センシング材料技術の進歩により、センサーをグループで展開する機能とワイヤレス機能によりワイヤレスセンサーネットワークを形成できるようになり、より小型の センサー を設計できる可能性が高まりました。これらのセンサー ネットワークは、環境および構造の監視、軍事、健康とフィットネス、農業、スポーツとエンターテイメント、セキュリティ、ロボット工学、スマート グリッドなど、多くのアプリケーションに革命をもたらしています。
ワイヤレス センサー ネットワーク テクノロジーは、設計とアーキテクチャを改善してワイヤレス センサー ノードの効率を高めるためのトレンドの研究焦点となっています。個々のセンサー ノードのほとんどはバッテリー駆動であるため、現場のどこにでも自由に配置できますが、利用できる電力が限られるという欠点があります。このようなシステムの主な制約は、搭載センサーと電子部品の電力消費であり、消費を最小限に抑える鍵は効果的な電力管理システムを使用することです。
センサーノードを分析し、電力を大量に消費するサブシステムを特定する
一般的なセンサー ノードのシステム アーキテクチャを見ると、マイクロコントローラで構成されるコンピューティング ユニット、ワイヤレス通信システム、物理パラメータを測定するセンシング システム、バッテリー、DC/DCコンバータ、エネルギー ハーベスティング システムで構成される電力生成および管理システムの4つのサブシステムで構成されています。
これらのサブシステムの中で、データの送信または受信のいずれかの無線通信フェーズ中に、かなりの電力が消費されます。通信サブシステムの 電力消費 特性には、変調方式の種類、データ転送速度、電力伝送速度、動作デューティ サイクルなど、いくつかの要因が影響します。オンボードRFモジュールの平均消費電力は、スリープ モードでは200 μW、アクティブ送信モードでは最大40 mWです。
センサー ノード アーキテクチャの発展により、ワイヤレス センサー ネットワークは通信中心から情報中心へと移行しました。以前は生の形式で転送されていたデータは、現在ではセンサー ノード自体で処理されます。これはエッジ コンピューティングとも呼ばれ、より強力なマイクロコントローラ (MCU) を備えた処理ユニットを必要とします。以前は、4ビットMCUは主に光や動きの検出などのオン/オフ信号を取得するために使用されていましたが、現在では最新の16 ～ 32ビットARMベースのMCUは音声や画像などのマルチメディア データも処理できます。これらの32ビットMCUには多数のパワーダウン モードが搭載されており、ウェイクアップ タイマーを使用して0.1% の時間実行しながら、MCUを99.9% の時間省電力モードに移行させることができます。
センシング サブシステムには、MEMSベースのセンサー自体、 アナログ - デジタル コンバーター、信号調整デバイスなど、さまざまな電力消費源も含まれています。センサーの種類が多様であるため、平均消費電力を計算することは困難です。タッチ、温度、光センサーなどのパッシブセンサーはごくわずかな電力を消費します。一方、近接、湿度、フロー制御などの アクティブ センサー は、データ取得期間中にワイヤレス無線よりも多くのエネルギーを消費する場合があります。
無線センサーネットワークにおける電力管理技術
一般に、センサー ノードは、センサー データの取得とワイヤレス通信が行われるアクティブ モードと、すべてが非アクティブなアイドル モードの少なくとも2つの異なるモードで動作します。アクティブ モード中に消費される電力は、センサー ノードの基本機能を実行するために必要なため、許容範囲内です。一方、アイドル時の消費電力は、たとえ少額であっても完全に無駄であり、不要なサブシステムは完全にオフにする必要があります。それでも、センサー ノードで電力が漏れ、バッテリーが徐々に消耗する可能性があります。成熟した バッテリー技術であっても、電力を大量に消費するセンサーを大量（50～100個）に配備すると、バッテリーを頻繁に交換する必要があります。したがって、これらのシステムでは 電力管理技術 が採用されており、そのうちのいくつかについてさらに詳しく説明します。
パワーゲーティング
ウェイクアップ戦略は、ノード レシーバーがメッセージがある場合にのみウェイクアップするため、アイドル モードで最もエネルギー効率の高いソリューションの1つでもあります。このような受信機の主な特徴は、通常のトランシーバーが消費する電力のほんの一部しか消費しないことです。通常、データ レートは低く、感度は低く、レイテンシは高くなります。この技術では、目的のノードのみが起動してリッスンするため、盗聴も軽減されます。ウェイクアップ レシーバーは、アクティブなときは電力消費源としても機能するため、エネルギー ゲインを獲得するには超低電力である必要があります。
動的電圧周波数スケーリング
これは、ブロックが現在のタスクの期限にちょうど間に合うように、オンザフライで電圧と周波数の両方を選択的に低減する方法です。低速のブロックは低い周波数と電源電圧で実行されます。この手法はパワー ゲーティングに似ていますが、電源は完全に遮断されません。このソリューションでは、システムの動作中に必要な削減を計算するために、アプリケーションの電力要件に関する十分な知識が必要です。また、電力節約を最大化するために、ソフトウェアとハードウェアを通じて電圧と周波数を制御することも含まれます。
周囲からのエネルギー収集
センサー ノードは、限られた量のエネルギーしか蓄えられないバッテリーから電力を供給され、ネットワークの寿命に上限が設定されます。充電式バッテリーと組み合わせたエネルギー収集デバイスは、バッテリーのみのシステムに代わる魅力的な選択肢として登場しています。これらのシステムは周囲からエネルギーを収集し、センサー ノードの寿命と機能を大幅に向上させることができます。エネルギーは、熱電、太陽光、静電気、電磁気、圧電などの技術を使用して収集されます。ただし、周囲の状況は予測不可能であり、1種類のハーベスターではノードの安全な動作が保証されない可能性があります。そのため、2台以上の環境ハーベスターを内蔵したハイブリッドハーベスターが使用されています。
無線センサーネットワークの展望
近年、 無線センサーネットワーク は、有線通信媒体を気にすることなく簡単に導入でき、携帯性に優れていることから、急速に普及が進んでいます。効率的な電源管理システムを統合することで、センサー ノードの寿命を数日から数週間、場合によっては数か月にまで延長できるため、遠隔地の広大な地理的領域を監視するのに適しています。ワイヤレス センサー ネットワークはどこにでも設置できる能力があり、そのユビキタスな性質により、今日最も緊急のニーズの1つとなっています。