Ambient IoT – 持続可能な IoT の未来
企業がより環境に優しく、よりエコロジーに配慮した製品とデバイスのエコシステムの創造に努める中、IoT の世界は絶えずこの変化を受け入れるために適応しています。ロックやセンサーなどのスマートホームデバイスから、工場で監視する機器や機械センサーなどの産業用デバイスまで、バッテリーレスの低消費電力のソリューションは、持続可能な IoT の未来に革命と改革をもたらしています。
バッテリーの問題
IoTは、相互接続された世界を創造することです。そこでは、革新的でインテリジェントなデバイスが互いにシームレスに相互に作用し、私たちが日常生活でテクノロジーを体験する方法を変革します。
しかし、このレベルの相互接続を達成するためには、すべてのデバイスに電力を供給する必要があります。この電力には多くの供給源がありますが、IoT デバイスの最も一般的で最も簡単な電源は従来のバッテリーです。
何が問題なのでしょうか？従来のバッテリーが最も簡単な答えだとしたら、消費者やデバイスメーカーがバッテリーのない未来を突然目指し始めたのはなぜでしょうか?
では、その真相に迫ってみましょう。
まず、バッテリーは環境に対する脅威であることです。廃棄が不便であるだけでなく、不適切な廃棄やリサイクルの慣行が生態系に重大な損害をもたらします。毎年、150億個以上の使用済みバッテリーが埋立地に運ばれています。バッテリーには鉛や水銀などの酸性金属や有毒金属が含まれており、環境への土壌や地下水を汚染する約900,000トンもの有害廃棄物の放出につながります。
次に、バッテリーの寿命は限られていることです。このため、バッテリーは継続的な交換や再充電が必要です。デバイスのタイプ、消費電力、バッテリーの交換や再充電の頻度に応じて、コストと時間がかかる場合もあります。これらはすべて、デバイスのメンテナンスコストに加算されます。
第三に、ネットワーク内のコネクテッドデバイスの数は急速に増加すると予想されるため、バッテリーの数も増加します。バッテリーに依存する IoT 接続のメリットという概念は、その採用とスケーラビリティを脅かしています。
Ambient IoT - コネクテッドデバイスの新たなクラス
バッテリーがスマート・コネクテッドデバイスにもたらす課題や欠点に対処するため、IoT のパイオニアは、エネルギーを意識したバッテリーレスのコネクテッド・デバイスという新しい未来へと進んでいます。バAmbient IoT と総称されるこの IoT の領域は、環境や機能に影響を与えることなく、シームレスな接続を実現することを目指しています。
Ambient IoT とは？
Ambient IoT とは、磁場や電界、光、熱、運動エネルギー、振動などの自然の中で利用可能なエネルギー源を回収して電力を供給する接続された IoT デバイスのクラスを指します。Ambient エネルギー源とも呼ばれるこれらの電源は、バッテリーへの依存を減らし、潜在的にバッテリーの必要性を置き換えることができ、柔軟なフォームファクターを持つ製品に BOM コストを削減し、製品寿命を大幅に延ばすことができます。
ここで重要なのはハーベスティングです。Ambient IoT とエネルギーハーベスティングは、異なりますが、関連する概念です。エネルギーハーベスティングとは、太陽光発電、RF波、物理振動など、さまざまな周囲からのエネルギー源を利用、変換、貯蔵するプロセスを指します。
Ambient IoT は、エネルギーハーベスティング技術を活用して、短距離のワイヤレス接続に依存するアプリケーションを対象としたデバイスの新時代を推進します。これらのアプリケーションには、スイッチやロック、スマートビル、資産追跡、スマート・メータリング、ファクトリーオートメーションなどのスマートホームデバイスが含まれます。
しかし、Ambient IoT のアプリケーションへに進む前に、エネルギー効率の高いソリューションが IoT に不可欠であるだけでなく、ゲームチェンジャーになる可能性がある理由を詳しく見てみましょう。
設計者はなぜ Ambient IoT 設計を採用すべきなのか？
Ambient IoT により、当社の人気のスマートデバイスは、従来のバッテリーに依存するのではなく、自然エネルギー源で電力を引き出し、接続性を維持できるようになりました。これらのエネルギー源（光、熱、動作など）は、デバイスの寿命を延ばし、バッテリーが環境に与える影響を著しく低減させます。しかし、このような電源に依存することが、従来のバッテリーに依存することよりどのように優れているのでしょうか？再生可能エネルギーによるデバイスの電力供給が突然変化しているのはなぜですか？これにはさまざまな理由があります：
お客様にとってより環境に優しい未来を実現する
バッテリーに依存しない、またはスマートデバイスが消費する量を減らすことは、より健全なエコシステムに貢献します。前述したように、不適切なバッテリーのリサイクルまたは廃棄は、鉛、カドミウム、水銀、リチウムなどの有毒金属を放出して環境を汚染します。
スケーラビリティの向上
IoTソリューションは、そのネットワークの規模と採用の規模によってのみ強力なものとなります。より高密度でより信頼性の高いネットワークを持つことが、デバイス間の通信の範囲と周波数を増大させ得る可能性があります。例えば、資産追跡では、トレーサビリティを向上させ、貴重品を失うリスクを減らすために、近くのゲートウェイとの通信が重要です。もう1つの例は、スマートビルと、より多くのセンサーを導入した場合のエネルギー定格の改善です。これらのセンサーにそれぞれバッテリーのコストと交換が必要な場合、大規模なメリットは減少します。バッテリーレスのノードをネットワークに統合することで、この問題を軽減できます。さらに、バッテリー交換の絶え間ないニーズは需要を増加させ、供給がこの需要の増加に対応できない場合、スケーラビリティの問題を引き起こします。
長期的なコスト削減に役立つ
デバイスの電源を従来のバッテリーに依存しないと、BoM) のコストにかなりの影響を与える可能性があります。一方で、バッテリーを絶えず交換する必要性を排除することによって、このコストを削減することができます。一方、統合電力管理システムのようなエネルギーハーベスティング・コンポーネントは、従来のバッテリーよりも設置コストが高くなる可能性があるため、BoM コストも上昇する可能性があります。しかし、メンテナンスの短縮とバッテリーレスデバイスの寿命の延長による長期的なコスト削減は、多くの場合、これらのデバイスの開発コストの初期増加を上回っています。
さらに、従来のバッテリーは定期的に交換または再充電する必要があります。このメンテナンスは時間がかかるだけでなく、スマートデバイスの所有とメンテナンスに関連する全体的なコストも増加します。さらに米国だけで、平均的な世帯は毎年 90 個以上のバッテリーを購入しており、そのほとんどは寿命が10年もありません。
イノベーションを育む
バッテリーレスのアーキテクチャは、従来のバッテリー用に以前予約されていたソケットの必要性を排除することで、よりコンパクトなデバイスを可能にします。これは、サイズと重量が重要な考慮事項であるウェアラブルや埋め込み医療機器などのデバイスにとって特に有益です。また、このバッテリーレスの設計は、バッテリーの劣化や故障に伴うリスクを排除し、より耐久性の高いデバイスの作成にも役立ちます。さらに、保存されたハードウェアスペースを使用して周辺装置を追加し、ボードの物理的設計と技術的機能の革新を推進することもできます。バッテリーレスデバイスへのこのプッシュは、IoT における環境に優しく持続可能なイノベーションの開発の触媒としても役立ちます。
新しいユースケースを紐解く
イノベーションを促進することで、Ambient IoT は、バッテリーに依存するアーキテクチャでは実装が困難だった新しいユースケースを解き放つこともできます。例えば、スマート農業では、温室に設置された作物管理のアプリケーションは、設置後に交換するのが非常に困難です。これには現場全体にセンサーを設置する必要があり、これらのセンサーのバッテリーを交換するには、時間や労力、コストがかかります。これらのシステムに電力を供給するための配線という考え方は、アプリケーションの過酷な条件により破損しやすいため、さらに非現実的です。温室での豊富な太陽光発電や機械で発生する膨大な振動を利用して、これらのセンサーに簡単に電力を供給することができます。
Ambient IoT にはこのような大きな利点がある一方で、スマートデバイスの電力を自然エネルギーに依存することには課題もあります。Ambient IoT の電源は、従来のバッテリーに比べて限られた電力しか生成できません。これにより、低から中程度の電力を消費するスマートデバイスに適しています。さらに、Ambient IoT は、ビーコン、短時間の定期通知、またはゲートウェイへの断続的な接続などの特定の機能のために設計され、データ・ログ・ステータスの再構成可能性が低いデバイスに最適です。これは、エネルギー効率の高い方法による電力供給が限られていることも理由です。しかし、これらのタイプのデバイスは、エネルギーを意識し、エネルギー認識に基づく決定を動的に行う能力を持っています。例えば、利用可能なエネルギーに基づいて、IoT 無線は、そのペイロードと間隔を短縮し、代わりに、より多くのエネルギーを再生している間、より深いスリープモードに長く留まることを選択することができます。
Ambient IoT アプリケーション
Ambient IoT により、開発者は消費電力を最小限に抑え、デバイスの寿命を改善し、従来のバッテリーへのデバイスの依存を減らす、エネルギーに優しいプラットフォームを使用してデバイスを構築できるようになりました。現在の IoT アプリケーションの多くは、Ambient ソリューションや電力最適化ソリューションに切り替える可能性があります。
- スマートビル: Zigbee Green Power を使用した、動パルス収集バッテリーなしのドアノブとライト・スイッチ・コントロールは、リフォームの必要なくスイッチを異なるスペースに移動させることで、バッテリーを常時交換する必要性を減らし、オフィスビルをよりインテリジェントにすることができます。
- 資産トラッキング: 倉庫の在庫の追跡と管理は困難ですが、アセットタグやその他の追跡システムにより、非常に簡単に行えます。しかし、バッテリーは頻繁に交換する必要があります。Ambient IoT は、バッテリーへの依存を減らす、または手動バーコードスキャンを大幅に改善するバッテリーレスタグ設計の採用を可能にするバッテリー最適化ソリューションを提供します。
- 農業: センサーは、温室効果ガスや車両の状態の監視とマッピング、温度、湿度、その他の環境要因に関するリアルタイムの情報の取得、家畜や納屋の健康状態の監視などに利用されます。バッテリーレスソリューションでは、農業を自動化するセンサーのバッテリーを常時交換する必要がなくなるため、スマート農業の実装が容易になります。
- スマートホームと家電: ドアロック、蛇口、スイッチなどのスマートホーム家電は、住居を自動化し、よりスマートでより接続された家庭を構築するのに役立ちます。この使用事例では、エネルギーハーベスティングの設計を使用することで、バッテリー依存関係やそれに関連する交換コストを排除できます。パワーハーベスティング・ジェネレーター
- ゲーム用電子機器: 屋内ソーラーやRF駆動型テレビのリモコンやコンピュータキーボードには、エネルギー効率とコスト効率に優れた Bluetooth ソリューションが必要です。
その他、タイヤ圧力モニターセンサー（TPMS）、ESL、ファクトリーオートメーション、振動と熱のエネルギーハーベスティングを使用した予知保全機械モニタリングなどの主要なアプリケーションがあります。
Silicon Labs と Ambient IoT
スマートデバイスのより接続されたインテリジェントな未来に進出する中で、IoT のリーダーがこの変化に遅れを取らないようにすることが重要です。専門家や企業は、時間とリソースを Ambient IoT やその他のエネルギー効率の高いソリューションに投資し、ESG目標を達成するために常に先手を打つことが不可欠です。これは、IoT のより持続可能な未来をナビゲートし、技術の進歩と環境の持続可能性のバランスを取るのに役立ちます。
Silicon Labs では、世界中の業界を変革するワイヤレスコネクテッドデバイスを実現することを使命としています。ますますデジタル化する世界でシームレスな相互接続を実現することは、私たちの最優先事項です。IoT の未来が生態学的に責任を持つことを保証するために、SoC（BG22ESoC、MG22ESoC、FG22ESoC）の xG22 ラインを最適化し、エネルギーハーベスティングをサポートする機能を追加しました。
デュアル Cortex-M33 および Cortex M0+ 無線コアを備えた xG22E は、これまでで最もエネルギーに優しい SoC です。これは、バッテリー最適化のエネルギー効率の高いプラットフォームで機能する低消費電力、高性能のスマートデバイスの構築を検討している開発者にとって理想的な選択肢です。これは、超高速、低エネルギーのコールドスタート、低エネルギーのディープスリープウェイクアップ、および有害な電流スパイクを軽減し、ストレージセルへの損傷を防止する効率的なエネルギーモード遷移を提供するソリューションを実装したいデバイスメーカーにとって理想的な選択肢です。
無線基板と xG22E エクスプローラーキットに加えて、当社は、エクスプローラーキット・シールドを開発するために、PMIC の業界をリードするプロバイダーである e-peas です。このキットは、エクスプローラーキットと、エクスプローラーキットボードにフィットする 3 シールドで構成されています。第1のシールドは、代替の電池化学およびスーパーキャパシタの実験を可能にし、第2のシールドは、運動/パルスハーベスト用途専用です。そして第3のシールドは、開発者が、2つのハーベスト源を同時に実験することを可能にします。
