Zaloguj
Technologie Internetu Rzeczy z dnia na dzień coraz bardziej zmieniają obraz naszej rzeczywistości. Nietrudno odnieść wrażenie, że to właśnie IoT ma największy udział w cyfrowej transformacji, która wpływa na wszystkie aspekty ludzkiego życia – zwiększa bezpieczeństwo, monitoruje stan zdrowia, ułatwia funkcjonowanie w miejskim gąszczu, czuwa nad uprawami rolnymi czy wreszcie podnosi efektywność procesów przemysłowych. Szczególne miejsce w czołówce firm operujących na rynku rozwiązań IoT ma marka Nordic Semiconductor – przez wielu konstruktorów kojarzona głównie z wysokiej klasy układami radiowymi Bluetooth, choć z równym powodzeniem wdrażająca także rozwiązania z zakresu sieci komórkowych, ZigBee i wielu innych. W artykule dokonujemy ekspresowego przeglądu aktualnej oferty Nordic Semiconductor w segmencie układów przeznaczonych do aplikacji IoT.
Seria nRF52
Większość osób, które miały okazję pracować z układami oraz modułami bazującymi na rozwiązaniach marki Nordic Semiconductor, w pierwszej chwili kojarzy ją zapewne z przedstawicielami niezwykle popularnej serii nRF52, obejmującej siedem modeli układów SoC przeznaczonych do pracy przede wszystkim w energooszczędnych urządzeniach przenośnych, sensorach IoT, inteligentnym sprzęcie AGD i wielu innych klasach produktów. W zależności od wersji poszczególni przedstawiciele opisywanej rodziny układów SoC obsługują nie tylko podstawową łączność BLE, ale także bardziej zaawansowane jej odmiany – oferują m.in. wsparcie precyzyjnej lokalizacji urządzeń wewnątrz pomieszczeń (direction finding), łączność dalekiego zasięgu (long range), połączenia typu Bluetooth Mesh, a także szereg innych protokołów komunikacyjnych: Thread, Matter, ZigBee, ANT oraz własnościowy standard transmisji w paśmie ISM 2,4 GHz. Mało tego – układy nRF52840, nRF52833 oraz nRF52832 mają nawet wbudowany interfejs NFC integrujący w sobie niemal wszystkie elementy niezbędne do uruchomienia komunikacji zbliżeniowej (do pracy wystarczy zewnętrzna antena wraz z parą odpowiednio dobranych kondensatorów ceramicznych). Wszystkie układy SoC z serii nRF52 bazują na 64-megahercowym procesorze ARM Cortex-M4 i mają wbudowaną pamięć Flash o pojemności od 192 kB do 1 MB oraz RAM o rozmiarze od 24 kB do 256 kB. Najmniejszy członek rodziny nRF52 – układ nRF52805 – ma wymiary zaledwie 2,48×2,46 mm, dzięki czemu nadaje się do urządzeń przenośnych i ubieralnych o największych ograniczeniach pod względem przestrzeni dostępnej wewnątrz obudowy.
nRF53 – najwyższa wydajność w kompaktowej formie
Układy nRF5340 oferują wszystkie funkcjonalności dostępne w rodzinie nRF52, przenosząc jednak aplikacje na jeszcze wyższy poziom pod względem wydajności – w tym przypadku mamy już bowiem do czynienia z dwoma rdzeniami ARM Cortex-M33 o częstotliwościach 128 MHz i 64 MHz, wyposażonymi w – odpowiednio – 1 MB Flash/512 kB RAM oraz 256 kB Flash/64 kB RAM. Co więcej, układy nRF53 obsługują już technologię ARM Trustzone, oferują przestrzeń do bezpiecznego przechowywania kluczy szyfrujących, a ponadto implementują szereg peryferiów niedostępnych w większości układów nRF52 – w tym interfejsy I²S, USB oraz QSPI. Obecność I²S jest zresztą nieprzypadkowa, gdyż transceivery z rodziny nRF53 wspierają profil Bluetooth LE Audio, co otwiera nowe możliwości w zakresie konstrukcji wydajnych i energooszczędnych urządzeń, takich jak głośniki, słuchawki bezprzewodowe czy odtwarzacze sieciowe.
Seria nRF91 – łączność dalekiego zasięgu zdefiniowana na nowo
W odróżnieniu od wcześniej opisanych układów, seria nRF91 została opracowana przede wszystkim z myślą o łączności globalnej. Obecnie w ramach opisywanej serii znajdują się trzy moduły klasy SiP, przy czym wszystkie obsługują nowoczesną łączność M2M w standardach LTE-M i NB-IoT oraz nawigację satelitarną (GNSS). Układy bazują na 64-megahercowych procesorach ARM Cortex-M33 wyposażonych w sporą pamięć Flash (1 MB) oraz RAM o pojemności 256 kB. Do dyspozycji konstruktorów są interfejsy TWI, SPI, I²S oraz UART, a także 4 kanały PWM, linie PDM, wbudowane przetworniki ADC, timery oraz zegary czasu rzeczywistego (RTC). Taki poziom integracji zapewnia możliwość zrealizowania kompletnego urządzenia, w którym całość funkcjonalności jest zaimplementowana w samym module SiP, bez konieczności używania dodatkowego (zewnętrznego) mikrokontrolera. Na transceiverze oraz procesorze aplikacyjnym nie kończy się jednak lista bloków zintegrowanych w ramach tych niewielkich modułów – wewnątrz znajduje się bowiem także system zarządzania zasilaniem (PMIC) oraz obwody taktowania z rezonatorem kwarcowym i niezbędnymi elementami pasywnymi. Całość tworzy zatem ultranowoczesne rozwiązanie w pełni zasługujące na miano System-in-Package.
DECT NR+, czyli innowacja na solidnych podstawach
Firma Nordic Semiconductor miała istotny udział w tworzeniu nowego protokołu komunikacji IoT, określanego mianem DECT NR+. Standard ten bazuje wprawdzie na sprawdzonej technologii komórkowej (dziedziczy więc po niej wszystkie najważniejsze zalety, w tym bardzo wysoką niezawodność oraz kompatybilność warstwy fizycznej z milionami istniejących na rynku urządzeń), ale udostępnia całkowicie nowe możliwości wymiany danych. Payload przesyłany w ramach DECT NR+ może być mikroskopijny (i zawierać zaledwie 4 bajty), ale równie dobrze może składać się z kilkunastu megabajtów danych.
Mało tego – prywatne połączenia, realizowane w paśmie 1,9 GHz, obsługują zarówno transmisję point-to-point (P2P), jak i topologię kratową (mesh) czy gwiazdową (star), a zarezerwowanie licencji na użytkowanie „własnego” podpasma GSM wiąże się z niewielkimi kosztami. Co więcej, sieci DECT NR+ są niebywale skalowalne – przejście od 100 węzłów/km² do nawet miliona węzłów/km² nie stanowi dla tego standardu większego problemu, pozwala bowiem utrzymać użyteczną przepustowość i niezawodność, co wynika także z deterministycznej, niskiej latencji na poziomie 1 milisekundy (!). Takie rozwiązanie – odporne na awarie pojedynczych węzłów – jest wprost wymarzoną technologią do realizacji „gęstych” sieci Internetu Rzeczy w nowoczesnych, inteligentnych miastach (smart cities) czy fabrykach. W ofercie Nordic Semiconductor za obsługę standardu DECT NR+ odpowiadają dwa moduły SiP: nRF9161 oraz – najnowocześniejszy – nRF9151.
nRF9151 – zaczyn cyfrowej transformacji na miarę XXII wieku
Układ nRF9151 oferuje tę samą funkcjonalność, która dostępna jest już od pewnego czasu w module nRF9161, różni się jednak od swojego poprzednika dwoma głównymi parametrami, niezwykle ważnymi z punktu widzenia projektantów urządzeń IoT. Po pierwsze, nowy moduł SiP wspiera połączenia w standardzie Power Class 5 z maksymalną mocą nadawania do 20 dBm – co rzecz jasna pozwala znacząco obniżyć pobór mocy w przypadku aplikacji niewymagających szczególnie dużego zasięgu. Po drugie – nRF9151 oferuje znacząco mniejszy footprint – inżynierom firmy Nordic Semiconductor udało się zredukować wymiary całości aż o 17% – obudowa LGA opisywanego modułu ma wielkość 11×12 mm (przy nieco mniejszej grubości od poprzednika – 1 mm zamiast 1,04 mm). Projektanci najbardziej kompaktowych urządzeń doskonale wiedzą, jakie znaczenie ma „odzyskanie” 4 milimetrów powierzchni PCB dzięki skróceniu najdłuższego boku modułu. Kompaktowe wymiary, w połączeniu z wysoką wydajnością zastosowanego w układzie procesora oraz wsparciem dla najnowocześniejszych standardów LTE-M/NB-IoT/DECT NR+, dają niebywałe możliwości w zakresie aplikacji takich jak monitorowanie infrastruktury miejskiej, pomiary zużycia mediów (smart metering), przemysł 4.0 czy też nowoczesne urządzenia medyczne i ubieralne (wearables).
