産業用IoTアプリケーション向けの低電力Wi-Fiワイヤレス接続ソリューション

産業用IoT機器およびシステム向けのワイヤレス接続

ワイヤレス接続テクノロジーは、産業オートメーション、ビルオートメーション、農業、ヘルスケアなど、さまざまな業界に大きな変化をもたらしました。これらの業界は、リアルタイムのセンサー データ、自動化、リモート制御の利点を享受しています。IIoTはワイヤレス テクノロジーを活用して、機械の状態に関するより深い洞察を獲得し、計画外のダウンタイムを排除し、スループットを最適化します。

まず、ワイヤレス接続により、市場投入までの時間が短縮され、モビリティが向上します。産業環境で有線ネットワークを拡張するには、綿密な計画と面倒なハードウェアのインストールが必要です。ワイヤレス テクノロジーにより、企業は設計上の制限を回避し、より柔軟に新しいデバイスを導入できます。センサーやエッジ デバイスは施設に簡単に追加できますが、配線は床下、壁の後ろ、または天井の上に設置または配線する必要があります。

一方、有線接続では配線や人件費などの費用がかかるため、ワイヤレス ネットワークを設定すると、かなりのコストを節約できます。さらに、ワイヤーが故障した場合、修理や交換のコストが高額になる可能性があります。さらに、ワイヤレス ネットワークにより、リモート監視と資産管理がよりアクセスしやすくなります。作業者は、通常は有線接続を必要とする潜在的に危険な状況に対処する必要がなくなり、安全性と効率性が向上します。

Wi-Fiは、その広範なインストールベースのおかげで、現在最も広く使用されている無線プロトコルです。Wi-Fiは、広く採用され、インフラストラクチャが確立され、相互運用性があるため、IoTワイヤレス アプリケーションにとって魅力的なプロトコルとなっています。多くの製造および産業用アプリケーションはWi-Fiに依存しています。

一方、クラウドを介したリモート監視は、ほとんどの企業にとって依然として最優先事項です。クラウド サービスは、既存のWi-Fiネットワーク内に簡単に導入できます。エッジ人工知能/機械学習 (AI/ML) テクノロジーの台頭により、エッジ コンピューティングを導入する企業が増えています。エッジ コンピューティングでは、デバイスの近くでAI/MLアルゴリズムを実行して、レイテンシを削減し、処理を拡張します。デバイスの近くで決定を下すことで、大量のデータを送信するために高い帯域幅を必要とする予防および予測対策を必要とするアプリケーションに対して、より高い信頼性とより速い応答時間を提供できます。さらに、大量のデータ転送や無線 (OTA) ファームウェア更新が必要な場合、限られた時間内に大量のデータを転送するにはWi-Fiが適しています。

産業用IoTにおける低電力Wi-Fiの付加価値

産業用アプリケーションでは、他の分野と比較して、より厳しい環境になることがよくあります。接続されたデバイスやセンサーは遠隔地に設置されることが多く、バッテリー寿命やメンテナンスに関連する物流上の問題が発生します。ルーター、携帯電話、ゲートウェイなどのインフラストラクチャ デバイスで使用される従来のWi-Fiは、低電力デバイスがシステムのバックボーンであり、バッテリー寿命が重要である産業環境には適さない可能性があります。

一方、低電力Wi-Fiは、送信、受信、スリープ モード中の電力消費に関して大きな利点があり、すべてのエンド ノード デバイスのバッテリ寿命を大幅に延長します。これにより、多くの産業用IoTアプリケーションに大きな価値が生まれます。バッテリー駆動のワイヤレス デバイスが新しいリモート監視アプリケーションの設計で好まれる選択肢となっているため、低電力Wi-Fiを使用すると非常に有利になります。低電力Wi-FiをBluetooth/Bluetooth LEと組み合わせて、ローカル接続とクライアントの機能を拡張できます。

低電力でコスト効率に優れたIIoTアプリケーションを導入する場合、Wi-Fi使用時のエネルギー消費を慎重に考慮することが不可欠です。バッテリー駆動のエンドノードデバイスは低電力を必要とするため、従来のWi-Fiはこのようなアプリケーションには適していません。ただし、Wi-Fiは優れた速度と帯域幅を提供するため、産業環境では有利です。

さらに、ワイヤレス スタックとネットワーク スタックを統合することは、IoT開発プロセスを簡素化する上で非常に重要です。したがって、ワイヤレスとネットワーク スタックの統合は、ワイヤレス ソリューションと連携して進むことが期待されます。さらに、クラウド接続と主要なクラウド プロバイダーとの完全なクラウド接続が重要な要件であり、ミッション クリティカルな運用におけるオンライン攻撃や物理攻撃を防ぐためにセキュリティが不可欠です。コストとサイズもIoTの重要な要素であり、ユースケースによって異なります。

低電力Wi-Fiは、資産追跡装置、スマート メーター、臨床医学、POSシステム、ガレージ ドア オープナー、HVACシステム、身体装着型レコーダー、電動工具、アフターマーケット テレマティクス、データ ロガー/ワイヤレス センサー、産業用ウェアラブルなど、IIoT内の幅広い業界や分野で応用されています。

Wi-Fi 6はIIoTにおけるワイヤレス導入を促進する

今日のほとんどのIIoTデバイスは、消費電力が低く、コストが低く、範囲が広いため、2.4 GHz Wi-Fi 4を使用しています。しかし、チャネルが限られていることや、Bluetooth Classic、Bluetooth Low Energy、Zigbeeなどの他のプロトコルも同じスペクトルを使用していることから、スペクトルはますます混雑してきて、ここでWi-Fi 6が登場します。

ほとんどのルーターとラップトップにはすでにWi-Fi 6機能が搭載されており、Wi-Fi 6機能を備えたIIoTエンドノード デバイスも勢いを増しています。Wi-Fi 6は、密集した環境で多数の共存デバイスをサポートするOFDMAやMU-MIMOなどの機能により、2.4 GHzスペクトルであっても多数の共存デバイスがある環境に適しています。これにより、コストと電力消費の増加につながる5 GHzまたは6 GHzに移行する必要がなく、多数のIIoTデバイスを2.4 GHzスペクトルで共存させることができます。アプリケーションには、臨床医学、電動工具、産業用ウェアラブルなどがあります。

さらに、Wi-Fi 6で導入された新機能であるTarget Wake Time (TWT) により、消費電力を削減できます。TWTにより、エンド デバイスは定期的に起動するのではなく、指定された時間に起動してデータをチェックできるため、消費電力が大幅に削減されます。これは、すべてのバッテリー駆動デバイスにとって非常に重要です。

接続デバイスの数の増加、データ需要の増大、複数のデバイスと相互運用できるプロトコルの必要性により、Wi-Fiは産業市場にますます浸透しています。Silicon Labsは現在、IoT Wi-Fi 4製品を提供しており、統合ワイヤレス スタック、ネットワーク スタック、クラウド接続、モノのインターネット向けのクラス最高のセキュリティを実現しています。これに続き、Silicon Labsは、IIoTアプリケーションの需要をさらに満たすために、SoCやモジュールを含むIoT Wi-Fi 6製品を導入しました。

Wi-FiとBluetoothを組み合わせた高度に統合されたソリューション

Silicon Labsは、SiWx915、SiWx917、RS9116、WF200など、さまざまなWi-Fiチップを発表しました。SiWx915は、Wi-Fi®、Bluetooth Low Energy、Matter、IPネットワークでの使用に適しており、ライン電源またはエネルギー効率の高いIoTデバイスを対象としています。一方、SiWx917は、超低消費電力と常時クラウド接続を求めるバッテリー駆動のIoTデバイス向けに設計されています。RS9116は、Wi-Fi 4やデュアルモードBluetooth 5を含む、包括的なマルチプロトコルの超低電力ソリューションを提供します。WF200は、安全で低電力のIoT Wi-Fiアプリケーションに最適なWi-Fiトランシーバーです。

SiWx915は、Wi-Fi 6とBluetooth Low Energy 5.4を搭載したワイヤレスSoCです。Bluetooth Low Energy機能を備えた低電力Wi-Fi 6 SoCを搭載し、最高のセキュリティ (WPA3、PSAレベル2) を備えたエネルギー効率の高いIoTデバイスを実現します。最大8 MBのフラッシュ メモリを搭載し、FPUを備えたARM® Cortex®-M4を統合しているため、さまざまなアプリケーションに適しており、Matterプロトコルをサポートしています。

SiWx915 SoCには、Wi-Fi 6とBluetooth Low EnergyワイヤレスCPUサブシステム、統合マイクロコントローラ (MCU) アプリケーション サブシステム、セキュリティ機能、メモリ、周辺サブシステムが含まれており、すべて1つの6 x 6 mm QFNパッケージに統合されています。ワイヤレス サブシステムは、最大160 MHzの周波数で動作するマルチスレッド プロセッサ (ThreadArch®)、ベースバンド デジタル信号処理、アナログ フロント エンド、2.4 GHz RFトランシーバー、およびパワー アンプから構成されます。

一方、Silicon LabsのSiWx917は、バッテリー駆動のIoTデバイス向けに設計されたWi-Fi 6とBluetooth Low Energy 5.4を搭載したワイヤレスSoCです。AI/MLアクセラレータ、FPU付きARM® Cortex®-M4、強化されたセキュリティ (WPA3、PSAレベル2)、PSRAM、最大8 MBのフラッシュ メモリを統合し、Matterプロトコルをサポートします。

SiWx917 SoCは最も低消費電力のWi-Fi 6 SoCであり、安全なクラウド接続のためにWi-Fi®、Bluetooth、Matter、IPネットワークを使用しながら長いバッテリー寿命を必要とする超低消費電力IoTワイヤレス デバイスに最適です。SiWx917 SoCには、超低電力Wi-Fi 6とBluetooth Low Energy 5.4ワイヤレスCPUサブシステム、統合マイクロコントローラ (MCU) アプリケーション サブシステム、セキュリティ機能、周辺機器、および電源管理サブシステムが含まれており、すべて単一の7 x 7 mm QFNパッケージに統合されています。

製品開発を加速するために、Silicon LabsはSiWx917 Wi-Fi 6とBluetooth Low Energy 5.4 Proキットを導入しました。SiWx917 Proキットは、SiWx917超低電力SoCをベースにしたワイヤレスIoTデバイスの開発をサポートするように設計されています。

Silicon Labsのもう1つの製品は、Wi-Fi 4とデュアル モードBluetooth 5のサポートを含む包括的なマルチプロトコル超低電力ソリューションを提供するRS9116 Wi-Fi NCP SoCです。ホストとしてEFR32MG24と組み合わせると、RS9116 NCPはMatterプロトコルもサポートします。

Silicon LabsのRS9116 QMSシングルバンド ワイヤレスSoCは、802.11 b/g/n (2.4 GHz) やデュアルモードBluetooth 5を含む包括的なマルチプロトコル ワイヤレス接続ソリューションを提供します。ワイヤレスSoCは、高スループット、拡張範囲、電力最適化されたパフォーマンスを提供します。FCC、IC、ETSI/CE認証を取得しています。

Silicon Labsは、RS9116X EVK1 Wi-Fi plus Bluetooth開発キットも発表しました。RS9116シングルバンド評価ボードは、802.11 b/g/n (2.4 GHz) およびデュアルモードBluetooth® 5を含む完全なマルチプロトコル ワイヤレス接続ソリューションを提供し、RS9116ファミリのSoCおよびモジュールをサポートします。

WF200シリーズ2 Wi-FiトランシーバーICは、安全で低電力のIoT Wi-Fiアプリケーションに適しています。送受信時の消費電力が低い、Wi-Fi 4事前認定SiPです。EFR32MG24と組み合わせると、WF200はMatterプロトコルもサポートします。このトランシーバーは、混雑したRF環境での低消費電力と最適なRFパフォーマンスを実現するように最適化されています。LinuxベースおよびRTOSベースのホスト システムをサポートし、完全なWi-Fiソリューションを提供します。高速SPIおよびSDIOホスト インターフェイスを提供し、柔軟性とスループットを実現します。オプションのセキュア リンク インターフェイスによりセキュリティが強化されます。WF200のパッケージ サイズは4 x 4 mmと小さく、DTIM3に準拠しており、消費電流は298 µA未満です。

WF200 Wi-Fi拡張キットSLEXP8022Aには、すぐにLinux開発を開始できるRaspberry Piコネクタと、Silicon LabsのMCUおよびワイヤレスMCUの開発に使用できるEXPコネクタが組み込まれています。

結論

IIoT向けの低電力Wi-Fiワイヤレス接続は第4次産業革命を推進しており、IIoTスマート ソリューションにより、計画外のダウンタイムを排除し、運用プロセスを最適化し、生産性を最大化できます。市場の潜在性は大きい。Silicon Labsの低電力Wi-Fiソリューションは、Bluetoothプロトコルとセキュリティ機能を備えており、IIoTワイヤレス接続アプリケーションの要件を満たし、IIoTデバイスの開発に最適です。