Die typischen Szenarien der Raum- und Gebäudeautomatisierung regeln Beleuchtung, Beschattung und HLK je nach aktuellem Bedarf. Ihre Programmierung basiert auf einfachen Kriterien, um Installation und Wartung zu vereinfachen. Bussysteme nutzen Geräteparameter für die Interaktion zwischen Sensor und Aktuator. Für anspruchsvollere Applikationen sind programmierbare Steuerungen erforderlich, die häufig auf dem SPS-Standard IEC 61131 basieren.
Dedizierte „Smart Building“-Lösungen sind in der Regel flexibler. Innovative Gebäudemanagementsysteme verwenden moderne Programmiersprachen und Tools und verfügen über Schnittstellen zu anderen IT-Systemen sowie zu KI-Tools.
In der Regel hängt es vom konkreten Anwendungsfall ab, ob das System für Berechnungen oder zur Datenspeicherung die Cloud- oder Edge-Technologie nutzt, oder ob alles innerhalb des Gebäudes bleibt. Moderne IoT-Bauelemente wie die nRF-Baureihe von Nordic Semiconductor bieten Multiprotokoll-Unterstützung für verschiedene Arten von drahtloser Konnektivität.
Das zellulare System-in-Package (SiP) nRF9160 für IoT erfüllt die Anforderungen neuer zellularer IoT-Applikationen mit niedrigem Stromverbrauch. Dazu zählen eine lange Batterielebensdauer, eine kostengünstige Implementierung und Wartung sowie Skalierbarkeit für mehrere Milliarden Geräte. Mit einem integrierten Anwendungsprozessor, einem vollständigen LTE-M/NB-IoT/GNSS-Modem, einem HF-Frontend und Leistungsmanagement in einem 10 mm x 16 mm x 1 mm großen Gehäuse bietet das Bauelement eine kompakte Lösung für das zellulare IoT.
Das nRF9160 SiP enthält eine Variante mit integrierter GPS-Unterstützung für Asset Tracking. Es kombiniert Standortdaten aus dem Mobilfunknetz mit GPS-Satelliten-Trilateration, um eine Remote-Überwachung der Geräteposition zu ermöglichen. Das weltweit kompatible LTE-Modem unterstützt zahlreiche Frequenzbänder. Es besitzt eine integrierte Arm® Cortex®-M33 CPU und ist mit den Sicherheitstechnologien Arm TrustZone und Arm CryptoCell ausgestattet. Das Bauelement bietet zahlreiche digitale und analoge Schnittstellen und Peripheriegeräte für Single-Device-Designmöglichkeiten. Die gesamte notwendige Modem-Firmware, RTOS, Anwendungssoftware-Beispiele und Hardware-Referenzdesigns werden bereitgestellt, um ein vollständiges zellulares IoT-Design zu implementieren.
Der nächste Schritt wird das nRF9161 sein, das noch mehr Frequenzbänder und ein DECT NR+ Modem beinhaltet. Umfangreiche Entwicklungshardware wie das nRF9160 Development Kit vereinfacht die Entwicklung von IoT-Systemen.
Das SoC nRF5340 deckt die Mittel- und Kurzstrecken-Konnektivität ab. Es enthält einen Multiprotokoll-Transceiver mit 2,4 GHz, der BLUETOOTH® Low Energy, ANT™ und 802.15.4 unterstützt und die Implementierung von proprietären 2,4-GHz-Protokollen ermöglicht. Die beiden Arm Cortex-M33-Prozessoren ermöglichen einen minimalen Portierungsaufwand, da sie sich die Energie-, Takt- und Peripheriearchitektur mit den PAN/LAN-SoCs der Baureihen nRF51, nRF52 und nRF91 teilen. Ein vollwertiger Arm Cortex-M33-Prozessor ist der Anwendungskern, der DSP-Befehle und FPU enthält und mit bis zu 128 MHz mit 1 MB Flash und 512 kB RAM läuft. Mit der CPU kann der Anwendungsprozessor mit 64 MHz laufen, was wiederum die Energieeffizienz erhöht. Der Netzwerkkern ist ein Arm Cortex-M33-Prozessor mit einem reduzierten Funktionsumfang, der für einen besonders stromsparenden Betrieb ausgelegt ist. Der Prozessor läuft mit einer festen Frequenz von 64 MHz und verfügt über 256 kB Flash und 64 kB RAM.
Die verschiedenen Peripheriegeräte bieten eine Vielzahl von analogen und digitalen Funktionen, die eine Single-Chip-Implementierung einer breiten Palette von Applikationen ermöglichen.
Das nRF5340 Development Kit unterstützt die Entwicklung mit zahlreichen Wireless-Protokollen. Das Kit bietet Bluetooth 5.2-Funktionen, einschließlich Long Range, 2 Mbps und Ad Extensions. Mesh-Protokolle wie Bluetooth Mesh, Thread und ZigBee können gleichzeitig mit Bluetooth LE ausgeführt werden. Dadurch können Smartphones Mesh-Knoten bereitstellen, aktivieren, konfigurieren und steuern. NFC, ANT, 802.15.4 und proprietäre 2,4-GHz-Protokolle werden ebenfalls unterstützt. Eine NFC-Antenne ermöglicht das schnelle Testen der NFC-A-Tag-Peripherie des nRF5340. Auf dem Board befindet sich ein SEGGER J-Link Debugger, mit dem sowohl der nRF5340 SoC als auch externe Targets vollständig programmiert und debuggt werden können. Über Header und Randstecker sind alle analogen und digitalen Schnittstellen sowie GPIOs verfügbar. Das Kit ist mit der Hardware des Arduino Uno Rev3 kompatibel, sodass es leicht mit externen Device Shields, einschließlich des Power Profiler Kit von Nordic, verbunden werden kann. Das Power Profiler Kit II (PPK2) ist ein einfach zu bedienendes Tool zur Optimierung der Strommessungen und des Stromverbrauchs von Embedded-Lösungen. Die PPK2- Anschlüsse können als eigenständige Einheit mit jedem DK von Nordic oder kundenspezifischen Board verbunden werden, ohne dass zusätzliche Kits oder Debugger erforderlich sind. Das PPK2 unterstützt sowohl einen Quellen- als auch einen Amperemeter-Modus.
Die Matter-Initiative hat Amazon, Apple, Google, Nordic Semiconductor und weitere Unternehmen zusammengebracht, um einen einheitlichen Anwendungsschicht-Standard für vernetzte Heimgeräte zu schaffen. Matter gewährleistet die nahtlose Integration von Produkten mit den wichtigsten Smart-Home-Ökosystemen wie Siri, Google Assistant und Alexa.
Matter ist eine hochmoderne Konnektivitätstechnologie, die sich die Leistungsfähigkeit verschiedener Transportmethoden wie Thread, Wi-Fi®, Ethernet und BLUETOOTH® LE zunutze macht. Thread ist ein IPv6-basiertes Mesh-Protokoll, das die Führungsrolle bei Applikationen mit geringer Bandbreite übernimmt und sich daher ideal für energieeffiziente, batteriebetriebene Geräte wie intelligente Steckdosen und Lampen eignet. Bluetooth LE ermöglicht das nahtlose Hinzufügen neuer Geräte zu einem Thread-basierten Netzwerk, während Wi-Fi für Aufgaben mit hoher Bandbreite innerhalb der Reichweite der lokalen Wi-Fi-Abdeckung verwendet werden kann. Thread-Geräte, die an das Stromnetz angeschlossen sind, fungieren als Router, erweitern die Reichweite des Netzwerks und sorgen für Funktionen zur Selbstregulierung, die sich dynamisch an Veränderungen im Netzwerk anpassen.
Die geeignete Hardware für die neueste Matter-Technologie ist das kommende Multi-Protokoll-SoC nRF54H20 der vierten Generation. Dieses Bauelement bietet Multi-Protokoll-Funk und modernste Sicherheitsoptionen. Es besitzt mehrere Arm® Cortex®-M33 Prozessoren und RISC-V-Coprozessoren, die mit bis zu 320 MHz getaktet sind. Jeder Prozessor ist für eine bestimmte Art von Arbeitslast optimiert. Aufgrund der Verarbeitungsleistung und des großen Speichers eignet sich das System ideal für die Ausführung von Machine-Learning-Modellen und die Zusammenführung von Sensoren im Edge-Bereich.
Es unterstützt alle Bluetooth 5.4-Funktionen und verstärkt zukünftige Bluetooth-Spezifikationen. Das SoC unterstützt Bluetooth Low Energy, LE Audio, Bluetooth Mesh, Thread, Matter und mehr.
Der Schritt von der Gebäudeautomatisierung zu Smart Homes ist nicht so groß wie es scheint. Konnektivität und Rechenleistung sind der Schlüssel, und moderne SoCs und SiPs bieten beides in großem Umfang. Neue Standards wie Matter minimieren das Risiko der Abhängigkeit von einem einzigen Anbieter. Es ist an der Zeit, smart zu werden!