環境発電は、バッテリー不要の環境センサーに電力を供給します

モノのインターネット（IoT）の受容性は世界中で飛躍的に伸びていますが、この進歩の速度は、その将来について懸念/懸念を表明している専門家に課題をもたらしています。 2025年までに、IoTネットワークに接続されたデバイスは750億ユニットという驚くべき数字を超える可能性があると推定されています。これは専門家の悩みに信憑性を与え、達成された利益が消えないように適切に準備する必要があります。

すでに、IoTスペシャリストは、多数の電子デバイスが共通のインターフェイスを介して通信するシナリオを予測しています。これは通常、クラウドへのワイヤレス接続で表されます。 IoTネットワークに接続するデバイスの数は増え続けており、その結果、接続されたデバイスの爆発的な成長によって生成されるデータの需要をサポートするために、新しいセンサーテクノロジーが必要になります。これがIoTの次の課題になります。

「IoTの次の課題は、どのデバイスがIoTの一部になるかを特定することに集中すると思います。スマートデバイスを設計することが技術的に可能であるからといって、必ずしもすべてのデバイスをIoTに接続することに価値があるとは限りません」とオンセミコンダクターのテクニカルマーケティングマネージャーであるグレッグライスは述べています。

接続されたデバイスとセンサーは、自動車、産業用自動化、スマートホーム、消費者向けコンピューティング、農業、モバイルヘルスなど、いくつかの分野で重要な役割を果たします。検知、収集、集約されたデータは指数関数的に増加し、2025年には1日あたり125エクサバイトのデータの推定トラフィックにつながります。IoTに接続されたデバイスによって生成されたこれらの大量のデータを管理することは困難な課題です。

ライス氏は、課題について詳しく説明し、前進する方法を提案しました。「IoTのエッジで生成されるデータのすべてのビットがクラウドを介して送信されると、ネットワークインフラストラクチャに輻輳が発生する可能性があります。すべてをクラウド経由でネットワークのコアに送信するよりも、IoTのエッジで基本的なデータ分析と集計を実行する方が効率的かもしれません。」

環境発電

エネルギーハーベスティングは、IoTデバイスの指数関数的成長によってもたらされる課題に直面するために不可欠です。ライス氏は、環境発電の課題は、環境発電の効率と、環境発電を通じて電力を供給されるデバイスの信頼性に集中していると考えています。環境発電用のデバイスは非常に少量の電力で動作し、その設計は多くの場合、技術的パフォーマンスと消費電力の削減の間のトレードオフです。 「エネルギーハーベスティングを通じて動作するように設計されたデバイスの課題は、設計プロセスでこれらのトレードオフの適切なバランスを見つけることです」とライス氏は強調しました。

もう1つの関連する課題は、環境発電のための電源です。日中は、利用可能な太陽光を利用することで、太陽光発電デバイスを効率的に運用できます。ただし、夜間の運用については同じことは言えません。同様に、環境発電にRF電力を使用するデバイスは、特定の信号強度のRFフィールドが存在する必要があります。環境発電装置をサポートするためにより多くのRFフィールドが配備されている場合は、関連する健康リスクを慎重に評価する必要があります。

電池不要のセンサー

オン・セミコンダクターは、IoTネットワーク向けの革新的なワイヤレスでバッテリー不要のセンサースイートを設計しました。 Smart PassiveSensors™（SPS）デバイスファミリを使用すると、ネットワークエッジでの温度、圧力、湿度、または近接性を監視できます。環境センサーは遠隔地や工場や建物などの広い場所に設置されることが多いため、バッテリーを頻繁に交換することは経済的に実行可能な操作ではありません。環境発電、特にSPSセンサーのRF電力は、この要件を満たすことができます。図1に示すように、各SPSセンサーは、RFIDリーダーを備えた業界標準のUHF Gen 2プロトコルを介した、ワイヤレス通信用のアンテナブロックを備えたバッテリーフリーおよびマイクロプロセッサーフリーのRFIDセンサータグです。 SPSセンサーがRFリーダーによって問い合わせられると、信号から受信したエネルギーを使用して、センサーからの高速で正確な読み取りを提供します。

図1：SPSセンサー機能ブロック

「このセンサーネットワークは、RFエネルギーハーベスティングを使用して機能するように設計されています。接続されたアンテナを介してRF電力を送信する中央センサーハブがあります。個々のセンサーノードはワイヤレスでバッテリーがなく、周囲のRFフィールドのエネルギーをセンサーノードの電子機器の電源に変換することで動作します」とライス氏は説明します。

図2に示すように、各センサーハブには、リーダーモジュールと処理モジュールの2つのキーブロックが統合されています。リーダーモジュールは、プロトコル固有の機能を実行してセンサーと通信し、生のセンサーデータ（EPC、Temp、RSSI、コードなど）を処理モジュールに公開します。処理モジュールは、追加の分析のためにセンサーデータを集約してフォーマットします。センサーハブの接続機能には、WiFi、イーサネット、Bluetooth、およびセンサーデータをクラウドに送信してさらに分析、分析、決定するのに適したその他のプロトコルが含まれます。

図2：センサーハブのブロック図

センサーIoTアーキテクチャ全体を図3に示します。センサーハブは複数のセンサーからデータを収集し、クラウドを介して他の接続されたデバイスと通信して、新しいアプリケーションやシナリオでIoTを実現します。

図3：センサーIoTアーキテクチャ

センシングブロックの中心にあるのは、RF MicronのMagnus-S2©センサーICです。これは、UHFリーダーからのRFエネルギーハーベスティングによって電力を供給されるUHFRFIDチップです。 Magnus-S2は、RFフロントエンドを適応させてさまざまな環境条件でのパフォーマンスを最適化する特許取得済みのセルフチューニングカメレオンエンジンを利用しています。これらのセンサータグは、FCC定義のUHF帯域またはETSIUHF帯域のいずれかで機能します。スマートパッシブセンサーのスモールフォームファクターとバッテリー不要の機能により、サイズとアクセシビリティが重要視されるアプリケーションに設計することができます。

SPSデバイスファミリには次のものが含まれます。

• 温度センサー。金属、非金属、セラミックの表面の温度を受動的に検知するために設計されています。アプリケーションには、業界やデータセンターでの予知保全が含まれます。
• プラスチック、木材、セラミック、土壌、石膏で作られたさまざまな表面や完成品の水分を受動的に検知するために設計された水分センサー。アプリケーションには、さまざまな産業環境での水分レベルまたはリークの検出と品質管理が含まれます。
• プラスチックなどの薄い表面を通過する流体を受動的に検知するために設計された流体レベルセンサー。

結論

IoTネットワークに接続されるデバイスの数は絶えず増加しており、アプリケーションにはすべてのテクノロジーセクターが関わっています。 IoTセクターの成功と拡大は、関連するセンサーの特性とパフォーマンスに厳密に依存します。従来のセンサーネットワークを補完するには、新しいセンサーテクノロジーが必要です。クラウド接続を備えたバッテリー不要のワイヤレスセンサーにより、データセンター、産業予知保全、建設と電力、コールドチェーン、デジタルファーミング、スマートヘルスケアなどのさまざまなアプリケーションで環境条件の監視を強化できます。

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