Consumul de energie rămâne una dintre principalele constrângeri de care inginerii trebuie să țină cont atunci când proiectează dispozitive conectate, în special pentru aplicațiile destinate locuințelor inteligente și Internetului Lucrurilor (IoT). Protocoale precum Bluetooth® Low Energy, Thread și Zigbee au fost gândite pentru a permite dispozitivelor să comunice fiabil, utilizând în același timp o cantitate minimă de energie. Pe măsură ce Matter devine tot mai răspândit în domeniul locuințelor inteligente, dezvoltatorii au nevoie de platforme capabile să susțină atât proiectele bazate pe Matter, cât și ecosistemele wireless deja existente.
Pentru mai multe resurse tehnice, aplicații, ghiduri și instrumente dedicate inginerilor proiectanți, accesați Mouser Resource Centre.
Cerințe noi pentru proiectele Matter cu consum ultra-redus
Implementările recente ale standardului Matter au schimbat așteptările privind funcționalitățile pe care trebuie să le ofere dispozitivele conectate. În prezent, acestea trebuie să se integreze în siguranță în rețea, să mențină conectivitatea și să funcționeze în ecosisteme diferite, respectând în același timp limite stricte de consum energetic.
Aceste cerințe schimbă modul în care inginerii abordează proiectarea sistemelor wireless cu consum ultra-redus, care nu mai pot fi optimizate în mod izolat pentru un singur protocol. Articolul explică de ce asemenea proiecte trebuie să poată rula mai multe stive de protocoale wireless pe aceeași platformă hardware, fără să depășească bugetul energetic și fără să suprasolicite resursele sistemului.
Consum ultra-redus pentru dispozitive IoT alimentate de la baterii
Bluetooth® Low Energy, Thread și Zigbee au fost dezvoltate pornind de la realitatea că majoritatea dispozitivelor alimentate de la baterii nu își pot permite consumul asociat menținerii permanente a unei conexiuni wireless active. Bluetooth Low Energy este adecvat pentru operațiuni precum configurarea dispozitivelor sau transmiterea unor actualizări scurte de stare, funcționând cel mai eficient în cazul schimburilor rapide și intermitente de date. Thread și Zigbee, în schimb, permit realizarea unor rețele mesh scalabile, potrivite pentru locuințe inteligente și sisteme de automatizare a clădirilor. [1]
Prin optimizarea unor parametri precum ciclul de activitate al modulului radio și eficiența transmiterii pachetelor de date, aceste protocoale pot prelungi durata de funcționare a bateriilor până la mai mulți ani în dispozitive precum senzori, încuietori inteligente și sisteme de iluminat. Această eficiență energetică devine esențială în condițiile în care implementările IoT sunt estimate să ajungă la milioane de noduri conectate.[2]
Dezvoltarea dispozitivelor multiprotocol pentru locuințe inteligente
Standardul Matter permite dispozitivelor provenite de la producători diferiți să funcționeze împreună în condiții de securitate, ceea ce stimulează cererea pentru sisteme pe cip (SoC) multiprotocol. Acestea trebuie să suporte Bluetooth® Low Energy pentru punerea în funcțiune a dispozitivelor, precum și Thread, Wi-Fi sau Ethernet pentru comunicațiile din rețeaua operațională.
În consecință, dispozitivele trebuie să ruleze și să gestioneze eficient mai multe stive de protocoale pe aceeași platformă hardware. Alegerea tehnologiei wireless nu mai poate fi tratată ca o decizie izolată, deoarece utilizarea simultană a mai multor protocoale introduce constrângeri suplimentare. Autonomia bateriei poate scădea, necesarul de memorie crește, iar administrarea performanței sistemului devine mai dificilă.
Necesitatea de a depăși aceste provocări explică importanța tot mai mare a suportului multiprotocol în domeniul comunicațiilor wireless. Numeroase produse trebuie să fie compatibile cu Matter și, în același timp, să continue să susțină proiectele și ecosistemele wireless existente.[3] Platformele capabile să gestioneze ambele cerințe permit dezvoltatorilor să testeze mai ușor concepte noi și să avanseze în procesul de proiectare fără a schimba în mod repetat platforma hardware.
Cele mai noi produse pentru cele mai noi proiecte®
Dezvoltatorii care urmăresc implementarea conectivității multiprotocol cu un consum ultra-redus pot utiliza placa Arduino ABX00137 Nano Matter, bazată pe modulul wireless MGM240SD22VNA Series 2 de la Silicon Labs. Aceasta integrează un procesor Arm® Cortex®-M33 pe 32 de biți, 1.536 kB de memorie flash și 256 kB de memorie RAM, oferind resursele necesare pentru dezvoltarea aplicațiilor wireless eficiente energetic.
Placa suportă protocoalele Bluetooth® Low Energy, Zigbee și Thread și a fost creată pentru dezvoltarea soluțiilor compatibile cu Matter. Capabilitatea sa multiprotocol facilitează integrarea în sistemele pentru locuințe inteligente și permite inginerilor să dezvolte dispozitive conforme cu Matter fără a fi nevoiți să gestioneze mai multe platforme hardware.
Într-un domeniu al automatizărilor aflat într-o evoluție rapidă, această flexibilitate poate simplifica procesul de proiectare, poate reduce timpul de dezvoltare și poate accelera lansarea pe piață a unor noi produse pentru locuințe inteligente și aplicații din Internetul Industrial al Lucrurilor (IIoT).
Relevanța pentru viitoarele proiecte IoT
Pe măsură ce mediile inteligente devin tot mai complexe, atât în aplicațiile de consum, cât și în cele comerciale, conectivitatea wireless cu consum ultra-redus va trebui să combine eficiența energetică cu cerințe tot mai stricte privind securitatea, interoperabilitatea și gestionarea întregului ciclu de viață al dispozitivelor. De exemplu, versiunile recente ale standardului Matter au extins suportul pentru noi categorii de dispozitive și au introdus funcții suplimentare de administrare a energiei.
Noile dispozitive IoT trebuie să îndeplinească un număr tot mai mare de cerințe: să se integreze în siguranță în rețea, să mențină conectivitatea, să funcționeze în ecosisteme diferite și, în același timp, să consume foarte puțină energie. Pentru a răspunde acestor cerințe sunt necesare proiecte cu un nivel mai ridicat de integrare și o utilizare mai eficientă a resurselor de radiofrecvență (RF).
Platformele multiprotocol permit dezvoltatorilor să se adapteze mai ușor acestor schimbări. În loc să reproiecteze platforma hardware de fiecare dată când standardele evoluează, echipele pot utiliza aceeași bază tehnologică pentru a testa concepte noi și pentru a răspunde cerințelor wireless aflate în continuă schimbare.
Concluzie
Conectivitatea wireless cu consum ultra-redus a devenit o cerință esențială de proiectare, pe măsură ce automatizarea este adoptată în tot mai multe locuințe inteligente și aplicații industriale. Odată cu extinderea standardului Matter și cu necesitatea integrării protocoalelor Bluetooth® Low Energy, Thread și Zigbee în produse reale, inginerii trebuie să abordeze simultan eficiența energetică, securitatea și interoperabilitatea.
Surse
[1]https://www.link-labs.com/blog/zigbee-vs-bluetooth
[2]https://www.vesternet.com/en-global/pages/zigbee-guide
[3]https://www.aqara.com/us/blog-us/zigbee-vs-thread-vs-matter-whats-the-difference/
Despre Mouser Electronics
Mouser Electronics, fondată în 1964, este un distribuitor autorizat la nivel global de semiconductori și componente electronice, reprezentând peste 1.200 de mărci ale unor producători de top din industrie. Compania este specializată în introducerea rapidă pe piață a celor mai noi produse și tehnologii destinate comunităților de ingineri proiectanți și cumpărători. Mouser are 28 de birouri în întreaga lume și își desfășoară activitatea în 23 de limbi și 34 de valute. Centrul global de distribuție al companiei este echipat cu sisteme wireless de ultimă generație pentru gestionarea depozitelor, care permit procesarea comenzilor 24/7 și operațiuni foarte precise de preluare și expediere.
Glosar de termeni
Standarde și protocoale wireless
Matter: Standard de conectivitate pentru locuințe inteligente, dezvoltat pentru a permite dispozitivelor provenite de la producători diferiți să comunice și să funcționeze împreună în condiții de securitate.
Bluetooth® Low Energy (Bluetooth LE): Variantă Bluetooth optimizată pentru schimburi de date scurte și intermitente, cu un consum redus de energie, utilizată frecvent pentru configurarea și punerea în funcțiune a dispozitivelor.
Thread: Protocol wireless IPv6 cu consum redus, destinat rețelelor mesh securizate și fiabile din locuințe inteligente și aplicații IoT.
Zigbee: Protocol wireless cu consum redus de energie, utilizat pentru conectarea senzorilor, sistemelor de iluminat și altor dispozitive în rețele mesh.
Wi-Fi: Tehnologie de comunicație wireless care asigură transferuri de date la viteze ridicate și conectarea dispozitivelor la rețele locale și la internet.
Ethernet: Tehnologie de comunicație prin cablu utilizată pentru conectarea fiabilă și rapidă a dispozitivelor într-o rețea locală.
Arhitecturi și proiectare multiprotocol
Sistem pe cip (SoC): Circuit integrat care reunește pe același cip procesorul, memoria, interfețele de comunicație și alte funcții necesare unui sistem electronic.
SoC multiprotocol: Sistem pe cip capabil să suporte mai multe protocoale wireless pe aceeași platformă hardware.
Stivă de protocoale: Ansamblu de componente software care implementează regulile și funcțiile necesare comunicației printr-un anumit protocol.
Platformă multiprotocol: Soluție hardware și software care permite rularea și administrarea mai multor protocoale de comunicație pe același dispozitiv.
Punere în funcțiune (commissioning): Procesul prin care un dispozitiv este identificat, autentificat, configurat și adăugat în siguranță într-o rețea.
Interoperabilitate: Capacitatea dispozitivelor, aplicațiilor și platformelor provenite de la furnizori diferiți de a comunica și de a funcționa împreună.
Rețea operațională: Rețeaua utilizată de dispozitiv după configurare pentru transmiterea datelor și executarea funcțiilor sale curente.
Consum energetic și comunicații RF
Consum ultra-redus: Caracteristică a dispozitivelor și componentelor proiectate să funcționeze cu o cantitate foarte mică de energie, prelungind autonomia bateriei.
Buget energetic: Cantitatea maximă de energie disponibilă unui dispozitiv pentru procesare, comunicație și funcționarea celorlalte componente.
Ciclu de activitate al modulului radio: Raportul dintre timpul în care transmițătorul-receptorul wireless este activ și timpul în care rămâne într-o stare de consum redus.
Eficiența pachetelor de date: Utilizarea cât mai eficientă a energiei și a timpului de transmisie pentru transportarea informațiilor prin rețea.
Radiofrecvență (RF): Domeniu al undelor electromagnetice utilizat pentru transmiterea wireless a informațiilor.
Eficiență RF: Capacitatea unui sistem radio de a asigura comunicații fiabile folosind cât mai puțină energie și cât mai eficient spectrul disponibil.
IoT și automatizare
Internetul Lucrurilor (IoT): Rețea de dispozitive conectate care colectează, transmit și utilizează date pentru monitorizare, control sau automatizare.
Internetul Industrial al Lucrurilor (IIoT): Aplicarea tehnologiilor IoT în industrie pentru conectarea echipamentelor, automatizarea proceselor și monitorizarea operațiunilor.
Rețea mesh: Arhitectură în care dispozitivele pot transmite date și prin noduri intermediare, extinzând acoperirea și îmbunătățind fiabilitatea comunicației.
Nod IoT: Dispozitiv conectat la o rețea IoT, capabil să colecteze, să proceseze sau să transmită date.
Locuință inteligentă: Locuință în care dispozitivele și sistemele conectate pot fi monitorizate, controlate și automatizate.