Umfassendes Halbleiterportfolio
One-Stop-Shop für Smart Cities
IoT-Systeme gibt es seit über einem Jahrzehnt, wobei jede Anwendung dazu zählt, die über das Internet gesteuert wird. Diese Technologie wird genutzt, um Thermostate, Elektrogeräte, Lautsprecher, Jalousien, Lichter und viele weitere Haushaltsgeräte über eine Mobiltelefon-App ein- und auszuschalten.
Die Programmierbarkeit der Geräte geht allerdings weit über das Ein- und Ausschalten hinaus. Zentrale Knotenpunkte wie Amazon Echo oder Google Nest Hub wurden entwickelt, um Produkte miteinander zu verbinden und ein Smart Home zu schaffen. Die drahtlose Kommunikation innerhalb des Hauses erfolgt typischerweise über Wi-Fi oder Bluetooth, auf das wiederum über ein mobiles/tragbares Endgerät von überall zugegriffen werden kann. Während die Häuser immer intelligenter wurden, gab es ähnliche Entwicklungen auch außerhalb des eigenen Heims. Seit damals war klar, dass intelligente Funktionen in größerem Maßstab viel mehr bewirken könnten. Daraus entstand die Vision einer Smart City.
Um eine Smart City zu verstehen, ist es wichtig zu beachten, dass die Städte ihre Mittel durch Steuergelder von den Bürgern erhalten. Eine Stadt kann nur dann Finanzmittel für neue Programme erhalten, wenn sie klar kommuniziert, wie die Bürger von einer intelligenten Stadt profitieren. Abbildung 1 zeigt drei Schlüsselfaktoren, die die Entwicklung von Smart Citys vorantreiben. Diese gelten für jedes Programm, aber in einer Smart City geht es in der Regel nicht um eine neue Dienstleistung, sondern eher um ein neues Dienstleistungsniveau, das gerechtfertigt werden muss. Der erste Punkt ist die Verbesserung des Wohlbefindens der Bürger. Dies konzentriert sich in der Regel auf Sicherheit und Gesundheitsversorgung. Der zweite Punkt ist die Verbesserung der Lebensqualität. Obwohl Lebensqualität für jeden etwas anderes bedeuten kann, sind die wichtigsten Bereiche für intelligente Investitionen Verbesserungen im Verkehrswesen, in der Naherholung und im allgemeinen Wachstumsmanagement der Stadt. Der dritte Punkt ist die Steigerung der Gesamtdienstleistungen im Verhältnis zu den eingesetzten Steuergeldern. Dies kann nur erreicht werden, wenn die smarten Funktionen im Vergleich zur herkömmlichen Vorgehensweise Geld sparen. Diese intelligenten Investitionsbereiche sind typischerweise das Energie- und Gebäudemanagement.
Abbildung 2 zeigt eine mögliche Konzeption einer Smart City. Die äußeren Kreise entsprechen den typischen Investitionsbereichen, in denen eine Stadt intelligente Technologien einsetzen kann. Sensordaten werden über das Internet an das Rechenzentrum übertragen. Dort werden die Daten gespeichert und analysiert sowie Entscheidungen in Echtzeit durch künstliche Intelligenz (KI) getroffen. Nach der Entscheidungsfindung fließen die Informationen zurück, um das Erfasste zu ergänzen. Die folgende Übersicht fasst die intelligenten Funktionen zusammen und zeigt, was typischerweise in jedem Investitionsbereich erfasst und verbessert wird:
- Gebäudemanagement: HLK, Wasser, Strom und Beleuchtung -> Erfassen und Steuern von Temperatur, Strom, Wasserdruck und -verbrauch sowie Beleuchtung. Das Ziel ist es, Betriebskosten zu sparen. Dies ist ein Mittel, um mehr Unternehmen dafür zu gewinnen, sich in der Stadt anzusiedeln, um die Steuereinnahmen zu erhöhen und gleichzeitig Nachhaltigkeitsziele zu erreichen.
- Energiemanagement: Intelligente Zähler, Energy Harvesting, Beleuchtung -> Erfassen, managen und prognostizieren des Stromverbrauchs in einer Stadt, um einen optimalen Service zu bieten und gleichzeitig Nachhaltigkeitsziele umzusetzen.
- Sicherheit: Optische, Bewegungs- und Photodetektoren -> Optische, Bewegungs- und Lichtsensoren bieten die Möglichkeit, die Sicherheit zu erhöhen, indem sie Daten bereitstellen, verarbeiten und vorhersagen, wie Sicherheit am besten zu gewährleisten ist.
- Gesundheitswesen: Optical, Motion, Embedded Medical Devices -> Die Anwendungen reichen von der Echtzeit-Priorisierung von Einsatzfahrzeugen an Verkehrsampeln bis hin zu einer verbesserten Gesundheitsversorgung durch Datenanalyse der Informationen von implantierten medizinischen Anwendungen.
- Öffentliche Sicherheit: Infrastruktursensoren für Brücken, Kanalisation, Naturkatastrophenfrühwarnsysteme -> Eine proaktive Reaktion durch Nutzung von Daten und KI, um Schäden zu minimieren.
- Verkehrswesen: Optische Sensoren, Bewegungssensoren -> Optimierung von Verkehr, öffentlichem Nahverkehr und Parken in Echtzeit
- Naherholung: Optische Sensoren, Bewegungssensoren -> Nutzen von Daten und künstlicher Intelligenz, um künftige Investitionen gezielt einsetzen zu können, indem die Parknutzung rund um die Uhr überwacht wird – von Picknickplätzen über Radwege bis hin zu Tennisplätzen.
Nachdem nun ein typischer Entwurf für eine Smart City definiert ist, geht es im nächsten Schritt darum, die grundlegenden Komponenten zu verstehen, die für den Aufbau einer Smart City erforderlich sind. Denn diese unterscheiden sich deutlich von denen, die in einer herkömmlichen Stadt zum Einsatz kommen. Die Architektur und die Komponenten, die für einen der Sensorpfade zum Core benötigt werden, sind bei jedem Sensorpfad sehr ähnlich. Wenn wir also die Grundstruktur und Komponenten verstehen, können wir auch das Innenleben einer Smart City nachvollziehen. Viele Unternehmen haben einen Teil der Komponenten im Portfolio. Renesas ist jedoch so gut positioniert, dass das Unternehmen Produkte für jeden Anwendungsbereich zusammen mit den geeigneten Power-Lösungen bereitstellen kann.
Abbildung 3 skizziert die Struktur eines der bidirektionalen Pfade mit Beispielen von Lösungen, die Renesas für jede Schlüsselkomponente anbietet. Die grundlegende Funktionsweise ist wie folgt:
- Sensoren: Die Sensoreinheit sammelt Daten und überträgt diese in Echtzeit an eine MCU (1).
- MCU: Die MCU empfängt die Daten und wandelt sie von analog in digital um, bevor sie in Echtzeit an den Hub (2) übertragen werden.
- Kommunikation: Eine wichtige Rolle der MCU im Zusammenhang mit der Smart City besteht darin, Daten an den Hub zu übertragen, wo sie gespeichert und analysiert werden (3).
- Analyse und Daten: Im Hub werden Echtzeitdaten gespeichert und auf Muster und Korrelationen hin analysiert und mithilfe von KI/ML modifiziert.
- Motor: Der Hub sendet über die MCU zurück, die einen Motor steuert, indem sie ihn ein- oder ausschaltet, seine Geschwindigkeit oder Position zur allgemeinen Optimierung verändert (4).
Wie bereits erwähnt, stellt Renesas zahlreiche Produkte bereit, die für eine Smart City erforderlich sind. Im Folgenden ein kurzer Abriss einiger dieser Produkte und deren zugrundeliegender Power-Lösungen:
Power-Lösungen in Verbindung mit Sensoren
Renesas bietet eine Vielzahl von Sensoren zur Erfassung von Temperatur, Feuchtigkeit, Flüssigkeit, Gas, Wasserdurchfluss und -druck, Optik, induktiver Positionsbestimmung, Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt im Blut. Die folgende Übersicht ist nicht vollständig, sondern stellt nur eine Auswahl der verfügbaren Lösungen dar:
- HS4001 – Luftfeuchtigkeitssensor
- FS2012 – Flüssigkeits- und Gasdurchflusssensor
- IPS2200 – Induktiver Positionssensor
- ISL29501 – Optischer Sensor
- OB1203 – Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt im Blut
- ZMOD4410 – Gassensor
- RAA78000 – Wechselstromsensor
Diese Komponenten sind rund um die Uhr in Betrieb und müssen daher eine möglichst geringe Leistungsaufnahme aufweisen. In einigen Fällen werden sie über eine Batterie oder durch Energy Harvesting mit Strom versorgt, so dass eine Minimierung der Leistungsaufnahme entscheidend ist. Renesas bietet mehrere Produkte an, die sich ideal für die Versorgung von Sensoren mit extrem niedrigem Ruhestrom eignen. Hierzu zählen folgende drei bewährte Produkte, von denen es auch mehrere Derivate gibt: ISL9122A (1 uA, Buck-Boost), ISL9123 (1 uA, Buck) und ISL9116B (1,5 uA, Boost).
MCUs und Power-Lösungen
Renesas verfügt über zahlreiche MCUs für verschiedene Anwendungen. Zu den vier beliebten MCU-Produktfamilien gehören die 8- und 16-Bit-Low-Power-MCUs RL, die Arm Cortex-M-basierte RA-Familie, die 32-Bit-Hochleistungs-MCUs RX und die 32- und 64-Bit-MPUs RZ. Die Auswahl der richtigen Leistung hängt vom Eingangsspannungsbereich ab. Renesas bietet hierfür LDOs und Schaltregler (integrierte FETs) mit Eingangsspannungen von weniger als 3 V bis über 75 V. Bewährte Produkte sind: ISL80505 (5 V/0,5 A, LDO), RAA210030 (5 V/3 A Buck Power Module), RAA214401 (40 V/150 mA, LDO), RAA211403 (40 V/300 mA, Buck), RAA211605 (60 V/500 mA Buck), RAA211803 (80 V/300 mA Buck) und RAA223012 (700 V/2 W AC/DC Buck).
Power-Lösungen als Grundlage für die Kommunikation
Renesas bietet drei Haupttypen von Produkten für die Wireless-Kommunikation an: Bluetooth, Wi-Fi und Mobiltelefonie. In einer Smart City erfolgt die Kommunikation zwischen der MCU und dem Hub in der Regel über Mobilfunk, da dieser die größte Reichweite hat. Die Kommunikation zwischen der MCU und dem Sensor kann mit den in Abbildung 3 aufgeführten Komponenten drahtlos erfolgen. Für jedes dieser Produkte, DA14531 (Bluetooth), DA16200 (Wi-Fi) und RYZ014A (LTE-Modul der Kategorie M1) stellt Renesas Power-Lösungen bereit. Für batteriebetriebene Wireless-Produkte eignen sich ISL9122A (1 uA, Buck-Boost), ISL9123 (1 uA, Buck) und ISL9116B (1,5 uA, Boost) sowie deren Derivate ideal. Falls nicht batteriebetrieben, sind die gleichen Produkte eine gute Wahl, die für die Stromversorgung der MCUs empfohlen werden: ISL80505 (5 V/0,5 A, LDO), RAA214401 (40 V/150 mA, LDO), RAA211403 (40 V/300 mA, Buck), RAA211605 (60 V/500 mA Buck), RAA211803 (80 V/300 mA Buck) und RAA223012 (700 V/2 W AC/DC- Buck-Regler).
Power-Lösungen für Analyse und Entscheidungsfindung
Renesas hat zudem eine Reihe von Produkten im Portfolio, die hohe Rechenleistung für KI-Anwendungen unterstützen. Die Hochleistungscomputer stellen Unternehmen wie NVIDIA und AMD bereit. Die Stromversorgung erfolgt über digitale Mehrphasen-Controller und intelligente Leistungsstufen. Für weniger rechenintensive Anwendungen bietet Renesas zahlreiche DC/DC-Regler von 2 A bis 14 A an. Darüber hinaus gibt es hocheffiziente Intermediate-Bus-Lösungen, um die Spannung von 48 V auf 12 V umzuwandeln.
Zusammenfassung
Abschließend ist festzuhalten, dass viele Städte bereits einige intelligente Funktionen eingeführt haben, um ihre Stadt zu modernisieren. Die Smart City steckt jedoch noch in den Kinderschuhen, und es wird einige Zeit dauern, bis die Städte die damit verbundenen Vorteile voll ausschöpfen können. Renesas erleichtert die Planung, das Design, die Entwicklung und die Herstellung von Lösungen für die Smart City, indem es nicht nur die Produkte, sondern auch vollständige Referenzdesigns, sog. Winning Combinations, bereitstellt. Mehr zu erfahren über die Smart-City-Lösungen von Renesas gibt es hier. Es stehen mehrere Hardware-Designs zur Verfügung, um verschiedene Smart-City-Lösungen zu evaluieren. Hierzu zählen u. a. Green 3-Phase Smart Energy Meter, Master Actuator for Automatic Home or Building HVAC Systems und Smart NFC Access Control System, um nur einige zu nennen.
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