エネルギーハーベスティングは、モノのインターネットの開発と改善に大きな利点をもたらします。これは、バッテリーの充電を必要とせずに、より長時間動作できる、強化されたクラスの自律型およびモバイル アプリケーションを作成するための重要なコンポーネントです。また、バッテリー自体よりもコストがかかることが多いバッテリーの交換を大幅に遅らせることで、コスト削減にもつながります。そして、エネルギーハーベスティングは、エッジにインテリジェンスをもたらし、IoTを新しい場所やアプリケーションの世界にもたらすための重要な要素です。アナログデバイス エネルギーハーベスティングソリューションで起業家を支援できる アロー認定プログラム。
ノードで電源を有効にする
まず、エネルギー収集システムのセットアップについて見ていきましょう。まず、エネルギー収集トランスデューサーが周囲のエネルギーを収集電力に変換します。次に、電力管理ユニット (PMU) が収集した電力を使用可能な電力に変換します。エネルギー貯蔵は、エネルギー収集発電設計における3番目の柱です。ストレージは、センシング、データ処理、無線伝送などのセンサー ノードの電力要件を満たすためのエネルギーを収集するためのエネルギー バッファーとして使用されます。
自己発電システムを最も効果的に設計するには、利用可能なエネルギーからどれだけの電力を収集できるかを見積もることから始めるのが最適です。太陽光発電システムの場合、これは利用可能な光エネルギーです。熱電発電装置を使用する場合は、発生可能な温度勾配の測定が必要ですが、振動発電の場合は、効果的な自己発電システムを開発するために、加速度レベルと振動周波数の両方が必要です。利用可能な周囲のエネルギーに基づいて、収穫機のタイプが選択されます。次に、エネルギーバランス方程式が作用します。センサー ノードはエネルギー予算を考慮して設計されています。超低電力システム設計技術を使用して、センサー ノードの電力要件を削減します。収穫機とストレージのサイズ設定、およびセンサー ノードの設計は、反復的なプロセスになる傾向があります。
この新しい形式のテクノロジーを採用する際には、克服すべき障壁がまだいくつかあります。断続的で低レベルの電源は、いつ、どのくらいの量のエネルギーを収集できるかに影響を及ぼす可能性があります。同時に、ノードでより多くの機能の要求と大量のデータの送信により、利用可能な電力が大幅に消費されます。
アナログ・デバイセズは、これらの障壁を取り除く超低消費電力ソリューションを提供し、エンジニアが新しいクラスの高性能、低消費電力のエネルギー・ハーベスティング・アプリケーションを設計および作成できるよう支援します。
Analog Devicesには、非常に効率的な電力変換と高度に最適化されたストレージ使用を提供するPMUスイートがあり、休止状態のときに消費する電流はごくわずかです。ADP5091 超低ブースト レギュレータ (PMU) は、「屋内」の周囲光を効果的に利用して変換します。1µW未満の損失で効率的な変換 (最低10 µW) を実現します。また、オープン回路電圧検知を活用して抽出を最適化します。
同様のPMUのもう1つは、LTC3109超低電圧昇圧コンバータおよび電源マネージャです。LTC3109 は、熱電発電機、サーモパイル、小型太陽電池など、低入力電圧要件が重要な、断続的で低レベルの電源を使用するアプリケーション向けに設計されています。
LTC3331 は、2つのソースからのマルチモード収集を可能にするように設計されており、特定の環境で追加のエネルギーを収集できます。さらに、太陽電池や熱電発電機などのDC電源を高電圧圧電発電装置と組み合わせることで、収集されるエネルギーを最大化することができます。
収穫を超えて: ノードでのインテリジェンスの有効化
現在、業界ではエッジ センサー デバイスのパラダイム シフトが起きています。低電力エッジ コンピューティング デバイスは、エッジにインテリジェンスと接続性をもたらす機能を備え、クラウド デバイスよりも急速に進歩しています。その結果、複数の入力から収集されたデータを1つのプロセッサに統合できます。たとえば、屋外の空気質監視システムでは、共通のセンサー ノードに複数のガス センサーと粒子状物質センサーを配置できます。
インテリジェント エッジ ノードを活用することの利点は非常に大きいです。まず、エッジでのインテリジェントなフィルタリングと意思決定により、クラウドへの電力を大量に消費するデータ転送の必要性がほとんどなくなるため、消費電力が削減されます。遅延も短縮されます。情報がノードで処理されると、大量のデータをクラウドに送信するよりも早く意味のある情報を生成できます。クラウドでは、並べ替え、分析、結果の配信に時間がかかります。
スマートシティアプリケーション
エネルギーハーベスティングは、バッテリーのメンテナンスと交換の必要性を減らすことで、自治体のインフラストラクチャ内の遠隔地やアクセスが困難な場所にインテリジェントなセンシングをもたらすのに役立ちます。たとえば、ガードレールには衝撃を検知できる ADXL372 センサーを装備することができます。その情報はローカルで処理され、その後アグリゲータに送信されて緊急対応者に警告されます。これにより、必要な援助がより早く届けられ、より多くの命が救われる可能性があります。
さらに、エネルギーハーベスティング技術により、頻繁でコストのかかるバッテリーメンテナンスを必要とせずに、数マイルにわたる道路に複数のセンサーとプロセッサを配置できます。
ユーティリティメータリングは、インテリジェントノードが有利な役割を果たすことができるもう1つの領域です。超低電力無線搭載メーターを備えたメッシュ ネットワークを使用すると、1台のトラックがメーターの1つを通過するだけで、メーター ネットワーク全体からデータを収集できます。これにより、請求情報の収集に必要な工数を大幅に削減できます。
スマートファクトリーアプリケーション
超低電力センシングは、産業状態監視にもメリットをもたらします。エッジノード処理用の ADXL357 超低ノイズ加速度計 ADuCM3029 と組み合わせることで、オンボードFFTを介して振動データを処理し、予防保守を支援し、警告サインを検出します。この情報は、工場の担当者が早期に是正措置を講じ、故障やコストのかかるダウンタイムを回避するのに役立ちます。
IoTではクラウド コンピューティングが大きな注目を集めていますが、エッジで情報を収集して処理することの威力と価値を認識する起業家や製品開発者が増えています。ただし、データが豊富な環境でのユビキタス センシングは、これらのセンシング ソリューションを維持するためのコストが、結果として得られるデータの価値に比べて低い場合にのみ可能であることを覚えておくことが重要です。その中心となるのはエネルギーの収集と管理です。Analog Devicesの超低消費電力マイクロコントローラとセンシング ポートフォリオにより、ノードでの効率的な処理が可能になり、より多くのセンシング システムを自己給電できるようになります。これらの環境で自己発電型センサーノードを採用することで、総所有コストの低いソリューションを実現し、これまで非実用的と考えられていた領域でのセンシングを可能にし、最終的にはこれまで解決できなかった課題を解決できます。