エナジーハーベスティング駆動の電池不要センサ、次世代IoT革命を牽引

Internet of Things（IoT）の採用は世界的に急増していますが、その急速な拡大はエンジニアと政策立案者の双方に複雑な課題を突きつけています。予測によれば、2025年までにグローバルIoTネットワークは750億台を超える接続デバイスを抱える可能性があり、この数字は堅牢でスケーラブルなソリューションの準備の緊急性を物語っています。

業界専門家は、数百万台の電子ガジェットが統一された通信ファブリック（通常はクラウドサービスへのワイヤレスリンク）を共有する未来を予測しています。このエコシステムの爆発的なデータ需要を支えるには、革新的なセンサ技術が不可欠です。

「IoTの次の課題は、どのデバイスがIoTの一部となるかを特定することに集中すると考えます。技術的にスマートデバイスを設計可能でも、すべてのデバイスをIoTに接続する価値があるとは限らないからです」と、ON SemiconductorテクニカルマーケティングマネージャのGreg Rice氏は述べています。

コネクテッドセンサは、自動車、産業オートメーション、スマートホーム、コンシューマーエレクトロニクス、農業、モバイルヘルスで極めて重要な役割を果たします。2025年までに日次トラフィック125エクサバイトが予測される中、このデータの洪水を効率的に管理することが重要なハードルとなります。

Rice氏は、エッジで生成されるすべてのバイトをクラウドに送信するとネットワークインフラが輻輳すると指摘。「IoTのエッジで基本的なデータ分析と集約を行う方が、すべてをクラウド経由でネットワークコアに送るより効率的かもしれません」と述べています。

エナジーハーベスティング

エナジーハーベスティングは、IoTの指数関数的成長を維持する鍵です。主なハードルは収集効率とデバイス信頼性。ハーベスト駆動デバイスは微小な電力予算で動作するため、設計者は性能と消費のバランスを取る必要があります。

もう一つの課題は電源そのものにあります。ソーラー駆動ユニットは日中は機能しますが夜間は機能せず、RFハーベストデバイスは十分な強度の電磁界を必要とします。広範なハーベストを支えるRFフィールドのスケーリングには、厳格に評価すべき重要な健康リスク考慮事項も生じます。

電池不要センサ

ON Semiconductorは、ネットワークエッジで温度、圧力、湿度、近接を監視する最先端のワイヤレス電池不要センサスイート「Smart Passive Sensors™（SPS）ファミリ」を発表しました。これらのセンサは、電池交換が非現実的な遠隔地や大規模展開に最適です。

SPSセンサは、業界標準UHF Gen 2プロトコルで通信する電池不要、マイクロプロセッサ不要のRFIDタグです。RFリーダーからのインタロゲーション時に、タグが信号からエネルギーを収集し、専用電源なしで高速かつ正確な読み取りを可能にします。

図1：SPSセンサ機能ブロック

Rice氏は説明します。「このセンサネットワークはRFエナジーハーベスティングで動作するよう設計されています。中央センサハブが接続アンテナを通じてRF電力を送信し、個々のセンサノードはワイヤレスかつ電池不要で、周囲のRFフィールドを電力に変換して動作します。」

図2に示す通り、各センサハブはリーダーモジュール（プロトコル固有の通信を処理し、生データ（EPC、Temp、RSSI、Code等）を公開）と、データを集約・フォーマットしてさらなる分析向けに準備する処理モジュールを統合。ハブはWi-Fi、Ethernet、Bluetoothなどのプロトコルでセンサデータをクラウドへ転送します。

図2：センサハブブロック図

全体アーキテクチャは図3に示す通り：ハブが複数センサからデータを収集し、クラウド経由で他デバイスと通信し、新たなIoTアプリケーションを可能にします。

図3：センサIoTアーキテクチャ

センシングブロックの中核には、RF MicronのMagnus-S2©センサICがあります。これはUHFリーダーからのRFエナジーハーベスティングで駆動されるUHF RFIDチップです。Magnus-S2は、環境条件の変化に対応してRFフロントエンドを最適化する特許取得済みの自己チューニングChameleonエンジンを内蔵。FCC定義UHF帯とETSI UHF帯の両方で動作し、サイズ制約のあるアプリケーションに容易に適合するコンパクトな電池不要ソリューションを提供します。

SPSファミリには以下が含まれます：

• 金属、非金属、セラミック表面でのパッシブセンシング向け温度センサ。データセンターと産業設定での予知保全に最適。
• プラスチック、木材、セラミック、土壌、漆喰でのパッシブ検出向け湿度センサ。漏洩検知と品質管理に有用。
• 薄いプラスチック表面を通して流体をパッシブに検知する液面センサ。

結論

接続デバイスの数が増え続ける中、IoTの成功はセンサの性能と能力にかかっています。クラウド分析とシームレスに統合される電池不要ワイヤレスセンサは、データセンター、産業メンテナンス、建設、電力配電、コールドチェーンロジスティクス、デジタル農業、ヘルスケアにおけるよりスマートな監視を可能にします。

>> この記事は姉妹サイトPower Electronics Newsで最初に公開されました。