IoTアプリケーション向けのワイヤレス接続テクノロジーが急成長しています。Threadネットワーク プロトコルは、信頼性が高く、低電力のIoT通信のためのオープン スタンダードです。Thread向けのArrow-NXPソリューションは設計にどのような効果をもたらしますか?
モノのインターネット (IoT) と新しいワイヤレス接続テクノロジの出現により、プロトコルの状況は変化しています。エンドデバイス (センサー) データを運用システムやさまざまなドメインと統合することの価値は、さまざまなシステムでワイヤレス プロトコルを使用する新しい機会を生み出しています。現在、センサーと測定デバイスがワイヤレス プロトコルの主なユーザーです。プロトコルと接続の要件は、範囲、消費電力、信頼性、データ レート、セキュリティ、アドレス指定などのパラメータを定義するアプリケーションのニーズに基づいて、ネットワーク階層全体で異なります。最も一般的なワイヤレス テクノロジには、802.11.x Wi-Fi、Bluetooth、セルラー、独自の無認可ISM無線、およびZigBeeなどの802.15.4ベースのプロトコルがあります。
これらのプロトコルはさまざまな目的に使用され、それぞれに長所と短所があります。たとえば、Bluetoothの範囲は約30フィートに制限されており、デバイスは2台ずつのペアでしか接続できません。これにより、複数のスマート デバイスの管理がはるかに困難になるため、スマート ホームなどのアプリケーションではBluetoothの有用性が制限されます。Wi-Fiは、高帯域幅が必要な場合に適していますが、消費電力が高いため、常時オンのバッテリー駆動アプリケーションには適していません。ZigBeeプロトコルは、家庭用および照明用アプリケーションで採用されていますが、IPアドレス指定ができず、実装が面倒で、消費者が望むほど標準化されていません。プロトコル環境におけるこれらのギャップを解決するために、2014年にThreadネットワーク プロトコルが作成されました。
Threadスタックは、2.4GHz帯域で250Kbpsで動作するIEEE 802.15.4標準 (図1) に基づいています。これは、信頼性が高く、コスト効率が高く、低電力のデバイス間通信のためのオープン スタンダードです。IPベースのネットワークが必要なアプリケーション向けに特別に設計されています。
図1: プロトコルスタックの比較
次のセクションでは、Threadプロトコルの概要、つまりThreadがマルチプロトコル環境で使用される利点、アプリケーション、ユースケースについて説明します。さらに、Arrowのチップおよびモジュール レベルの設計に関する製品についても説明します。
スレッドプロトコルの概要
Threadスタックは、2.4GHz帯域で250Kbpsで動作するIEEE 802.15.4標準 (図2) に基づいています。IPアドレス指定に6LoWPANプロトコルを使用することで、Threadはネットワーク上のデバイスがルーター経由でWi-Fiにアクセスし、相互に通信できるようにします。1つのネットワークに250台を超えるデバイスを接続できます。Threadは主にホームオートメーション用に構築されましたが、街灯やビルオートメーションなど、さまざまな産業環境でも関連性が見出されています。これらのアプリケーションでは、デバイスの直接アドレス指定と単一障害点がないという利点において、Threadの強みを活用できます。
図2a: スレッドプロトコルスタック 図2b: スレッドベースのホームネットワーク
Threadプロトコルの利点は次のとおりです。
• IPアドレス可能: すべてのデバイスへの直接アドレス指定可能 - デバイス間またはデバイスからクラウドまで。 家庭内の任意のデバイス（専用ディスプレイ、スマートフォン、タブレットなど）でのユーザーインタラクションへのシームレスな接続
• シンプルなネットワークのインストール、起動、操作: 簡素化されたコミッショニング プロセスにより、デバイスはネットワークに接続したり切断したりすることができ、簡単に永久に削除できます。さらに、Thread Networksでは、システムが自動的に構成され、ルーティングの問題が発生すると修正できるため、管理が簡素化されます。
• 安全な： デバイスは承認されない限りThreadネットワークに参加せず、すべての通信は暗号化され安全です。銀行クラスのAESセキュリティとコミッショニング機能が、IPスタックのすべての層に含まれています。
• 単一障害点なし: スタックは、個々のデバイスの障害や損失が発生した場合でも、安全で信頼性の高い操作を提供します。
• 低電力: ホスト デバイスは通常、適切なデューティ サイクルを使用したAA型電池で数年間動作します。さまざまなアプリケーションとの相互運用性。
• アプリケーション層の柔軟性: スレッドはアプリケーション層を定義しません。 これにより、スレッドベースの実装では、ZigBee、Weave、All Joyn、IoTivityなどの業界標準を実装する柔軟性が得られます (図3)。
• 急速に成長するネットワーク: Thread Groupは2014年に設立されて以来、消費者および産業分野にわたる300社を超える業界リーダーがメンバーとなっています。 この急速に成長しているネットワークは、急速な採用率と、今後数年間に発売される予定のThreadベースの多種多様な製品を示しています。
• 認定可能: 2016年第4四半期から、Threadベースの製品の認定が可能になります。 これにより、多くのドメインおよびアプリケーション セグメントにわたる他のThreadデバイスとの相互運用性が確保されます。
図3: スレッドはあらゆるアプリケーション層を組み込む柔軟性を提供します
スレッドによるマルチプロトコル環境
IoTの進化により、競争力を維持し、市場での受け入れを拡大するには、デバイスが複数のプロトコルをサポートする必要があります。マルチプロトコルの実装を可能にするために、NXPなどのシリコン プロバイダーは、Thread、Bluetooth、ZigBeeなどの複数のワイヤレス標準をサポートするチップとモジュールを (直接またはエコシステム パートナー経由で) 提供しています。以下は、単一のプラットフォームで複数のプロトコルを有効にするユースケースです。
1.将来を見据えたテクノロジー: ZigBeeは照明などのアプリケーションで主流のプロトコルであり、Threadはすぐに照明市場の主流になるでしょう。 OEMは、自社の製品を将来にわたって使い続けられるようにし、両方のオプションを組み合わせて、大幅な再設計や市場投入までの時間のトレードオフなしに将来の選択肢を確保する必要があります。
2.ゲートウェイ、ハブ、ルーター: ゲートウェイは、複数のドメイン (例: HVAC、照明、セキュリティ、家電製品など) にわたるセンサー、メーター、コントロールなどのさまざまなデータ ノードの統合ポイントとして機能します。 さらに、リモート アプリケーション プラットフォームへの重要な接続を実現する役割も果たします。 これらの機能をサポートするには、ゲートウェイは複数のプロトコルをサポートし、多くのアプリケーションや製品とシームレスにインターフェースする必要があります。
3. Threadベース製品のBluetoothまたはNFCコミッショニング: すべてのデバイスは、最初にプロビジョニングして、アクセスと接続用に構成する必要があります。この初期設定は大量のリソースを消費する可能性があり、ユーザーの不満やセキュリティおよび認証の問題につながることがよくあります。さらに課題を複雑にしているのは、エンドデバイスの多くが最小限のリソースで動作し、試運転を容易にするキーボードや機能豊富なディスプレイなどの従来の入力インターフェースを備えていない可能性があることです。デバイスメーカーは、Threadデバイスの初期コミッショニングのためのより簡単なメカニズムを模索しています。デバイスのコミッショニングとネットワークへの容易な追加には、BluetoothまたはNFCが推奨されるメカニズムです。
4. リモートとローカルの両方の管理機能: ポイントツーポイント インターフェイス (Bluetoothなど) とネットワーク プロトコル (Threadなど) を組み合わせることで、ユーザーはデバイスをローカルまたはリモートで柔軟に制御または監視できます。 ドアロックやHVACシステムなどの製品は、Bluetoothを使用してスマートフォンでローカルに制御したり、Thread経由でリモート管理したりできます。
Thread向けArrow-NXPソリューション
IPアドレス指定、単一障害点の排除、柔軟なアプリケーション層、安全な認証、コミッショニングは、Threadの採用を促進する利点です。採用率を予測することは困難ですが、Threadに対する期待は高まっています。OEMは、アプリケーションの将来性を確保し、コストのかかる設計のやり直しや、最悪の場合、市場機会の喪失を回避する手段として、Threadを自社製品に組み込むことでメリットを得ることができます。
Arrow Electronicsは、OEMが最新の設計にThreadを正常に実装できるように、専門知識、リソース、製品を提供しています。ArrowはNXPと密接に連携して、OEMに幅広いThreadベースのデバイスを提供しています。さらに、ArrowはThreadメンバーであり、Threadの市場開発に取り組んでいます。以下の表は、ArrowのNXPベースのスレッド オファリングをまとめたものです。
表1: ArrowのNXPベースのスレッド製品の概要
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