IoT技術を活用して世界を救う

地球の持続可能性の危機への対応は緊急です

人類が持続可能な世界経済への転換という課題に直面する中で、地球の天然資源を枯渇させることなく、生存し、繁栄し、発展する能力を維持する方法を見つける必要があります。現在、地球の平均気温が上昇しています。地球の温度が2度上昇する世界では、熱波の増加、降水量の増加、農作物収量の減少、そして海面上昇が発生し、これらすべてが人類の生存を脅かします。適切な対応を取ることは緊急です。

一方で、1980年代以降、電子産業はほぼ他のどの産業よりも迅速に発展してきました。この産業は、一部の国々において経済に大きく貢献し、多くの他国において産業生産の主要な要素となっており、その成長が鈍化する兆しは見られません。この成長の背景には、消費者向け電子機器の需要増加があります。

しかし、電子製品の普及が多くの人々の生活を向上させた一方で、相対的に電子廃棄物を増加させる可能性もあります。そのため、電子廃棄物の発生を抑制するために、加工、製造、流通、小売、修理、そしてリサイクルにおいて新しい取り組みを採用する必要があります。中でもリサイクルが重要です。国連によると、現在、電子廃棄物の20%が成功裏にリサイクルされています。同機関は、2030年までに予防、削減、修理、リサイクル、再利用を通じて廃棄物の生成を大幅に削減する計画を発表しました。

IoTは持続可能な技術の基盤となるプラットフォームになります

消費者や企業が習慣を変える中、将来のニーズのために地球とその資源を保護するには、新しい技術を広く展開する必要があります。IoTは持続可能な技術の基盤となるプラットフォームとなるでしょう。Transforma Insightsと6GWorldによるレポート「Sustainability in New and Emerging Technologies In 2030」によれば、IoTの構築により、現在から2030年までの間に世界の電力使用量が大幅に増加する見込みです。IoT対応ソリューションの製造では1億1200万立方メートルの水を消費し、IoTソリューションを配布・展開するために使用される炭化水素がコストを増大させることが予想されます。

しかし、Transformaレポートは、IoTアプリケーションのもたらす環境へのポジティブな影響が、初期の犠牲を完全に価値あるものにするだろうと結論付けています。実際、IoT技術は近い将来、その製造と展開にかかるエネルギーコストを相殺するのに十分な節約を生み出し、その後はおよそ8倍のエネルギーを節約するでしょう。同レポートによると、2030年までにIoTデバイスは2,300億立方メートル近くの水を節約し、そのうち35%は水道網の運営改善によるもので、残りはスマート灌漑などのIoT対応農業アプリケーションによるものです。

ビッグデータの利点は、IoTの環境フットプリントを示す上でも重要であることが期待されています。機械学習などのアプリケーションと効果的に組み合わせることで、IoTは大量の情報を生成し、人々や組織がエネルギーコストをよりよく理解し、情報に基づいた環境に関する意思決定を行うことを支援します。さらに、IoTの主なグリーンな利点は、主に企業向けソリューションから得られるもので、通常は電力消費の削減、炭素排出量の削減、またはスマート電力グリッド運用を通じた燃料や水の消費削減として現れます。

今後、ワイヤレスおよびセルラーIoTセンサーの数は500億を超える可能性があり、その多くがバッテリー駆動となるでしょう。メンテナンスの問題を超えて、これらのバッテリーはIoTの持続可能性を損なう可能性もあります。リチウムのような希少な資材を採掘する必要があり、バッテリーは製造されて世界中に供給されなければならず、さらに使い終わったバッテリーを安全に処分するという重大な問題も存在します。

将来的なワイヤレスソリューションは、より効率的に動作し、環境からすべてのエネルギーを収集できるアプリケーションの範囲を大幅に拡大します。次世代のエネルギーハーベスティングデバイス向けに特別に設計された電源管理IC（PMIC）は、さまざまなエネルギーの収集を安定させ、IoT製品をバッテリーの制約から解放する上で重要な役割を果たします。

IoTデバイスのニーズに応えるチップソリューション

IoTデバイスの完全な機能性と電力管理を提供するために、Nordicは関連ソリューションを展開することに注力しています。これには、システムオンチップ（SoC）、電力管理IC、RFフロントエンドモジュール（FEM）、ソフトウェア開発キット、そしてIoTデバイスの開発を支援するプロトタイプ組み立てプラットフォームが含まれます。

まず、nRF52832は多用途のBluetooth 5.4 SoCで、Bluetooth Low Energy (BLE)、Bluetooth Mesh、NFCに対応しています。nRF52832は、先進的なBluetooth® Low Energy機能、プロトコルの同時実行、そして豊富な周辺機能と特徴を必要とするアプリケーションの課題に対応する汎用のマルチプロトコルSoCです。さらに、フラッシュおよびRAMに十分な容量のメモリを提供します。

nRF52832は、フルプロトコル同時使用が可能なマルチプロトコルを使用しています。Bluetooth Low Energyをサポートしており、2 Mbpsの高速伝送を含みます。Bluetooth MeshはBluetooth Low Energyと同時に動作することができ、スマートフォンがメッシュネットワークノードのプロビジョニング、コミッショニング、設定、および制御を可能にします。また、NFC、ANT、2.4 GHzのプロプライエタリプロトコルにも対応しています。

nRF52832は、浮動小数点演算ユニットを備えたArm® Cortex™-M4 CPUを基盤としており、64 MHzで動作します。ペアリングや支払いソリューションを簡略化するためのNFC-Aタグが内蔵されています。PDMやI2Sなどのデジタルマイクやオーディオ用の多くのデジタルペリフェラルおよびインターフェースが含まれています。オンチップの精密な適応型電力管理システムによって、極めて低い消費電力を実現します。

nPM1300は、独自のシステム管理機能を備えた電力管理IC (PMIC) です。nPM1300 PMICは、組み込みBluetooth Low Energy設計に必要な基本的な機能を小型パッケージに統合し、システム設計を簡素化し、より長い動作時間と効率的なバッテリー充電を可能にします。また、使用する部品の数を減少させます。

nPM1300は最大効率とコンパクトサイズに最適化されており、I2C互換の2線式インターフェース（TWI）を介して設定することができます。このインターフェースにより、2ボタンハードリセット、バッテリー燃料計測、システムレベルのウォッチドッグ、電力損失警告、失敗した起動からの復旧を含む高度なシステム管理機能の範囲への容易なアクセスと設定が可能です。

nPM1300 PMICは、NordicのnRF52およびnRF53シリーズSoCの効率的な電力規制を提供するよう設計されており、Bluetooth Low Energy、LE Audio、Bluetooth mesh、Thread、Zigbeeなどのワイヤレスプロトコルをサポートします。この製品は、先進的なウェアラブル端末や携帯型医療用途など、進化したコンパクトなIoT製品に最適な選択肢です。

nPM1100は、バッテリー充電と電力供給向けの超小型フォームファクターの電源管理ICであり、効率的なデュアルモードの設定可能な降圧型レギュレーターと統合型バッテリーチャージャーを特徴としています。この製品はNordicのnRF52®シリーズおよびnRF53®シリーズSoCの補完的なコンポーネントであり、高効率と低静止電流を通じてバッテリー寿命を最大化しながら、信頼性の高い電力供給と安定した動作を保証します。その極めてコンパクトなフォームファクターにより、ウェアラブルデバイス、接続型医療機器、その他のサイズ制約があるアプリケーションに最適で、PCB使用面積はわずか23 mm²まで小さくなります。

この統合型バッテリー充電器は、リチウムイオンおよびリチウムポリマー電池向けに設計されており、終端電圧を4.1または4.2 Vに選択可能で、それぞれ標準電圧3.6および3.7 Vをサポートします。バッテリーの熱保護機能を内蔵しており、トリクル充電、定電流充電、および定電圧充電の3つの充電モードを自動選択します。

nPM1100の内蔵高効率降圧レギュレーターは、選択可能な出力電圧1.8、2.1、2.7、または3.0 Vで最大150 mAの電流を供給することができます。ソフトスタート機能と、ヒステリックモードとPWMモード間の自動切り替えを備えています。また、クリーンな電力動作を確保するために強制PWMモードを許可しています。変換効率は最大92%で、フットプリントは受動部品を含めてわずか27 mm²です。

NordicのnRF21540は、Bluetooth® Low Energy、Bluetooth® mesh、Thread、Zigbee、および2.4 GHz専用プロトコルの範囲を拡張するためのRFフロントエンドモジュール (FEM) です。nRF21540は「プラグアンドプレイ」のワイヤレス範囲拡張器です。パワーアンプ (PA) と低ノイズアンプ (LNA) を統合することで、接続の確信性を向上させるため、低消費電力で短距離無線ソリューションに最適です。

nRF21540は、nRF52シリーズおよびnRF53シリーズの高度なマルチプロトコル無線SoCのリンク予算を強化するために使用できる補完製品です。nRF52またはnRF53シリーズのSoCと一緒に使用すると、nRF21540 RF FEMの+20 dBmのTX出力パワーと13 dBのRXゲインにより、リンク予算が16～20 dB改善されます。これにより理論的な送信距離が6.3倍から10倍へと向上します。

nRF21540は、4x4 QFN16パッケージで提供されており、nRF21540 RF FEMの補完として使用されます。Nordicは、RFフロントエンドモジュールの性能を実験室の機器を使用して評価し、nRF52またはnRF53シリーズSoCと組み合わせた場合の実際のアプリケーションにおける性能を評価するための開発ボードを提供しています。nRF21540に最適化された主なアプリケーションには、スマートホーム、資産追跡、オーディオ、および産業用途が含まれます。

スケーラブルで統一された IoT ソフトウェア開発キットおよびプロトタイピングプラットフォーム

顧客の製品開発を加速するために、Nordicはまた、低消費電力のBluetooth、Wi-Fi、セルラーIoT、Bluetooth Mesh、Thread、Zigbee、Matter製品を構築するためのツール群であるnRF Connect SDK (Software Development Kit) をリリースしました。

nRF Connect SDKは、すべてのNordic nRF52、nRF53、nRF70、nRF91シリーズの無線デバイスを基に製品を開発するために設計された拡張性があり統一されたソフトウェア開発キットです。開発者に対し、メモリ制約のあるデバイス向けにサイズ最適化されたソフトウェアだけでなく、より高度なデバイスやアプリケーション向けの強力で複雑なソフトウェアを構築するための拡張性のあるフレームワークを提供します。このSDKは、Zephyr RTOSを統合し、さまざまなサンプル、アプリケーションプロトコル、プロトコルスタック、ライブラリ、ハードウェアドライバを含んでいます。

さらに、NordicはThingy:53 IoTプロトタイプ作成プラットフォームを導入し、カスタムハードウェアを必要とせずにプロトタイプや概念実証を構築することを可能にしました。Thingy:53は、NordicのフラッグシップとなるデュアルコアワイヤレスSoC nRF5340を基盤としています。そのデュアルArm Cortex-M33プロセッサの処理能力とメモリ容量により、組み込み機械学習（ML）モデルをデバイス上で直接実行することができます。

Thingy:53には、環境センサー、カラーおよび光センサー、加速度計、磁力計など、さまざまな統合センサーが装備されており、追加のハードウェアなしで使用できます。1350mAhの充電可能なLi-Poバッテリーで駆動し、USB-Cインターフェースを介して充電可能です。さらに、ハードウェアアクセサリ用としてStemma/Qwiic/Groove規格に対応した外部4ピンJSTコネクタが搭載されています。

結論

IoT技術はこれまでにない速さと規模で私たちの世界を変革しています。スマートシティの建設から環境モニタリングの応用、そしてヘルスケア分野の革命に至るまで、IoTは人類社会に無限の可能性をもたらしています。それは私たちの生活の質を向上させるだけでなく、グローバルな課題に取り組む上で重要な役割を果たしています。スマート農業技術を通じて、資源をより効率的に活用し、無駄を削減し、環境汚染を最小限に抑えることができます。インテリジェント輸送システムを通じて、渋滞を緩和し、炭素排出を削減できます。また、遠隔医療および健康モニタリングデバイスを通じて、より高品質な医療サービスを提供し、公衆衛生水準を向上させることが可能です。Nordicが提供するIoTアプリケーションソリューションは、お客様のIoT製品の開発を加速させることができるため、理解を深め、採用を検討する価値があります。