά υποσυστήματα, παρέχοντας μια εφικτή λύση.
Πώς οι διαφοροποιημένες απαιτήσεις οδηγούν την εξέλιξη των συσκευών προς την υψηλότερη ενοποίηση
Οι έξυπνες συσκευές γραμμής που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως ο φωτισμός LED, οι έξυπνες πρίζες και οι διακόπτες αναμένεται όλο και περισσότερο να παρέχουν πλουσιότερη λειτουργικότητα σε συντομότερους κύκλους ανάπτυξης. Οι σχεδιαστές αυτών των συσκευών αντιμετωπίζουν μια σειρά από αυστηρές απαιτήσεις: πρέπει να ενσωματώσουν υψηλότερες δυνατότητες επεξεργασίας, πολλαπλά ασύρματα πρότυπα και ισχυρή απόδοση ασφάλειας, ενώ παράλληλα ελέγχουν αυστηρά το κόστος BOM και διασφαλίζουν προβλέψιμη συμπεριφορά των συσκευών σε συνεχές περιβάλλον λειτουργίας.
Η πολυπλοκότητα των ασύρματων συνδέσεων επιδεινώνει αυτές τις πιέσεις. Τα πρωτόκολλα χαμηλής ενέργειας Bluetooth (BLE), Zigbee, Thread και Matter συνυπάρχουν ολοένα και περισσότερο, δημιουργώντας λύσεις που βασίζονται σε ένα μόνο πρωτόκολλο ή σε ένα σύμπλεγμα αρχιτεκτονικής πολλαπλών τσιπ. Η υποστήριξη πολλαπλών ετερογενών πρωτοκόλλων μέσω εξωτερικών στοιχείων μπορεί να επιβραδύνει την πρόοδο ανάπτυξης και να έχει ως αποτέλεσμα χαμηλή απόδοση. Ως εκ τούτου, ο σχεδιασμός του IoT έχει στραφεί προς τη χρήση ασύρματων SoC ενός τσιπ, όπως το ασύρματο SoC σειράς 3 SiMG301/SibG301 της Silicon Labs (Εικόνα 1). Αυτός ο τύπος τσιπ ενσωματώνει την επεξεργασία εφαρμογών, τις λειτουργίες ασφαλείας και τις ασύρματες λειτουργίες σε μια ενιαία συσκευή.
Το προηγμένο ασύρματο IoT SoC ενσωματώνει ολόκληρο το σχηματικό διάγραμμα λειτουργικής στοίβας
Εικόνα 1: Το προηγμένο ασύρματο IoT SoC ενσωματώνει ολόκληρη τη λειτουργική στοίβα, επιτυγχάνοντας υψηλότερη σχεδιαστική απόδοση σε σύγκριση με πρώιμες λύσεις πολλαπλών τσιπ. (Πηγή εικόνας: Silicon Labs)
Αυτά τα SoC, με την προηγμένη αρχιτεκτονική τους, μπορούν να παρέχουν υψηλή απόδοση, ισχυρή ασφάλεια και ευέλικτες δυνατότητες συνδεσιμότητας, επιτρέποντας στους σχεδιαστές να ανταποκρίνονται αποτελεσματικότερα στις ταχέως μεταβαλλόμενες απαιτήσεις των έξυπνων συσκευών.
Η ολοκληρωμένη αρχιτεκτονική μπορεί να καλύψει τις ποικίλες ανάγκες των αναδυόμενων εφαρμογών IoT
Η σειρά SixG301 ενσωματώνει όλες τις λειτουργίες που απαιτούνται για έξυπνες συσκευές γραμμής. Προκειμένου να ανταποκριθεί στις ολοένα και πιο περίπλοκες υπολογιστικές απαιτήσεις, το SixG301 SoC βασίζεται σε έναν πυρήνα επεξεργαστή Arm Cortex-M33 150 MHz με οδηγίες επεξεργασίας ψηφιακού σήματος (DSP) και αριθμητικές μονάδες κινητής υποδιαστολής (FPU) (Εικόνα 2). Το υποσύστημα επεξεργαστή συνδυάζει τον πυρήνα με τη μνήμη τυχαίας πρόσβασης στο τσιπ (RAM), τη συσκευασμένη μνήμη flash, τον ελεγκτή άμεσης πρόσβασης μνήμης (DMA) και τη διεπαφή εντοπισμού σφαλμάτων. Αυτή η αρχιτεκτονική παρέχει επίσης ολοκληρωμένη υποστήριξη για έξυπνες συσκευές μέσω αποκλειστικών μονάδων υλικού για συνδεσιμότητα, ασφάλεια, διαχείριση ενέργειας, ρολόγια, χρονόμετρα και περιφερειακά (συμπεριλαμβανομένων αποκλειστικών λειτουργιών για φωτισμό LED).
Σχηματικό διάγραμμα αρχιτεκτονικής SoC EFR32BG22 από τη Silicon Labs (κάντε κλικ για μεγέθυνση)
Εικόνα 2: Η αρχιτεκτονική ασύρματου SoC SixG301 ενσωματώνει την επεξεργασία εφαρμογών, την ασύρματη συνδεσιμότητα και την ασφάλεια, παρέχοντας κλιμακούμενη απόδοση και μειώνοντας την πολυπλοκότητα του συστήματος για έξυπνες συσκευές που τροφοδοτούνται από γραμμή. (Πηγή εικόνας: Silicon Labs)
Για τους σχεδιαστές, η σειρά SixG301 παρέχει μια επεκτάσιμη λύση που μπορεί να καλύψει ένα ευρύ φάσμα απαιτήσεων. Προκειμένου να επιτευχθεί ο σχεδιασμός έξυπνης συσκευής με στόχο τη συνδεσιμότητα Bluetooth, η σειρά SiBG301 Bluetooth SoC υποστηρίζει BLE, δίκτυα Bluetooth mesh και ιδιόκτητες εφαρμογές 2,4 gigahertz (GHz). Η σειρά πολλαπλών πρωτοκόλλων SoC SiMG301 όχι μόνο υποστηρίζει τις ίδιες επιλογές Bluetooth, αλλά προσθέτει επίσης υποστήριξη για το φυσικό επίπεδο IEEE 802.15.4 (PHY) και το επίπεδο ελέγχου πρόσβασης μέσων (MAC), κατάλληλο για ασύρματα δίκτυα χαμηλής ταχύτητας δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων των Zigbee, Matter over Thread και OpenThread. Σε κάθε σειρά, διαφορετικά μοντέλα προσφέρουν επίσης πρόσθετες επιλογές διαμόρφωσης, παρέχοντας έως και 512 KB μνήμης RAM και 4 MB ασφαλούς μνήμης flash τετρακαναλικής περιφερειακής διασύνδεσης (QSPI) ασφαλούς εκτέλεσης στο chip (XIP). Ανεξάρτητα από την επιλεγμένη διαμόρφωση, όλα τα μέλη της σειράς SixG301 SoC διαθέτουν τις ίδιες βασικές δυνατότητες που απαιτούνται για την επόμενη γενιά συσκευών IoT.
Οι προηγμένες εφαρμογές IoT βασίζονται σε ισχυρή συνδεσιμότητα και η σειρά SixG301 έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί αξιόπιστα ακόμη και σε περιβάλλοντα υψηλής πυκνότητας και επιρρεπή σε παρεμβολές τυπικά αυτών των εφαρμογών. Αυτή η σειρά ασύρματων ασύρματων (LPW) χαμηλής κατανάλωσης (Εικόνα 3) ενσωματώνει έναν πυρήνα ραδιοεπεξεργαστή, μνήμη RAM και αποκλειστικές διαδρομές σήματος μετάδοσης και λήψης, παρέχοντας ένα πλήρες υποσύστημα συνδεσιμότητας.