超低消費電力センサーソリューションがスマートビルディングを実現する方法

現在、モノのインターネット（IoT）のインフラストラクチャはすでに非常に完成しており、その適用範囲はサーバーやデータセンターに限定されず、家庭、オフィス、工場などでも広く使用されています。

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IoT の最も外側にはセンサーがあり、データを収集してクラウド サービスに中継したり、ローカルで処理したりします。センサーは建物の知能化に欠かせない要素です。センサーは人間の制御なしに環境を監視および制御できるため、並外れた利便性と経済性をもたらします。このようにして、最後の人が部屋を出るときに、スマートビルは照明を消すことを忘れません。

センサーは、占有検知や温度測定による暖房や照明の制御といった比較的単純な制御システムのプロトタイプから、成熟した技術へと進化してきました。ユーザーにとって、建物はよりインテリジェントになってきていますが、その理由は実際にはシステムのインテリジェンス レベルの向上にあります。

人工知能 (AI) の使用により、最終的には人間がスマートビルの運用スケジュールを計画する必要がなくなります。広いエリア全体の占有状況を検出する単純なセンサーは、個人を認識し、よりパーソナライズされた制御を提供できる、より高度な画像センサーに置き換えられます。モーション検出器は、個人の顔、身振り、さらには感情まで認識できる画像システムへの道を開くでしょう。スマートスピーカーや仮想アシスタントによって実現されるオーディオ制御も、それらの急速な普及に大きく貢献しています。

建物がよりインテリジェントになるにつれて、アクセス制御やその他のセキュリティ機能など、よりパーソナライズされたエクスペリエンスをユーザーに提供するための機能が拡張されます。これは、エネルギーを節約するために部屋に人がいないときに照明を消すという単純なことだけではなく、許可された人だけが部屋に入ることを制限したり、個人のネットワーク アクセスに対して危険なエリアを自動的にクリアしたり、屋内のネットワーク セキュリティを確保したり、さらにはアイテムの検索を手助けしたりすることも含まれます。

スマートビルディングはスマートな省エネをもたらす

照明と暖房は現在の総エネルギー消費量の 40% を占めています。占有検知機能を使用し、周囲の光量の低さに基づいて照明レベルを調整することは、今日のインターネット時代では時代遅れです。コネクテッド照明の導入は、現在 IoT の開発をサポートし推進しているテクノロジーによって、より有利になり、完全に実現可能になります。

コミュニケーションは重要な要素です。ワイヤレス メッシュ ネットワークにより、スマート照明アクセサリの接続性と信頼性が簡素化されます。 Power over Ethernet (PoE) 技術が成熟し、LED 技術によってエネルギーを大幅に節約できるようになると、設置に専門の電気技師を雇う必要がなくなります。1 本の低電圧イーサネット ケーブルを使用して、照明機器に電力を供給し、接続することができます。

最近ではランプの接続端子として使われることが多くなっています。これらはスマートビルディング ネットワークの不可欠な部分を形成します。たとえば、各照明器具は屋内ナビゲーション用のビーコンとして効果的に機能します。また、占有検出、資産追跡、環境監視など、ランプに他の機能を追加することも容易になります。これらすべての機能は、単一の接続デバイスに統合された複数のセンサーによって実現できます。

このような技術の開発により、建物は居住者にさらなる利便性を提供できるようになりますが、最終的にはよりスマートな方法でエネルギーを節約することが最大のメリットとなります。

よりスマートな建物を建設する

スマート ビルディング システムのトポロジは、図 1 に示すように、センサーとアクチュエータによって異なります。

図1: スマートビルディングシステムのトポロジーの例

システムの中心にあるマイクロコントローラまたはデジタル信号プロセッサ (DSP) は、利用可能な多数のセンサーとアクチュエータを調整する役割を担います。これには、照明のオン/オフを切り替える電気機械式リレーまたはソリッドステートリレーに加えて、占有検出、環境監視、アクセス制御用のセンサーが含まれます。また、既存のアクチュエータには、ドアや窓を開閉するためのブラシ付きまたはブラシレスの直流 (DC) モーターが含まれる場合があります。可変照明レベルは、MCU/DSP が適切に実行できるパルス幅変調 (PWM) などの何らかの形式の電力変調を使用して実現できます。接続は有線と無線の組み合わせになるため、可能なプロトコルの数が増えます。これらのプロトコルの中には、インターネットで使用されるものと同じプロトコルをサポートし、直接アクセスできるものもありますが、ゲートウェイを必要とするものもあります。

超低電力システムも視野に入ってきました。 MCU、センサー、アクチュエータはすべて、光や熱などの環境から収集したエネルギーによって電力を供給され、仮想的な自立制御システムの可能性を生み出すと考えられます。

スマート ビルディング インフラストラクチャ用の通信ネットワークを開発する場合、範囲、電力、遅延という 3 つの重要な要素を考慮する必要があります。各要素の重みは実際のアプリケーションによって異なります。たとえば、暗い部屋に入ってから照明が点灯するまでの待ち時間の違いは、居住者には非常に顕著に表れます。このシナリオでは、低レイテンシが非常に重要です。

通常、ローカル処理では、ローカルの決定をクラウド処理リソースのみに依存して行う場合よりもレイテンシが低くなります。センサーが誰かが部屋に入ったことを自動的に判断し、照明を明るくすることができれば、ユーザーエクスペリエンスを全体的に向上させることができます。

図2: スマートビルディング通信インフラを開発する際に考慮すべき主な要素

図 2 は、これらの要因が有線/無線テクノロジの選択にどのように影響するかを示しています。シンプルでありながら堅牢なメッシュ ネットワーク (図 3) を実装することで、ランプやファンなどの接続されたデバイスの小規模なネットワークを構築できます。メッシュ ネットワークは、単一のノードの範囲をはるかに超えてネットワークを拡張する方法を提供するだけでなく、ネットワークに冗長性を構築し、接続されたノードの任意の組み合わせを介してネットワークを介してメッセージを渡すことを可能にします。つまり、ローカル干渉のために照明器具が道路標識としてメッセージを配信できない場合、ネットワークが自動的にルートを変更します。そのため、現在ではほとんどの無線プロトコルがメッシュ ネットワークを採用しています。

図3: メッシュネットワークはネットワークを拡張し、ルーティングの冗長性を提供します

マルチセンサープラットフォームがさらに

テクノロジーが進歩するにつれて、複数のセンサーを単一のプラットフォームに統合することがますます可能になり、特に主要な価値がその主要な機能によって定義される場合、接続された資産の価値がさらに高まります。ランプを例に挙げてみましょう。その主な機能は照明を提供することですが、大量のデータを取得するための理想的なセンサー ノードでもあります。

複数のセンサーを 1 つのデバイスに統合することで、その価値を大幅に高めることができます。一見普通の照明器具が、スマートビルディング インフラストラクチャの重要な部分になることがあります。センサーは小型で消費電力が非常に低いため、小型フォームファクターの PCB に複数のセンサーを簡単に搭載して、占有状況、温度、湿度、空気の質などを監視することができます。 RSL10 Bluetooth Low Energy 無線などの超低電力通信デバイスを使用することで、このマルチセンサー プラットフォームは 1 つのコイン型電池で何年も動作できます (図 4)。

図4: RSL10 システムインパッケージ (RSL10 SIP) によって実現されるマルチセンサープラットフォームの例

さらに、バッテリーを完全に排除し、環境から収集したエネルギーを使用して、複数のセンサーに接続されたプラットフォームに電力を供給することも可能になりました (図 5)。

図5: エネルギーハーベスティング技術は、スマートセンサーやアクチュエーターの主要なエネルギー源として利用できるようになりました。

したがって、スマートセンサーは建物内のほぼどこにでも設置できます。たとえば、比較的小型で目立たない太陽電池を使用して、人工照明から十分なエネルギーを収集し、マルチセンサー プラットフォームに電力を供給し、定期的にゲートウェイにデータを送信することができます。

要約する

高いエネルギー効率は、スマートビルの継続的な発展の基盤となります。高いエネルギー効率という目標を達成するには、建物のエネルギー効率を高めてエネルギー消費量を削減し、先進技術を用いた低消費電力ソリューションを提供する必要があります。

センサーの使用からクラウド サービスへのアクセスまで、テクノロジー スタック全体でエネルギー節約が重要になります。配備されるセンサーの数が増えると、建物のユーティリティ アプリケーションに対する制御の粒度も高まり、エネルギー効率のサイクルが促進されます。しかし、センサー、プロセッサ、接続技術のエネルギー効率に大きく依存します。今後、その数が増えていくと、エネルギー源に頼らずに自己発電を実現するエネルギーハーベスティング技術の利用が必須の技術になるかもしれません。