エッジIoTデバイスの環境発電を機能させる

IoTの導入は、組織がデジタルトランスフォーメーションを追求するにつれて進歩を続けており、あらゆる形態のスマートリビングが、生活の質と持続可能性を高めるための鍵を握っています。

IoTエンドポイントは、センサー、またはそれほど頻繁ではありませんが、集約デバイスまたはインターネットゲートウェイにワイヤレスで接続されているアクチュエーターである傾向があります。それらは多くの場合、大量に展開され、スマートシティ、スマートファクトリー、スマート農業などのシナリオでは、広い地理的領域に分散します。放電した一次電池の交換など、現場でのメンテナンスにかかる費用は通常、法外なものです。さらに、廃棄されたバッテリーは、ますます容認できない環境負荷を表しています。

エンドポイントを設計する場合、エンジニアは、デバイスの予想される寿命の間持続するのに十分なエネルギー供給を調整することにより、バッテリー交換の必要性を回避できます。これには数年かかる可能性があります。サイズの制約があるため、通常、コイン型電池のフォームファクタが望ましいです。蓄積されたエネルギーがシステム要件を満たしていない場合は、より大きなセルを取り付けることがオプションになる場合があります。

別の方法は、回路を再設計して、システム全体のエネルギー需要を利用可能なセルストレージよりも少なくすることです。どちらかのアプローチ、または両方の組み合わせでは、目標を達成できない可能性があります。

マイクロワットまたはミリワットのオーダーのマイクロエネルギーハーベスティングは、周囲環境から捕捉された、有用で潜在的に無尽蔵の電気エネルギーの供給を提供することができます。これは、アプリケーションと利用可能な周囲エネルギーに応じて、一次電池を補完または交換することができます。収集され変換されたエネルギーが回路に直接電力を供給することが可能かもしれません。一方、必要になるまでエネルギーをバッファに保存することは、より適切なアプローチです。

いずれの場合も、アプリケーションのニーズを満たすことができる適切な周囲エネルギー源が必要です。 IoTエンドポイントのさまざまなサブシステムの中で、無線は最も重要なエネルギー需要をもたらします。ここで要件を分析し、環境発電システムの設計と統合を通知することは有益な場合があります。

無線サブシステムの消費電力

必要なデータレートと通信範囲を可能な限り低い消費電力で提供するために、最適なワイヤレステクノロジーを選択することが重要です。

センサーを、インターネットに接続されたハブやルーターなどのアグリゲーターやゲートウェイから、またはローカルの通信交換を介してわずかな距離に配置する場合は、Bluetooth、Zigbee、Wi-Fiなどのテクノロジーが適している場合があります。必要なデータレートとコストの制約について。エンドポイントが地理的に広いエリアに分散している場合など、他の場合には、LPWANまたはセルラー接続が必要になる場合があります。図1は、IoTアプリケーションで使用される主要なテクノロジーの消費電力、データレート、一般的な最大範囲、および相対的なコストを比較しています。

範囲、データレート、および消費電力も数値で表すことができ、直接比較するのに役立ちます。図2に示すように、ワイヤレスサブシステムはわずか150µWから400mWまで消費できます。

システムの全体的なエネルギー需要への影響を完全に理解するには、デューティサイクルも考慮する必要があります。スマートユーティリティメーターなどのアプリケーションでは、データの小さなパケットを1日に数回または数日ごとに送信します。防犯カメラなどの他のものは、大量のデータを頻繁にまたは継続的に送信する必要がある場合があります。アプリケーションによっては、送信前にシステム内でデータをローカルにフィルタリングすることにより、デューティサイクルを短縮できる場合があります。カメラに動きセンサーを取り付けて、アクティビティが検出されたときにのみ記録を開始したり、埋め込み画像処理によって関心のないデータを破棄したりすることができます。もちろん、データのフィルタリングに必要なエネルギーは、正味の利益を確保するために、デューティサイクルを減らすことによって節約されたエネルギーと比較する必要があります。

周囲のエネルギー源

ワイヤレスサブシステムが必要とするエネルギーと電力を理解すると、適切な環境ソースとマイクロエネルギーハーベスティングテクノロジーを評価することができます。

これらのシステムに電力を供給するのに適した主なマイクロエネルギーハーベスティング技術は、太陽電池のアレイ、振動によって作動する圧電または静電コンバーター、および温度勾配を起電力（EMF）に変換するペルチェデバイスです。パッチアンテナまたはコイルアンテナを介してキャプチャされたRFエネルギー源は、最も質素なIoTアプリケーションを除くすべてのアプリケーションに適さない傾向があります。図3は、これらのテクノロジーに関連する典型的なエネルギー密度を比較しています。この情報を使用して、利用可能なコンポーネントのサイズとパフォーマンスを評価することにより、テクノロジーを選択し、仕様の開発を開始することができます。

面積35〜40cmの太陽電池 ² 約20％の効率を想定すると、約0.5ワットを生成できます。これらは、それぞれ1米ドル未満の量で入手できますが、圧電ハーベスターは通常、少なくとも1桁高価であり、生成されるエネルギーも少なくなります。太陽電池は、屋内で使用すると効率が低下することが知られています。ただし、最近、低電力無線機に十分な出力を提供すると主張する屋内ソーラーハーベスターがいくつか導入されました。

すべてをまとめる

このような進歩を活用することで、マイクロエネルギーハーベスティングは、IoTエンドポイントのバッテリーを削減または排除するためのソリューションと見なすことができます。エネルギー源自体は不規則であることが多く、IoTデバイスがデータを送受信する必要がある場合は必ずしも利用できるとは限らないため、通常はエネルギーバッファーまたはストレージデバイスが必要です。これは、充電式バッテリーまたはコンデンサー（またはスーパーキャパシター）にすることができます。図4に示すように、環境発電サブシステムからのエネルギーを処理し、エネルギーバッファーに供給される電荷​​を管理し、必要に応じて負荷に電力を供給するために、環境発電パワーマネジメントIC（EH PMIC）が必要です。さまざまな電気的特性。熱電ハーベスタは、低電圧で連続DC電流を生成するため、低インピーダンスになります。太陽電池も低いDC電圧を生成しますが、電流、つまりインピーダンスは、光のレベルによって異なります。

今日の市場に出回っている典型的なEHPMICSは、特定のタイプの収穫機で動作するように設計された固定アーキテクチャと入力電圧範囲を備えています。これにより、1つのソースだけではシステム要件を満たせない場合に、代替のハーベスタを使用して追加の周囲エネルギーを取り込むことができなくなります。したがって、複数のエネルギー源が必要な場合は、それぞれに専用のEHPMICが必要です。これにより、システムのコスト、サイズ、および消費電力が増加し、設計が複雑になる可能性もあります。

一部のEHPMICは、外部回路を使用して環境発電機の出力を調整するために変更できます。ただし、システム設計を簡素化するために、OptiJouleと呼ばれるTrametoのEH PMICは、外部回路を必要とせずに、さまざまなタイプの接続されたハーベスターに自律的に適応し、バッファーに供給される電力を最大化する入力を提供します。バージョンは、単一入力または最大4つの入力で使用できます。マルチ入力バージョンは、類似または異なるタイプのハーベスターを接続する柔軟性を備えています。そのため、OptiJouleデバイスを使用すると、マイクロエネルギーハーベスティング容量を拡張し、複数のアプリケーションに単一のPMICを使用し、必要に応じて製品開発の後半までエネルギーハーベスティングテクノロジーの選択を遅らせることもできます。

結論

最適化された無線プロトコル、低エネルギーマイクロプロセッサ設計、低電力センサー、およびマイクロエネルギーハーベスティングの効率の向上の開発を通じて、周囲エネルギーは、バッテリーへの依存を削減または排除し、IoTエンドポイントの動作寿命を延ばすのに役立つ実行可能なソースになりました。フィールド。 EH PMICの最新の開発により、選択したマイクロエネルギーハーベスティングテクノロジーを統合する際に、サイズ、コスト、および複雑さを管理するための柔軟性がさらに高まります。