エネルギーハーベスティング技術で持続可能な接続された世界を構築

モノのインターネット（IoT）は、今日における最も注目される技術革新の一つです。しかし、多くのIoTデバイスは依然としてバッテリーに依存しており、その消費は持続可能な接続された世界を構築する上で重大な課題を提起しています。バッテリーへの依存を減らすためにエネルギーハーベスティング技術を活用することが、IoTアプリケーションでの重要な方向性となっています。本記事では、IoTデバイスへのエネルギーハーベスティング技術の応用と、それに関連するSilicon Labsおよびそのパートナーによって開発されたソリューションについて紹介します。

持続可能な開発目標におけるバッテリーの課題 

今日の持続可能性を重視する世界では、企業、消費者、そして国家が、都市化の進展によって高まるエネルギー需要に対応するために努力しています。カーボンニュートラルの実現が急務となっており、廃棄物を最小限に抑え、エネルギー効率の高い利点を提供する技術的なソリューションを採用することが不可欠です。現在、IoTアプリケーションにもこの変革を受け入れる課題が求められています。    IoTと聞くと、私たちはスマートで革新的なデバイスによって支えられるシームレスに接続された世界を思い浮かべます。でも、これらのデバイスを接続状態に保つものは何でしょうか？その簡単な答えは電源、通常は従来型のバッテリーです。バッテリーはその役割を果たしていますが、重大な欠点も抱えています。    統計によると、毎年150億個以上の使用済みバッテリーが埋立地に廃棄され、その結果、土壌や地下水を汚染する約90万トンの有害廃棄物が発生しています。アメリカ国内だけでも、平均的な家庭では年間90個以上のバッテリーを購入しており、そのほとんどが10年も持たないのが現状です。2025年までには、約250億台のIoTデバイスが稼働する見込みで、毎日600万個のバッテリー交換が必要になると推計されています。    これらの数字から、従来型バッテリーの3つの大きな問題が浮き彫りになります。それは、不便で不適切な廃棄、絶え間ない交換の必要性、そしてスケーラビリティの課題です。これらの欠点は、デバイスの機能性と信頼性を損なうだけでなく、IoTアプリケーションをバッテリーフリーでエネルギーに配慮した未来に向けて進化させることを妨げています。この課題に対応し、接続が増え続ける世界がもたらす環境への脅威を軽減するために、新しい種類の接続デバイスが登場しました。それが「Ambient IoT（アンビエントIoT）」と総称されるものです。    Ambient IoTは、磁場や電場、光、熱、運動エネルギー、音など、自然に利用可能なエネルギー源を電力として使用するIoTデバイスを指します。このように周囲のエネルギーから作動電力を得る方法は、IoTデバイスにバッテリーを必要としません。    Ambient IoTのおかげで、スマートデバイスは従来のバッテリーではなく、自然由来のエネルギー源（例: 光、熱、運動）を電力および接続に利用できるようになりました。これにより、デバイスの寿命が延びるとともに、バッテリーによる環境への影響が大幅に軽減されます。 

エネルギーハーベスティング向けの革新的なワイヤレスシステムオンチップソリューション

Silicon Labsは、革新とIoT接続性のリーダーであり、業界を変え、経済を成長させ、人々の生活を向上させるワイヤレス接続デバイスを開発者が創造するための力を提供することを使命としています。Silicon Labsは、xG22シリーズのSoC（System-on-Chip）を最適化し、エネルギーハーベスティング機能を組み込みました。この新しいエネルギー最適化xG22E SoCファミリは、IoTデバイスのすべてのエネルギー保存ニーズに対応しています。    この高性能MCUは、8msのパワーオンリセット（PoR）で150マイクロジュール（µJ）しか消費せず、EM4ウェイクアップ時間は1.83ミリ秒でエネルギー消費はわずか16.6µJです。さらに、高いRFパフォーマンス、マルチプロトコル対応、2.4 GHz動作を提供します。また、複数の電源や電源管理デバイスをサポートするため、スーパーキャパシタのような新しいバッテリー技術の探索を可能にします。    たとえば、EFR32xG22Eは、超高速で低エネルギーのコールドスタート、低エネルギーディープスリープウェイクアップ、そして効率的なエネルギーモードの遷移を提供します。これにより、有害な電流スパイクを軽減し、エネルギー貯蔵セルを保護することで、市場で最も信頼性の高いワイヤレス長距離SoCの1つとなっています。    xG22E SoCの一般的な用途には、スマートホームと家電製品、ゲーム用電子機器、スマートビルディングなどがあります。たとえば、Zigbee対応のスマートホームデバイス（ドア、蛇口、スイッチなど）では、エネルギーハーベスティングジェネレーターを活用することで、バッテリー依存や交換コストを排除できます。ゲーム用電子機器では、屋内のソーラーパワー駆動のテレビリモコンやコンピュータキーボードは、エネルギー効率が良くコスト効果の高いBluetooth LE SoCが求められます。スマートビルディングでは、xG22E Zigbee Green Powerを使用したバッテリーフリーのドアノブやライトスイッチ制御のための動力パルスハーベスティングが、頻繁なバッテリー交換の必要性を減らします。他の主要な用途には、タイヤ圧力モニターセンサー、資産追跡、電子棚札（ESL）、工場オートメーション、予測保守、農業が含まれます。   

革新的で高度なエネルギー収集シールドキットソリューション 

デバイスメーカーが完全なエナジーハーベスティングソリューションを構築できるよう支援するため、Silicon Labsは、パワーマネジメント統合回路（PMIC）の業界リーダーであるe-peasと提携し、新しい省電力最適化のxG22E Explorer Kit向けに最先端のエナジーハーベスティングシールドキットを共同開発しました。    このキットには、Explorer Kit基板にぴったりとはまる3つの専用シールドが含まれており、電力漏れを防ぎ、外部測定を容易にするよう最適化されています。最初のシールドは、代替バッテリー化学やスーパーキャパシタを用いた実験が可能です。2つ目のシールドは、運動エネルギー／パルスエネルギーのハーベスティング用途に特化しており、e-peasのAEM00300を使用しています。これらのシールドは、デバッグや消費電力測定のための複数のテストポイントを提供します。3つ目のシールドにはe-peasの最新かつ最先端のPMICであるAEM13920が組み込まれており、開発者がデュアルエナジーハーベスティングソースを同時に実験することを可能にします。    このキットには、BluetoothおよびZigbee Green Powerに対応した一連の再設計されたサンプルアプリケーション、さらにPMICの構成方法やエネルギーに基づいた意思決定に最適化されたコードについての手順書が含まれています。    例えば、EFR32xG22E Explorer Kitは、EFR32xG22EのBluetooth LE IoTアプリケーション向けに、迅速なプロトタイピングやコンセプト作成が可能な超低コストかつ小型の開発・評価プラットフォームです。このキットには、USBインターフェース、オンボードのSEGGER J-Linkデバッガ、ユーザ用LEDおよびボタン、さらにmikroBusソケットとQwiicコネクタを介したハードウェア拡張ボードのサポートが含まれています。このようなハードウェア拡張サポートにより、開発者はMIKROE、SparkFun、Adafruit、Seeed Studiosなどの市販のボードをほぼ無限の組み合わせで使用してアプリケーションを作成し、プロトタイプ化することが可能です。 

低消費電力と高い伝送効率を実現するワイヤレスSoCソリューション 

Silicon LabsのxG22E SoCファミリーは、EFR32BG22Eシリーズ、EFR32FG22Eシリーズ、EFR32MG22Eシリーズなど、複数の製品ラインを含んでいます。以下にこれらの製品の主な特徴を記載します。   まず、EFR32BG22シリーズ2 Bluetooth®ワイヤレスSoCには、EFR32BG22およびEFR32BG22E Bluetooth Low Energy（LE）ワイヤレスSoCソリューションが含まれており、Wireless Geckoシリーズ2プラットフォームの一部です。これらのデバイスは、省エネルギー性能に重点を置いて設計されており、業界最高クラスの超低電力送信および受信機能を提供します。高性能かつ低消費電力のArm® Cortex®-M33コアにより、業界をリードするエネルギー効率を実現し、コイン型電池の寿命を最大10年延ばします。BG22は省エネルギーアプリケーションを可能にする一方で、BG22E（「E」はEnergy Conservation＝エネルギー節約を意味）がさらにバッテリー寿命を延ばし、バッテリーを完全に排除できる設計をサポートします。Silicon LabsのBG22およびBG22Eシリーズは、Ambient IoTやエネルギーハーベスティングデバイス向けの市場をリードする理想的なSoCです。対象アプリケーションには、Bluetoothメッシュ低消費電力ノード、スマートドアロック、パーソナルヘルスケアおよびフィットネスデバイスが含まれます。また、資産追跡タグ、ビーコン、屋内ナビゲーションは、Bluetoothの到着角度（AOA）および出発角度（AOD）機能による多用途性を活用し、1メートル未満の位置精度を実現します。   次に、EFR32FG22シリーズ2 Proprietary Wireless 2.4 GHz SoCには、EFR32FG22およびEFR32FG22Eが含まれており、こちらもWireless Geckoシリーズ2プラットフォームの一部です。FG22 SoCはTrustZoneを備えた38.4 MHzのArm® Cortex®-M33コアおよび受信感度-102.3 dBmの高性能な無線技術を統合しています。FG22は省エネルギーアプリケーションを可能にする一方で、FG22E（「E」はEnergy Conservation＝エネルギー節約を意味）がバッテリー寿命を延ばし、バッテリーを使用しない設計をサポートします。このSoCは、超低電力送信および受信機能（+6 dBmで8.2 mA TX、3.6 mA RX）、1.2 µAの深睡眠モード、RFSenseなどの革新的な低電力機能を組み合わせて、業界をリードする省エネルギー性能を提供します。電子棚ラベルや産業用無線センサーノードなど、バッテリーやエネルギーハーベスティングオプションが限られている製品の運用寿命を延ばします。   最後に、EFR32MG22シリーズ2 Zigbee SoCには、EFR32MG22およびEFR32MG22Eが含まれ、こちらもWireless Geckoシリーズ2プラットフォームの一部です。MG22シリーズは最適化されたZigbee SoCソリューションを提供しており、高性能かつ低消費電力の76.8 MHz Arm® Cortex®-M33コア（TrustZone付き）を組み込んでいます。MG22は省エネルギーアプリケーションを可能にする一方で、MG22E（「E」はEnergy Conservation＝エネルギー節約を意味）がバッテリー寿命を延ばし、バッテリーを使用しない設計をサポートします。MG22 SoCは超低電力送信および受信機能（+6 dBmで8.2 mA TX、3.9 mA RX）、1.4 µAの深睡眠モード、低消費電力周辺機器を組み合わせ、Zigbeeプロトコルアプリケーション（Green Powerを含む）向けの業界をリードする省エネルギーソリューションを提供します。IoTアプリケーションには、スマートホームセンサー、照明制御、建物および産業のオートメーションが含まれます。

結論 

より賢く、より接続された未来に向かって進む中で、エネルギーハーベスティング技術が重要な役割を果たしています。光、熱、振動、RFといった広く存在する周辺エネルギーを電力に変換することで、従来の電力源への依存を削減し、デバイスの寿命を延ばし、バッテリー廃棄物を最小化し、真の低炭素持続可能性を達成することが可能になります。IoTデバイスの急速な拡大とともに、エネルギーハーベスティングはこれらのデバイスの長期的で安定した運用における重要な基盤となるでしょう。Silicon Labsが導入するエネルギーハーベスティングSoCソリューションは、より環境に優しく、効率的で強靭な接続された世界を構築するための不可欠なコンポーネントとなります。