Los dispositivos de Internet de las cosas (IoT) utilizados para la iluminación inteligente y la automatización de edificios están experimentando una rápida evolución, y sus funciones están cambiando de simples nodos de control a sistemas interconectados con múltiples funciones. Estos sistemas deben admitir requisitos informáticos más elevados, un rendimiento de seguridad sólido y un mayor rendimiento de radiofrecuencia (RF). Frente a esta tendencia, los diseñadores se encuentran bajo una presión cada vez mayor para equilibrar diversos requisitos, como conectividad multiprotocolo, funciones de seguridad avanzadas y eficiencia energética, al mismo tiempo que se esfuerzan por reducir los costos de la lista de materiales (BOM) y la complejidad del sistema. La clave para abordar las demandas de estas aplicaciones emergentes de IoT radica en la adopción de dispositivos inalámbricos avanzados de sistema en chip (SoC).
Este artículo tiene como objetivo profundizar en los desafíos que enfrentan los diseñadores de dispositivos y sistemas de IoT emergentes y luego presentar cómo el SoC de IoT inalámbrico de próxima generación de Silicon Labs aborda estos desafíos a través de su arquitectura de energía ultrabaja. Esta arquitectura combina procesadores de alto rendimiento con múltiples subsistemas dedicados, lo que proporciona una solución viable.
Cómo las demandas diversificadas impulsan la evolución de los dispositivos hacia una mayor integración
Se espera cada vez más que los dispositivos inteligentes alimentados por línea utilizados en aplicaciones como iluminación LED, enchufes e interruptores inteligentes proporcionen una funcionalidad más rica en ciclos de desarrollo más cortos. Los diseñadores de estos dispositivos enfrentan una serie de requisitos estrictos: necesitan integrar capacidades de procesamiento más altas, múltiples estándares inalámbricos y un rendimiento de seguridad sólido, al mismo tiempo que controlan estrictamente los costos de BOM y garantizan un comportamiento predecible de los dispositivos en un entorno operativo continuo.
La complejidad de las conexiones inalámbricas exacerba estas presiones. Los protocolos Bluetooth de baja energía (BLE), Zigbee, Thread y Matter coexisten cada vez más, lo que hace que las soluciones basadas en un único protocolo o en una arquitectura de múltiples chips sean complejas. El soporte de múltiples protocolos heterogéneos a través de componentes externos puede ralentizar el progreso del desarrollo y dar lugar a una baja eficiencia. Por lo tanto, el diseño de IoT se ha desplazado hacia el uso de SoC inalámbricos de un solo chip, como el SoC inalámbrico de la serie 3 SiMG301/SibG301 de Silicon Labs (Figura 1). Este tipo de chip integra procesamiento de aplicaciones, funciones de seguridad y operaciones inalámbricas en un solo dispositivo.
El SoC IoT inalámbrico avanzado integra todo el diagrama esquemático de la pila funcional
Figura 1: El SoC IoT inalámbrico avanzado integra toda la pila funcional, logrando una mayor eficiencia de diseño en comparación con las primeras soluciones de múltiples chips. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)
Estos SoC, con su arquitectura avanzada, pueden proporcionar alto rendimiento, seguridad sólida y capacidades de conectividad flexibles, lo que permite a los diseñadores responder de manera más efectiva a las demandas rápidamente cambiantes de los dispositivos inteligentes.
La arquitectura integrada puede satisfacer las diversas necesidades de las aplicaciones de IoT emergentes
La serie SixG301 integra todas las funciones necesarias para dispositivos inteligentes alimentados por línea. Para cumplir con los requisitos informáticos cada vez más complejos, el SoC SixG301 se basa en un núcleo de procesador Arm Cortex-M33 de 150 MHz con instrucciones de procesamiento de señales digitales (DSP) y unidades aritméticas de punto flotante (FPU) (Figura 2). El subsistema del procesador combina el núcleo con una memoria de acceso aleatorio (RAM) en el chip, una memoria flash empaquetada, un controlador de acceso directo a la memoria (DMA) y una interfaz de depuración. Esta arquitectura también brinda soporte integral para dispositivos inteligentes a través de módulos de hardware dedicados para conectividad, seguridad, administración de energía, relojes, temporizadores y periféricos (incluidas funciones dedicadas para iluminación LED).
Diagrama esquemático de la arquitectura SoC EFR32BG22 de Silicon Labs (haga clic para ampliar)
Figura 2: La arquitectura SoC inalámbrica SixG301 integra procesamiento de aplicaciones, conectividad inalámbrica y seguridad, proporcionando rendimiento escalable y reduciendo la complejidad del sistema para dispositivos inteligentes alimentados por línea. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)
Para los diseñadores, la serie SixG301 ofrece una solución escalable que puede satisfacer una amplia gama de requisitos. Para lograr un diseño de dispositivos inteligentes con conectividad Bluetooth como objetivo, la serie de SoC Bluetooth SiBG301 admite BLE, redes de malla Bluetooth y aplicaciones patentadas de 2,4 gigahercios (GHz). La serie de SoC multiprotocolo SiMG301 no solo admite las mismas opciones de Bluetooth, sino que también agrega soporte para la capa física (PHY) IEEE 802.15.4 y la capa de control de acceso a medios (MAC), adecuada para redes inalámbricas de baja velocidad de datos, incluidas Zigbee, Matter over Thread y OpenThread. Dentro de cada serie, diferentes modelos también ofrecen opciones de configuración adicionales, proporcionando hasta 512 KB de RAM y 4 MB de memoria flash de interfaz periférica serie de cuatro canales (QSPI) de ejecución segura en chip (XIP). Independientemente de la configuración elegida, todos los miembros de la serie SixG301 SoC poseen las mismas capacidades básicas necesarias para la próxima generación de dispositivos IoT.
Las aplicaciones avanzadas de IoT dependen de una conectividad sólida, y la serie SixG301 está diseñada para funcionar de manera confiable incluso en entornos de alta densidad propensos a interferencias, típicos de estas aplicaciones. Esta serie de radios inalámbricas de baja potencia (LPW) (Figura 3) integra un núcleo de procesador de radio, RAM y rutas de señal de transmisión y recepción dedicadas, lo que proporciona un subsistema de conectividad completo.