スマートホームにおける多様な無線技術を統合したモノのインターネット（IoT）の応用

ZigBeeはメッシュトポロジーとゲートウェイを組み合わせてネットワークを形成します

ZigBee (802.15.4) と BLE (Bluetooth ® Low Energy) は、現在市場で利用されている IoT ワイヤレス低消費電力プロトコルの中で最も人気のある2つであり、それぞれに独自の利点と欠点があります。ZigBee は、中距離で少量のデータを送信するために設計されたメッシュネットワークプロトコルです。これはメッシュトポロジーネットワーク上で動作し、1つのセンサーノードからの情報が複数の（または「メッシュ」）モードを通過しながら、ゲートウェイに到達するまで送信される仕組みになっています。   ZigBee はローカルエリアネットワーク (LAN) です。そのため、ホームオートメーションやスマート照明に最適なプロトコルです。ZigBee はより広い範囲で活用可能ではありますが、それでも用途は限られており、産業用 IoT アプリケーションのような多数の計測機器が使用される環境ではベストな選択肢とは言えません。ZigBee ネットワークではメッシュ トポロジーの影響で待ち時間が長くなり、複数のノードが1つのノードを通じてゲートウェイに接続しようとするとボトルネックが発生する可能性があります。

短いBLEネットワーク範囲と高いデータ転送速度

BLEはユーザーの近くにあるデバイスと接続するために設計されたパーソナルエリアネットワーク (PAN) であるため、BLEのネットワーク範囲はZigBeeよりもはるかに短いですが、データ速度ははるかに高速です。BLEの短時間のデータ伝送速度は2 Mbit/sです。さらに、BLEはこれらの短い伝送の間に「スリープ」状態になることができるため、より少ないデータと電力を使用します。この機能はZigBeeにはありません。   多くのBLEアプリケーションはスマートフォンをゲートウェイとして使用するように設計されていますが、これはスマートフォンが近くにある場合のみ機能します。スマートウォッチやフィットネスバンドなどのウェアラブルデバイスも対応可能です。一方で、商業や産業用途で使用されるセンサーは多くの場合無人であるため、スマートフォンのゲートウェイを実装するのが非現実的、または不可能となることがあります。

BLEとZigBeeで強力なPANおよびLANを構築する

実際には、BLEとZigBeeは互いに補完し合うことができます。一部の開発者は、BLEとZigBeeの組み合わせが非常に強力なPANおよびLANデバイスを作り出せることを発見しています。   スマートドアロックを例に挙げると、ユーザーはスマートフォンを使用してBLEリンク経由でロックを開けることができます。同じドアロックをZigBeeを介してホームルーターに接続し、インターネット接続を通じて制御することも可能です。その結果、オーナーがドアに近づくと、スマートフォンがセルラーネットワークまたはWi-Fiを使用してルーターと通信し、ルーター内のZigBeeスタックを使用して自動的にドアを開けることができます。しかし、もしインターネット接続が停止した場合でも、ユーザーはスマートフォンを使用してBLE経由でドアロックを開けることができます。

ダブルプロトコル対応のIoTプラットフォームのリファレンス設計

Arrow Electronicsは、STM32WBを使用したZigbeeおよびBLE対応のリファレンスデザインも提供しています。このソリューションは、同じハードウェアでZigbeeおよびBLEスタックをサポートでき、RFフロントエンドICも統合されており、モジュールが長距離アプリケーション向けに20dBmの出力を生成することが可能です。また、リファレンスアプリケーションはZigbeeおよびBLEスタックを同時に動作させることもできます。   STM32WBは、デュアルコア対応、マルチプロトコル、超低消費電力の2.4GHz MCUシステムオンチップです。BLE 5.0およびIEEE 802.15.4プロトコル（単独動作および同時動作モード）をサポートしており、幅広いIoT用途のニーズに対応します。このモジュールは、STの高性能な超低消費電力MCUを基盤としており、開発時間の短縮、BOMコストの削減、アプリケーションのバッテリー寿命の延長を可能にする多様なペリフェラルセットを備えています。同じ製品ラインのパッケージを中心に、コンパクトなフォルムで完全なリファレンスデザインを統合しており、幅広い認証をサポートしています。   リファレンスデザインには、新製品設計の開発プロセスを簡素化するために設計された一連の回路図、PCB図面、コード例（例：PIR制御、照明制御）、およびドキュメントが含まれています。開発者は、無線セキュリティ、OTAソフトウェア更新、バッテリー運用向けの低消費電力スタンバイなどのソフトウェアリソースを利用することができます。   IoT制御に加えて、Arrow Electronicsのエンジニアリングソリューションは、ビデオおよびオーディオストリーミング機能もSTM32WBに統合しています。STM32WBモジュールのBLE MACおよびデュアルコアMCU機能を使用することで、システムはJPEG画像やオーディオを異なるIoTデバイスに送信することができ、300mの範囲で通信が可能です。開発者は、このユニークな機能を活用して製品の差別化を図ることができます。例えば、インターホンに音声通信機能を追加し、Zigbeeデバイスを制御しつつZigbeeゲートウェイと通信するオーディオ対応ドアベル製品を作成することができます。

AI技術と組み合わせたスマートホームシステム

AI技術を組み合わせることで、スマートホームは複数のIoTデバイスを接続する能力だけでなく、AIの優れた処理能力や学習能力をサポートすることが可能になります。Arrow Electronicsは、AI熱検知、ビデオ/音声ストリーミング、音声UI、IoTコントロールからAGV（自動誘導車）に至るまで、AIスマートホームソリューションを提供しています。他社との主な差別化ポイントは、低コストのMCUを使用することで、消費者向け家電市場において低コストかつ高性能なAIスマートホームソリューションを提供している点です。   以下は、すべての開発者が利用可能なAIスマートホームソリューションの一覧です：

Arrow ElectronicsとSTによって開発されたスマートホームソリューションは、2つのST MCU – STM32WBとSTM32H7を使用しています。このソリューションは、ベビーモニター、ドアベルやドアロック、スマートホームカメラ、ゲームコンソール、およびエアコン、ホームオーディオ、洗濯機などのスマートホーム家電を含む日常生活の様々なアプリケーションで使用することができます。

より便利な60GHzミリ波無線周波数トランシーバー

さらに、STは60GHzのミリ波を基にして開発された一連の独自で革新的な超低消費電力の無線周波数トランシーバ（ST60）を開発しました。この技術は「ミリ波非接触コネクター」とも呼ばれ、さまざまな分野において適用されています。   ST60の強みは低遅延通信応答にあります。応答時間は7マイクロ秒で、これは5Gよりも100倍速い速度を実現しています。また、ST60の非接触通信データ転送速度は1チャンネルあたり6.25Gbpsに達し、複数のチャンネルを組み合わせることで、より高速な要求を容易に満たすことができます。非接触型ディスプレイシステムでは、720pの表示には1チャンネル、1080pの表示には2チャンネル、そして4Kの表示には4チャンネルが必要であり、さまざまな解像度ニーズを満たすことが可能です。   ST60シリーズには2つの品番があります。ST60A2は超高データ帯域幅と産業用温度範囲に対応しており、SLVS入力インターフェースを備えています。これにより、DP、SATA、PCIe、SGMII Gigabit Ethernetなどのデータチャンネルと互換性があり、さらに幅広い用途に適用することが可能です。一方、ST60A3はUSB2接続に対応するデバイス向けのeUSB2インターフェースをサポートしています。

結論

多数の無線伝送プロトコルが互いに競争しているように思えますが、それらの利点を組み合わせることで、システムの機能性と効果が向上します。Arrow ElectronicsはSTと提携し、さまざまな通信プロトコルを組み合わせた動画および音声伝送システム、IoTセンサーシステムを発表しました。これに人工知能を組み合わせることで、UIがより直感的になり、物体判断がより正確になります。これらのリファレンスデザインは、関連するスマートホームIoTシステムの開発を加速させる助けとなり、興味を持つメーカーによる深い理解と参考資料として価値があります。