Tendências emergentes na tecnologia de módulos multiprotocolo para uma IoT mais inteligente

O mercado de módulos multiprotocolo crescerá bastante em 2025. Esse crescimento provém de novas parcerias tecnológicas e novos produtos. Algumas mudanças importantes são melhorias. módulo multi-protocolo SoCs, pequenos módulos com Zigbee e BLE, e parcerias que utilizam criptografia pós-quântica. A integração multiprotocolo ajuda os dispositivos a trabalharem em conjunto, economiza energia e mantém os dados seguros. Isso impulsiona o mercado em crescimento e traz novas ideias para a IoT.

• A KORE Wireless aprimorou o gerenciamento de conectividade ao adquirir o Acelerador de IoT da Ericsson.

• A SEALSQ e o Wecan Group reforçaram a segurança com criptografia pós-quântica.

• A InnoPhase IoT e a Quectel apresentaram novos módulos multiprotocolo.

Principais conclusões

• O mercado de módulos multiprotocolo está crescendo rapidamente. Novas tecnologias e trabalho em equipe ajudam os dispositivos IoT a funcionarem bem em conjunto. Essas mudanças também contribuem para a economia de energia e a proteção de dados.

• Módulos avançados de múltiplos protocolos utilizam diversos padrões sem fio em chips pequenos. Esses chips consomem menos energia. Os dispositivos podem se comunicar entre si em redes diferentes. Isso contribui para um melhor funcionamento de aplicações inteligentes.

• Boa interoperabilidade, baixo consumo de energia e maior segurança contribuem para o funcionamento mais eficiente de módulos multiprotocolo. Eles tornam residências inteligentes, indústrias, saúde e transporte mais eficientes e confiáveis.

Tendências de mercado

Crescimento do mercado de módulos multiprotocolo

O mercado de módulos multiprotocolo está crescendo muito rapidamente. Em 2023, seu valor era de aproximadamente US$ 7 bilhões. Especialistas acreditam que ultrapassará os US$ 15 bilhões até 2033. A expectativa é de um crescimento anual de 15% entre 2025 e 2033. Isso se deve ao aumento do uso de dispositivos IoT, casas inteligentes e à crescente automação industrial. Grandes empresas como NXP, Texas Instruments e STMicroelectronics investem fortemente em pesquisa e desenvolvimento para criar módulos multiprotocolo novos e melhores. A região Ásia-Pacífico é a principal para esse mercado, com a China detendo mais da metade do mercado local. América do Norte e Europa também apresentam crescimento acelerado. Projetos de cidades inteligentes e regulamentações para módulos seguros e com baixo consumo de energia impulsionam esse crescimento nessas regiões.

Impulsionadores da Indústria

Diversos fatores contribuem para o crescimento do mercado de módulos multiprotocolo. A necessidade de comunicação entre dispositivos, mesmo que utilizem protocolos diferentes, é essencial. Os módulos multiprotocolo são compatíveis com Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee e Thread, facilitando a integração entre eles. Novos chipsets e módulos tornam o uso desses dispositivos mais acessível e com menor consumo de energia. Algumas redes combinam conexões com e sem fio, oferecendo mais opções para empresas. A Indústria 4.0, a computação em nuvem e as atualizações em tempo real também impulsionam o mercado. Gateways multiprotocolo facilitam a conexão entre fábricas, hospitais e residências inteligentes. O crescimento do mercado também se deve à miniaturização dos módulos, à capacidade de utilizar mais rádios e à compatibilidade com diversas plataformas.

Avanços tecnológicos

Integração de Módulos Multiprotocolo

A integração multiprotocolo transformou o funcionamento das redes IoT. Engenheiros criam módulos que utilizam diversos padrões sem fio em um único chip. Os módulos Type 2FR/2FP da Murata são bons exemplos. Esses módulos se conectam com Wi-Fi 6, Bluetooth 5.4 e OpenThread. Seu tamanho reduzido permite a integração em diversos dispositivos. Eles funcionam com o ecossistema Matter para facilitar a comunicação. Os módulos utilizam um microcontrolador Arm Cortex-M33 de 260 MHz. Isso contribui para o menor consumo de energia e para a alta segurança.

A STMicroelectronics também fabrica módulos multiprotocolo aprimorados. O módulo ST67W611M1 utiliza o SoC Qualcomm QCC743. Ele funciona com Wi-Fi 6, Bluetooth 5.3, Thread e Matter sobre Wi-Fi. Isso facilita o projeto de módulos e se integra ao ecossistema STM32. Os designs de hardware modulares agora integram Wi-Fi, LoRa e BLE em componentes simples. Esses designs permitem que os engenheiros alternem entre protocolos facilmente. Eles também simplificam a criação de dispositivos em até 70% com SDKs unificados.

As atualizações modulares ajudam os engenheiros a adicionar ou alterar funções rapidamente. Isso facilita a expansão e a atualização dos dispositivos. A integração baseada em chiplets permite que os projetos sejam flexíveis e economizem energia. Os chiplets ajudam a fabricar mais chips e oferecem mais opções de projeto. Isso possibilita projetos de módulos multiprotocolo mais eficientes.

Arquiteturas com múltiplos chips são importantes para esses novos módulos. A computação heterogênea, como o CrowPanel com o processador dual-core ESP32-S3, separa as tarefas gráficas das tarefas de protocolo. Isso mantém os dispositivos estáveis e rápidos ao usar vários protocolos simultaneamente. A inteligência artificial integrada ao dispositivo auxilia em tarefas em tempo real, como a detecção de pragas, e consome pouca energia. Os módulos de expansão podem ser trocados sem a necessidade de alterar o hardware. As camadas de abstração de hardware executam vários protocolos simultaneamente, tornando os dispositivos mais confiáveis.

Os gateways multiprotocolo utilizam quatro camadas. A abstração de hardware conecta-se a diversos tipos de hardware. Os mecanismos de análise de protocolos lidam com várias pilhas de protocolos. A padronização de dados utiliza a norma ISO/IEC 19464. As camadas de adaptação de aplicações fornecem APIs RESTful e MQTT. O aprendizado adaptativo de protocolos utiliza inspeção profunda de pacotes para encontrar novos protocolos. Ferramentas gráficas auxiliam na rápida adição de novos protocolos. A computação de borda permite o processamento rápido de dados e a troca de protocolos com baixa latência e alta velocidade.

A IoT industrial fica ainda melhor com esses novos módulos. Os gateways de redes inteligentes reúnem dados de diversos dispositivos em um único formato, agilizando o compartilhamento de dados. Os gateways de borda multiprotocolo reduzem o trabalho na nuvem e permitem que os dispositivos utilizem diferentes protocolos.

Evolução dos Protocolos Sem Fio

As conexões sem fio continuam a melhorar e impulsionam a inovação multiprotocolo. A Silicon Labs desenvolveu um software que permite que Zigbee e Bluetooth LE funcionem em um único chip. Isso simplifica o hardware e reduz os custos em até 40%. SoCs multiprotocolo, como o Wireless Gecko, são compatíveis com Bluetooth, Zigbee, Z-Wave e LoRa. Esses chips permitem que os dispositivos se comuniquem em diferentes bandas de radiofrequência.

As soluções multirádio utilizam dois rádios para protocolos diferentes. Isso evita problemas de desempenho, o que é importante para a medição inteligente. As soluções com um único rádio utilizam fatiamento de tempo, o que pode tornar o processo mais lento. As soluções multirádio funcionam melhor, mas custam mais e são maiores.

Novas parcerias permitem a integração de SoCs multiprotocolo em gateways para Bluetooth, Zigbee, Z-Wave e LoRa. Esses chips economizam espaço e reduzem custos. Os SoCs multiprotocolo permitem que os dispositivos se comuniquem em diversas bandas de radiofrequência, facilitando a construção de grandes redes de IoT. O Wi-Fi não é muito utilizado em dispositivos de borda devido ao seu alto consumo de energia. Portanto, os SoCs multiprotocolo priorizam protocolos de baixo consumo.

Nenhum chip consegue executar todos os protocolos sem fio da IoT ainda, mas os SoCs multiprotocolo abrangem os mais importantes.

Protocolos sem fio aprimorados ajudam os dispositivos a trabalharem em conjunto e a enviarem dados mais rapidamente. A IA em gateways de IoT converte dados entre Zigbee, LoRaWAN e Bluetooth em tempo real. Os modems 5G em gateways proporcionam conexões muito rápidas e com baixa latência. A computação de borda com IA em gateways 5G ajuda os dispositivos a tomarem decisões e a enviarem dados rapidamente.

1. Processadores embarcados e inteligência artificial ajudam a gerenciar recursos e protocolos em tempo real. Isso economiza energia e mantém os dispositivos rápidos em diversos padrões sem fio.

2. O agendamento inteligente em SoCs sem fio reduz a interferência e o atraso. Isso é feito escolhendo qual tráfego será transmitido primeiro e gerenciando os sinais de rádio.

3. Utilizar padrões como o Matter ajuda os dispositivos a comunicarem entre si, combinando Wi-Fi, Thread e Bluetooth. Isso facilita a conexão entre dispositivos.

4. O suporte a múltiplos protocolos permite que dispositivos se comuniquem usando diferentes protocolos. Isso ajuda a enviar dados mais rapidamente e reduz o tempo de espera.

5. Projetos escaláveis ajudam a atualizar o firmware e a manter os dispositivos funcionando bem à medida que mais unidades são adicionadas.

6. Recursos de coexistência em hardware e software evitam interferências em faixas de frequência congestionadas. Isso mantém as conexões estáveis.

7. As conexões multiplataforma permitem que dispositivos, gateways e serviços em nuvem compartilhem dados facilmente. Isso melhora o funcionamento dos sistemas e beneficia os usuários.

O design de chips com múltiplos chips ajuda a melhorar as conexões sem fio. As atualizações modulares permitem que os engenheiros adicionem ou alterem funções facilmente, o que contribui para a expansão dos dispositivos. A eficiência energética é aprimorada pela redução do consumo de energia e da geração de calor dos chiplets. A combinação de diferentes chiplets em um único encapsulamento permite que os engenheiros criem designs personalizados de alto desempenho. Novos padrões de encapsulamento e conexão resolvem problemas como links lentos entre chiplets e consumo excessivo de energia, contribuindo para um melhor desempenho dos dispositivos.

A tecnologia 5G é crucial para conexões sem fio em redes multiprotocolo. Os modems 5G oferecem altas velocidades e baixa latência, essenciais para tarefas importantes e para a conectividade de diversos dispositivos. A computação de borda e a inteligência artificial em gateways 5G auxiliam os dispositivos a tomar decisões e a operar com mais eficiência. Essas novas tecnologias facilitam a comunicação entre dispositivos e contribuem para a expansão em grandes redes de IoT.

Interoperabilidade e desempenho

Conectividade multiprotocolo

A conectividade multiprotocolo é crucial para as redes de IoT atualmente. Engenheiros enfrentam diversos desafios ao desenvolver sistemas com múltiplos padrões sem fio. Alguns desses desafios incluem projetos de hardware complexos, software intrincado e recursos insuficientes. As equipes precisam criar SoCs (System-on-a-Chip) que operem com várias bandas de frequência e protocolos, sem encarecer ou dificultar o uso. O software deve funcionar bem e alternar entre protocolos rapidamente, sem desperdiçar CPU ou memória.

• O hardware precisa ser compatível com diversos rádios e bandas.

• O software deve funcionar bem em conjunto para que não haja conflitos.

• Os recursos de CPU, memória e energia são limitados, portanto, as equipes devem utilizá-los com sabedoria.

• As equipes usam conjuntos de protocolos de vários lugares, o que dificulta as coisas.

• Algumas faixas de frequência se sobrepõem, portanto, pode ocorrer interferência de radiofrequência, sendo necessários filtros especiais.

• A troca de protocolos pode tornar o processo mais lento e causar perda de pacotes.

A coexistência de múltiplos protocolos torna as coisas ainda mais complicadas. Os dispositivos precisam lidar com vários protocolos simultaneamente. Isso exige uma colaboração inteligente entre hardware e software. A tecnologia ConcurrentConnect da Qorvo ajuda a resolver esses problemas. Ela permite que os dispositivos se comuniquem em diferentes protocolos ao mesmo tempo. Isso significa menos tempo de espera e menos pacotes perdidos. Filtros BAW especiais ajudam a bloquear interferências de radiofrequência. Isso torna as redes maiores e mais confiáveis.

A conectividade multiprotocolo permite que dispositivos IoT se comuniquem em diferentes redes. Isso facilita a expansão e a modificação dos sistemas.

Comunicação perfeita entre dispositivos

Uma boa comunicação entre dispositivos exige mais do que apenas hardware. Módulos multiprotocolo funcionam como auxiliares. Eles suportam diversos protocolos da camada de aplicação, como MQTT, CoAP, REST/HTTP, AMQP e WebSockets. Esses módulos convertem mensagens entre os protocolos, permitindo que dispositivos e serviços trabalhem em conjunto, mesmo que utilizem regras diferentes. Brokers de mensagens de código aberto, como RabbitMQ e Ponte, auxiliam na conexão desses protocolos. Frameworks como o OM2M fornecem uma camada de serviço comum. O uso do Docker permite configurar esses componentes de diversas maneiras.

Para solucionar problemas de interoperabilidade, a indústria utiliza algumas soluções:

1. Frameworks de IoT independentes de protocolo ajudam os dispositivos a se comunicarem usando diversos protocolos.

2. APIs personalizadas permitem que os dados se movam e se conectem entre diferentes plataformas.

3. Projetos seguros utilizam criptografia e autenticação para manter os dados protegidos.

4. A computação de borda reduz o tempo de espera, economiza largura de banda e auxilia no processamento de dados em tempo real.

5. Os gateways de IoT conectam diferentes protocolos para que os dados fluam sem problemas.

Os fabricantes também utilizam protocolos e estruturas padrão como MQTT e CoAP. Grupos como o IETF e o IEEE os criaram. A colaboração com outras empresas e grupos ajuda a desenvolver padrões abertos. Testes e certificações de organizações como a UL e o NIST garantem a compatibilidade e a segurança dos dispositivos. Plataformas e gateways de interoperabilidade, como o AWS IoT Greengrass e o Azure IoT Hub, permitem a comunicação entre dispositivos por meio da troca de protocolos. A computação de borda processa os dados próximos ao local de sua geração. Isso reduz o tempo de espera e simplifica os processos.

As métricas de desempenho ajudam a verificar se os dispositivos se comunicam bem em sistemas de IoT multiprotocolo. Os engenheiros monitoram o uso da CPU e da memória para identificar problemas nos gateways. Eles verificam a taxa de transferência da rede para avaliar a quantidade de dados transmitidos. O controle de tráfego mantém a estabilidade e a velocidade do sistema. O balanceamento de carga distribui o trabalho para evitar sobrecarga. A compressão de dados economiza largura de banda e protege os dados. A recuperação de falhas, como a reinicialização e o reenvio dos dados, é útil após falhas. As camadas de adaptação de protocolo protegem os dados durante a troca de protocolos.

A conectividade multiprotocolo e uma boa comunicação entre dispositivos permitem que eles trabalhem juntos na IoT. Essas novas ideias possibilitam que dispositivos de diversas empresas e plataformas funcionem como um só. O módulo multiprotocolo é fundamental para que isso aconteça.

Eficiência e Segurança

Multiprotocolo de baixo consumo de energia

Módulos multiprotocolo de baixo consumo são muito importantes na IoT (Internet das Coisas). Os fabricantes utilizam processadores de ultrabaixo consumo, como o Arm Cortex M33F de 64 MHz. Esses chips ajudam a economizar energia. Muitos módulos são compatíveis com Bluetooth LE, Thread e Matter, permitindo que os dispositivos se comuniquem facilmente. Alguns módulos utilizam coleta de energia, o que significa que podem funcionar sem baterias ou ter uma longa duração. Isso ajuda a evitar a troca frequente de baterias, mesmo em locais remotos ou em projetos de grande porte.

• Sistemas avançados de gerenciamento de energia ajustam o consumo de energia conforme a necessidade.

• Os modos de hibernação profunda consomem apenas 1µA, prolongando a vida útil das baterias.

• A memória escalável se adapta às necessidades de cada protocolo e aplicativo.

• A compatibilidade pino a pino facilita a atualização de SoCs antigos.

As arquiteturas multi-die tornam tudo ainda mais eficiente. Elas usam chiplets diferentes para tarefas específicas, reduzindo o desperdício de energia e a geração de calor. Essas novas ideias ajudam a economizar dinheiro e impulsionam o crescimento da IoT sustentável.

Inovações em Segurança

A segurança é crucial à medida que mais dispositivos se conectam. Novas ideias, como a tecnologia Secure Vault, protegem dados e chaves. Módulos agora utilizam segurança de hardware, como o Arm TrustZone, que separa tarefas seguras de tarefas comuns. Aceleradores de hardware realizam criptografia e hashing, protegendo os dados contra hackers.

• A Raiz de Confiança de Hardware verifica se os dispositivos são reais.

• Os modos de inicialização segura impedem que pessoas invadam o sistema.

• Os dispositivos combatem ataques de canal lateral e mantêm os dados seguros com criptografia.

Os designs com múltiplos chips permitem que os fabricantes adicionem chiplets de segurança especiais. Isso proporciona mais proteção e mantém o desempenho. Esses recursos ajudam a cumprir normas como a Lei de Resiliência Cibernética da UE. À medida que a IoT cresce, essas novas ideias mantêm os dispositivos seguros e funcionando corretamente.

Aplicações no mundo real

Casa e Edifício Inteligentes

Os módulos multiprotocolo ajudam a aprimorar casas e edifícios inteligentes. O módulo RF-BM-2651B1 funciona com Thread, Zigbee 3.0, Bluetooth 5.2 Low Energy e muito mais. Esses módulos são usados em fechaduras inteligentes, eletrodomésticos, alarmes e sensores. A tabela abaixo mostra como esses módulos auxiliam de diferentes maneiras:

O módulo Open M.2 Smart IoT utiliza um SoC Nordic nRF52840 e um acelerador de IA Edge TPU. Este módulo coleta dados de sensores, executa IA e se comunica por meio de diversos protocolos. Ele é usado em campainhas inteligentes, robôs aspiradores e sistemas de monitoramento de escritórios. Módulos multiprotocolo ajudam a gerenciar energia e permitem que os dispositivos funcionem em conjunto. Controladores LOYTEC e o sistema EMS da Delta ajudam a economizar até 20% de energia. A tecnologia Bluetooth mesh auxilia no controle de luzes e sistemas de climatização, economizando dinheiro e prolongando a vida útil dos dispositivos.

IoT industrial

Módulos multiprotocolo ajudam as fábricas a operar de forma mais eficiente e segura. Eles são usados para verificações de processos, monitoramento da saúde das máquinas e rastreamento de itens. O Bluetooth Low Energy (Bluetooth Low Energy) permite rastrear objetos a longa distância e enviar grandes quantidades de dados. Os SoCs EFR32MG24 suportam redes mesh para automação industrial. Inteligência artificial (IA) de borda e aprendizado de máquina são executados no ABB Genix, auxiliando na detecção precoce de problemas. Essas ferramentas tornam as fábricas mais seguras e eficientes no mundo da IoT.

Dispositivos de saúde

Os módulos multiprotocolo transformam a maneira como os dispositivos de saúde se conectam. Eles funcionam com BLE, Zigbee e Thread, permitindo que os dispositivos se comuniquem entre si. A tabela abaixo mostra os principais benefícios:

Utilizando esses módulos, os médicos podem monitorar pacientes à distância. Os gateways domésticos convertem os dados dos dispositivos em formatos de saúde para telemedicina. Sistemas seguros transmitem vídeo e dados ao vivo para consultas e exames médicos rápidos.

Transporte

Módulos multiprotocolo ajudam a tornar o transporte mais inteligente. Os hubs de gateway da GAO Tek usam Wi-Fi, BLE e Zigbee para rastreamento, verificação de máquinas e monitoramento de combustível. Os roteadores da Digi conectam caminhões, ônibus e trens para verificações e assistência aos passageiros. Gateways híbridos usam CAN, LIN, FlexRay, Ethernet e outras tecnologias para gerenciar dados. Esses gateways transferem dados entre veículos e redes externas. Inteligência artificial e aprendizado de máquina nos gateways ajudam a identificar problemas e manter a segurança. O suporte a múltiplos protocolos permite que os veículos compartilhem dados facilmente, contribuindo para viagens inteligentes e carros conectados.

Perspectivas Futuras

Multi-Die e HPC

Os designs multi-die estão mudando o funcionamento dos módulos multiprotocolo. Engenheiros utilizam designs multi-die 2.5D e 3D para aprimorar os chips. Esses designs permitem que os chips trabalhem em conjunto para tarefas de computação de alto desempenho (HPC). Eles conseguem lidar com grandes volumes de dados para computação de alto desempenho. Novos padrões de interconexão, como PCIe 7.0, Ethernet 224G, Ultra Ethernet e IP UCIe, permitem que os chips se comuniquem rapidamente. Os designs multi-die já estão presentes em grandes chips para treinamento de IA. Esses chips utilizam UCIe 40G e Ethernet 224G para transferir dados rapidamente. SoCs de switches 100T utilizam componentes elétricos e ópticos para grandes redes HPC. Retimers e ferramentas especiais mantêm os sinais fortes e suportam PCIe e CXL. O PCIe permite que os servidores se comuniquem internamente com baixa latência. Ethernet e IP UCIe permitem que os servidores se comuniquem entre si rapidamente. PHYs e IPs multiprotocolo são necessários para os novos data centers de HPC e IA.

Até 2025, especialistas acreditam que metade dos novos chips de computação de alto desempenho (HPC) utilizará designs multi-die 2.5D e 3D. As fundições estão se preparando com métodos mais eficientes para a fabricação de chips.

Padronização

A padronização é importante para ecossistemas de módulos multiprotocolo. O padrão UCIe facilita a conexão de componentes de chips. Isso ajuda os engenheiros a criar e gerenciar projetos com múltiplos chips. A tabela abaixo mostra como as versões do UCIe mudaram:

Matter é um protocolo para casas inteligentes que promove a padronização. Ele permite que dispositivos de diferentes marcas funcionem em conjunto, tornando o processo mais fácil e econômico para os fabricantes. Dispositivos certificados pela Matter aumentam a confiança e a utilização por parte dos consumidores.

Crescimento do ecossistema

O módulo multi-protocolo O setor está crescendo rapidamente. O mercado americano de gateways multiprotocolo pode dobrar até 2033. Isso se deve à Indústria 4.0 e às fábricas inteligentes. As empresas investem em soluções multi-die seguras e escaláveis para maior segurança e colaboração. Parcerias, aquisições de outras empresas e novas ideias em computação em nuvem e de borda contribuem para o crescimento do ecossistema. A forte concorrência promove maior trabalho em equipe e tecnologias mais avançadas. Novas aplicações, como dados em tempo real, manutenção preditiva e verificações remotas, utilizam inteligência artificial e aprendizado de máquina para otimizar o desempenho. Texas, Ohio e novas regiões no Sudeste e na Costa Oeste estão em expansão. A transformação digital, o cumprimento de normas e as novas ideias continuarão moldando a tecnologia de módulos multiprotocolo.

O mercado de módulos multiprotocolo está mudando o funcionamento da IoT. As empresas estão crescendo rapidamente devido aos novos protocolos sem fio e à maior segurança. A tabela abaixo oferece dicas práticas para empresas e desenvolvedores:

• Os smartphones funcionam como gateways e hubs, fazendo com que os dispositivos trabalhem melhor em conjunto.

• Utilizar os mesmos protocolos e middleware facilita a conexão de todos os elementos.

• Aplicativos em tempo real funcionam bem quando os dispositivos se comunicam diretamente entre si.

• As equipes se mantêm à frente aprendendo sempre coisas novas no mercado.