マルチプロトコルワイヤレスMCUモジュールで高度なIoT展開を加速

先進的なモノのインターネット（IoT）設計では現在、Wi-Fi、Bluetooth Low Energy（BLE）、Thread、Matterプロトコルを含む異種動作環境において、ネットワーク効率、最適なパフォーマンス、相互運用性を確保する安全なワイヤレス接続オプションが必要とされています。適切なソリューションプラットフォームは、センサや周辺機器とシームレスに統合されるだけでなく、グローバルに認証されたデバイスの評価から展開までの迅速な開発を可能にするエコシステムを備えている必要があります。

一から設計されたカスタムソリューションによってこれらの要件を満たすことは、主に無線周波数（RF）および混合信号設計とデバイス認証の複雑さから、依然として困難です。設計者はより統合されたアプローチを必要としています。

この記事では、IoT向けワイヤレスデバイスの設計者が直面する接続性の課題について簡単に説明します。そして、無線起動、プロトコルの統合、セキュリティの実装、および規格と規制のコンプライアンスに関連する遅延を削減することにより、高度なIoT設計を加速するu-bloxの既製ワイヤレスプラットフォームをご紹介します。

接続性要件の変化が、統合モジュールへの移行をいかに推進しているか

産業制御システム、商業ビルオートメーション、スマートデバイスエコシステムなどの新しいアプリケーションには、セキュリティや電力バジェットを損なうことなく、ハードウェア、ソフトウェア、通信の特殊な要件をサポートできる柔軟なIoTデバイスソリューションが必要です。アプリケーションの増加により、IoTデバイスは複数の接続オプションをサポートすることも予想されます。それぞれは、さまざまな無線周波数干渉（RFI）や電磁妨害（EMI）源が存在する、ますます混雑するRF環境において、信頼性の高い通信を維持できなければなりません。

これらのアプリケーションでは、特定のアプリケーション要件に対応するために、さまざまなワイヤレスプロトコルが不可欠です。デュアルバンドWi-Fi 6は、高密度のネットワークでスループットを維持するためのサービス品質スケジューリングを改善し、BLEは短距離通信における低消費電力動作の必要性をサポートし、Threadはデバイス認証とAES-128暗号化により、大規模な自己回復型IPv6メッシュネットワークを実現します。これらの複数の接続オプションは、Matterプロトコルの基礎となります。MatterプロトコルはIPベースのアプリケーション層であり、Wi-FiまたはThreadで動作し、デバイスの試運転と安全なオンボーディングにはBLEに依存します。

これらすべての要件を同時に満たすことは、エンジニアリング上の大きな課題となっています。従来のディスクリート無線設計は、複数のチップセット、RFフロントエンド、ホストインターフェースを必要とし、レイアウトの複雑さ、消費電力、認証の手間を増大させます。コンプライアンステスト中や、複数のプロトコルにまたがって運用する場合、追加された各インターフェースが潜在的な障害点になります。開発スケジュールの短縮化と規制要件の拡大に伴い、多くのチームが、無線サブシステム、処理リソース、統合セキュリティを単一の事前認定済みコンポーネントに統合したスタンドアロン型ワイヤレスマイクロコントローラユニット（MCU）モジュールに移行しています。

u-blox IRIS-W10シリーズのMCUモジュールは、高度なIoT設計の新たな課題に対応するように設計された統合ソリューションを提供します。モジュールレベルでのマルチプロトコル共存、ネットワーク効率、コードおよびデータの保護に対処することで、IRIS-W10シリーズは、プロトタイプから認証、展開に至るまでの未知数を減らしつつ、接続デバイスを開発するための信頼性の高い基盤をエンジニアに提供します。

IRIS-W10モジュールアーキテクチャが新たな要件にいかに応えるか

IRIS-W10シリーズは、高性能処理、マルチバンド無線サブシステム、XIP（eXecute-In-Place）フラッシュメモリ、ハードウェアベースのセキュリティを統合した完全なワイヤレスシステム（図1）で、高度なIoT製品を構築するための自己完結型プラットフォームを形成します。

図1：コンパクトでグローバルに認証されたモジュールにパッケージされたIRIS-W10シリーズは、高性能MCUとマルチバンド無線、フラッシュメモリ、ハードウェアベースのセキュリティ、および内蔵アンテナ（ここに示す）または外部アンテナ用のRF信号出力を組み合わせています。（画像提供：u-blox）

NXPのRW612およびRW610ワイヤレスMCUは、Arm® Cortex®-M33コアとマルチ無線サブシステムを統合しています。これらのワイヤレスMCUをベースにしたIRIS-W10モジュールは、高性能処理と、デュアルバンドWi-Fi 6（IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax）、BLE 5.4、Matter over Wi-Fiを含む複数の接続オプションを組み合わせています。RW612 MCUをベースにしたバリエーションでは、さらにIEEE 802.15.4、Thread、およびMatter over Threadをサポートします。

IRIS-W10シリーズの2つのファミリは、異なる統合ニーズに対応します。IRIS-W106モジュールはプリント回路基板アンテナを統合し、IRIS-W101モジュールは外部アンテナ構成を必要とする設置向けにRF信号を出力します。各ファミリでは、特定の製品が以下の通り異なるメモリおよび接続要件をサポートしています。

• RW610ベースのモジュール（IRIS-W106-30BおよびIRIS-W101-30B）には、8メガバイト（Mバイト）のフラッシュメモリが搭載されています。
• RW612ベースのモジュールは、8Mバイト（IRIS-W106-00BおよびIRIS-W101-00B）または16Mバイト（IRIS-W106-10BおよびIRIS-W101-10B）のフラッシュメモリと、前述のIEEE 802.15.4ベースの接続性を提供します。

これらのモジュールの一貫したアーキテクチャにより、開発者は既存の設計をより簡単に拡張し、新しい要件を満たすことができます。実際、これらのモジュールはいずれも、最小限の消費電力とフットプリントで構築された設計ではスタンドアロンホスト（図2a）として、より複雑な機能要件を持つ設計では別個のホスト（図2b）のコンパニオンプロセッサとして動作することができます。

図2：IRIS-W10モジュールは、消費電力とフットプリントを最小限に抑えるためにスタンドアロンプロセッサを必要とするもの（a）から、追加機能のためにホストのコンパニオンプロセッサとしてモジュールを必要とするもの（b）まで、幅広いアプリケーション要件に対応します。（画像提供：u-blox）

このシリーズは複数の接続オプションを備えており、混雑したRF環境でも信頼性の高い通信を実現します。Wi-Fi 6の直交周波数分割多重アクセス（OFDMA）とターゲットウェイクタイム（TWT）スケジューリングは、こうした環境でのチャンネル効率を改善し、BLEの適応型周波数ホッピング（AFH）は干渉を最小限に抑えます。IEEE 802.15.4機能により、Threadネットワークへの接続性が拡張され、低電力メッシュとMatterの相互運用が可能になります。異なるRF技術が同時にアクティブになることはないため、モジュールの無線は1つのRFチェーンを共有し、内部RFスイッチを使用して無線トラフィックを共有アンテナまたはRF出力にルーティングしながら順次動作します。

複数の接続プロトコルを利用できることは、増え続けるIoTアプリケーションにとって不可欠となっていますが、こうしたアプリケーションでは、信頼できる運用環境内で通信トランザクションのセキュリティを確保する能力がますます求められています。このようなセキュリティ要件を満たすため、IRIS-W10シリーズ モジュールはハードウェアルートオブトラストを採用しています。アプリケーションセキュリティは、MCUの内蔵リードオンリーメモリ（ROM）に保存されたセキュアブートローダを使用して、検証済みの不揮発性メモリまたはUSBソースからのセキュアブートで始まります。アプリケーションセキュリティの基盤は、Arm TrustZone-Mに基づく信頼された実行環境に置かれています。

その他のセキュリティ機能には、ファームウェアの信頼性と動作データを保護する、あらゆるセキュリティチェーン（例：ハードウェア暗号エンジン、暗号化フラッシュメモリ、保護されたデバッグインターフェース）で必要とされる重要な要素が含まれています。アプリケーションレベルでは、これらのセキュリティ機能により、WPA2/WPA3認証、Wi-Fiエンタープライズセキュリティ、トランスポート層セキュリティ（TLS）暗号化、HTTPS、BLEセキュア接続ペアリングが可能です。これらのメカニズムにより、ファームウェアの完全性と通信保護の両方において安全なベースラインが確立されます。 強固に統合された保護機能により、これらのモジュールは、個別のセキュリティデバイスを追加することなく、アプリケーションのサイバーセキュリティを強化します。

IRIS-W10シリーズは、高性能処理、マルチプロトコル無線、ハードウェアベースのセキュリティをグローバルに認証されたパッケージに統合することで、開発者がスループット、相互運用性、規制遵守といった複数の要件を満たせるよう支援します。高度なIoTデバイスを実装するために、この統合アーキテクチャは、u-blox評価キット（EVK）と開発ツールの包括的なセットを使用してカスタムIoTアプリケーションを迅速に開発するための堅牢な技術基盤を提供します。

先進的なIoT設計の開発を加速

IRIS-W10シリーズのハードウェアを補完するように設計されたu-bloxのEVKと関連ソフトウェアリソースにより、開発者は評価からアプリケーション設計まで効率的に進めることができます。これらのリソースを組み合わせることで、開発者はモジュールの性能を調べ、無線の動作を検証し、カスタムデバイスを構築することができます。

初期評価とプロトタイピングのために、u-blox USB-IRIS-W1評価ツールを使用すると、開発者はIRIS-W10モジュールの機能を素早く調べることができます。このキットは、IRIS-W106モジュール、基本的なユーザーインターフェース（UI）制御、および複数のインターフェースを、USB Type-Aコネクタを備えたスモールフォームファクタのプリント回路基板に統合しています（図3）。USB-IRIS-W1にはWi-Fiコマンドラインインターフェース（CLI）アプリケーションがプリロードされており、開発者はワークステーションのUSBポートに接続するだけで、すぐにモジュールのWi-Fi機能を評価することができます。

図3：プリフラッシュ済みのIRIS-W106モジュールを中心に構築されたUSB-IRIS-W1小型USB Type-Aボードは、複数のインターフェース、基本的なUI制御、およびテストポイントを通じて、モジュールの機能を迅速に評価できるように設計されています。（画像提供：u-blox）

USB-IRIS-W1キットはモジュールの起動とCLI評価のためのクイックスタートツールを提供しますが、u-blox EVK-IRIS-W1評価キット（図4）は、各モジュールの評価、機能体験、および機能拡張のためのより包括的なスタンドアロンプラットフォームを提供します。このキットには、EVK-IRIS-W106ボードとIRIS-W106-10Bモジュール、またはEVK-IRIS-W101ボードとIRIS-W101-10Bモジュールが含まれています。キットには、各ボードとともに、RJ45 Ethernetコネクタ、USBケーブル、U.FLコネクタ付きアンテナ（EVK-IRIS-101のみ）が含まれています。

各ボードには、UART、SPI、I²C、USBポートを含む複数のモジュールインターフェースが用意されています。さらに、ボードの機能を拡張するために、LED、基本的なUI制御、電力測定ヘッダ、10ピンデバッグコネクタ、4つのmikroBUS（MikroElektronika）コネクタが用意されています。

図4：EVK-IRIS-W1評価キットでは、開発用の包括的なハードウェアプラットフォームを提供し、アプリケーション開発、電力解析、および機能拡張用のIRIS-W10モジュールインターフェースを用意しています。（画像提供：u-blox）

開発者は、以下の4つの5V_DC電源入力のいずれかを介して電源を供給することで、ボードを素早く起動することができます。

• USB周辺機器から提供されるIRIS-W10 USBポート
• デバッグ/UARTポート
• MCU-LINK USBポート
• 電源ヘッダ

EVK-IRIS-W106とEVK-IRIS-W101にはそれぞれ、電源投入後すぐにWi-Fi 6とBLEを評価できるよう、デモ用画像がプリロードされています。モジュールファームウェアにより、エンジニアはシリアルコンソールを通じて、スループットやレイテンシの測定、消費電力の評価、コンフィギュレーションレジスタの検査を行うことができます。開発者は、EVKの電力測定ヘッダを使用することで、さまざまな通信状態における電流消費を定量化し、低消費電力またはバッテリ動作の要件を満たす必要がある設計において、エネルギー性能のトレードオフを検証することができます。

複数のソフトウェアリソースがアプリケーション開発を簡素化

カスタムアプリケーション開発のために、IRIS-W10シリーズはオープンCPU動作モデルに従っており、u-bloxはEVK上で動作するように設計されたオープンソースリファレンスコードのOpen CPUリポジトリでこのCPU動作モデルをサポートしています。この動作モデルでは、モジュールプロセッサは、NXPのMCUXpressoソフトウェア開発キット（SDK）またはZephyrを使用して構築されたカスタムアプリケーションの実行に利用可能です。カスタムアプリケーションは、NXPのMCUXpresso IDE、GNUコンパイラコレクション（GCC）、IARのEmbedded Workbenchなど、一般的な統合開発環境（IDE）やツールチェーンを使用して開発されます。

NXP SDKは、NXP MCUベースのアプリケーションを開発するためのライブラリ、コネクティビティスタック、サポートユーティリティ、リファレンスコードの包括的なセットを提供します。実行環境において、SDKのモジュール式アーキテクチャは、ハードウェア依存層やドライバを上位のアプリケーションロジックから分離することを支援します。

開発者は、オープンCPUのコードリポジトリとSDKのサンプルコードを参照することで、IoTアプリケーション固有の要件をサポートするために必要なカスタムファームウェアを迅速に実装することができます。カスタムファームウェアをロードするために、EVK-IRIS-W1およびUSB-IRIS-W1評価キットは、外部デバッガによるファームウェアのフラッシュをサポートしています。さらに、EVK-IRIS-W1キットボードはオンボードデバッガによるファームウェア更新をサポートし、USB-IRIS-W1はNXPのMCUブートローダホストアプリケーションを使用したUARTポート経由でのファームウェア更新をサポートします。継続的なテストとデバッグのために、どちらのキットもオンボードポートを通じて標準JTAGとSWDインターフェースをサポートしています。

すべてのハードウェア、ソフトウェア、および認証資産はモジュールバリエーション間で一貫性を保つため、既存設計を拡張して追加メモリや通信プロトコルをサポートする際、大幅な設計変更は不要です。設計が完了すると、開発者は同じIRIS-W10モジュールと開発環境を使用して量産移行が可能です。最後に、すべてのIRIS-W10モジュールのグローバル認証により、対象地域における最終製品の統合と規制文書化が簡素化されます。

グローバルに認定されたハードウェア、汎用性の高いSDK、十分に文書化されたリファレンスコードを組み合わせたu-blox IRIS-W10シリーズ エコシステムにより、開発者はセキュアなマルチプロトコルIoTデバイスをより迅速に展開することが可能となります。

まとめ

IoTデバイスにおけるセキュアなマルチプロトコル接続への需要の高まりに対応することは、厳しい開発スケジュールの中で低消費電力、堅牢なワイヤレス性能、グローバル認証を達成する上で、依然として大きな課題となっています。u-blox IRIS-W10シリーズは、組み込み処理、マルチ無線接続、および統合セキュリティをグローバルに認定されたモジュールプラットフォームに統合しています。IRIS-W10モジュール向けに最適化されたハードウェア評価キットとソフトウェアリソースを使用することで、開発者はセキュアで相互運用性の高いIoTシステムを効率的に評価、試作、展開することができます。マルチプロトコルワイヤレスエコシステムが拡大し続ける中、IRIS-W10シリーズは、新たな規格やアプリケーションの要件に対応できる拡張性の高い基盤を提供します。