Energieeffiziente drahtlose Konnektivitätslösung für intelligente Häuser

Smart Home bezieht sich auf einen Lebensstil, bei dem Haushaltsgeräte und -systeme miteinander vernetzt sind und über fortschrittliche Informationstechnologie kommunizieren, wodurch die Bequemlichkeit, Sicherheit, Energieeffizienz und der Komfort des Wohnens verbessert werden. Es gehört heute zu den angesagtesten Anwendungen. Dabei hat sich die Niedrigstrom-Wireless-Konnektivitätstechnologie, die zur Vernetzung der Geräte genutzt wird, als entscheidend für Smart-Home-Anwendungen erwiesen. Dieser Artikel stellt die aktuellen Entwicklungen der Niedrigstrom-Wireless-Konnektivitätstechnologie und die dazugehörigen Lösungen von Nordic vor.

Die drahtlose Niedrigenergie-Verbindungstechnologie vernetzt intelligente Geräte miteinander

Smart-Home-Systeme bestehen typischerweise aus verschiedenen Sensoren, Aktoren, Netzwerkgeräten und smarten Controllern, die Kommunikation und Fernsteuerung zwischen Geräten über Internetverbindung ermöglichen. Zu den gängigen Anwendungen von Smart-Home-Technologien gehören intelligente Beleuchtungssysteme, intelligente Sicherheitssysteme, smarte Steuerung von Haushaltsgeräten, intelligente HVAC-Systeme, Sprachassistenten und smarte Lautsprecher, intelligente Vorhänge und Fenster, smarte Unterhaltungssysteme, Gesundheit überwachende Systeme und smarte Küchen.   Diese smarten Geräte erfordern häufig drahtlose Niedrigenergietechnologie, um sie für eine komfortable Kommunikation und Interkonnektivität miteinander zu verbinden. Aktuell umfassen die wichtigsten Drahtlosprotokolle für Smart Homes Matter, Thread, Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Wi-Fi, Zigbee, Cellular IoT und NR+, die jeweils über spezifische Eigenschaften verfügen, um unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Nachfolgend finden Sie eine kurze Übersicht über einige der wichtigsten drahtlosen Verbindungstechnologien, deren Entwicklung und Merkmale.

Materie

Matter bietet eine gemeinsame Grundlage für den Aufbau einer Anwendung, mit dem Ziel, die Interoperabilität zwischen Geräten und Ökosystemen zu erreichen, um Entwicklern die einfache Erstellung sicherer und zuverlässiger Lösungen zu ermöglichen. Matter wurde ursprünglich im Dezember 2019 als CHIP-Projekt (Connected Home over IP) gestartet. Zu den Gründungsunternehmen gehören Amazon, Apple, Google sowie andere Firmen wie Nordic, die darauf abzielen, einen einheitlichen Anwendungsstandard für verbundene Heimgeräte zu etablieren.   Die Matter-Lösung wird in der Lage sein, mit großen Smart-Home-Ökosystemen wie Apples Siri, Googles Assistant und Amazons Alexa zu interagieren. Matter nutzt Thread, WLAN und Ethernet für die Übertragung, während Bluetooth Low Energy für die Einrichtung verwendet wird. Alle Matter-Geräte, die auf Thread basieren, benötigen Bluetooth Low Energy-Funktionen, um neue Geräte zum Netzwerk hinzuzufügen.

WLAN

Wi-Fi (Wireless Fidelity) ist eine drahtlose Kommunikationstechnologie, die für die Datenübertragung zwischen Geräten verwendet wird. Die Wi-Fi-Technologie ermöglicht es Geräten, ohne die Notwendigkeit traditioneller kabelgebundener Verbindungen über drahtlose Signale zu kommunizieren und eine Verbindung zum Internet herzustellen. Sie ist derzeit eine der am weitesten verbreiteten drahtlosen Kommunikationstechnologien.   Die Wi-Fi Alliance hat eine Reihe von Wi-Fi-Standards etabliert, wie 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac und 802.11ax (Wi-Fi 6), die jeweils neue Technologien zur Verbesserung von Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Leistung einführen. Die neueste Version, Wi-Fi 6, ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die schnelle, zuverlässige und hochleistungsfähige drahtlose Verbindungen erfordern. Darüber hinaus können Smart-Home-Geräte wie Thermostate, Sicherheitskameras und Beleuchtungssysteme von der verbesserten Reichweite und Abdeckung von Wi-Fi 6 profitieren, ebenso wie von der Fähigkeit, mehr Geräte in einem einzigen Netzwerk zu unterstützen und IP-basierte Kommunikation zu ermöglichen.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Bluetooth Low Energy (BLE) ist eine Variante der Bluetooth-Technologie, die speziell für die Bereitstellung von Kurzstreckenkommunikation in energieeffizienten Umgebungen entwickelt wurde. Eines der bedeutendsten Merkmale der Bluetooth Low Energy-Technologie ist ihr energieeffizientes Design, das sie für Geräte geeignet macht, die eine langfristige Betriebsfähigkeit erfordern, wie Sensoren, tragbare Geräte und Gesundheitsüberwachungsgeräte.   Der Designfokus von Bluetooth Low Energy liegt darauf, Kurzstreckenkommunikation typischerweise innerhalb eines Bereichs von 10 Metern bis 100 Metern zu ermöglichen, wodurch unnötiger Energieverbrauch vermieden wird. Bluetooth Low Energy ist darauf ausgelegt, Verbindungen schnell aufzubauen und kleine Datenmengen rasch zu übertragen. Dies ist nützlich für Szenarien wie das Teilen kleiner Dateien zwischen mobilen Geräten oder die Übertragung von Daten zwischen Sensoren und mobilen Geräten.

Faden

Thread ist ein stromsparendes, auf IPv6 (Internet Protocol Version 6) basierendes drahtloses Kommunikationsprotokoll, das speziell für das Internet der Dinge (IoT) entwickelt wurde. Es ist als stromsparendes Protokoll konzipiert, das sich ideal für Szenarien eignet, in denen eine große Anzahl von stromsparenden Geräten angeschlossen wird. Der Stromverbrauch der Geräte wird durch den Einsatz von stromsparenden Schlafmodi, schnellem Aufwachen und flexiblen Datenübertragungsmechanismen reduziert.   Thread unterstützt Selbstorganisation, wodurch Geräte automatisch Netzwerke bilden können, ohne dass ein zentraler Controller erforderlich ist. Dies erleichtert die Netzwerkerweiterung, da neue Geräte problemlos dem Netzwerk beitreten und daran teilnehmen können. Basierend auf IPv6 bietet Thread den Geräten weltweit eindeutige Adressen, die es ihnen ermöglichen, direkt mit dem Internet zu kommunizieren und eine End-to-End-Kommunikation zu unterstützen.

Zigbee

Zigbee ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, das speziell für energieeffiziente, datenarme und kurze Kommunikationsdistanzen entwickelt wurde. Es eignet sich ideal für batteriebetriebene Geräte, die einen langfristigen Betrieb erfordern, wie beispielsweise Sensoren und Smart-Home-Geräte. Eines der Designziele von Zigbee ist es, Kommunikation über kurze Distanzen zu gewährleisten, üblicherweise innerhalb eines Bereichs von 10 bis 100 Metern, wodurch es besonders für die Nahfeldkommunikation zwischen Geräten in Bereichen wie Smart Homes und industrieller Steuerung geeignet ist.   Zigbee unterstützt Selbstorganisation, wodurch sich Geräte dynamisch ein Netzwerk anschließen oder daraus entfernen können, ohne dass ein zentraler Controller erforderlich ist. Dies ermöglicht Netzwerken, sich an Veränderungen anzupassen und eine gewisse Widerstandsfähigkeit zu besitzen. Die Datenübertragungsrate von Zigbee ist relativ niedrig, was es geeignet macht, kleine Datenmengen wie Sensordaten und Steuerbefehle zu übertragen, wodurch der Energieverbrauch reduziert wird.

Mobiles Internet der Dinge (LTE-M und NB-IoT)

Bei der Bewertung der am besten geeigneten Low-Power Wide-Area Network (LPWAN)-Technologie für Ihre Internet of Things (IoT)-Anwendung ist es entscheidend, neben den technischen Spezifikationen auch andere Faktoren zu berücksichtigen, da die tatsächliche Leistung erheblich von den reinen technischen Spezifikationen abweichen kann. Hier sind einige wichtige Gründe, warum Cellular IoT (einschließlich NB-IoT und LTE-M) für Ihr IoT-Projekt möglicherweise besser geeignet ist als LoRaWAN, Sigfox, Wi-SUN oder andere LPWAN-Technologien.   Cellular IoT arbeitet in lizenzierten Frequenzbändern und nutzt bestehende globale Infrastruktur. Zwar erfordern diese Technologien Abonnementgebühren, sie gewährleisten jedoch eine umfassende Abdeckung, Skalierbarkeit, integrierte Dienstgüte, Zuverlässigkeit und kompromisslose Sicherheit. Die Entwicklung von NB-IoT- und LTE-M-Technologien zielt darauf ab, Anwendungen für energieeffiziente, massive Kommunikation zwischen Maschinen zu erleichtern.

Revolutionärer Multi-Protokoll-SoC unterstützt IoT-Anwendungen

Nordic bietet ein umfangreiches Portfolio an drahtlosen Multi-Protokoll-SoC-Produkten, darunter den bahnbrechenden, kompakten, ultra-niedrigleistungsfähigen Multi-Protokoll-SoC (System-on-Chip), den nRF54H20. Er zeichnet sich durch herausragende Verarbeitungskapazitäten, großzügigen Speicher, exzellente Effizienz sowie modernste Multi-Protokoll-Funktechnik und fortschrittliche Sicherheitsfunktionen aus, die Entwicklern ermöglichen, innovative IoT-Produkte zu entwickeln.   Der nRF54H20 reduziert die Designgröße, indem er mehrere Komponenten durch hochintegrierte SoCs ersetzt, und kann die Batterielaufzeit verlängern oder die Batteriegröße verringern, indem er effiziente Verarbeitung, ultra-niedrigleistungsfähigen Funkbetrieb und minimalen Schlafstrom unterstützt. Er ermöglicht Langstreckenübertragung mit 10 dBm TX-Leistung, -100 dBm RX-Empfindlichkeit für Bluetooth Low Energy und -104 dBm für 802.15.4. Der nRF54H20 minimiert außerdem Sicherheitsbedrohungen und bietet modernste Sicherheit durch sicheres Booten, sichere Firmware-Updates, sicheren Speicher und Schutz vor physischen Angriffen.   Der nRF54L15 stellt die nächste Stufe der Multi-Protokoll-SoCs dar und ist ein ultra-niedrigleistungsfähiger Bluetooth 5.4-SoC mit fortschrittlicher Multi-Protokoll-Funktechnik und Sicherheitsfunktionen. Die nRF54L-Serie bietet herausragende Verarbeitungskapazitäten und Effizienz, erweiterten Speicher und neue Peripheriegeräte, die alle in einem kompakteren Gehäuse untergebracht sind.

Bluetooth Low Energy-Flaggschiff-SoCs erfüllen die Anforderungen komplexer IoT-Anwendungen

Zusätzlich zu den bereits erwähnten nRF54H20 und nRF54L15 SoCs hat Nordic auch ein Bluetooth Low Energy Flaggschiff, das nRF5340 SoC, vorgestellt. Es ist das erste SoC der nRF53-Serie und weltweit das erste drahtlose SoC, das mit zwei Arm® Cortex®-M33 Prozessoren ausgestattet ist. Die Kombination aus zwei flexiblen Prozessoren und erweiterten Funktionsmerkmalen macht es zur idealen Wahl für Low-Energy-Audio, fortschrittliche Wearables und andere komplexe IoT-Anwendungen.
 
Das nRF5340 ist ein integriertes SoC, das eine Obermenge der wichtigsten Funktionen der nRF52®-Serie umfasst. Es verfügt über Bluetooth® 5.4, High-Speed-SPI, QSPI, USB und funktioniert bei Temperaturen bis zu 105 °C. Diese Merkmale kombiniert es mit höherer Leistung, mehr Speicher und besserer Integration, während der Stromverbrauch minimiert wird. Außerdem bietet es Sicherheitsfunktionen wie Trusted Execution, Root-of-Trust und sicheren Schlüsselspeicher.
 
Darüber hinaus bietet Nordic die nRF52-Serie an, die aus sieben Multiprotokoll-Bluetooth-5.4-SoCs besteht. Diese SoCs integrieren leistungsstarke und effiziente 64-MHz-Arm-Cortex-M4-CPUs. Der Flash-Speicher reicht von 192 KB bis zu 1024 KB, während der RAM von 24 KB bis zu 256 KB reicht. Die nRF52-Serie bietet sowohl einfache, kosteneffiziente Optionen als auch hochentwickelte Optionen, alle mit ultraniedrigem Stromverbrauch.
 
Sowohl die nRF52- als auch die nRF53-Serie basieren auf vollständig Flash-basierten SoCs, welche vollständige Flexibilität und Upgradefähigkeit für Ihre Produkte bieten. Sie können entweder in der Fabrik oder vor Ort über Over-The-Air Device Firmware Upgrade (OTA DFU) neu programmiert werden, sodass Produktupdates und die Hinzufügung von Funktionen jederzeit und überall möglich sind.
 
Für IoT-Anwendungen hat Nordic außerdem die nRF91-Serie der LPWAN-Technologie eingeführt. Diese Serie erreicht ein beispielloses Maß an Integration, indem alle relevanten Komponenten in komplette Kommunikations- und Anwendungs-Module innerhalb mikrogroßer System-in-Package (SiP) integriert werden: 10x16mm für das nRF9160 SiP und nRF9161 SiP, 11x12mm für das nRF9151 SiP und 7x11mm für das nRF9131 Mini SiP. Diese Integration ermöglicht kosteneffiziente und kompakte Designs, die konkurrierende Lösungen nicht erreichen können. Beispielsweise wird damit die Entwicklung leichter, solarbetriebener Tiertracker möglich, die lediglich 2,5 Gramm wiegen.

Bieten Sie eine umfassende Suite von ICs und Software-Entwicklungstoolkits an

Zusätzlich zu Multi-Protokoll-SoCs bietet Nordic auch ergänzende ICs und Software-Entwicklungskits an, um die Produktentwicklung der Kunden zu beschleunigen. Zum Beispiel ist der nRF7002 ein stromsparender, hochsicherer Wi-Fi-6-Companion-IC mit nahtloser Koexistenz, der nahtlose Wi-Fi-Konnektivität und Wi-Fi-basierte Positionierung (lokales Wi-Fi-Hub-SSID-Sniffing) ermöglicht. Er ist dafür konzipiert, zusammen mit Nordics bestehenden nRF52®- und nRF53®-Serie Bluetooth-SoCs sowie der nRF91®-Serie Cellular IoT SiP eingesetzt zu werden. Der nRF7002 kann auch mit Hostgeräten verwendet werden, die nicht von Nordic stammen.   Der nRF7001 ist das zweite Gerät in Nordics nRF70-Serie von Wi-Fi-Companion-ICs, das für eine einfache Integration mit Nordics bestehender Ultra-Low-Power-Technologie entwickelt wurde. Er verfügt über ein stromsparendes 2,4-GHz-Radio, das eine verlängerte Akkulaufzeit gewährleistet, und ermöglicht nahtlos Wi-Fi-6-Verbindungen in verschiedenen Anwendungen. Außerdem gibt es den nRF7000 Wi-Fi-6-Companion-IC, eine abgespeckte Version des nRF7002, die speziell für SSID-basierte Wi-Fi-Positionierung entwickelt wurde. Dieser Companion-IC konzentriert sich hauptsächlich auf das aktive und passive Scannen von Wi-Fi-Zugangspunkten und bietet zuverlässige und energieeffiziente Lösungen für standortbasierte Anwendungen.   Nordic bietet außerdem das nRF Connect SDK an, ein Software-Entwicklungskit für die Entwicklung von Bluetooth-Low-Energy-, Wi-Fi-, Cellular-IoT-, Bluetooth-Mesh-, Thread-, Zigbee- und Matter-Produkten. Dieses SDK ist ein erweiterbares und einheitliches Softwarepaket, das für die Entwicklung von Produkten auf Basis aller drahtlosen Geräte von Nordic in den Serien nRF52, nRF53, nRF70 und nRF91 konzipiert wurde. Es bietet Entwicklern ein erweiterbares Framework, um softwareseitig optimal angepasste Lösungen für speicherbeschränkte Geräte oder robuste, komplexe Software für anspruchsvollere Geräte und Anwendungen zu erstellen. Integriert mit Zephyr RTOS beinhaltet es verschiedene Beispiele, Anwendungsprotokolle, Protokollstacks, Bibliotheken und Hardwaretreiber, um die Produktentwicklungszeit für Kunden zu verkürzen.

Fazit

Intelligente Häuser können die Lebensqualität der Menschen verbessern und das Intelligenzniveau in Haushalten erhöhen, wodurch sie zu einer beliebten Richtung für die Anwendungsentwicklung geworden sind. Um die Zuverlässigkeit und Sicherheit von intelligenten Geräten und Systemen zu gewährleisten, ist es entscheidend, stabile und sichere drahtlose Kommunikationstechnologien auszuwählen, um alle Smart-Home-Geräte zu verbinden. Die Multi-Protokoll-SoC-Produktreihe von Nordic kann das Design von Smart-Home-Produkten erheblich vereinfachen und die Stabilität und Sicherheit des Systems verbessern. Daher kann Nordic Ihr optimaler Partner für die Entwicklung von smarten Heimprodukten sein.