Utilizzare la tecnologia IoT per salvare il mondo

Affrontare la crisi della sostenibilità della Terra è urgente

Di fronte alla sfida di passare a un'economia globale sostenibile, l'umanità deve trovare modi per mantenere la capacità di sopravvivere, prosperare e svilupparsi senza esaurire le risorse naturali del pianeta. Attualmente, la temperatura media della Terra sta aumentando. In un mondo che si riscalda di 2 gradi Celsius, ci saranno più ondate di calore, un aumento delle precipitazioni, una diminuzione dei rendimenti agricoli e un innalzamento del livello del mare, tutti fattori che minacciano la sopravvivenza umana. Agire in modo appropriato è urgente.

D'altra parte, dagli anni '80, l'industria elettronica si è sviluppata più rapidamente di quasi qualsiasi altra industria. È diventata un importante contributo alle economie di alcuni paesi e un elemento fondamentale nella produzione industriale di molti altri paesi, senza alcun segno di rallentamento nella crescita. Questa crescita è attribuita alla crescente domanda di elettronica di consumo.

Tuttavia, mentre la diffusione dei prodotti elettronici ha migliorato la vita di molte persone, potrebbe anche generare relativamente più rifiuti elettronici. Pertanto, devono essere adottate nuove pratiche nella lavorazione, produzione, distribuzione, vendita al dettaglio, riparazione e riciclaggio per ridurre la produzione di rifiuti elettronici, con il riciclaggio che svolge un ruolo centrale. Secondo le Nazioni Unite, attualmente il 20% dei rifiuti elettronici viene riciclato con successo. L'organizzazione ha annunciato un piano per ridurre significativamente la generazione di rifiuti entro il 2030 attraverso prevenzione, riduzione, riparazione, riciclaggio e riutilizzo.

L'IoT diventerà la piattaforma fondamentale per la tecnologia sostenibile

Mentre i consumatori e le aziende stanno cambiando le loro abitudini, proteggere il pianeta e le sue risorse per le esigenze future richiede anche l'implementazione diffusa di nuove tecnologie. L'IoT diventerà la piattaforma fondamentale per la tecnologia sostenibile. Secondo un rapporto di Transforma Insights e 6GWorld, "Sustainability in New and Emerging Technologies In 2030", la costruzione dell'IoT aumenterà significativamente il consumo globale di elettricità da ora fino al 2030. La produzione di soluzioni abilitate all'IoT consumerà 112 milioni di metri cubi di acqua, e gli idrocarburi utilizzati per distribuire e implementare soluzioni IoT aumenteranno i costi.

Tuttavia, il rapporto di Transforma conclude che gli impatti ambientali positivi delle applicazioni IoT renderanno i sacrifici iniziali del tutto degni di essere affrontati. Infatti, la tecnologia IoT genererà presto risparmi sufficienti a compensare i costi energetici della sua produzione e implementazione, e da quel momento in poi risparmierà circa otto volte l'energia impiegata. Il rapporto afferma che entro il 2030 i dispositivi IoT risparmieranno inoltre quasi 230 miliardi di metri cubi d'acqua, di cui il 35% grazie al miglioramento delle operazioni delle reti idriche e il resto grazie alle applicazioni agricole abilitate dall'IoT, come l'irrigazione intelligente.

I benefici del big data sono anche previsti come fondamentali per dimostrare l'impronta ambientale dell'IoT. Quando combinati efficacemente con applicazioni come il machine learning, l'IoT genererà grandi quantità di informazioni che aiuteranno individui e organizzazioni a comprendere meglio i loro costi energetici e a prendere decisioni ambientali informate. Inoltre, i principali benefici ecologici dell'IoT provengono principalmente dalle soluzioni aziendali che si manifestano tipicamente in una riduzione del consumo di elettricità, nell'abbassamento delle emissioni di carbonio o nella diminuzione del consumo di carburante o acqua, come avviene ad esempio attraverso le operazioni delle reti elettriche intelligenti.

Guardando al futuro, il numero di sensori IoT wireless e cellulari potrebbe superare i 50 miliardi, molti dei quali saranno alimentati a batteria. Oltre ai problemi di manutenzione, queste batterie potrebbero anche compromettere la sostenibilità dell'IoT. Materiali rari come il litio devono essere estratti, le batterie devono essere prodotte e distribuite a livello globale, e poi c'è l'importante questione dello smaltimento sicuro delle batterie esaurite.

Le soluzioni wireless future saranno più efficienti, ampliando notevolmente la gamma di applicazioni che possono raccogliere tutta la loro energia dall'ambiente. La prossima generazione di circuiti integrati per la gestione dell'energia (PMIC), progettati specificamente per dispositivi di raccolta energetica, stabilizzerà la raccolta di energia variabile e svolgerà un ruolo cruciale nel liberare i prodotti IoT dai vincoli delle batterie.

Soluzioni chip per soddisfare le esigenze dei dispositivi IoT

Per fornire funzionalità complete e gestione dell'energia per i dispositivi IoT, Nordic si impegna a lanciare soluzioni correlate, tra cui system-on-chip (SoC), circuiti integrati per la gestione dell'energia (ICs), moduli front-end RF (FEMs), kit di sviluppo software e piattaforme per la costruzione di prototipi, al fine di assistere i clienti nello sviluppo di dispositivi IoT.

Innanzitutto, l'nRF52832 è un versatile SoC Bluetooth 5.4 che supporta Bluetooth Low Energy (BLE), Bluetooth Mesh e NFC. L'nRF52832 è un SoC multiprotocollo di uso generale che affronta le sfide delle applicazioni che richiedono funzionalità avanzate di Bluetooth® Low Energy, la concorrenza dei protocolli e un ricco set di periferiche e funzionalità. Inoltre, offre una memoria generosa per flash e RAM.

Il nRF52832 utilizza un multiprotocollo con piena concorrenza dei protocolli. Supporta il Bluetooth Low Energy, inclusa la trasmissione ad alta velocità a 2 Mbps. Il Bluetooth Mesh può funzionare simultaneamente con il Bluetooth Low Energy, consentendo agli smartphone di effettuare il provisioning, il commissioning, la configurazione e il controllo dei nodi della rete mesh. Supporta inoltre NFC, ANT e protocolli proprietari a 2,4 GHz.

Il nRF52832 è basato su una CPU Arm® Cortex™-M4 con unità a virgola mobile, operante a 64 MHz. Dispone di un tag NFC-A integrato per semplificare l'associazione e le soluzioni di pagamento. Include numerosi periferiche digitali e interfacce, come PDM e I2S per microfoni digitali e audio. Grazie a un sistema di gestione adattivo dell'alimentazione di precisione integrato, riesce a ottenere un consumo energetico estremamente basso.

Il nPM1300 è un circuito integrato per la gestione dell'alimentazione (PMIC) con funzionalità di gestione del sistema uniche. Il PMIC nPM1300 integra funzioni essenziali necessarie per i progetti embedded Bluetooth Low Energy in un pacchetto compatto, semplificando il design del sistema e consentendo tempi di funzionamento più lunghi e una ricarica efficiente della batteria con meno componenti.

Il nPM1300 è ottimizzato per la massima efficienza e dimensioni compatte e può essere configurato tramite un'interfaccia a due fili compatibile con I2C (TWI). Questa interfaccia consente un facile accesso e configurazione di una gamma di funzionalità avanzate di gestione del sistema, inclusi il reset forzato a due pulsanti, la misurazione del livello della batteria, il watchdog a livello di sistema, l'avviso di perdita di alimentazione e il recupero da un avvio non riuscito.

Il PMIC nPM1300 è progettato per fornire una regolazione efficiente dell'alimentazione per gli SoC delle serie nRF52 e nRF53 di Nordic, supportando protocolli wireless come Bluetooth Low Energy, LE Audio, Bluetooth mesh, Thread e Zigbee. Questo prodotto è una scelta ideale per prodotti IoT compatti avanzati, come dispositivi indossabili avanzati e applicazioni mediche portatili.

Il nPM1100 è un altro IC per la gestione dell'energia ultra-compatto progettato per la ricarica delle batterie e la distribuzione di energia, dotato di un regolatore buck configurabile a doppia modalità efficiente e un caricabatterie integrato. È un componente complementare alle serie di SoC Nordic nRF52® e nRF53®, garantendo una consegna affidabile dell'energia e un funzionamento stabile, ottimizzando al contempo la durata della batteria grazie all'elevata efficienza e alla bassa corrente di riposo. La sua forma estremamente compatta lo rende ideale per dispositivi indossabili, dispositivi medici connessi e altre applicazioni con vincoli di spazio, con un'area di utilizzo del PCB piccola quanto 23 mm².

Questo caricabatterie integrato è progettato per batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio, con una tensione di terminazione selezionabile di 4,1 o 4,2 V, supportando rispettivamente tensioni nominali di 3,6 e 3,7 V. È dotato di protezione termica integrata della batteria e selezione automatica di tre modalità di carica: carica di mantenimento, carica a corrente costante e carica a tensione costante.

Il regolatore buck step-down ad alta efficienza integrato nel nPM1100 può fornire fino a 150 mA di corrente con tensioni di uscita selezionabili di 1.8, 2.1, 2.7 o 3.0 V. È dotato di avvio morbido e transizione automatica tra modalità isteretica e PWM. Consente inoltre la modalità PWM forzata per garantire un funzionamento dell'alimentazione pulito. L'efficienza di conversione raggiunge fino al 92% e l'ingombro è di soli 27 mm², inclusi i componenti passivi.

Il nRF21540 di Nordic è un modulo front-end RF (FEM) progettato per estendere la portata di protocolli Bluetooth® Low Energy, Bluetooth® mesh, Thread, Zigbee e protocolli proprietari a 2,4 GHz. Il nRF21540 è un estensore di portata wireless "plug-and-play". Fornisce una connessione affidabile e robusta integrando un amplificatore di potenza (PA) e un amplificatore a basso rumore (LNA), rendendolo ideale per soluzioni wireless a breve raggio e a basso consumo energetico.

Il nRF21540 è un prodotto complementare che può essere utilizzato per migliorare il budget di collegamento dei SoC wireless avanzati multi-protocollo delle serie nRF52 e nRF53. Quando utilizzato con i SoC delle serie nRF52 o nRF53, la potenza di uscita TX a +20 dBm e il guadagno RX di 13 dB del nRF21540 RF FEM assicurano un eccellente miglioramento del budget di collegamento di 16-20 dB. Questo corrisponde a un aumento teorico della distanza di trasmissione di 6,3 fino a 10 volte.

Il nRF21540 è disponibile in un package QFN16 da 4x4 e come complemento al nRF21540 RF FEM. Nordic fornisce una scheda di sviluppo che può essere utilizzata per valutare le prestazioni del modulo RF front-end usando apparecchiature di laboratorio e per analizzarne le prestazioni in applicazioni pratiche quando combinato con i SoC delle serie nRF52 o nRF53. Le principali applicazioni progettate per il nRF21540 includono la casa intelligente, il tracciamento degli asset, l'audio e le applicazioni industriali.

Kit di sviluppo software e piattaforma di prototipazione IoT scalabile e unificata

Per accelerare lo sviluppo dei prodotti dei clienti, Nordic ha inoltre lanciato l'nRF Connect SDK (Software Development Kit), un insieme di strumenti per la creazione di prodotti basati su Bluetooth a basso consumo, Wi-Fi, IoT cellulare, Bluetooth Mesh, Thread, Zigbee e Matter.

Il nRF Connect SDK è un kit di sviluppo software scalabile e unificato progettato per la creazione di prodotti basati su tutti i dispositivi wireless delle serie Nordic nRF52, nRF53, nRF70 e nRF91. Offre agli sviluppatori un framework scalabile per sviluppare software ottimizzato per le dimensioni su dispositivi con memoria limitata, oltre a software potenti e complessi per dispositivi e applicazioni più avanzate. Integra Zephyr RTOS insieme a vari esempi, protocolli applicativi, stack di protocollo, librerie e driver hardware.

Inoltre, Nordic ha introdotto la piattaforma di prototipazione IoT Thingy:53, rendendo possibile la costruzione di prototipi e prove di concetto senza la necessità di hardware personalizzato. Thingy:53 si basa sul SoC wireless dual-core di punta di Nordic, nRF5340. La potenza di elaborazione e la capacità di memoria dei suoi dual processor Arm Cortex-M33 consentono di eseguire modelli di machine learning (ML) embedded direttamente sul dispositivo.

Thingy:53 è inoltre dotato di una varietà di sensori integrati, come sensori ambientali, sensori di colore e luce, accelerometri e magnetometri, tutti utilizzabili senza hardware aggiuntivo. È alimentato da una batteria ricaricabile Li-Po da 1350 mAh, che può essere ricaricata tramite un'interfaccia USB-C. Inoltre, dispone di un connettore JST esterno a 4 pin compatibile con gli standard Stemma/Qwiic/Groove per accessori hardware.

Conclusione

La tecnologia IoT sta trasformando il nostro mondo a una velocità e scala senza precedenti. Dalla costruzione di città intelligenti all'applicazione del monitoraggio ambientale e alla rivoluzione nel settore sanitario, l'IoT sta portando infinite possibilità alla società umana. Non solo migliora la qualità della nostra vita, ma svolge anche un ruolo chiave nell'affrontare le sfide globali. Grazie alla tecnologia agricola intelligente, possiamo utilizzare le risorse in modo più efficiente, ridurre gli sprechi e minimizzare l'inquinamento ambientale. Attraverso sistemi di trasporto intelligenti, possiamo alleviare la congestione e ridurre le emissioni di carbonio. Con dispositivi di monitoraggio medico e sanitario da remoto, possiamo offrire servizi medici di qualità superiore e migliorare i livelli di salute pubblica. Le soluzioni applicative IoT lanciate da Nordic possono accelerare lo sviluppo di prodotti IoT da parte dei clienti, rendendo opportuno per voi approfondirne la conoscenza e adottarle.