تشهد أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) المستخدمة للإضاءة الذكية وأتمتة المباني تطورًا سريعًا، حيث تتحول أدوارها من عقد التحكم البسيطة إلى أنظمة غنية مترابطة. تحتاج هذه الأنظمة إلى دعم متطلبات الحوسبة الأعلى، والأداء الأمني القوي، والأداء العالي للترددات الراديوية (RF). في مواجهة هذا الاتجاه، يتعرض المصممون لضغوط متزايدة لتحقيق التوازن بين المتطلبات المتنوعة مثل الاتصال متعدد البروتوكولات وميزات الأمان المتقدمة وكفاءة الطاقة، بينما يسعون أيضًا إلى تقليل تكاليف قائمة المواد (BOM) وتعقيد النظام. يكمن مفتاح تلبية متطلبات تطبيقات إنترنت الأشياء الناشئة في اعتماد نظام لاسلكي متقدم على أجهزة الرقاقة (SoC).
تهدف هذه المقالة إلى توضيح التحديات التي يواجهها مصممو أجهزة وأنظمة إنترنت الأشياء الناشئة، ومن ثم تقديم كيفية معالجة الجيل التالي من IoT SoC اللاسلكي من Silicon Labs لهذه التحديات من خلال بنية الطاقة المنخفضة للغاية. تجمع هذه البنية بين معالجات عالية الأداء وأنظمة فرعية متعددة مخصصة، مما يوفر حلاً ممكنًا.
كيف تدفع المتطلبات المتنوعة تطور الأجهزة نحو التكامل الأعلى
من المتوقع بشكل متزايد أن توفر الأجهزة الذكية التي تعمل بالطاقة الخطية والمستخدمة في تطبيقات مثل إضاءة LED والمقابس الذكية والمفاتيح وظائف أكثر ثراءً في دورات تطوير أقصر. يواجه مصممو هذه الأجهزة سلسلة من المتطلبات الصارمة: فهم بحاجة إلى دمج قدرات معالجة أعلى ومعايير لاسلكية متعددة وأداء أمني قوي مع التحكم الصارم في تكاليف قائمة مكونات الصنف (BOM) وضمان السلوك المتوقع للأجهزة في بيئة تشغيل مستمرة.
ويؤدي تعقيد الاتصالات اللاسلكية إلى تفاقم هذه الضغوط. تتعايش بروتوكولات Bluetooth منخفضة الطاقة (BLE) وZigbee وThread وMatter بشكل متزايد، مما يجعل الحلول تعتمد على بروتوكول واحد أو مجمع معماري متعدد الشرائح. قد يؤدي دعم البروتوكولات غير المتجانسة المتعددة من خلال مكونات خارجية إلى إبطاء تقدم التطوير ويؤدي إلى انخفاض الكفاءة. لذلك، تحول تصميم إنترنت الأشياء نحو استخدام شرائح SoC اللاسلكية أحادية الشريحة، مثل SiMG301/SibG301 3-series wireless SoC من Silicon Labs (الشكل 1). يدمج هذا النوع من الشرائح معالجة التطبيقات ووظائف الأمان والعمليات اللاسلكية في جهاز واحد.
تدمج تقنية IoT SoC اللاسلكية المتقدمة المخطط التخطيطي للمكدس الوظيفي بالكامل
الشكل 1: تدمج تقنية IoT SoC اللاسلكية المتقدمة المجموعة الوظيفية بأكملها، مما يحقق كفاءة تصميم أعلى مقارنة بالحلول المبكرة متعددة الشرائح. (مصدر الصورة: مختبرات السيليكون)
يمكن لـ SoCs، بفضل بنيتها المتقدمة، أن توفر أداءً عاليًا وأمانًا قويًا وقدرات اتصال مرنة، مما يتيح للمصممين الاستجابة بشكل أكثر فعالية للمتطلبات المتغيرة بسرعة للأجهزة الذكية.
يمكن للبنية المتكاملة أن تلبي الاحتياجات المتنوعة لتطبيقات إنترنت الأشياء الناشئة
تدمج سلسلة SixG301 جميع الوظائف المطلوبة للأجهزة الذكية التي تعمل بالطاقة الخطية. من أجل تلبية متطلبات الحوسبة المتزايدة التعقيد، يعتمد نظام SixG301 SoC على نواة معالج Arm Cortex-M33 بسرعة 150 ميجاهرتز مع تعليمات معالجة الإشارات الرقمية (DSP) والوحدات الحسابية ذات الفاصلة العائمة (FPUs) (الشكل 2). يجمع النظام الفرعي للمعالج بين النواة وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) الموجودة على الرقاقة، وذاكرة الفلاش المجمعة، ووحدة التحكم في الوصول المباشر إلى الذاكرة (DMA)، وواجهة تصحيح الأخطاء. توفر هذه البنية أيضًا دعمًا شاملاً للأجهزة الذكية من خلال وحدات أجهزة مخصصة للاتصال والأمن وإدارة الطاقة والساعات والمؤقتات والأجهزة الطرفية (بما في ذلك الوظائف المخصصة لإضاءة LED).
رسم تخطيطي لبنية EFR32BG22 SoC من Silicon Labs (انقر للتكبير)
الشكل 2: تدمج بنية SoC اللاسلكية SixG301 معالجة التطبيقات والاتصال اللاسلكي والأمان، مما يوفر أداءً قابلاً للتطوير ويقلل من تعقيد النظام للأجهزة الذكية التي تعمل بالخط. (مصدر الصورة: مختبرات السيليكون)
بالنسبة للمصممين، توفر سلسلة SixG301 حلاً قابلاً للتطوير يمكنه تلبية مجموعة واسعة من المتطلبات. من أجل تحقيق تصميم الأجهزة الذكية مع اتصال Bluetooth كهدف، تدعم سلسلة SiBG301 Bluetooth SoC تقنية BLE وشبكات Bluetooth الشبكية وتطبيقات 2.4 جيجاهيرتز (جيجاهرتز). لا تدعم سلسلة SoC متعددة البروتوكولات SiMG301 نفس خيارات البلوتوث فحسب، بل تضيف أيضًا دعمًا للطبقة المادية (PHY) وطبقة التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) لـ IEEE 802.15.4، وهي مناسبة للشبكات اللاسلكية ذات معدل البيانات المنخفض، بما في ذلك Zigbee وMatter over Thread وOpenThread. ضمن كل سلسلة، توفر الطرازات المختلفة أيضًا خيارات تكوين إضافية، مما يوفر ما يصل إلى 512 كيلو بايت من ذاكرة الوصول العشوائي و4 ميجا بايت من التنفيذ الآمن على الرقاقة (XIP) وذاكرة فلاش للواجهة الطرفية التسلسلية رباعية القنوات (QSPI). بغض النظر عن التكوين المختار، يمتلك جميع أعضاء سلسلة SixG301 SoC نفس القدرات الأساسية المطلوبة للجيل القادم من أجهزة إنترنت الأشياء.
تعتمد تطبيقات إنترنت الأشياء المتقدمة على اتصال قوي، وقد تم تصميم سلسلة SixG301 للعمل بشكل موثوق حتى في البيئات عالية الكثافة والمعرضة للتداخل النموذجية لهذه التطبيقات. تدمج هذه السلسلة من أجهزة الراديو اللاسلكية منخفضة الطاقة (LPW) (الشكل 3) نواة معالج الراديو وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ومسارات إشارة الإرسال والاستقبال المخصصة، مما يوفر نظامًا فرعيًا كاملاً للاتصال.