I dispositivi Internet of Things (IoT) utilizzati per l'illuminazione intelligente e l'automazione degli edifici stanno subendo una rapida evoluzione, con i loro ruoli che si stanno spostando da semplici nodi di controllo a ricchi sistemi interconnessi. Questi sistemi devono supportare requisiti informatici più elevati, robuste prestazioni di sicurezza e prestazioni in radiofrequenza (RF) più elevate. Di fronte a questa tendenza, i progettisti sono sempre più sotto pressione per bilanciare requisiti diversi come connettività multiprotocollo, funzionalità di sicurezza avanzate ed efficienza energetica, cercando al contempo di ridurre i costi della distinta base (BOM) e la complessità del sistema. La chiave per soddisfare le esigenze di queste applicazioni IoT emergenti risiede nell’adozione di dispositivi SoC (System on Chip) wireless avanzati.
Questo articolo si propone di approfondire le sfide affrontate dai progettisti di dispositivi e sistemi IoT emergenti e quindi di presentare il modo in cui il SoC IoT wireless di prossima generazione di Silicon Labs affronta queste sfide attraverso la sua architettura a bassissimo consumo. Questa architettura combina processori ad alte prestazioni con più sottosistemi dedicati, fornendo una soluzione fattibile.
Come le richieste diversificate guidano l'evoluzione dei dispositivi verso una maggiore integrazione
Si prevede sempre più che i dispositivi intelligenti alimentati dalla linea utilizzati in applicazioni come illuminazione a LED, prese intelligenti e interruttori forniscano funzionalità più ricche in cicli di sviluppo più brevi. I progettisti di questi dispositivi devono affrontare una serie di requisiti rigorosi: devono integrare capacità di elaborazione più elevate, più standard wireless e solide prestazioni di sicurezza, controllando rigorosamente i costi della distinta base e garantendo un comportamento prevedibile dei dispositivi in un ambiente operativo continuo.
La complessità delle connessioni wireless aggrava queste pressioni. I protocolli Low Energy Bluetooth (BLE), Zigbee, Thread e Matter coesistono sempre più, rendendo complesse le soluzioni basate su un singolo protocollo o su un'architettura multi-chip. Il supporto di più protocolli eterogenei tramite componenti esterni può rallentare il progresso dello sviluppo e comportare una bassa efficienza. Pertanto, la progettazione IoT si è spostata verso l'utilizzo di SoC wireless a chip singolo, come il SoC wireless serie 3 SiMG301/SibG301 di Silicon Labs (Figura 1). Questo tipo di chip integra l'elaborazione delle applicazioni, le funzioni di sicurezza e le operazioni wireless in un unico dispositivo.
Il SoC IoT wireless avanzato integra l'intero diagramma schematico dello stack funzionale
Figura 1: Il SoC IoT wireless avanzato integra l'intero stack funzionale, ottenendo una maggiore efficienza di progettazione rispetto alle prime soluzioni multi-chip. (Fonte immagine: Silicon Labs)
Questi SoC, con la loro architettura avanzata, possono fornire prestazioni elevate, sicurezza solida e funzionalità di connettività flessibili, consentendo ai progettisti di rispondere in modo più efficace alle richieste in rapida evoluzione dei dispositivi intelligenti.
L'architettura integrata può soddisfare le diverse esigenze delle applicazioni IoT emergenti
La serie SixG301 integra tutte le funzioni richieste per i dispositivi intelligenti alimentati dalla rete. Per soddisfare i requisiti di elaborazione sempre più complessi, il SoC SixG301 si basa su un core del processore Arm Cortex-M33 da 150 MHz con istruzioni di elaborazione del segnale digitale (DSP) e unità aritmetiche in virgola mobile (FPU) (Figura 2). Il sottosistema del processore combina il core con la memoria ad accesso casuale (RAM) su chip, la memoria flash co-confezionata, il controller di accesso diretto alla memoria (DMA) e l'interfaccia di debug. Questa architettura fornisce inoltre un supporto completo per dispositivi intelligenti attraverso moduli hardware dedicati per connettività, sicurezza, gestione energetica, orologi, timer e periferiche (comprese funzioni dedicate per l'illuminazione a LED).
Diagramma schematico dell'architettura SoC EFR32BG22 di Silicon Labs (clicca per ingrandire)
Figura 2: L'architettura SoC wireless SixG301 integra elaborazione delle applicazioni, connettività wireless e sicurezza, fornendo prestazioni scalabili e riducendo la complessità del sistema per i dispositivi intelligenti alimentati in linea. (Fonte immagine: Silicon Labs)
Per i progettisti, la serie SixG301 offre una soluzione scalabile in grado di soddisfare un'ampia gamma di requisiti. Per realizzare una progettazione di dispositivi intelligenti con la connettività Bluetooth come obiettivo, la serie SoC Bluetooth SiBG301 supporta BLE, reti mesh Bluetooth e applicazioni proprietarie da 2,4 gigahertz (GHz). La serie SoC multiprotocollo SiMG301 non solo supporta le stesse opzioni Bluetooth, ma aggiunge anche il supporto per il livello fisico (PHY) IEEE 802.15.4 e il livello di controllo dell'accesso multimediale (MAC), adatto per reti wireless a bassa velocità dati, tra cui Zigbee, Matter over Thread e OpenThread. All'interno di ciascuna serie, diversi modelli offrono anche opzioni di configurazione aggiuntive, fornendo fino a 512 KB di RAM e 4 MB di memoria flash XIP (Secure On-Chip Execution) a quattro canali con interfaccia periferica seriale (QSPI). Indipendentemente dalla configurazione scelta, tutti i membri della serie SoC SixG301 possiedono le stesse funzionalità principali richieste per la prossima generazione di dispositivi IoT.
Le applicazioni IoT avanzate si basano su una connettività solida e la serie SixG301 è progettata per funzionare in modo affidabile anche negli ambienti ad alta densità e soggetti a interferenze tipici di queste applicazioni. Questa serie di radio wireless a bassa potenza (LPW) (Figura 3) integra un core del processore radio, RAM e percorsi di segnale di trasmissione e ricezione dedicati, fornendo un sottosistema di connettività completo.