Den Einsatz von IoT-Technologie zur Rettung der Welt

Die Bewältigung der Nachhaltigkeitskrise der Erde ist dringend

Da die Menschheit vor der Herausforderung steht, zu einer nachhaltigen globalen Wirtschaft überzugehen, muss sie Wege finden, die Fähigkeit zu bewahren, zu überleben, zu gedeihen und sich zu entwickeln, ohne die natürlichen Ressourcen des Planeten zu erschöpfen. Derzeit steigt die durchschnittliche Temperatur der Erde. In einer um 2 Grad Celsius wärmeren Welt wird es mehr Hitzewellen, stärkeren Regen, abnehmende Ernteerträge und steigende Meeresspiegel geben, die alle das Überleben der Menschheit bedrohen. Es ist dringend notwendig, geeignete Maßnahmen zu ergreifen.

Andererseits hat sich die Elektronikindustrie seit den 1980er Jahren schneller entwickelt als fast jede andere Branche. Sie ist zu einem wesentlichen Beitrag für die Volkswirtschaften einiger Länder geworden und stellt einen bedeutenden Beitrag zur Industrieproduktion vieler anderer Länder dar, ohne Anzeichen einer Wachstumsverlangsamung. Dieses Wachstum wird der steigenden Nachfrage nach Unterhaltungselektronik zugeschrieben.

Jedoch, während die Verbreitung von elektronischen Produkten das Leben vieler Menschen verbessert hat, kann sie auch relativ zu mehr Elektroschrott führen. Daher müssen neue Praktiken in der Verarbeitung, Herstellung, im Vertrieb, Einzelhandel, in der Reparatur und im Recycling übernommen werden, um die Produktion von Elektroschrott zu reduzieren, wobei das Recycling der Schlüssel ist. Laut den Vereinten Nationen werden derzeit 20% des Elektroschrotts erfolgreich recycelt. Die Organisation hat einen Plan angekündigt, um die Abfallproduktion bis 2030 durch Prävention, Reduktion, Reparatur, Recycling und Wiederverwendung signifikant zu vermindern.

Das IoT wird die grundlegende Plattform für nachhaltige Technologie werden

Während Verbraucher und Unternehmen ihre Gewohnheiten ändern, erfordert der Schutz des Planeten und seiner Ressourcen für zukünftige Bedürfnisse auch die breite Einführung neuer Technologien. Das IoT wird zur grundlegenden Plattform für nachhaltige Technologie werden. Laut einem Bericht von Transforma Insights und 6GWorld, "Nachhaltigkeit in neuen und aufkommenden Technologien im Jahr 2030", wird der Aufbau des IoT den weltweiten Stromverbrauch von jetzt bis 2030 erheblich steigern. Die Herstellung von IoT-fähigen Lösungen wird 112 Millionen Kubikmeter Wasser verbrauchen, und die Kohlenwasserstoffe, die zur Verteilung und Bereitstellung von IoT-Lösungen verwendet werden, werden die Kosten erhöhen.

Der Transforma-Bericht kommt jedoch zu dem Schluss, dass die positiven Umweltauswirkungen von IoT-Anwendungen die anfänglichen Opfer vollständig rechtfertigen werden. Tatsächlich wird die IoT-Technologie bald genug Einsparungen generieren, um die Energiekosten ihrer Herstellung und Bereitstellung auszugleichen, und ab diesem Zeitpunkt etwa das Achtfache der Energie einsparen. Der Bericht besagt, dass IoT-Geräte bis 2030 auch nahezu 230 Milliarden Kubikmeter Wasser einsparen werden, wobei 35% aus verbesserten Wasserleitungsbetrieben stammen und der Rest aus IoT-gestützten landwirtschaftlichen Anwendungen, wie z. B. intelligenter Bewässerung, resultiert.

Die Vorteile von Big Data werden auch als entscheidend angesehen, um den ökologischen Fußabdruck des IoT aufzuzeigen. Wenn sie effektiv mit Anwendungen wie maschinellem Lernen kombiniert werden, wird das IoT große Mengen an Informationen erzeugen, die Einzelpersonen und Organisationen dabei helfen, ihre Energiekosten besser zu verstehen und fundierte umweltbezogene Entscheidungen zu treffen. Darüber hinaus kommen die primären grünen Vorteile des IoT hauptsächlich aus Unternehmenslösungen, die sich typischerweise in reduziertem Stromverbrauch, niedrigeren Kohlenstoffemissionen oder reduziertem Brennstoff- oder Wasserverbrauch manifestieren, wie zum Beispiel durch den Betrieb eines intelligenten Stromnetzes.

In die Zukunft blickend könnte die Anzahl der drahtlosen und zellulären IoT-Sensoren 50 Milliarden überschreiten, von denen viele batteriebetrieben sein werden. Abgesehen von Wartungsproblemen könnten diese Batterien auch die Nachhaltigkeit des IoT untergraben. Seltene Materialien wie Lithium müssen abgebaut, Batterien weltweit hergestellt und vertrieben werden, und dann gibt es das bedeutende Problem der sicheren Entsorgung erschöpfter Batterien.

Zukünftige drahtlose Lösungen werden effizienter sein und das Anwendungsspektrum erheblich erweitern, sodass sie all ihre Energie aus der Umgebung gewinnen können. Die nächste Generation von Leistungsmanagement-ICs (PMICs), die speziell auf die Bedürfnisse von Energieerfassungsgeräten zugeschnitten sind, wird die Sammlung variierender Energie stabilisieren und eine entscheidende Rolle dabei spielen, IoT-Produkte von den Beschränkungen durch Batterien zu befreien.

Chip-Lösungen zur Erfüllung der Anforderungen von IoT-Geräten

Um eine vollständige Funktionalität und Leistungsverwaltung für IoT-Geräte bereitzustellen, widmet sich Nordic der Einführung verwandter Lösungen, einschließlich System-on-Chips (SoCs), Leistungsverwaltung-ICs, RF-Frontend-Module (FEMs), Software-Entwicklungskits und Prototypenbau-Plattformen, um Kunden bei der Entwicklung von IoT-Geräten zu unterstützen.

Zunächst ist das nRF52832 ein vielseitiges Bluetooth 5.4 SoC, das Bluetooth Low Energy (BLE), Bluetooth Mesh und NFC unterstützt. Das nRF52832 ist ein universelles Multiprotokoll-SoC, das den Anforderungen von Anwendungen gerecht wird, die erweiterte Bluetooth® Low Energy-Funktionalität, Protokollgleichzeitigkeit und eine Vielzahl von Peripheriegeräten und Funktionen erfordern. Darüber hinaus bietet es ausreichend Speicher für Flash und RAM.

Der nRF52832 verwendet ein Multiprotokoll mit vollständiger Protokollkonkurrenz. Er unterstützt Bluetooth Low Energy, einschließlich der 2 Mbps Hochgeschwindigkeit-Übertragung. Bluetooth Mesh kann gleichzeitig mit Bluetooth Low Energy betrieben werden, wodurch Smartphones in der Lage sind, Mesh-Netzwerkknoten bereitzustellen, in Betrieb zu nehmen, zu konfigurieren und zu steuern. Außerdem werden NFC, ANT und 2,4 GHz proprietäre Protokolle unterstützt.

Der nRF52832 basiert auf einer Arm® Cortex™-M4 CPU mit einer Gleitkommaeinheit und arbeitet mit 64 MHz. Er verfügt über ein integriertes NFC-A-Tag für vereinfachte Pairing- und Zahlungslösungen. Es umfasst zahlreiche digitale Peripheriegeräte und Schnittstellen, wie PDM und I2S für digitale Mikrofone und Audio. Durch ein präzises, adaptives Power-Management-System auf dem Chip erreicht es einen extrem niedrigen Stromverbrauch.

Der nPM1300 ist eine Power-Management-Integrated-Circuit (PMIC) mit einzigartigen Systemmanagementfunktionen. Der nPM1300 PMIC integriert wesentliche Funktionen, die für eingebaute Bluetooth Low Energy-Designs benötigt werden, in einem kleinen Gehäuse, vereinfacht das Systemdesign und ermöglicht längere Betriebszeiten sowie effizientes Laden der Batterie mit weniger Komponenten.

Der nPM1300 ist für maximale Effizienz und kompakte Größe optimiert und kann über eine I2C-kompatible Zweidrahtschnittstelle (TWI) konfiguriert werden. Diese Schnittstelle ermöglicht einen einfachen Zugriff und die Konfiguration einer Reihe fortschrittlicher Systemverwaltungsfunktionen, einschließlich Zwei-Tasten-Hard-Reset, Batterie-Fullerfassung, Systemebenen-Watchdog, Warnung bei Stromausfall und Wiederherstellung nach fehlgeschlagenem Boot.

Der nPM1300 PMIC ist dafür ausgelegt, eine effiziente Stromregelung für Nordics nRF52- und nRF53-SoCs bereitzustellen und unterstützt drahtlose Protokolle wie Bluetooth Low Energy, LE Audio, Bluetooth Mesh, Thread und Zigbee. Dieses Produkt ist eine ideale Wahl für fortschrittliche kompakte IoT-Produkte, wie fortschrittliche Wearables und tragbare medizinische Anwendungen.

Der nPM1100 ist ein weiteres extrem kompaktes Power-Management-IC zur Akkuladung und Energieversorgung, das einen effizienten Dual-Mode-konfigurierbaren Buck-Regler und einen integrierten Akku-Lader bietet. Es ist ein ergänzendes Bauteil zu den Nordic nRF52®- und nRF53®-SoCs und sorgt für zuverlässige Energieversorgung und stabilen Betrieb, während es die Akkulaufzeit durch hohe Effizienz und niedrigen Ruhestrom maximiert. Aufgrund seiner extrem kompakten Bauform eignet es sich ideal für tragbare Geräte, vernetzte medizinische Geräte und andere platzbeschränkte Anwendungen, mit einer PCB-Flächennutzung von nur 23 mm2.

Dieses integrierte Batterieladegerät ist für Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus konzipiert und bietet eine auswählbare Endspannung von 4,1 oder 4,2 V, unterstützt die Nominalspannungen von 3,6 und 3,7 V. Es verfügt über einen integrierten thermischen Schutz der Batterie und eine automatische Auswahl von drei Ladearten: Trickle-Ladung, Konstantstromladung und Konstantspannungsladung.

Der integrierte Hochleistungs-Abwärts-Buck-Regler des nPM1100 kann bis zu 150 mA Strom mit wählbaren Ausgangsspannungen von 1,8, 2,1, 2,7 oder 3,0 V bereitstellen. Er zeichnet sich durch sanften Start und automatischen Übergang zwischen Hysterese- und PWM-Modus aus. Er ermöglicht außerdem den erzwungenen PWM-Modus, um einen sauberen Strombetrieb zu gewährleisten. Der Wirkungsgrad der Umwandlung beträgt bis zu 92 %, und der Platzbedarf beträgt nur 27 mm², einschließlich passiver Komponenten.

Nordics nRF21540 ist ein RF-Frontend-Modul (FEM) zur Erweiterung der Reichweite von Bluetooth® Low Energy, Bluetooth® Mesh, Thread, Zigbee und 2,4 GHz proprietären Protokollen. Der nRF21540 ist ein "Plug-and-Play"-Funkreichweitenverstärker. Er sorgt für eine robuste Verbindungszuverlässigkeit, indem er einen Leistungsverstärker (PA) und einen rauscharmer Verstärker (LNA) integriert, was ihn ideal für energieeffiziente, kurzreichweitige drahtlose Lösungen macht.

Der nRF21540 ist ein komplementäres Produkt, das zur Verbesserung des Linkbudgets fortschrittlicher Multi-Protokoll-Wireless-SoCs der nRF52- und nRF53-Serie verwendet werden kann. Bei Verwendung mit SoCs der Serien nRF52 oder nRF53 sorgen die +20 dBm TX-Ausgangsleistung und 13 dB RX-Verstärkung des nRF21540 RF FEM für eine hervorragende Verbesserung des Linkbudgets um 16-20 dB. Dies entspricht einer theoretischen Erhöhung der Übertragungsdistanz um das 6,3- bis 10-fache.

Der nRF21540 wird in einem 4x4 QFN16-Gehäuse geliefert und als Ergänzung zum nRF21540 RF FEM angeboten. Nordic bietet ein Entwicklungsboard an, das zur Bewertung der Leistung des RF-Frontend-Moduls mithilfe von Laborausrüstung verwendet werden kann und seine Leistung in praktischen Anwendungen in Kombination mit nRF52- oder nRF53-SoCs beurteilt. Die Hauptanwendungen, die für den nRF21540 maßgeschneidert sind, umfassen Smart Home, Asset Tracking, Audio- und Industrieanwendungen.

Skalierbares und einheitliches IoT-Software-Entwicklungskit und Prototyping-Plattform

Um die Produktentwicklung der Kunden zu beschleunigen, hat Nordic außerdem das nRF Connect SDK (Software Development Kit) eingeführt, eine Sammlung von Tools zur Entwicklung von Bluetooth-, Wi-Fi-, zellularen IoT-, Bluetooth Mesh-, Thread-, Zigbee- und Matter-Produkten mit geringem Stromverbrauch.

Das nRF Connect SDK ist ein skalierbares und einheitliches Software Development Kit, das für die Entwicklung von Produkten auf Basis aller Nordic nRF52-, nRF53-, nRF70- und nRF91-Serie von Funkgeräten konzipiert ist. Es bietet Entwicklern ein skalierbares Framework zur Erstellung speicheroptimierter Software für speicherbeschränkte Geräte sowie leistungsstarke und komplexe Software für fortschrittlichere Geräte und Anwendungen. Es integriert Zephyr RTOS sowie verschiedene Beispiele, Anwendungsprotokolle, Protokollstapel, Bibliotheken und Hardwaretreiber.

Zusätzlich hat Nordic die Thingy:53 IoT-Prototyping-Plattform eingeführt, die es ermöglicht, Prototypen und Proof-of-Concepts zu erstellen, ohne maßgeschneiderte Hardware zu benötigen. Thingy:53 basiert auf Nordics Flaggschiff, dem Dual-Core-Wireless-SoC nRF5340. Die Rechenleistung und der Speicherplatz seiner Dual Arm Cortex-M33 Prozessoren ermöglichen es, eingebettete Machine-Learning (ML) Modelle direkt auf dem Gerät auszuführen.

Thingy:53 ist außerdem mit einer Vielzahl integrierter Sensoren ausgestattet, wie z. B. Umweltsensoren, Farb- und Lichtsensoren, Beschleunigungssensoren und Magnetometer, die alle ohne zusätzliche Hardware genutzt werden können. Es wird von einem 1350 mAh wiederaufladbaren Li-Po-Akku betrieben, der über eine USB-C-Schnittstelle aufgeladen werden kann. Zusätzlich verfügt es über einen externen 4-Pin-JST-Anschluss, der mit den Stemma/Qwiic/Groove-Standards für Hardware-Zubehör kompatibel ist.

Fazit

Die IoT-Technologie transformiert unsere Welt mit beispielloser Geschwindigkeit und in großem Maßstab. Von der Entwicklung intelligenter Städte über die Anwendung der Umweltüberwachung bis hin zur Revolution im Gesundheitswesen bietet IoT der menschlichen Gesellschaft unendliche Möglichkeiten. Es verbessert nicht nur unsere Lebensqualität, sondern spielt auch eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung globaler Herausforderungen. Durch intelligente Agrartechnologie können wir Ressourcen effizienter nutzen, Abfall reduzieren und Umweltverschmutzung minimieren. Durch intelligente Verkehrssysteme können wir Staus verringern und Kohlendioxidemissionen reduzieren. Durch ferngesteuerte medizinische und Gesundheitsüberwachungsgeräte können wir qualitativ hochwertigere medizinische Dienstleistungen anbieten und das gesundheitliche Niveau der Öffentlichkeit verbessern. Die von Nordic eingeführten IoT-Anwendungslösungen können die Entwicklung von IoT-Produkten bei Kunden beschleunigen, was es lohnenswert macht, diese genauer zu verstehen und zu übernehmen.