暖房換気空調（HVAC）は、家庭内で最もエネルギーを消費するシステムです。人工知能 (AI) とモノのインターネット (IoT) 技術の急速な発展により、低電力センサーノードがHVACシステムの効率を向上させるために使用されるようになります。この記事では、AIとIoTテクノロジーを組み合わせたHVACシステムの開発動向と、関連するリファレンス デザイン ソリューションを紹介します。
IoTはHVACの運用コストの削減に役立ちます
HVACは住宅内で最もエネルギーを消費するシステムであり、建物の総エネルギー消費量の約50% を占めています。したがって、効率的なHVACシステムを採用すると、建物のエネルギー使用量が大幅に削減されます。手動で制御されるチラーやヒーターシステムを使用すると、通常はエネルギーの無駄が生じます。これらの問題を解決するために、さまざまなIoTセンサーと組み合わせて使用できる人工知能を備えたスマートHVACシステムは、HVACの動作を最適化し、顕著な省エネ効率を実現します。
「IoT」とは、さまざまな機器をインターネットに接続する技術です。このシステムはデータ収集に依存しており、インターネットやさまざまなワイヤレス技術 (ZigbeeやBLEを含む) を介して他のデバイスに情報を監視、制御、送信するために使用されます。人工知能の判断と組み合わせることで、IoTデバイスは特定の状況が発生したときに特定の操作を自動的に実行できます。これらのIoTデバイスは相互に接続されているため、複数の操作の管理が容易になります。実際、IoTホームデバイスはコストとエネルギーを削減し、ユーザーの貴重な時間を節約するのに役立ちます。
市場の大きな需要に直面して、Arrow ESCのAI IoTビジネス開発チームは、低消費電力、小型、高セキュリティ、インテリジェンス (人工知能機能)、コスト効率などの重要な機能を市場に提供する総合的なソリューションを開発しました。
高度に統合され、コスト効率に優れた完全なシステム
STMicroのSTM32WB55無線MCUは、IoTおよびHVACシステムの制御部に使用され、ポイントツーポイントからメッシュ ネットワークまでさまざまなプロトコルと互換性があり、Bluetooth® LE 5.2、Bluetooth Mesh、OpenThread、Zigbee 3.0、オープン2.4GHz無線規格をサポートし、セキュリティ機能を内蔵し、優れた低消費電流を実現しています。STM32WB55でサポートされる周辺機器には、I²C、USART、LP-UART、SPI、バッテリ充電検出をサポートするUSB 2.0 FSデバイス、SAI、Quad-SPI、16ビット タイマー (LPWMおよび低電力タイマーを含む) などがあります。電圧範囲1.7～3.6V（DC/DC、LDO）、温度範囲-40℃～+105℃で動作可能です。°°
STM32WBワイヤレスMCUには、デュアルコアM0+M4アーキテクチャ プロセッサと無線トランシーバーが搭載されており、高度に統合されたコスト効率の高いシステム オン チップに統合されています。したがって、STM32WBソリューションは、リアルタイム アプリケーションとエネルギー効率の高いアプリケーションに最適です。
温度検知に関しては、消費電力が75μAと低く、分解能が最大12ビットのSTMicro社のデジタル周囲温度センサーSTTS75を採用しており、最大0.0625℃の分解能で温度をデジタル化できるため、-55℃～+125℃の全動作範囲で高精度を確保しています。このソリューションのその他の機能には、I2C/SMBus出力によるワンショット温度読み取り、選択可能なアドレス (最大8) による省エネ機能、割り込みまたはサーモスタット/コンパレータ機能を備えた専用ピン、ヒステリシス機能を備えたプログラム可能なしきい値などがあります。
低消費電力と長時間バッテリー駆動を実現するハードウェア設計
このソリューションのハードウェア開発は、低消費電力とバッテリー動作を実現するように設計されており、単三電池2本のみで24か月間動作することを目標としています。この目標を達成するには、75 μAの低消費電力と最大12ビットの分解能を備えたSTMicroのデジタル温度センサーや、2.1 μAの省電力モード電流と5 μsの高速ウェイクアップ機能を備えたSTMicroのデュアルコアRF MCUなど、さまざまな低電力コンポーネントを使用する必要があります。さらに、Stop 2モード (2.1 μA) でRTCウェイクアップを実行し、ホストとクライアントの同期間で6秒ポーリング方式で動作するZigbee SED (Sleepy End Device) が必要です。
さらに、Rohm BD9251FVアンプ ソリューションを備えたMurata IRA-S200ST01A01 PIRセンサーも使用されます。これは、Rohm BD9251FVアンプとMurata 2で構成されたコスト効率の高いPIRソリューションです。 セルPIRセンサー。Rohm BD9251FVは、センサー出力用のアンプ、センサー出力用のコンパレータ、内蔵電圧レギュレータ、移動検出器を統合しています。 方向情報（左→右）/（右→左）をデジタル出力できます。
さらに、ST VL53L5 ToF 8x8マルチゾーン測距センサーと組み合わせると、4x4または8x8の個別ゾーンのマルチゾーン測距出力を備え、最大400 cmの測距をサポートできます。デフォルトでは、VL53L5は低電力モードになっており、消費電力はわずか45 μAです。システムでPIRを使用すると、人体が検出されるとTOFセンサーが起動します。8x8 TOFセンサーを使用すると、誤検知を減らし、人間の位置と移動方向を推定できます。検出された人間が特定の方向にのみ移動している場合は、通知のみを送信することで人工知能 (AI) を追加できるため、さらに消費電力を削減し、不要な通知の送信を減らすことができます。
プロトコルスタックとアプリケーション全体でOTAファームウェアアップグレードをサポート
ソフトウェア開発に関しては、STM32WB M0 (Zigbeeスタック) とM4 (アプリケーション) およびホストMCU STM32L4 (UI FW) にわたる無線 (OTA) ファームウェア アップグレードをサポートできます。
このソリューションは独立した無線アクティビティ機能を備え、メッシュ ネットワークまたはスマートフォンにデータをアップロードでき、無線プロトコル スタックまたはアプリケーション ファームウェアのOTAをサポートし、Arm Cortex-M0+ 上で実行でき、省エネ モードを備え、RAMとRTCの実行時にわずか2.1 µAしか消費せず、5 μsの速度ですばやく起動できます。主なアプリケーションアクティビティには、データの計算（センサーフュージョンなど）、最大64 MHzの柔軟なArm Cortex-M4 CPU速度、CPUとフラッシュメモリをオフにしたバッチ取得モード (BAM) のサポート、デュアルCPUアクティビティ、消費電力がわずか50 μA/MHzなどがあります。無線とアプリケーションは独立して実行でき、超省電力モードをサポートし、シャットダウン時の消費電力は50 nA未満であるため、バッテリーのエネルギーを節約できます。
省電力機能に関しては、STM32WBデバイスにはFlexPowerControl機能があり、電力モード管理の柔軟性を向上させ、アプリケーション全体の電力消費をさらに削減できます。動作モードは最大64 MHzのシステム クロックをサポートし、消費電力はわずか117 μA/MHzです。STM32WBデバイスは、低電力実行、スリープ、低電力スリープ、ストップ0、ストップ1、ストップ2、RAM保持付きスタンバイ、スタンバイとシャットダウン付きSHUTDOWNモードの8つの主要な低電力モードをサポートしています。各モードはさまざまな方法で構成でき、いくつかの追加サブモードが提供されます。
このソリューションでは、STM32WB内蔵スイッチ モード電源 (SMPS) を使用して、デジタル コアと無線LDOに電力を供給します。SMPSはオンザフライの切り替えをサポートします。VDD電源が2.1 Vを下回ると、自動的にバイパス モードに切り替わります。SMPS動作モード (オンとオフ) はデバイス モードに従います。ADC変換中にSMPSからノイズを除去するために、ソフトウェアはオンザフライでSMPSモードを切り替えることができます。
将来的には、このソリューションは、SPIインターフェースを備えた160 x 128ドットのTFT LCDMをサポートするためにSTM32WBワイヤレスMCUをさらに開発するか、FMC (フレキシブル メモリ コントローラ) を備えたホストMCU STM32L4xを使用して、8080 16ビット パラレル インターフェースを備えたTFT LCDMをサポートする予定です。また、STM32WBでBLEを介してオーディオ ストリームを送信できるSTのMEMSマイクMP34DT06と組み合わせる予定です。さらに、BLE/Zigbeeゲートウェイ ソリューションのWi-Fiコンポーネントとして、Murata Type 1YN Wi-Fiモジュール (CYW43439) と組み合わせることもできます。
結論
AIとIoTテクノロジーを使用することで、HVACシステムの運用効率を効果的に向上できます。Arrow Asia PacificがSTMicroelectronicsと協力して設計したBLE/Zigbee IoTソリューションは、すべての顧客に低電力でコスト効率の高いソリューションを提供します。お客様は、このハードウェアおよびソフトウェアのリファレンス デザインを使用することで、製品開発をスピードアップし、市場投入までの時間を大幅に短縮できます。ご興味のあるお客様は、詳細についてはArrowまでお問い合わせください。