インダストリー4.0は近年最も人気のあるトピックの1つであり、産業用制御とモノのインターネット (IoT) を組み合わせることがインダストリー4.0の成功の鍵となります。LoRaは、産業用制御とIoT間の問題を解決できるリモート無線伝送技術です。この記事では、産業用制御および電源アプリケーションにおけるLoRaの新しい開発について紹介します。
低消費電力の広域ネットワークを簡単に構築および展開
産業用制御と電力供給(スマートメーターやスマートグリッドなど)をネットワークで実現することが新たな開発方向であることは明らかです。しかし、どのようなネットワーク通信技術を使用すればよいのでしょうか?工場や発電所の敷地は広大な場合が多く、異なる建物にまたがる機器を接続する必要があるため、より広い範囲をカバーし、高い接続容量を持つネットワーク通信技術が必要です。低周波、低消費電力、長距離接続、高接続容量を必要とするIoT向けに特別に設計された低電力広域ネットワーク (LPWAN) は、産業用制御および電源アプリケーションに最適なオプションになります。LoRaは最も有望な開発可能性を秘めたLPWANテクノロジーの典型的な例です。
2013年、Semtechは1GHz未満の新しいタイプの超長距離LPWANであるLong Range (LoRa)チップを業界に発表しました。LoRaは、最大 -148dBmという驚くほど高い受信感度を誇ります。業界をリードするサブGHzチップと比較すると、LoRaの受信感度は少なくとも20dB高く、ネットワーク接続性が確保されます。
2015年3月、LoRaアライアンスは™ LoRaプロトコルを世界に普及させ、商用化することを目指したオープンな非営利団体として設立されました。LoRaの業界チェーンの各リンク (端末ハードウェア サプライヤー、チップ サプライヤー、モジュール ゲートウェイ サプライヤー、ソフトウェア サプライヤー、システム インテグレーター、ISPを含む) には、LoRaの急速な発展と繁栄を可能にする完全なLoRaエコシステムを形成する大規模な企業グループがあります。
LoRaは主に、433、868、915 MHzを含む世界中の空き帯域 (ライセンス不要帯域など) で動作します。LoRaネットワークは基本的に、端末 (LoRaモジュール内蔵)、ゲートウェイ (またはベース ステーションと呼ばれる)、サーバー、クラウドの4つのセクションで構成されます。LoRaネットワークは、アプリケーション データの双方向伝送もサポートします。
最大157dBのリンク バジェットにより、最大15kmの通信範囲を実現します (環境に関連)。受信電流はわずか10mAで、スリープ電流も非常に低いため、バッテリー寿命が大幅に延びます。マルチチャネルおよびマルチビットレートの並列処理をサポートするゲートウェイ/コンセントレータにより、大規模なシステム容量が実現します。既存の移動通信基地局に送信電力20dBm(100mW)のゲートウェイを設置することで、建物が密集した都市環境でもLoRaのカバレッジが半径2km程度になります。建築容量の少ない農村地域では、カバー範囲は半径10kmまで拡大されます。この接続範囲は、大規模な複合施設における産業用制御および電源アプリケーションに適しています。
村田製作所のABZ型LoRaモジュールは、LoRaWANリモート無線プロトコルに対応した新型のコンパクトで低コストなLPWAN無線モジュールです。寸法が12.5 x 11.6 x 1.76 mmのこの新しい独立モジュールは、金属シールド パッケージになっており、Semtech SX1276超長距離スペクトラム拡散無線トランシーバーとSTMicro STM32L0シリーズARM Cortex-M0+ 32ビットMCUを搭載しています。強力な低ドリフト熱特性を特徴とする統合型TCXOは、RFトランシーバーに正確なクロック ソースを提供します。
2.2~3.6VDCで駆動するMurataのタイプABZ LoRaモジュールは、UART、SPI、またはI2C周辺インターフェースとの通信を実現でき、ADCと最大18個のGPIOにより、センサー、スイッチ、ステータスLEDの柔軟性が向上します。村田製作所のCMWX1ZZABZモジュール の868MHzおよび915MHzの産業、科学、医療 (ISM) スペクトルは、世界のほとんどの地理的地域の無線規制によって認定および承認されています。
村田製作所のCMWX1ZZABZモジュールの通常出力は+14dBmです。エンドデバイス側または屋内の信号が低い場合、ユーザーはPAブースト機能を選択して送信電力を +20dBmまで上げることができます。MCUには192kBのフラッシュ メモリと20kBのRAMが内蔵されており、顧客のアプリケーションを組み込み、他の変調スタックを共存させるのに十分なメモリがあります。さらに、選択可能なSTSAFEセキュア エレメントをMCUに統合して、ネットワーク セキュリティを強化することもできます。産業用制御および電源アプリケーションに加えて、このモジュールの代表的なアプリケーションには、スマート メータリング、ウェアラブル、トレース、M2M、IoTエッジ ノードなどがあります。また、動作温度範囲も広く、-40°C ~ +85°Cです。
村田製作所のABZ型LoRaモジュールは、LoRaネットワークシステムの開発を加速し、開発者がコアビジネスの競争力にエネルギーを集中させ、製品の発売時間を短縮できるようにします。これにより、産業用制御および電源アプリケーションを開発するメーカーに適しています。
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