PowerPoint プレゼンテーション

スマート農業の IOT システム AWS Cloud MQTT Message MQTT Server & Data processing AWS LPWA NBIoT, LoRa etc Customer Office MCU (RE01) Sensor Power source Smart Phone 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 3

スマート農業の IOT システムの課題 ~ 弊社が接したお客様の声 ~ Battery Maintenance-less:10 年以上の連続動作をお願いしたい設置を容易にしたい ( 工事をなくしたい任意の場所に設置したい ) 新規に基地局を設けるのは大変なのでセルラー網 (LTE-M(Cat.M1), NB-IoT) を使いたいデータ送信間隔を自由に選びたいセンシングするデータは地中 ( 温度水分量 PH) 大気中( 温度湿度 ) が主であるがセンサを自由に選びたい測定結果をクラウドで見たい本日の講演ではこのような課題に対して低消費電力マイコンがどのような解決方法を与えるか超低消費電力マイコンを用いたシステムの現在の実力は? という観点からお話させていただきたいと思います 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 4

超低消費電力マイコン RE シリーズ世界最高クラスのエネルギー効率 RE01 は ULPMark TM -CP(CoreProfile) で WW トップレベルのスコア 705 の認証を取得 * ULPMark TM -CP : 消費エネルギーの低さを競うベンチマーク一秒に一回スタンバイより復帰し処理を実行するケースの消費エネルギー EEMBC(Embedded Microprocessor Benchmark Consortium) の ULPMark TM -CP(CoreProfile) スコア https://www.eembc.org/ulpmark/scores.php *ULPMark is a trademark and EEMBC is a registered trademark of the Embedded Microprocessor Benchmark Consortium. 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 5

無線通信システムでの電力無線の電力が大きくても間欠動作するマイコンの消費電力は大事です! 10 年動作想定時の電力の例単 3 電池 2 本太陽電池温度差発電 5cmX5cm, 200LUX ΔT=3 センシング & 無線送信間隔が長くなるとマイコンの電力が効いてきます消費電力の大きなマイコンの場合システム動作に必要なエネルギーの曲線の立ち上がりが早くなり間欠動作が可能な領域に入らないこともあります 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 7

Al 棒 1m スマート農業で想定する電源バッテリーメンテナンスフリーにむけて環境発電 ( エナジーハーベスト EH) 単三電池 ( 複数本 ) 太陽電池温度差発電 EH を利用する場合弊社では両者を併用し発電量が安定しない環境発電の状況下でもより安定に運用することを目指しています 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 8

EH のセットアップ EHC(ENERGY HARVEST CONTROLLER) 内蔵で PM(POWER MANAGEMENT) IC は不要です太陽電池を利用する場合太陽電池をマイコンに接続するだけです温度差発電を利用する場合は DCDC コンバータを用います RE01 グループのエナジーハーベスト回路は超低電流で素早い起動が可能です RE01 グループ EH 回路 vs エナジーハーベスト PMIC エナジーハーベスト制御回路 RE01 グループエナジーハーベスト PMIC 低電流起動 5uA 30~100uA Advantage Low Current(5uA) Protect Over-charge Over-discharge SOTB EHC CPU Quick Start キャパシタ充電によるクイック起動 YES Few products support バッテリー過充電保護 YES YES Low Voltage 0.2~0.35V PMIC No Quick Start バッテリー過放電保護 YES NA Protect Over-charge MCU 低電圧起動 2.6V 0.2~0.35V 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 9

EH 利用イメージセンシング & 無線通信で使う電力と EH で発電する電力とのバランスが大事大きな太陽電池をつける場合を除いて EH で供給できる電力は限られています 2 次電池の電圧が大きくさがらないようにセンシング & 無線通信で使った分だけ EH で補填するイメージです 2 次電池電圧最大充電電圧センシング & 無線通信 2 次電池電圧最大充電電圧最低動作電圧充電充電最低動作電圧充電充電システム停止してしまう例時間理想時間 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 10

EH で LORA を動かす 1 か月間 2 次電池の電圧が一定でほぼ 10 分間隔のセンシング & 無線送信を達成 Photo Block diagram *LoRa 技適取得済 Two types of ambient power generators for day/night power supply PV cells Ambient Energy Harvesting (EHC) Thermoelectric cells Battery EHC Controller Renesas RE01 ARM Cortex-M0+ 64MHz SPI I2C GPIO Wireless via LoRa Temp./Humidity sensor Renesas Sensor HS3001 Vcc control Renesas DCDC ISL9122 Low Power Operation フィールドテスト電源 : 温度差発電センサ : 温湿度センサ試験期間 : 1000 時間 2 次電池電圧温度 1 日 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 11

送信回数 / 日 2 次電池電圧 [V] EH で LTE-M(CAT.M1) を動かす梅雨の時期でもセンシング & 無線送信動作が可能です Photo Block diagram Two types of ambient power generators for day/night power supply PV cells Ambient Energy Harvesting (EHC) Thermoelectric cells Battery EHC Controller Renesas RE01 ARM Cortex-M0+ 64MHz serial I2C GPIO Wireless via LTE-M Temp./Humidity sensor Renesas Sensor HS3001 Vcc control Renesas DCDC ISL9122 Low Power Operation フィールドテスト電源 : 太陽光発電 ( 約 5cm の太陽電池 )& 温度差発電センサ : 温湿度センサ今年の梅雨での動作結果の例 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 12

乾電池で LTE-M(CAT.M1) を動かす電池交換なしでの 10 年動作を目指して Photo Block diagram Primary Battery Controller Renesas RE01 ARM Cortex-M0+ 64MHz serial I2C GPIO Wireless via LTE-M Temp./Humidity sensor Renesas Sensor HS3001 Vcc control Renesas DCDC ISL9122 Low Power Operation 電池交換なしでの 10 年動作を実現するには後述する対策を実施するかさらなる低電力化が必要です 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 13

見える化システムの概要自動でデータ更新 AWS 製ツールを用いてデバイスから送信されるデータを自動で保存可視化するフローを作成しました受信したデータは自動で保存される仕様ですがデータ可視化への反映はある時間間隔で行われます現在は最短の 1 時間毎に自動更新する設定にしていますデバイスをインターネットに接続するデータを保存し分析用に準備するデータを可視化する AWS lot Core AWS lot Analytics Amazon QuickSight Publish Data set Dashboard 受信次第自動保存 1 時間毎に自動更新 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 15

モニタ用ページのプロトタイプデータ可視化ツール QuickSight で Dashboard と呼ばれるモニタ用ページを作成しました ( 右図 ) 1 時間毎に更新し新しく受信したデータはページ内のグラフに追加されていきます IoT デバイスのセンサデータを示すページ 1 概要欄 2 位置情報 1 今日の温度 2 今日の湿度 31 日の温度 ( 日付選択 ) 41 日の湿度 ( 日付選択 ) 各デバイスの設置位置を示す地図ページも作成しました ( 下図 ) 地図上の赤い点がデバイス位置を示しており点をクリックするとそのデバイスのデータを表示するページに飛ぶことができます IoT デバイスの位置情報を示す地図ページ 5 今週の温度 71 週間の温度 ( 日付選択 ) デバイス設置位置クリック 6 今週の湿度 81 週間の湿度 ( 日付選択 ) 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 16

モニタ用ページのプロトタイプ右図 1~2 のグラフは今日送信されたデータを 5~6 は今日を含む今週送信されたデータを表示します世界標準時間の今日今週であり日本は AM 9:00 に日付が切り替わります IoT デバイスのセンサデータを示すページ 1 概要欄 2 位置情報 1 今日の温度 2 今日の湿度 31 日の温度 ( 日付選択 ) 41 日の湿度 ( 日付選択 ) 画面右側に並んだグラフは画面上部で設定した日付のデータを表示します 3~4: daily で選択した日付のデータを表示 7~8: weekly で選択した日の週のデータを表示画面上部の site で表示対象のデバイスを変更できます daily weekly site プルダウンメニューからクリックして選択 5 今週の温度 6 今週の湿度 71 週間の温度 ( 日付選択 ) 81 週間の湿度 ( 日付選択 ) 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 17

小さな電力で安定にシステムを運用するために無線送信間隔 >> センシング間隔 LTE-M (Cat.M1) の電力増大は単位時間当たりの通信電力に加え基地局接続及びクラウド接続に長時間 (~5s) かかることによりますセンスデータの転送時間 (~1ms) はこれらに比べ圧倒的に短いです従って省電力化のためにはセンシング & 無線送信というオペレーションではなくマルチセンシング & 無線送信という動作方法が有効です例えば 1 時間に一回センシングするとすると 12 回分のセンシングデータを12 時間に1 回送信することにより圧倒的な省電力化が図れますただし異常時だけは瞬時に無線送信を行いメール等でユーザに直ちに通知することが必要です 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 18

まとめ超低消費電力マイコンはスマート農業の実現性を高めます超低消費電力マイコンを使うと Loraではバッテリメンテナンスフリーが可能です LTE-M (Cat.M1) ではセンシング回数と無線送信回数を用途にあわせて考慮する必要があります AWSクラウドは取得したデータを自動で見える化してスマート農業に対する心理的な障壁をさげますさらに超低消費電力マイコンと協調してより良いシステムをつくることが可能です 2020 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. Page 19