Einsatz von IoT-Technologie zur Rettung der Welt

Die Bewältigung der Nachhaltigkeitskrise der Erde ist dringend

Da die Menschheit vor der Herausforderung steht, zu einer nachhaltigen globalen Wirtschaft überzugehen, muss sie Wege finden, die Fähigkeit zu erhalten, zu überleben, zu prosperieren und sich zu entwickeln, ohne die natürlichen Ressourcen des Planeten auszuschöpfen. Derzeit steigt die durchschnittliche Temperatur der Erde. In einer Welt, die sich um 2 Grad Celsius erwärmt, wird es mehr Hitzewellen, verstärkten Niederschlag, geringere Ernteerträge und steigende Meeresspiegel geben – all diese Faktoren bedrohen das Überleben der Menschheit. Es ist dringend erforderlich, geeignete Maßnahmen zu ergreifen.

Andererseits hat sich seit den 1980er Jahren die Elektronikindustrie schneller entwickelt als fast jede andere Branche. Sie ist zu einem wichtigen Beitrag für die Wirtschaft einiger Länder und zu einem wichtigen Bestandteil der industriellen Produktion vieler anderer Länder geworden, ohne Anzeichen für ein nachlassendes Wachstum. Dieses Wachstum wird der steigenden Nachfrage nach Unterhaltungselektronik zugeschrieben.

Allerdings kann die Verbreitung elektronischer Produkte, obwohl sie das Leben vieler Menschen verbessert hat, auch relativ gesehen mehr Elektroschrott erzeugen. Daher müssen neue Praktiken in den Bereichen Verarbeitung, Herstellung, Vertrieb, Einzelhandel, Reparatur und Recycling eingeführt werden, um die Produktion von Elektroschrott zu reduzieren, wobei Recycling eine zentrale Rolle spielt. Laut den Vereinten Nationen werden derzeit 20 % des Elektroschrotts erfolgreich recycelt. Die Organisation hat einen Plan angekündigt, bis 2030 die Abfallerzeugung durch Prävention, Verringerung, Reparatur, Recycling und Wiederverwendung deutlich zu reduzieren.

Das IoT wird zur grundlegenden Plattform für nachhaltige Technologien werden.

Während Verbraucher und Unternehmen ihre Gewohnheiten ändern, erfordert der Schutz des Planeten und seiner Ressourcen für zukünftige Bedürfnisse auch die umfassende Einführung neuer Technologien. Das IoT wird zur grundlegenden Plattform für nachhaltige Technologie. Laut einem Bericht von Transforma Insights und 6GWorld mit dem Titel "Nachhaltigkeit in neuen und aufstrebenden Technologien im Jahr 2030" wird der Aufbau des IoT den weltweiten Stromverbrauch von jetzt bis 2030 erheblich steigern. Die Herstellung von IoT-fähigen Lösungen wird 112 Millionen Kubikmeter Wasser verbrauchen, und die für die Verteilung und Bereitstellung von IoT-Lösungen eingesetzten Kohlenwasserstoffe werden die Kosten erhöhen.

Der Transforma-Bericht kommt jedoch zu dem Schluss, dass die positiven Umweltauswirkungen von IoT-Anwendungen die anfänglichen Opfer vollständig lohnenswert machen werden. Tatsächlich wird IoT-Technologie bald genug Einsparungen generieren, um die Energiekosten ihrer Herstellung und ihres Einsatzes zurückzuzahlen, und ab diesem Zeitpunkt wird sie etwa das Achtfache an Energie einsparen. Der Bericht besagt, dass IoT-Geräte bis 2030 auch fast 230 Milliarden Kubikmeter Wasser einsparen werden, wobei 35 % auf verbesserte Wasserleitungsnetzbetriebe zurückzuführen sind und der Rest auf IoT-gestützte landwirtschaftliche Anwendungen wie intelligente Bewässerung.

Die Vorteile von Big Data werden voraussichtlich auch eine Schlüsselrolle bei der Demonstration des Umwelt-Fußabdrucks des IoT spielen. Wenn Big Data effektiv mit Anwendungen wie maschinellem Lernen kombiniert wird, wird IoT große Mengen an Informationen generieren, die Einzelpersonen und Organisationen dabei helfen, ihre Energiekosten besser zu verstehen und fundierte Entscheidungen in Bezug auf die Umwelt zu treffen. Darüber hinaus kommen die primären ökologischen Vorteile des IoT hauptsächlich aus Unternehmenslösungen, die sich typischerweise in Form von reduziertem Stromverbrauch, geringeren CO₂-Emissionen oder vermindertem Kraftstoff- oder Wasserverbrauch manifestieren, etwa durch den Betrieb intelligenter Stromnetze.

Mit Blick auf die Zukunft könnte die Anzahl der drahtlosen und zellularen IoT-Sensoren 50 Milliarden übersteigen, von denen viele batteriebetrieben sein werden. Neben Wartungsproblemen könnten diese Batterien auch die Nachhaltigkeit des IoT beeinträchtigen. Seltene Materialien wie Lithium müssen abgebaut werden, Batterien müssen hergestellt und weltweit verteilt werden, und dann gibt es das erhebliche Problem der sicheren Entsorgung erschöpfter Batterien.

Zukünftige drahtlose Lösungen werden effizienter sein und das Anwendungsspektrum erheblich erweitern, wodurch diese ihre gesamte Energie aus der Umgebung gewinnen können. Die nächste Generation von Stromversorgungs-ICs (PMICs), die speziell für Geräte zur Energiegewinnung entwickelt wurden, wird die Sammlung von variierender Energie stabilisieren und eine entscheidende Rolle dabei spielen, IoT-Produkte von den Einschränkungen durch Batterien zu befreien.

Chip-Lösungen zur Erfüllung der Anforderungen von IoT-Geräten

Um vollständige Funktionalität und Energiemanagement für IoT-Geräte bereitzustellen, ist Nordic engagiert, entsprechende Lösungen auf den Markt zu bringen, darunter System-on-Chips (SoCs), Energiemanagement-ICs, RF-Frontend-Module (FEMs), Software-Development-Kits und Prototypen-Bauplattformen, um Kunden bei der Entwicklung von IoT-Geräten zu unterstützen.

Zunächst ist der nRF52832 ein vielseitiges Bluetooth 5.4 SoC, das Bluetooth Low Energy (BLE), Bluetooth Mesh und NFC unterstützt. Der nRF52832 ist ein universeller, multiprotokollfähiger SoC, der die Anforderungen von Anwendungen erfüllt, die fortschrittliche Bluetooth® Low Energy-Funktionalität, Protokollkonkurrenz sowie eine breite Palette von Peripheriegeräten und Funktionen erfordern. Darüber hinaus bietet er großzügigen Speicher für Flash und RAM.

Der nRF52832 verwendet ein Multiprotokoll mit vollständiger Protokollkonkurrenz. Er unterstützt Bluetooth Low Energy, einschließlich der 2-Mbps-Highspeed-Übertragung. Bluetooth Mesh kann gleichzeitig mit Bluetooth Low Energy betrieben werden, wodurch Smartphones dazu in der Lage sind, Mesh-Netzwerkknoten bereitzustellen, zu konfigurieren und zu steuern. Außerdem unterstützt er NFC, ANT und proprietäre 2,4-GHz-Protokolle.

Der nRF52832 basiert auf einer Arm® Cortex™-M4-CPU mit einer Gleitkommaeinheit, die mit 64 MHz arbeitet. Er verfügt über einen integrierten NFC-A-Tag für vereinfachte Pairing- und Zahlungslösungen. Zudem umfasst er zahlreiche digitale Peripheriegeräte und Schnittstellen, wie PDM und I2S für digitale Mikrofone und Audio. Durch ein präzises adaptives Energieverwaltungssystem auf dem Chip erreicht er einen äußerst niedrigen Stromverbrauch.

Der nPM1300 ist eine integrierte Strommanagement-Schaltung (PMIC) mit einzigartigen Systemmanagement-Funktionen. Der nPM1300 PMIC integriert essenzielle Funktionen, die für eingebettete Bluetooth Low Energy-Designs benötigt werden, in einem kleinen Gehäuse. Dies vereinfacht das Systemdesign und ermöglicht längere Betriebszeiten sowie effizientes Laden von Batterien mit weniger Komponenten.

Der nPM1300 ist auf maximale Effizienz und kompakte Größe optimiert und kann über eine I2C-kompatible Zwei-Draht-Schnittstelle (TWI) konfiguriert werden. Diese Schnittstelle ermöglicht einen einfachen Zugriff auf und die Konfiguration einer Reihe fortschrittlicher Systemmanagementfunktionen, darunter Zwei-Tasten-Hard-Reset, Batterie-Füllstandsmessung, System-Level-Watchdog, Warnung vor Stromverlust und Wiederherstellung nach einem fehlgeschlagenen Bootvorgang.

Der nPM1300 PMIC wurde entwickelt, um eine effiziente Stromregelung für die nRF52- und nRF53-SoCs von Nordic zu gewährleisten, die drahtlose Protokolle wie Bluetooth Low Energy, LE Audio, Bluetooth Mesh, Thread und Zigbee unterstützen. Dieses Produkt ist eine ideale Wahl für fortschrittliche, kompakte IoT-Produkte wie moderne Wearables und tragbare medizinische Anwendungen.

Der nPM1100 ist ein weiteres ultra-kleines Power-Management-IC für das Laden von Batterien und die Energieversorgung. Er verfügt über einen effizienten, konfigurierbaren Buck-Regler mit zwei Betriebsmodi und einen integrierten Batterieladegerät. Als ergänzende Komponente zu den Nordic nRF52®- und nRF53®-SoC-Serien sorgt er für eine zuverlässige Energieversorgung und einen stabilen Betrieb, während er die Akkulaufzeit durch hohe Effizienz und niedrigen Ruhestrom maximiert. Dank seiner äußerst kompakten Bauform ist er ideal für tragbare Geräte, vernetzte medizinische Geräte und andere platzbeschränkte Anwendungen geeignet, mit einer PCB-Flächenbelegung von nur 23 mm2.

Dieses integrierte Batterieladegerät wurde für Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien entwickelt und bietet eine wählbare Abschlussspannung von 4,1 oder 4,2 V, die jeweils nominellen Spannungen von 3,6 und 3,7 V entspricht. Es verfügt über einen integrierten thermischen Schutz für Batterien und eine automatische Auswahl von drei Lademodi: Erhaltungsladung, Konstantstromladung und Konstantspannungsladung.

Der integrierte hocheffiziente Abwärtsregler (Step-Down-Buck-Regulator) des nPM1100 kann bis zu 150 mA Strom liefern, mit wählbaren Ausgangsspannungen von 1,8, 2,1, 2,7 oder 3,0 V. Er verfügt über einen sanften Start und einen automatischen Übergang zwischen hysteretischem und PWM-Modus. Außerdem erlaubt er den erzwungenen PWM-Modus, um eine saubere Stromversorgung sicherzustellen. Die Umwandlungseffizienz beträgt bis zu 92 %, und die Stellfläche beträgt lediglich 27 mm², einschließlich passiver Komponenten.

Der nRF21540 von Nordic ist ein RF-Frontend-Modul (FEM) zur Erweiterung der Reichweite von Bluetooth® Low Energy, Bluetooth® Mesh, Thread, Zigbee und 2,4-GHz-Proprietärprotokollen. Der nRF21540 ist ein "Plug-and-Play"-Funkreichweitenverstärker. Er bietet eine robuste Verbindungszuverlässigkeit, indem er einen Leistungsverstärker (PA) und einen rauscharmen Verstärker (LNA) integriert, was ihn ideal für energieeffiziente Funklösungen mit kurzer Reichweite macht.

Der nRF21540 ist ein ergänzendes Produkt, das verwendet werden kann, um das Link-Budget fortschrittlicher Multi-Protokoll-Wireless-SoCs der nRF52- und nRF53-Serie zu verbessern. In Kombination mit SoCs der nRF52- oder nRF53-Serie sorgen die +20 dBm TX-Ausgangsleistung und der RX-Gewinn von 13 dB des nRF21540 RF FEM für eine hervorragende Verbesserung des Link-Budgets von 16-20 dB. Dies entspricht einer theoretischen Erhöhung der Übertragungsreichweite um das 6,3- bis 10-Fache.

Der nRF21540 ist in einem 4x4 QFN16-Gehäuse erhältlich und als Ergänzung zum nRF21540 RF FEM vorgesehen. Nordic stellt ein Entwicklungsboard bereit, das zur Evaluierung der Leistung des RF-Frontend-Moduls mithilfe von Laborausrüstung sowie zur Beurteilung seiner Leistung in praktischen Anwendungen verwendet werden kann, wenn es mit den SoCs der nRF52- oder nRF53-Serie kombiniert wird. Die Hauptanwendungen, für die der nRF21540 ausgelegt ist, umfassen Smart Home, Asset Tracking, Audio und industrielle Anwendungen.

Skalierbares und einheitliches IoT-Software-Entwicklungskit und Prototyping-Plattform

Um die Produktentwicklung der Kunden zu beschleunigen, hat Nordic außerdem das nRF Connect SDK (Software Development Kit) auf den Markt gebracht, ein Toolset für die Entwicklung von Produkten mit Bluetooth Low Energy, Wi-Fi, Cellular IoT, Bluetooth Mesh, Thread, Zigbee und Matter.

Das nRF Connect SDK ist ein skalierbares und einheitliches Software Development Kit, das für die Entwicklung von Produkten auf Basis aller drahtlosen Geräte der Nordic nRF52-, nRF53-, nRF70- und nRF91-Serie konzipiert wurde. Es bietet Entwicklern ein skalierbares Framework zur Erstellung speicheroptimierter Software für speicherbeschränkte Geräte sowie leistungsstarker und komplexer Software für fortgeschrittenere Geräte und Anwendungen. Es integriert das Zephyr-RTOS zusammen mit verschiedenen Beispielen, Anwendungsprotokollen, Protokoll-Stacks, Bibliotheken und Hardware-Treibern.

Darüber hinaus hat Nordic die Thingy:53 IoT-Prototyping-Plattform vorgestellt, die es ermöglicht, Prototypen und Machbarkeitsstudien zu erstellen, ohne spezielle Hardware entwickeln zu müssen. Die Thingy:53 basiert auf dem führenden Dual-Core-Wireless-SoC nRF5340 von Nordic. Die Verarbeitungsleistung und Speicherkapazität seiner dualen Arm Cortex-M33-Prozessoren erlauben es, eingebettete Machine-Learning- (ML-) Modelle direkt auf dem Gerät auszuführen.

Der Thingy:53 ist außerdem mit einer Vielzahl integrierter Sensoren ausgestattet, wie Umweltsensoren, Farb- und Lichtsensoren, Beschleunigungsmesser und Magnetometer, die alle ohne zusätzliche Hardware verwendet werden können. Er wird von einem 1350-mAh-Li-Po-Akku betrieben, der über eine USB-C-Schnittstelle aufgeladen werden kann. Darüber hinaus verfügt er über einen externen 4-Pin-JST-Anschluss, der mit den Stemma/Qwiic/Groove-Standards für Hardware-Zubehör kompatibel ist.

Fazit

Die IoT-Technologie transformiert unsere Welt in bisher ungekanntem Tempo und Umfang. Von dem Aufbau smarter Städte über die Anwendung von Umweltüberwachung bis hin zur Revolution im Gesundheitswesen bringt IoT unendlich viele Möglichkeiten für die menschliche Gesellschaft. Sie verbessert nicht nur unsere Lebensqualität, sondern spielt auch eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung globaler Herausforderungen. Durch intelligente Landwirtschaftstechnologien können wir Ressourcen effizienter nutzen, Abfälle reduzieren und Umweltverschmutzung minimieren. Durch intelligente Transportsysteme können wir Staus verringern und den Kohlendioxid-Ausstoß reduzieren. Durch medizinische Fernüberwachungsgeräte können wir hochwertigere medizinische Dienstleistungen anbieten und das öffentliche Gesundheitsniveau erhöhen. Die von Nordic eingeführten IoT-Anwendungslösungen können die Entwicklung von IoT-Produkten für Kunden beschleunigen, was es lohnenswert macht, sie besser zu verstehen und anzuwenden.