Perangkat Internet of Things (IoT) yang digunakan untuk penerangan cerdas dan otomatisasi bangunan sedang mengalami evolusi yang cepat, dengan peran mereka yang berubah dari titik kontrol sederhana menjadi sistem kaya fitur yang saling terhubung. Sistem ini perlu mendukung kebutuhan komputasi yang lebih tinggi, kinerja keamanan yang kuat, dan kinerja frekuensi radio (RF) yang lebih tinggi. Menghadapi tren ini, para desainer berada di bawah tekanan yang semakin besar untuk menyeimbangkan beragam kebutuhan seperti konektivitas multi-protokol, fitur keamanan tingkat lanjut, dan efisiensi daya, sekaligus berupaya mengurangi biaya bill of material (BOM) dan kompleksitas sistem. Kunci untuk memenuhi tuntutan aplikasi IoT yang sedang berkembang ini terletak pada adopsi perangkat System on Chip (SoC) nirkabel yang canggih.
Artikel ini bertujuan untuk menguraikan tantangan-tantangan yang dihadapi oleh para perancang perangkat dan sistem IoT yang sedang berkembang, dan kemudian memperkenalkan bagaimana SoC IoT nirkabel generasi berikutnya dari Silicon Labs mengatasi tantangan-tantangan ini melalui arsitektur berdaya sangat rendah. Arsitektur ini menggabungkan prosesor berkinerja tinggi dengan beberapa subsistem khusus, memberikan solusi yang layak.
Bagaimana tuntutan yang beragam mendorong evolusi perangkat menuju integrasi yang lebih tinggi
Perangkat pintar bertenaga saluran yang digunakan dalam aplikasi seperti lampu LED, soket pintar, dan sakelar diharapkan dapat memberikan fungsionalitas yang lebih kaya dalam siklus pengembangan yang lebih singkat. Para perancang perangkat ini menghadapi serangkaian persyaratan yang ketat: mereka harus mengintegrasikan kemampuan pemrosesan yang lebih tinggi, berbagai standar nirkabel, dan kinerja keamanan yang kuat sekaligus mengendalikan biaya BOM secara ketat dan memastikan perilaku perangkat yang dapat diprediksi dalam lingkungan pengoperasian yang berkelanjutan.
Kompleksitas koneksi nirkabel memperburuk tekanan ini. Protokol Bluetooth (BLE), Zigbee, Thread, dan Matter berenergi rendah semakin hidup berdampingan, membuat solusi berdasarkan pada satu protokol atau kompleks arsitektur multi chip. Mendukung berbagai protokol heterogen melalui komponen eksternal dapat memperlambat kemajuan pengembangan dan mengakibatkan rendahnya efisiensi. Oleh karena itu, desain IoT telah beralih ke penggunaan SoC nirkabel chip tunggal, seperti SoC nirkabel seri 3 SiMG301/SibG301 dari Silicon Labs (Gambar 1). Jenis chip ini mengintegrasikan pemrosesan aplikasi, fungsi keamanan, dan operasi nirkabel ke dalam satu perangkat.
SoC IoT nirkabel tingkat lanjut mengintegrasikan seluruh diagram skema tumpukan fungsional
Gambar 1: SoC IoT nirkabel canggih mengintegrasikan seluruh tumpukan fungsional, mencapai efisiensi desain yang lebih tinggi dibandingkan dengan solusi multi-chip awal. (Sumber gambar: Lab Silikon)
SoC ini, dengan arsitektur canggihnya, dapat memberikan kinerja tinggi, keamanan yang kuat, dan kemampuan konektivitas yang fleksibel, memungkinkan para desainer untuk lebih efektif merespons tuntutan perangkat pintar yang berubah dengan cepat.
Arsitektur terintegrasi dapat memenuhi beragam kebutuhan aplikasi IoT yang sedang berkembang
Seri SixG301 mengintegrasikan semua fungsi yang diperlukan untuk perangkat cerdas bertenaga saluran. Untuk memenuhi kebutuhan komputasi yang semakin kompleks, SoC SixG301 didasarkan pada inti prosesor Arm Cortex-M33 150 MHz dengan instruksi pemrosesan sinyal digital (DSP) dan unit aritmatika floating-point (FPU) (Gambar 2). Subsistem prosesor menggabungkan inti dengan memori akses acak (RAM) on-chip, memori flash yang dikemas bersama, pengontrol akses memori langsung (DMA), dan antarmuka debugging. Arsitektur ini juga memberikan dukungan komprehensif untuk perangkat pintar melalui modul perangkat keras khusus untuk konektivitas, keamanan, manajemen energi, jam, pengatur waktu, dan periferal (termasuk fungsi khusus untuk pencahayaan LED).
Diagram skema arsitektur SoC EFR32BG22 dari Silicon Labs (klik untuk memperbesar)
Gambar 2: Arsitektur SoC nirkabel SixG301 mengintegrasikan pemrosesan aplikasi, konektivitas nirkabel, dan keamanan, memberikan kinerja yang dapat diskalakan dan mengurangi kompleksitas sistem untuk perangkat pintar bertenaga saluran. (Sumber gambar: Lab Silikon)
Bagi para desainer, seri SixG301 memberikan solusi terukur yang dapat memenuhi berbagai kebutuhan. Untuk mencapai desain perangkat pintar dengan konektivitas Bluetooth sebagai tujuannya, seri SoC Bluetooth SiBG301 mendukung BLE, jaringan mesh Bluetooth, dan aplikasi berpemilik 2,4 gigahertz (GHz). Seri SoC multi protokol SiMG301 tidak hanya mendukung opsi Bluetooth yang sama, tetapi juga menambahkan dukungan untuk lapisan fisik (PHY) IEEE 802.15.4 dan lapisan kontrol akses media (MAC), cocok untuk jaringan nirkabel berkecepatan data rendah, termasuk Zigbee, Matter over Thread, dan OpenThread. Dalam setiap seri, model yang berbeda juga menawarkan opsi konfigurasi tambahan, menyediakan hingga 512 KB RAM dan 4 MB memori flash secure on-chip eksekusi (XIP) quad channel serial peripheral interface (QSPI). Terlepas dari konfigurasi yang dipilih, semua anggota seri SoC SixG301 memiliki kemampuan inti yang sama yang diperlukan untuk perangkat IoT generasi berikutnya.
Aplikasi IoT tingkat lanjut mengandalkan konektivitas yang kuat, dan seri SixG301 dirancang untuk beroperasi dengan andal bahkan di lingkungan dengan kepadatan tinggi dan rawan interferensi yang khas dari aplikasi ini. Rangkaian radio nirkabel berdaya rendah (LPW) ini (Gambar 3) mengintegrasikan inti prosesor radio, RAM, dan jalur transmisi dan penerimaan sinyal khusus, menyediakan subsistem konektivitas yang lengkap.