Soluzione di connettività wireless a basso consumo energetico per case smart

La Smart Home si riferisce a uno stile di vita in cui i dispositivi e i sistemi domestici sono interconnessi e comunicano tramite tecnologie informatiche avanzate, migliorando la comodità, la sicurezza, l'efficienza energetica e il comfort nella vita quotidiana. È diventata una delle applicazioni più popolari al giorno d'oggi. Tra queste, la tecnologia di connettività wireless a basso consumo utilizzata per interconnettere i dispositivi è diventata cruciale per le applicazioni di Smart Home. Questo articolo introdurrà l'attuale sviluppo della tecnologia di connettività wireless a basso consumo e le soluzioni correlate offerte da Nordic.

La tecnologia di connettività wireless a basso consumo collega tra loro dispositivi intelligenti

I sistemi smart home sono tipicamente costituiti da vari sensori, attuatori, dispositivi di rete e controller intelligenti, che permettono la comunicazione e il controllo remoto tra i dispositivi tramite la connettività Internet. Le applicazioni comuni per smart home includono sistemi di illuminazione intelligenti, sistemi di sicurezza intelligenti, controllo di elettrodomestici intelligenti, sistemi HVAC intelligenti, assistenti vocali e altoparlanti smart, tende e finestre intelligenti, intrattenimento domestico intelligente, sistemi di monitoraggio della salute e cucine intelligenti.   Questi dispositivi intelligenti spesso richiedono una tecnologia di connettività wireless a bassa potenza per collegarli tra loro, garantendo comunicazione e interconnessione comode. Attualmente, i principali protocolli di connettività wireless per le smart home includono Matter, Thread, Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Wi-Fi, Zigbee, Cellular IoT e NR+, ciascuno con caratteristiche specifiche per soddisfare diverse esigenze applicative. Di seguito, una breve panoramica di alcune delle principali tecnologie di connettività wireless, il loro sviluppo e le loro caratteristiche.

Materia

Matter fornisce una base comune su cui costruire un'applicazione, con l'obiettivo di ottenere interoperabilità tra dispositivi e ecosistemi, permettendo agli sviluppatori di creare facilmente soluzioni sicure e affidabili. Matter è stato inizialmente lanciato come progetto CHIP (Connected Home over IP) nel dicembre 2019. Le aziende fondatrici includono Amazon, Apple, Google, oltre ad altre società come Nordic, con l'intento di stabilire uno standard unificato per il livello applicativo dei dispositivi domestici interconnessi.   La soluzione Matter sarà in grado di interoperare con i principali ecosistemi per la casa intelligente, come Siri di Apple, Assistant di Google e Alexa di Amazon. Matter utilizza Thread, Wi-Fi ed Ethernet per la trasmissione, mentre Bluetooth Low Energy viene utilizzato per il commissioning. Tutti i dispositivi Matter basati su Thread richiedono la funzionalità Bluetooth Low Energy per aggiungere nuovi dispositivi alla rete.

Wi-Fi

Il Wi-Fi (Wireless Fidelity) è una tecnologia di comunicazione wireless utilizzata per la trasmissione di dati tra dispositivi. La tecnologia Wi-Fi consente ai dispositivi di comunicare e connettersi a Internet senza la necessità di connessioni cablate tradizionali, utilizzando segnali wireless. Attualmente, è una delle tecnologie di comunicazione wireless più utilizzate.   La Wi-Fi Alliance ha stabilito una serie di standard Wi-Fi, come 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac e 802.11ax (Wi-Fi 6), ciascuno dei quali introduce nuove tecnologie per migliorare velocità, affidabilità e prestazioni. L'ultima versione, Wi-Fi 6, è particolarmente vantaggiosa per applicazioni che richiedono connessioni wireless rapide, affidabili e ad alta capacità. Inoltre, i dispositivi per la casa intelligente, come termostati, telecamere di sicurezza e sistemi di illuminazione, possono trarre vantaggio dalla maggiore portata e copertura del Wi-Fi 6, così come dalla sua capacità di supportare più dispositivi su una singola rete e dalla comunicazione basata su IP.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Bluetooth Low Energy (BLE) è una variante della tecnologia Bluetooth specificamente progettata per offrire comunicazione a corto raggio in ambienti a basso consumo energetico. Una delle caratteristiche più significative della tecnologia Bluetooth Low Energy è il suo design a basso consumo, che la rende adatta a dispositivi che richiedono operazioni a lungo termine, come sensori, dispositivi indossabili e monitor di salute.   L'obiettivo del design di Bluetooth Low Energy è fornire comunicazione a corto raggio, generalmente compresa tra 10 metri e 100 metri, aiutando a prevenire consumi energetici inutili. Bluetooth Low Energy è progettato per stabilire connessioni rapidamente e trasmettere piccole quantità di dati in modo veloce. Questo è utile in scenari come la condivisione di piccoli file tra dispositivi mobili o il trasferimento di dati tra sensori e dispositivi mobili.

Discussione

Thread è un protocollo di comunicazione wireless a basso consumo energetico basato su IPv6 (Internet Protocol versione 6), progettato specificamente per l'Internet delle cose (IoT). È ottimizzato come protocollo a basso consumo energetico, adatto per scenari che coinvolgono la connessione di un gran numero di dispositivi a basso consumo. Riduce il consumo energetico dei dispositivi utilizzando modalità di sospensione a basso consumo, riattivazioni rapide e meccanismi flessibili di trasmissione dei dati.   Thread supporta l'auto-organizzazione, consentendo ai dispositivi di formare automaticamente reti senza un controller centrale. Questo facilita l'espansione della rete, poiché i nuovi dispositivi possono facilmente unirsi e partecipare alla rete. Basato su IPv6, Thread fornisce ai dispositivi indirizzi univoci a livello globale, permettendo loro di comunicare direttamente con Internet e supportando la comunicazione end-to-end.

Zigbee

Zigbee è un protocollo di comunicazione wireless progettato specificamente per comunicazioni a bassa potenza, basso tasso di dati e breve distanza, adatto a dispositivi alimentati a batteria che richiedono un funzionamento a lungo termine, come sensori e dispositivi per la casa intelligente. Uno degli obiettivi di progettazione di Zigbee è fornire comunicazioni a breve distanza, generalmente entro un raggio compreso tra 10 e 100 metri, rendendolo particolarmente adatto per la comunicazione a corto raggio tra dispositivi in aree come case intelligenti e sistemi di controllo industriale.   Zigbee supporta l'auto-organizzazione, permettendo ai dispositivi di unirsi e lasciare dinamicamente le reti senza la necessità di un controller centrale. Questo consente alle reti di adattarsi ai cambiamenti e di possedere un certo grado di resilienza. Il tasso di trasmissione dati di Zigbee è relativamente basso, rendendolo idoneo per trasmettere piccole quantità di dati, come dati di sensori e comandi di controllo, contribuendo così a ridurre il consumo energetico.

Internet delle cose cellulare (LTE-M e NB-IoT)

Quando si valuta la tecnologia Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) più adatta per la propria applicazione Internet of Things (IoT), è fondamentale considerare vari fattori oltre alle specifiche tecniche, poiché le prestazioni effettive potrebbero differire significativamente rispetto a quanto indicato dalle sole specifiche tecniche. Ecco alcuni motivi principali per cui l’IoT cellulare (compreso NB-IoT e LTE-M) potrebbe essere più idoneo per il tuo progetto IoT rispetto a LoRaWAN, Sigfox, Wi-SUN o altre tecnologie LPWAN.   L’IoT cellulare opera su bande di frequenza licenziate utilizzando l’infrastruttura globale esistente. Anche se richiede il pagamento di tariffe di abbonamento, garantisce un’ampia copertura, scalabilità, qualità del servizio integrata, affidabilità e sicurezza senza compromessi. Lo sviluppo delle tecnologie NB-IoT e LTE-M mira a facilitare applicazioni di comunicazione a basso consumo e massiva per dispositivi macchina.

SoC multiprotocol rivoluzionario supporta applicazioni IoT

Nordic offre un ampio portfolio di prodotti SoC (System-on-Chip) wireless multi-protocollo, tra cui il rivoluzionario e compatto SoC multi-protocollo a bassissimo consumo energetico, nRF54H20. Questo chipset vanta eccezionali capacità di elaborazione, ampia memoria, eccellente efficienza, oltre a una radio multi-protocollo all'avanguardia e funzionalità avanzate di sicurezza, permettendo agli sviluppatori di creare prodotti IoT innovativi.   Il nRF54H20 riduce le dimensioni del design sostituendo più componenti con SoC altamente integrati e può estendere la durata della batteria o ridurre le dimensioni della batteria, supportando l'elaborazione efficiente, una radio a bassissimo consumo energetico e una corrente di riposo minima. Supporta la trasmissione a lungo raggio, con una potenza TX di 10 dBm, una sensibilità RX di -100 dBm per Bluetooth Low Energy e di -104 dBm per 802.15.4. Il nRF54H20 riduce inoltre i rischi di sicurezza, offrendo una protezione avanzata tramite boot sicuro, aggiornamenti firmware sicuri, archiviazione sicura e difesa contro attacchi fisici.   Il nRF54L15 rappresenta il prossimo livello di SoC multi-protocollo, un SoC Bluetooth 5.4 a bassissimo consumo energetico con una radio multi-protocollo avanzata e funzionalità di sicurezza. La serie nRF54L offre ottime capacità di elaborazione ed efficienza, memoria ampliata e nuovi periferiche, il tutto racchiuso in un package più compatto.

I SoC Bluetooth Low Energy di punta soddisfano le esigenze delle applicazioni IoT complesse

Oltre ai già menzionati SoC nRF54H20 e nRF54L15, Nordic ha anche introdotto un modello di punta per il Bluetooth Low Energy, il SoC nRF5340. È il primo SoC della serie nRF53 e, a livello globale, il primo SoC wireless dotato di due processori Arm® Cortex®-M33. La combinazione di due processori flessibili e set di funzionalità avanzate lo rende una scelta ideale per l'audio Low Energy, dispositivi wearable avanzati e altre applicazioni IoT complesse.   L'nRF5340 è un SoC integrato che include un superset delle funzionalità più significative della serie nRF52®. Dispone di Bluetooth® 5.4, SPI ad alta velocità, QSPI, USB e può funzionare a temperature fino a 105 °C. Combina queste caratteristiche con prestazioni superiori, memoria e integrazione avanzate, riducendo al minimo il consumo di corrente. Offre anche funzionalità di sicurezza quali esecuzione fidata, root-of-trust e archiviazione sicura delle chiavi.   Inoltre, Nordic offre anche la serie nRF52, composta da sette SoC Bluetooth 5.4 multi-protocollo. Questi SoC integrano potenti ed efficienti CPU Arm Cortex-M4 a 64 MHz. La memoria flash varia da 192 KB a 1024 KB, mentre la RAM varia da 24 KB a 256 KB. La serie nRF52 offre opzioni sia più semplici e convenienti sia altamente avanzate, tutte con un consumo energetico ultra-basso.   Sia la serie nRF52 che la serie nRF53 si basano su SoC completamente flash-based, offrendo totale flessibilità e aggiornabilità ai vostri prodotti. Possono essere riprogrammati sia in fabbrica sia sul campo tramite Device Firmware Upgrade Over-The-Air (OTA DFU), consentendo aggiornamenti e aggiunte di funzionalità ovunque e in qualsiasi momento.   Per le applicazioni IoT, Nordic ha anche introdotto la serie nRF91 con tecnologia LPWAN. Questa serie raggiunge un livello di integrazione senza precedenti incorporando tutti i componenti rilevanti in moduli completi per la comunicazione e l'applicazione, all'interno di pacchetti System-in-Package (SiP) micro dimensionati: 10x16mm per nRF9160 SiP e nRF9161 SiP, 11x12mm per nRF9151 SiP e 7x11mm per nRF9131 Mini SiP. Questa integrazione consente design economici e compatti che le soluzioni concorrenti non possono eguagliare. Ad esempio, permette la creazione di tracker per animali alimentati a energia solare e dal peso minimo di soli 2,5 grammi.

Fornire una suite completa di IC e kit di strumenti per lo sviluppo software

Oltre agli SoC multi-protocollo, Nordic offre anche circuiti integrati (IC) complementari e kit di sviluppo software per accelerare lo sviluppo dei prodotti dei clienti. Ad esempio, l'nRF7002 è un IC Wi-Fi 6 di supporto a basso consumo, altamente sicuro e con coesistenza senza interruzioni, che garantisce una connettività Wi-Fi e un posizionamento basato su Wi-Fi (sniffing SSID del Wi-Fi hub locale) fluido. È progettato per essere utilizzato insieme agli attuali SoC Bluetooth della serie nRF52® e nRF53® di Nordic, oltre alla serie nRF91® di SiP per l'IoT cellulare. L'nRF7002 può anche essere utilizzato con dispositivi host non Nordic.   L'nRF7001 è il secondo dispositivo della serie nRF70 di IC Wi-Fi di supporto di Nordic, progettato per integrarsi facilmente con l'ultra-bassa potenza tecnologica già esistente di Nordic. Dispone di una radio a basso consumo da 2,4 GHz che garantisce una maggiore durata della batteria e consente senza problemi connessioni Wi-Fi 6 in varie applicazioni. Inoltre, c'è l'nRF7000, un IC Wi-Fi 6 di supporto che rappresenta una versione semplificata dell'nRF7002, specificamente pensata per il posizionamento Wi-Fi basato su SSID. Questo IC di supporto si concentra principalmente sulla scansione attiva e passiva dei punti di accesso Wi-Fi, fornendo soluzioni affidabili ed energeticamente efficienti per applicazioni basate sulla localizzazione.   Nordic offre anche l'nRF Connect SDK, un kit di sviluppo software per la costruzione di prodotti Bluetooth Low Energy, Wi-Fi, IoT cellulare, reti mesh Bluetooth, Thread, Zigbee e Matter. Questo SDK è un pacchetto software estensibile e unificato progettato per creare prodotti basati su tutti i dispositivi wireless di Nordic, tra le serie nRF52, nRF53, nRF70 e nRF91. Fornisce agli sviluppatori un quadro espandibile per costruire software ottimizzato in termini di dimensioni per dispositivi con memoria limitata e software robusto e complesso per dispositivi e applicazioni più avanzati. Integrato con Zephyr RTOS, include diversi esempi, protocolli applicativi, stack di protocollo, librerie e driver hardware per ridurre i tempi di sviluppo dei prodotti per i clienti.

Conclusione

Le case intelligenti possono migliorare la qualità della vita delle persone e innalzare il livello di intelligenza nelle abitazioni, rendendo questa tecnologia una direzione popolare per lo sviluppo delle applicazioni. Per garantire l'affidabilità e la sicurezza dei dispositivi e dei sistemi smart, è essenziale scegliere tecnologie di comunicazione wireless stabili e sicure per connettere tutti i dispositivi della casa intelligente. La serie di prodotti SoC multi-protocollo introdotta da Nordic può semplificare significativamente la progettazione dei prodotti per case intelligenti e migliorare la stabilità e la sicurezza del sistema. Pertanto, Nordic può essere il partner ottimale per lo sviluppo di prodotti correlati alla casa intelligente.