ウェアラブルおよびモノのインターネット向けのパーソナルエリアネットワークリンクの選択

パーソナルエリアネットワーク（PAN）の真の展開は、まだ定着していません。 私たちは、新たなレベルでマシンと私たちを結び付ける新世代のウェアラブルコンピュータ、センサ、およびペリフェラルの時代の幕開けにいます。

従来、PANは、ワイヤレスヘッドセットへのBluetooth接続などのワイヤレスオーディオリンクと関連しています。 これは個人向けの有用なローカルマシンツーマシン（M2M）である一方で、低電力RF近接場技術のPANが提供できる真の可能性とは程遠いものです。

この記事では、私たちの「パーソナル電磁気バブル」を通してデータ生成および送受信のために持つ選択肢を考察します。 シンプルな側では、ウェアラブルまたは「深く組み込まれた」センサから、リアルタイム3Dジェスチャ認識のための高解像度ビデオおよび画像処理に至る広範なアプリケーション向けの低電力レベルおよび信号タイプの使用を考察します。

IRDA、Wireless USB、Bluetooth、Z-Wave、ZigBee、およびWi-Fiなどの規格用の今日のチップレベルソリューションを考察し、期待できる真の利用可能なスループットを決定するために、帯域幅の観点から注目します。 また、異なる機能向けにどの規格がより優れているかについて考察します。 この記事で言及されているすべての部品、データシート、チュートリアル、および開発ツールは、DigiKeyウェブサイトでご覧いただけます。

すべてがRFで動作するわけではない

ワイヤレスリンクは一般的に、無線の概念を呼び起こしますが、すべてのワイヤレスリンクがRFベースであるわけではありません。 その代わりに、いくつかの見通し線、ショートホップ、低帯域幅通信はIRベースである可能性があります。 たとえば、機器または医療手順の遠隔制御のための2部のフォースフィードバックグローブについて考えてみましょう。 ここでは、ROHMのRPM973-H11E2AのようなIRDAモジュールが良好に動作します（図1）。 このトランシーバは、超薄型で自己完結型であり、すべてのソースからの周囲のRFノイズによって干渉されないオプションのリンクとして最大4Mビット/秒を提供することができます。 これはまた、過酷な条件向けに堅牢な構造を提供します。


図1：さほど広くない帯域幅のデータ通信向けに、利用可能な見通し線リンクとして頑丈で堅牢なIRを無視することはできません。 いくつかの良く設計された低コストのトランシーバは、技術者が指定するのに利用可能です。

光技術には用途がある一方で、新興のPANアプリケーション向けにはるかに最も広く使用される通信技術は、RFでしょう。 興味深いことには、非常に短距離での低速リンク向けに、より低コストのナローバンドAM、FM、ASK、FSK、搬送波オン/搬送波オフ、およびPSKタイプのRFが使用できます。 コンピュータのマウスは、1,200ビット/秒のデータレートで良好に動作します。

MurataのTR3000は、433.92MHzの搬送波およびASK、またはOOK変調を使用して最大115.2kボーのデータレートをサポートします。 2.7～3.7Vで動作するこの製品は、受信中に消費する電流はわずか3.8mAで、7.5mAの電流消費で送信を行うことができます。 優れた機能として、非常に短距離のリンク向けに電力使用が低減でき、電池寿命を延長することがあります（図2）。


図2：ナローバンド送信では、比較的低いデータレートで電力量を非常に低く抑えることができます。 しかしながら、ノイズ源や混雑した相互運用可能な環境は問題をもたらします。

ナローバンドAMおよびFMの電力制限は機能することができる一方で、可能性のある非常に多くの干渉源があり、これらのタイプのリンクは一般的に、エラーの発生時にアービトレーション、衝突検出、衝突回避、および自動再送がありません。 ここで、デジタル無線が異彩を放ちます。

Bluetooth、USB、ZigBee、Wi-Fi、またはZ-Waveなどの一貫して相互運用可能な規格を含むいくつかのデジタル規格が、切望される、非常に大量の可能性があるPAN市場をめぐって競い合っています。

Wireless USBは、複数のICレベルのデバイスがすぐに使用できる状態であり、いくらかの有望性を提供します。 CypressのCYRF6936-40LTXCダイレクトシーケンス拡散スペクトラムワイヤレス2.4GHz USBトランシーバのみの部品を考えてみましょう。 最大1Mビット/秒を備えたこの1.8～3.6Vのユニットは、セットアップおよび制御のために4MHz SPIポートを使用します。 これは、ナローバンドのソリューションよりも少し大きい露出パッド40ピンの部品で提供されます。 また、その34mA送信（および21.2mA受信）電流は、はるかにより高いです。 しかし、多くのアプリケーションは、ウェイク状態よりもスリープ状態により多くの時間を費やします。そして、ウェイク状態の時に、通信バーストは、小さな電池で、特にそれらの電池が再充電式である場合に、長い時間継続することができます。

組み込みコントローラを持つ同様の部品として、CypressのCYRF89235-40LTXCがあります。この部品は、最大24MHzのHarvardアーキテクチャM8C RISCプロセッサオンチップや、エミュレーションポートを提供します（図3）。 オンチップ32Kフラッシュは、いくつかのアプリ向けにスタックおよびユーザーコードを収容することができます。 2K RAMは、8ビットポート、またはI²CまたはSPIインターフェースを通して、プログラムされたI/Oで拡張でき、これらのポートまたはインターフェースも含まれています。


図3：システムオンチップのアプローチにより、組み込みマイクロコントローラは、プロトコルスタックを完全に実行することができるとともに、お客様のアプリケーション特有のコードに収容するか、またはお客様独自のカスタムインターフェースを作成するために組み込み環境を提供することができます。

オーディオ以外の他の用途

Bluetoothオーディオは、一般的に、必要とされるよりも多くの電力を使用するにもかかわらず、ヘッドセットおよび装着型オーディオリンク向けに優勢であり続ける可能性が最も高いでしょう。 ほとんどのBluetoothデバイスは、混雑した環境であっても一緒に良好に動作します。 テザリングプロセスにより、トランシーバは、複数のソケットや複雑なプロトコルスタックを維持する必要がなく、シンプルなルックアンドロックタイプになります。

その一方で、Bluetooth Low Energyは、センサ、アクチュエータ、およびPANなどの非オーディオアプリケーションによく適しています。 その他の規格と同様に、統合型ソリューションは、すぐに使用できます。 注目すべき1つのBluetooth LEソリューションとして、CSRが提供するTCSR1010A05-IQQM-RシングルチップBluetooth LEシステムオンチップ（SoC）トランシーバ（図4）があります。 CSRのµEnergy Bluetooth Low Energyプラットフォームの一部であるこの製品はまた、組み込みマイクロコントローラ（この場合はBT LEスタック、無線、割り込み、および外部インターフェースを実行する16ビットRISCプロセッサ）を含みます。


図4：組み込みマイクロコントローラは、デジタル無線ペリフェラル機能を含むことができるだけでなく、混合信号を含むその他のコネクティビティおよびペリフェラルインターフェースを提供することもできます。

これらの部品は、64Kバイトのフラッシュや64KバイトのRAMを備え、利用可能なより少し多くのリソースを持っていることに留意すべきです。 さらに、これらの部品はまた、10ビットのA/D、12個のプログラム可能I/O、SPI、I²C、UART、PWM、およびデバッグSPIポートを含みます。 今日開発されている実質的にすべての無線トランシーバと同様に、それらはまた、エネルギー管理機能を備え、拡張されたスリープ電力節約のために32kHzのリアルタイムクロック水晶振動子を使用することができます。

この領域におけるもう1つの競合製品として、STMicroelectronicsが提供するBluetooth LEワイヤレスネットワークプロセッサのBLUENRGQTRがあります。 1Mビット/秒準拠のマスターまたはスレーブとしてのBluetooth v4.0仕様に準拠しているこの製品はまた、エネルギー低減のために32kHzクロックまたは発振器を使用するか、またはプロセス集約型の計算向けにより高いネイティブ周波数（この場合は最大32MHz）で実行することができます。

これは、64Kプログラムフラッシュおよび12K SRAMの利用可能なメモリを備え、ARM Cortex-M0プロセッサ（図5）をベースとしています。 これはまた、SPI、I²C、UART、シリアルプログラムおよびデバッグや、AESハードウェアを備えています。 STMicroelectronicsは、これを、特に健康およびフィットネスアプリケーション向けの可能性のあるPAN領域のペリフェラルコントローラとしてみなしています。 同社はまた、Bluetooth LEの健康およびフィットネスアプリケーション向けのプロダクトトレーニングモジュールを提供しています。


図5：8および16ビットのコアがPANアプリケーションに使用できるだけでなく、この32ビットの Cortex-M0も、無線リンクを動作することができ、お客様のコード向けに十分な処理パワーを備えています。

いくつかのその他のサプライヤと同様に、STMicroelectronicsは、迅速な開始を支援するために、スタックをサポートし、開発環境を提供します。 この場合、同サプライヤのSTEVAL-IDB002V1は、BlueNRG低エネルギーネットワークプロセッサ向けの有益なデモおよび評価ボードです。

その他の可能性

新たに急成長しているPAN市場に参入を求めているその他のワイヤレスソリューションには、乗り越えるべきいくつかの困難があります。 こうした事例の1つがZigBeeであり、これは、ホームおよびビルオートメーション用の多くのソリューション、またはデバイスおよびモジュールメーカーにサポートされている一般的な規格です。

Bluetoothとは異なり、ZigBeeには、スマートフォン、タブレット、およびラップトップでのネイティブサポートがありません。 これは、障害を示すかもしれません。 また、ZigBeeには、幾分高度なスタックが必要であり、これは、ノードコストがより高くなる可能性があることを意味します。 一方で、ZigBeeは、設計されたアービトレーションおよび識別との大きなメッシュの一部であるという利点を提供します。

Wi-Fiはまた、特にモノのインターネットへの推進により、特定の魅力を備えています。 それは、クラウドベースのコネクティビティを提供し、そのチップおよびモジュールは、すぐ使える認証済みソリューションとして利用可能です。 Wi-Fiは、ネイティブスマートフォン、タブレット、およびノートPCでサポートされている一方で、多くの電力を使用します。 柔軟な制御により、PANアプリケーション向けに電力使用を低減することができますが、これは、それが低電力モードに入るたびに、ディスカバリモードには時間と電力を要するため、ウェイクアップ時に接続を再確立する必要がある場合は、依然として実行可能な回答ではないでしょう。

他の可能性のあるソリューションがあります。 Z-Wave、ANT+、IOHomecontrol、W6LoPAN、およびRF4CEは、知るに値するアプリケーションおよび汎用プロトコルです。

要約すると、私たちは、私たちの能力や自己意識を高める新世代のモノのインターネット関連製品の開発を目の当たりにしています。 この環境で、スマートフォンは、パーソナルエリアネットワークのハブとなり、ヘルスケアモニタ、スマートウォッチ、およびディスプレイデバイス（例：Google Glass）や、服や靴に組み込まれるさまざまなセンサなどのウェアラブルガジェットをリンクする可能性があります。 この記事では、このパーソナル「電磁気バブル」を通してデータ生成および受信のために技術者が持つ設計選択肢を考察しました。 また、多くの可能性のあるプロトコルを考察し、代表的な部品を検討しました。

この記事で扱っている部品の詳細については、このページにあるリンクを使用して、DigiKeyウェブサイトの製品情報ページにアクセスしてください。