智能楼宇边缘设备的平台集成发展方向——更智能、更快速、更互联

智能楼宇设备必须将实时控制、无线和生命周期管理功能融入紧凑、低功耗的外形设计中。本应用研究探讨了如何通过单一平台方法解决射频复杂性、散热限制以及边缘端的长期软件支持问题。

智能楼宇正在从独立的暖通空调 (HVAC) 和照明控制转向完全互联的人工智能驱动系统，用于管理能源、安全和用户体验。对电力系统、碳减排目标和更智能能源使用的日益增长的需求，正在推动对能够在本地进行测量、推理和操作，同时与云端楼宇管理系统 (BMS) 保持安全同步的边缘设备的需求。

Matter 和 Thread 的兴起，以及 Wi-Fi 6 的广泛应用，正在推动工程师将多种无线电和实时控制功能集成到单一处理平台中。与此同时，楼宇系统预计运行寿命将超过15年，因此需要支持长期维护、安全无线 (OTA) 更新和内置监管认证的硬件。

智能楼宇原始设备制造商 (OEM) 面临着交付具有多核应用处理、实时控制、机器学习以及 Wi-Fi、蓝牙和 Thread 支持的系统的压力，所有这些功能都集成在一个紧凑、无风扇的壁挂式装置中，功耗不到 5 瓦。这些系统在首次设计时就需要通过 FCC、RED 和 UL 等监管认证。随着行业逐渐转向 BACnet/Secure Connect 和 Matter Networking 等开放标准以及更严格的 IT 安全策略，设备需要内置硬件安全功能，例如安全启动和信任根，而不是依赖附加的微控制器。选择单独的 MCU、MPU 和射频模块可能会导致开发延迟数月，因为每次设计变更都需要进行额外的射频测试、热测试和重新认证。

智能楼宇设备通常需要支持 2.4 GHz 蓝牙进行设置、Wi-Fi 进行网络通信以及 RS-485 或 BACnet 进行楼宇控制，所有这些都需要在拥挤且金属密集的环境中完成。每个额外的接口都会占用 PCB 空间，并在天线、干扰和认证方面带来更多设计挑战。当射频模块和处理器来自不同的供应商时，不匹配的软件更新可能会导致合规性测试期间出现连接中断、漫游失败和干扰问题。

建筑系统越来越依赖人工智能来完成诸如人员占用检测、语音识别和异常检测等任务，而这些任务都需要高性能处理。然而，安装人员通常不会在狭小空间（例如墙壁或天花板盒）使用风扇或散热器。带有外部NPU或GPU的标准处理器可能会超出功率和散热极限，导致笨重的金属外壳或复杂的冷却解决方案，从而破坏设计尺寸和成本目标。即使是微小的设计变更，例如移动天线或更新Linux内核，也可能导致认证重新测试，从而延迟项目。设施团队要求设备能够接收安全补丁和经过验证的固件更新超过10年。定制电路板设计很少具备可靠的资源或安全架构来满足这些要求。

满足智能楼宇系统的技术需求需要一种平台级的方法，即将计算、连接和安全紧密集成到单一、统一的软硬件堆栈中。

与其将来自多家供应商的独立 MCU、应用处理器和无线电拼凑在一起，不如从专为互操作性和长期支持而设计的解决方案入手，让工程团队受益匪浅。

仅靠天线布局无法解决密集、金属结构丰富的建筑环境中的射频挑战。 Wi-Fi、蓝牙和现场总线接口之间的稳定共存取决于同步的无线电固件、协调的屏蔽策略以及精心的设计，以最大限度地减少干扰并通过辐射测试。当这些组件来自不同的供应商时，硬件和软件隔离问题通常会导致连接中断、漫游不稳定或测试期间的辐射故障。集成设计有助于从一开始就协调无线电行为、软件更新和 EMC 验证，从而避免这些风险。

热设计是另一个限制因素。大多数智能建筑外壳不使用风扇或散热器，并且满足低于 5W 的功率要求。

较低的预算通常是强制性的。这使得许多搭配独立 NPU 或 GPU 的通用 SoC 无法实现。相反，平台需要将 AI 加速、实时控制和应用处理集成到一个高效的架构中。具有异构内核和内置 NPU 的处理器可以降低电路板的复杂性，同时支持语音接口或异常检测等边缘工作负载。

生命周期管理不仅仅是一项软件任务；它从第一天起就驱动着关键的硬件和合规性决策。如果没有统一的信任根和协调一致的更新流程，内核、无线电固件和软件之间的不一致可能会破坏 OTA 管道或留下未修补的安全漏洞。这些风险会在设备 10 至 15 年的使用寿命内不断增长，尤其是在受监管的商业建筑中。恩智浦的 EdgeLock Secure Enclave 结合 Ezurio 的 BSP 路线图、签名的 OTA 软件包以及全球监管覆盖，为工程师提供了一条可预测的更新、安全性和合规性路径，从设计开始一直到开发结束。
 
为了满足所有这些需求，恩智浦和 Ezurio 开发了一个集成解决方案。该平台结合了恩智浦的低功耗 i.MX 93 应用处理器（具有内置机器学习功能）和 Ezurio 的 Sona™ NX611 无线电模块（基于恩智浦的 IW611 芯片组）。这一组合提供了预认证的双频 Wi-Fi 6 和蓝牙 5.4 无线解决方案，并结合了可扩展的低功耗边缘处理能力。它们共同构成了 Nitrogen93 SMARC 系统级模块：一个可立即投入生产的平台，并提供长期的软件和法规支持。该联合解决方案使工程团队能够快速验证无线性能、HMI 响应能力和 AI 工作负载，同时保持严格的功耗和 EMI 阈值，确保从首次设计开始就长期合规。

i. MX 93 应用处理器的主要特性：

- 双 Arm® Cortex®-A55 内核、一个用于实时控制的 Cortex®-M33 内核以及一个集成的 NPU，用于在边缘进行高效的机器学习。凭借 EdgeLock® Secure Enclave 等先进的安全功能，i.MX 93 是智能楼宇控制、工业自动化和其他智能边缘应用的理想之选。

Nitrogen93 SMARC 系统级模块的主要特性：

- 基于 SMARC 2.1.1 的系统级模块，集成 i.MX 93 处理器、LPDDR4 RAM、eMMC 存储以及多种外设，例如多显示屏、网络、数据、音频和摄像头接口。

该模块紧凑、节能，提供可扩展的性能、板载 Wi-Fi+蓝牙连接和工业级温度支持，是长寿命边缘设备的理想选择。

随着智能建筑互联互通和智能化程度的提高，设计可靠、安全、高效的边缘设备的复杂性也日益增加。通过在硬件平台层面应对这些挑战，恩智浦和 Ezurio 为工程团队提供解决方案，帮助他们构建可扩展、面向未来的系统，以满足下一代建筑基础设施的需求。

关于 Ezurio

Ezurio 凭借全面的射频模块、系统级模块、单板计算机、内置天线、物联网设备和定制解决方案，将设计可能性变为现实。 Ezurio 拥有数十年的工程经验，提供能够降低开发成本并缩短上市时间的解决方案。

关于恩智浦

恩智浦半导体是嵌入式应用安全连接解决方案的全球领导者，致力于推动汽车、工业和物联网市场的创新。凭借数十年在嵌入式处理和安全领域的经验，恩智浦提供兼具性能、能效和强大保护功能的可扩展平台。