Các thiết bị Internet of Things (IoT) được sử dụng cho hệ thống chiếu sáng thông minh và tự động hóa tòa nhà đang trải qua quá trình phát triển nhanh chóng, với vai trò của chúng chuyển từ các nút điều khiển đơn giản sang các hệ thống kết nối phong phú. Các hệ thống này cần hỗ trợ các yêu cầu tính toán cao hơn, hiệu suất bảo mật mạnh mẽ và hiệu suất tần số vô tuyến (RF) cao hơn. Đối mặt với xu hướng này, các nhà thiết kế đang chịu áp lực ngày càng tăng trong việc cân bằng các yêu cầu đa dạng như kết nối đa giao thức, tính năng bảo mật nâng cao và hiệu quả sử dụng điện, đồng thời cố gắng giảm chi phí nguyên vật liệu (BOM) và độ phức tạp của hệ thống. Chìa khóa để giải quyết nhu cầu của các ứng dụng IoT mới nổi này nằm ở việc áp dụng các thiết bị Hệ thống không dây trên Chip (SoC) tiên tiến.
Bài viết này nhằm mục đích giải thích chi tiết về những thách thức mà các nhà thiết kế hệ thống và thiết bị IoT mới nổi phải đối mặt, sau đó giới thiệu cách SoC IoT không dây thế hệ tiếp theo của Silicon Labs giải quyết những thách thức này thông qua kiến trúc năng lượng cực thấp. Kiến trúc này kết hợp các bộ xử lý hiệu suất cao với nhiều hệ thống con chuyên dụng, cung cấp giải pháp khả thi.
Nhu cầu đa dạng thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị theo hướng tích hợp cao hơn như thế nào
Các thiết bị thông minh được cấp nguồn bằng đường truyền được sử dụng trong các ứng dụng như đèn LED, ổ cắm thông minh và công tắc ngày càng được mong đợi sẽ cung cấp chức năng phong phú hơn trong chu kỳ phát triển ngắn hơn. Các nhà thiết kế các thiết bị này phải đối mặt với một loạt yêu cầu nghiêm ngặt: họ cần tích hợp khả năng xử lý cao hơn, nhiều tiêu chuẩn không dây và hiệu suất bảo mật mạnh mẽ, đồng thời kiểm soát chặt chẽ chi phí BOM và đảm bảo hoạt động có thể dự đoán được của thiết bị trong môi trường hoạt động liên tục.
Sự phức tạp của kết nối không dây làm trầm trọng thêm những áp lực này. Các giao thức Bluetooth (BLE), Zigbee, Thread và Matter năng lượng thấp đang ngày càng tồn tại cùng nhau, tạo ra các giải pháp dựa trên một giao thức duy nhất hoặc kiến trúc đa chip phức tạp. Việc hỗ trợ nhiều giao thức không đồng nhất thông qua các thành phần bên ngoài có thể làm chậm tiến độ phát triển và dẫn đến hiệu quả thấp. Do đó, thiết kế IoT đã chuyển sang sử dụng các SoC không dây đơn chip, chẳng hạn như SoC không dây 3 dòng SiMG301/SibG301 của Silicon Labs (Hình 1). Loại chip này tích hợp xử lý ứng dụng, chức năng bảo mật và hoạt động không dây vào một thiết bị duy nhất.
SoC IoT không dây nâng cao tích hợp toàn bộ sơ đồ ngăn xếp chức năng
Hình 1: SoC IoT không dây tiên tiến tích hợp toàn bộ cụm chức năng, đạt được hiệu quả thiết kế cao hơn so với các giải pháp đa chip đời đầu. (Nguồn hình ảnh: Phòng thí nghiệm Silicon)
Những SoC này, với kiến trúc tiên tiến, có thể mang lại hiệu suất cao, bảo mật mạnh mẽ và khả năng kết nối linh hoạt, cho phép các nhà thiết kế đáp ứng hiệu quả hơn nhu cầu thay đổi nhanh chóng của các thiết bị thông minh.
Kiến trúc tích hợp có thể đáp ứng nhu cầu đa dạng của các ứng dụng IoT mới nổi
Dòng SixG301 tích hợp tất cả các chức năng cần thiết cho các thiết bị thông minh được cấp nguồn bằng đường dây. Để đáp ứng các yêu cầu tính toán ngày càng phức tạp, SixG301 SoC dựa trên lõi bộ xử lý Arm Cortex-M33 150 MHz với các lệnh xử lý tín hiệu số (DSP) và đơn vị số học dấu phẩy động (FPU) (Hình 2). Hệ thống con bộ xử lý kết hợp lõi với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) trên chip, bộ nhớ flash được đóng gói chung, bộ điều khiển truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA) và giao diện gỡ lỗi. Kiến trúc này cũng cung cấp sự hỗ trợ toàn diện cho các thiết bị thông minh thông qua các mô-đun phần cứng chuyên dụng để kết nối, bảo mật, quản lý năng lượng, đồng hồ, bộ hẹn giờ và thiết bị ngoại vi (bao gồm các chức năng chuyên dụng cho đèn LED).
Sơ đồ kiến trúc SoC EFR32BG22 của Silicon Labs (bấm vào để phóng to)
Hình 2: Kiến trúc SoC không dây SixG301 tích hợp xử lý ứng dụng, kết nối không dây và bảo mật, mang lại hiệu suất có thể mở rộng và giảm độ phức tạp của hệ thống cho các thiết bị thông minh chạy bằng đường truyền. (Nguồn hình ảnh: Phòng thí nghiệm Silicon)
Đối với các nhà thiết kế, dòng SixG301 cung cấp giải pháp có thể mở rộng, có thể đáp ứng nhiều yêu cầu. Để đạt được thiết kế thiết bị thông minh với mục tiêu là kết nối Bluetooth, dòng SoC Bluetooth SiBG301 hỗ trợ BLE, mạng lưới Bluetooth và các ứng dụng 2,4 gigahertz (GHz) độc quyền. Dòng SoC đa giao thức SiMG301 không chỉ hỗ trợ các tùy chọn Bluetooth giống nhau mà còn hỗ trợ thêm lớp vật lý IEEE 802.15.4 (PHY) và lớp điều khiển truy cập phương tiện (MAC), phù hợp với các mạng không dây tốc độ dữ liệu thấp, bao gồm Zigbee, Matter over Thread và OpenThread. Trong mỗi dòng sản phẩm, các model khác nhau cũng cung cấp các tùy chọn cấu hình bổ sung, cung cấp RAM lên tới 512 KB và 4 MB bộ nhớ flash giao diện ngoại vi nối tiếp bốn kênh (QSPI) thực thi an toàn trên chip (XIP). Bất kể cấu hình được chọn là gì, tất cả các thành viên của dòng SixG301 SoC đều sở hữu những khả năng cốt lõi giống nhau cần thiết cho thế hệ thiết bị IoT tiếp theo.
Các ứng dụng IoT nâng cao dựa vào khả năng kết nối mạnh mẽ và dòng SixG301 được thiết kế để hoạt động đáng tin cậy ngay cả trong môi trường mật độ cao, dễ bị nhiễu điển hình của các ứng dụng này. Dòng radio không dây công suất thấp (LPW) này (Hình 3) tích hợp lõi bộ xử lý vô tuyến, RAM và các đường dẫn tín hiệu truyền và nhận chuyên dụng, cung cấp một hệ thống con kết nối hoàn chỉnh.