スマートホーム向け低消費電力ワイヤレス接続ソリューション

スマートホームとは、家庭内の機器やシステムが高度な情報技術を通じて相互接続され、通信することで、家庭での生活の利便性、安全性、エネルギー効率、そして快適性を向上させるライフスタイルを指します。これは現在、最も注目されているアプリケーションの一つとなっています。その中でも、デバイスを相互接続するために使用される低消費電力のワイヤレス接続技術は、スマートホームアプリケーションにおいて重要な役割を果たしています。本記事では、低消費電力のワイヤレス接続技術の現状の発展状況とNordicによる関連ソリューションについて紹介します。

低電力のワイヤレス接続技術がスマートデバイスをつなげます

スマートホームシステムは、さまざまなセンサー、アクチュエーター、ネットワークデバイス、スマートコントローラーで構成されており、インターネット接続を通じてデバイス間の通信や遠隔操作を可能にします。一般的なスマートホームアプリケーションには、スマート照明システム、スマートセキュリティシステム、スマート家電制御、スマート空調システム（HVAC）、音声アシスタントとスマートスピーカー、スマートカーテンや窓、スマートホームエンターテイメント、健康監視システム、スマートキッチンなどがあります。   これらのスマートデバイスは、便利な通信と相互接続のために低消費電力の無線接続技術を必要とする場合が多いです。現在、スマートホーム向けの主要な無線接続プロトコルには、Matter、Thread、Bluetooth Low Energy（Bluetooth LE）、Wi-Fi、Zigbee、セルラーIoT、NR+があり、それぞれ異なる特性を持ち、さまざまなアプリケーションニーズに対応しています。以下は、主要な無線接続技術のいくつかについての概要、その発展と特徴を簡単に示したものです。

物質

Matterは、デバイスとエコシステム間の互換性を実現することを目指し、アプリケーション構築のための共通の基盤を提供します。これにより、開発者が安全で信頼性の高いソリューションを簡単に作成できることを目指しています。Matterは当初、2019年12月に「CHIP（Connected Home over IP）」プロジェクトとして立ち上げられました。創設企業にはAmazon、Apple、Googleをはじめ、Nordicなど、家庭内での相互接続デバイスの統一アプリケーション層標準を確立することを目指した企業が含まれています。   Matterソリューションは、AppleのSiri、GoogleのAssistant、AmazonのAlexaなどの主要なスマートホームエコシステムと互換性を持つことが可能になります。Matterは、Thread、Wi-Fi、およびEthernetを通信に利用し、デバイスのセットアップ時にBluetooth Low Energyを使用します。Threadを基盤としたすべてのMatterデバイスは、ネットワークに新しいデバイスを追加する際にBluetooth Low Energy機能が必要です。

Wi-Fi（ワイファイ）

Wi-Fi（ワイヤレス・フィデリティ）は、デバイス間のデータ伝送に使用される無線通信技術です。Wi-Fi技術は、従来の有線接続を必要とせず、無線信号を使用してデバイスが通信し、インターネットに接続することを可能にします。現在、最も広く使用されている無線通信技術の1つです。
 
Wi-Fi Alliance（Wi-Fiアライアンス）は、802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac、802.11ax（Wi-Fi 6）などの一連のWi-Fi標準を定めています。これらの標準は、速度、信頼性、性能を向上させるために新しい技術を導入しています。最新バージョンのWi-Fi 6は、特に高速で信頼性が高く、充実した容量のワイヤレス接続を必要とするアプリケーションに非常に有益です。また、スマートホームデバイス（温度調節装置、セキュリティカメラ、照明システムなど）は、Wi-Fi 6の改善された範囲とカバレッジ、そして1つのネットワーク上でより多くのデバイスをサポートする能力やIPベースの通信によって恩恵を受けることができます。

Bluetooth Low Energy（BLE、低消費電力Bluetooth）

Bluetooth Low Energy (BLE)は、低電力環境での短距離通信を提供するために特別に設計されたBluetooth技術の派生版です。Bluetooth Low Energy技術の最も重要な特徴の1つは、その低電力設計であり、センサー、ウェアラブルデバイス、ヘルスモニターなど、長期間の動作を必要とするデバイスに適しています。
 
Bluetooth Low Energyの設計の焦点は、通常10メートルから100メートルの範囲内での短距離通信を提供することで、不要なエネルギー消費を防ぐことです。Bluetooth Low Energyは、迅速に接続を確立し、小容量のデータを速やかに送信するよう設計されています。これは、モバイルデバイス間で小さなファイルを共有したり、センサーとモバイルデバイス間でデータを転送したりするような場面で有用です。

スレッド

Threadは、IoT（モノのインターネット）向けに設計された低消費電力のIPv6（インターネットプロトコルバージョン6）に基づくワイヤレス通信プロトコルです。このプロトコルは、多数の低消費電力デバイスが接続されるシナリオに適した低消費電力プロトコルとして調整されています。低消費電力モード、迅速なウェイクアップ、柔軟なデータ送信メカニズムを採用することで、デバイスの消費電力を減らします。   Threadは自己組織化をサポートしており、デバイスが中央コントローラーなしで自動的にネットワークを形成することが可能です。これにより、ネットワークの拡張が簡単になり、新しいデバイスが容易にネットワークに参加することができます。IPv6を基盤としているため、Threadはデバイスにグローバルにユニークなアドレスを提供し、デバイスがインターネットと直接通信できるほか、エンドツーエンド通信をサポートします。

ジグビー

Zigbeeは、低消費電力、低データ転送率、短距離通信向けに設計された無線通信プロトコルです。これは、長期間の稼働が必要なセンサーやスマートホームデバイスなど、バッテリー駆動のデバイスに適しており、通常10メートルから100メートルの範囲で短距離通信を提供することを目的としています。このため、Zigbeeはスマートホームや産業制御といった分野で、デバイス間の近距離通信に非常に適しています。
 
Zigbeeは自己組織化をサポートしており、デバイスがネットワークに動的に参加したり離脱したりすることを可能にします。これによりネットワークは変化に適応でき、一定の耐性を持つことができます。Zigbeeのデータ転送速度は比較的低いため、センサーのデータや制御コマンドのような少量のデータ送信に適しており、これにより電力消費を抑えることができます。

セルラーIoT（LTE-MおよびNB-IoT）

インターネット・オブ・シングス（IoT）アプリケーションに最適な低消費電力広域ネットワーク（LPWAN）技術を評価する際、技術仕様を超えた様々な要因を考慮することが重要です。実際の性能は技術仕様だけでは大きく異なる場合があるためです。以下は、LoRaWAN、Sigfox、Wi-SUN、その他のLPWAN技術よりも、Cellular IoT（NB-IoTやLTE-Mを含む）がIoTプロジェクトにより適している可能性がある主な理由です。   Cellular IoTは、既存のグローバルインフラを活用し、ライセンスされた周波数帯域で動作します。これらはサブスクリプション料金が必要ですが、広範なカバレッジ、スケーラビリティ、内蔵された品質サービス、高い信頼性、そして妥協のないセキュリティを保証します。NB-IoTとLTE-M技術の開発は、低消費電力で大規模な機械型通信アプリケーションを実現することを目的としています。

革新的なマルチプロトコルSoCがIoTアプリケーションをサポート

Nordicは、幅広いマルチプロトコル対応の無線SoC製品を提供しており、その中でも革新的で超低消費電力のコンパクトなマルチプロトコルSoC（システムオンチップ）であるnRF54H20を誇ります。この製品は、優れた処理能力、十分なメモリー、卓越した効率性、最先端のマルチプロトコル対応無線技術、そして高度なセキュリティ機能を備え、開発者が革新的なIoT製品を構築することを可能にします。   nRF54H20は、高度に統合されたSoCによって複数のコンポーネントを置き換えることで設計サイズを削減し、効率的な処理、超低消費電力の無線、そして最小限のスリープ電流によりバッテリー寿命を延ばすかバッテリーサイズを縮小することが可能です。この製品は、Bluetooth Low Energyにおける10 dBmの送信出力、-100 dBmの受信感度、そして802.15.4における-104 dBmの受信感度で長距離通信をサポートします。さらに、nRF54H20はセキュリティの脅威を軽減するため、セキュアブート、セキュアなファームウェア更新、セキュアストレージ、物理的攻撃に対する防御によって最先端のセキュリティを提供します。   nRF54L15は次世代のマルチプロトコルSoCであり、超低消費電力のBluetooth 5.4 SoCで、先進的なマルチプロトコル対応無線技術とセキュリティ機能を備えています。nRF54Lシリーズは、優れた処理能力と効率性、拡張されたメモリー、新しい周辺機器を非常にコンパクトなパッケージ内に搭載しています。

Bluetooth Low EnergyのフラッグシップSoCは、複雑なIoTアプリケーションのニーズに応えます

前述のnRF54H20およびnRF54L15 SoCに加えて、NordicはBluetooth Low EnergyのフラッグシップモデルであるnRF5340 SoCも発表しました。このSoCはnRF53シリーズの最初の製品であり、世界で初めて2基のArm® Cortex®-M33プロセッサを搭載したワイヤレスSoCです。柔軟な2つのプロセッサと高度な機能セットの組み合わせにより、Low Energyオーディオ、先進的なウェアラブルデバイス、その他の複雑なIoTアプリケーションに最適な選択肢となっています。   nRF5340は、nRF52®シリーズの最も重要な機能群を包括したSoCです。Bluetooth® 5.4、高速SPI、QSPI、USBをサポートし、105°Cまでの温度で動作可能です。これらの機能を高性能、メモリ、統合性と組み合わせつつ、電力消費を抑えています。また、信頼性のある実行、ルートオブトラスト、セキュアなキー保管といったセキュリティ機能も提供します。   さらに、NordicはnRF52シリーズも提供しており、このシリーズは7つのマルチプロトコル対応Bluetooth 5.4 SoCで構成されています。これらのSoCには、強力かつ効率的な64 MHz Arm Cortex-M4 CPUが統合されています。フラッシュメモリは192 KBから1024 KB、RAMは24 KBから256 KBの範囲です。nRF52シリーズは、シンプルでコスト効率の高いものから非常に高度なものまで、すべて超低消費電力で提供します。   nRF52シリーズとnRF53シリーズはいずれも完全にフラッシュベースのSoCに基づいており、製品に完全な柔軟性とアップグレード可能性を提供します。工場でのプログラム更新や、Over-The-Air Device Firmware Upgrade（OTA DFU）によるリモートプログラム更新をサポートし、いつでもどこでも製品の更新や機能の追加が可能です。   IoTアプリケーション向けに、NordicはLPWAN技術のnRF91シリーズも発表しました。このシリーズは、すべての関連コンポーネントを統合し、nRF9160 SiPおよびnRF9161 SiPではマイクロサイズの10x16mmのSystem-in-Package（SiP）、nRF9151 SiPでは11x12mm、nRF9131 Mini SiPでは7x11mmというサイズにおいて、完全な通信モジュールとアプリケーションモジュールを提供することで、従来にない統合レベルを実現しました。この統合により、競合するソリューションでは達成が難しいコスト効率が高くコンパクトな設計が可能になります。たとえば、重さわずか2.5グラムの軽量な太陽光発電式動物トラッカーの設計が可能になります。

包括的なICとソフトウェア開発ツールキットを提供します

Nordicは、マルチプロトコルSoCに加えて、顧客の製品開発を加速するための補完的なICやソフトウェア開発キットも提供しています。例えば、nRF7002は、低消費電力、高いセキュリティ、スムーズな共存を特徴としたWi-Fi 6のコンパニオンICであり、シームレスなWi-Fi接続やWi-Fiベースの位置情報機能（ローカルWi-FiハブSSIDsスニッフィング）を提供します。このICは、Nordicの既存のnRF52®シリーズおよびnRF53®シリーズのBluetooth SoC、さらにはnRF91®シリーズセルラーIoT SiPとともに使用するよう設計されています。また、nRF7002はNordic以外のホストデバイスと組み合わせて使用することもできます。   nRF7001は、NordicのnRF70シリーズWi-FiコンパニオンICの2番目のデバイスであり、Nordicの既存の超低消費電力技術と簡単に統合できるよう設計されています。このICは低消費電力の2.4 GHz無線を搭載し、バッテリー寿命を延ばしつつ、様々な用途においてスムーズなWi-Fi 6接続を可能にします。さらに、SSIDベースのWi-Fi位置情報機能に特化したnRF7000 Wi-Fi 6コンパニオンICも存在します。このICは主にWi-Fiアクセスポイントの能動的および受動的なスキャンに重点を置き、位置情報をベースとしたアプリケーションに対して信頼性があり、省エネのソリューションを提供します。   Nordicはさらに、Bluetooth Low Energy、Wi-Fi、セルラーIoT、Bluetooth Meshネットワーク、Thread、Zigbee、Matter製品を構築するためのソフトウェア開発キット「nRF Connect SDK」を提供しています。このSDKは、nRF52、nRF53、nRF70、nRF91シリーズのすべてのNordicワイヤレスデバイスに基づいた製品を構築するための拡張可能かつ統一されたソフトウェアパッケージです。開発者は、メモリが制約されたデバイスに最適化された小型ソフトウェアや、より高度なデバイスやアプリケーション向けの堅牢で複雑なソフトウェアを構築するための拡張可能なフレームワークを利用できます。このSDKはZephyr RTOSと統合されており、さまざまなサンプル、アプリケーションプロトコル、プロトコルスタック、ライブラリ、ハードウェアドライバーを含んでいるため、顧客の製品開発期間を短縮することができます。

結論

スマートホームは人々の生活の質を向上させ、家庭内の知的レベルを高めることで、アプリケーション開発の人気の方向性となっています。スマートデバイスとシステムの信頼性とセキュリティを確保するには、すべてのスマートホームデバイスを接続するための安定的で安全な無線通信技術を選択することが重要です。Nordicが導入したマルチプロトコルSoC製品シリーズは、スマートホーム製品の設計を大幅に簡素化し、システムの安定性と安全性を向上させることができます。そのため、Nordicはスマートホーム関連製品の開発における最適なパートナーとなり得ます。