PowerPoint プレゼンテーション

超低消費電力マイコン

で実現する

I

O

T とスマート農業

EPLP-AA-20-0002 2020年10月21日 成廣 充 ローパワープロダクト部 エンタープライズ・ インフラ・ソリューション事業部 IOT・インフラ事業本部 ルネサス エレクトロニクス株式会社

内容

▪ スマート農業の課題 ページ 03 ▪ 超低消費電力マイコンがもたらす価値 ページ 05 ▪ スマート農業で使用する電源について ページ 08 ▪ 超低消費電力マイコンを無線通信と組みあわすと… ページ 10 ▪ 見える化システムの紹介 ページ 13 ▪ まとめ ページ 17

スマート農業のI

O

Tシステム

AWS

LPWA

NBIoT, LoRa etc

MCU (RE01) Sensor MQTT Message

Customer Office

MQTT Server & Data processing AWS Cloud

スマート農業のI

O

T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。

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。}

* ULPMarkTM -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ULPMarkTM _{-CP（CoreProfile）スコア}

https://www.eembc.org/ulpmark/scores.php

I

O

Tへのインパクト

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 5cmX5cm, 200LUX ・温度差発電 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。

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

温度差発電

太陽電池

単三電池

（複数本)

環境発電（エナジーハーベスト、EH）

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。

Al

棒

1m

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。 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} 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 バッテリー過放電保護 _{YES NA} PMIC Protect No Quick Start Low Voltage 0.2~0.35V SOTB EHC CPU

Low Current(5uA) Quick Start

Protect Over-charge Over-discharge

Advantage

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。

時間

2次電池

電圧

充電

充電

センシング＆

無線通信

最大充電電圧

システム停止してしまう例

時間

2次電池

電圧

充電

充電

最大充電電圧

理想

最低

動作電圧

最低

動作電圧

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 *LoRa技適取得済 Block diagram Ambient Energy Harvesting (EHC) Renesas RE01 ARM Cortex-M0+ 64MHz EHC

Two types of ambient power generators for day/night power supply

PV cells Thermo-electric cells Wireless via LoRa Battery Renesas Sensor HS3001 GPIO Renesas DCDC ISL9122 Vcc control Temp./Humidity sensor Controller Low Power Operation I2C SPI

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

1日

温度

２次電池電圧

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。

Block diagram Ambient Energy Harvesting (EHC) Renesas RE01 ARM Cortex-M0+ 64MHz EHC

Two types of ambient power generators for day/night power supply

PV cells Thermo-electric cells Wireless via LTE-M Battery Renesas Sensor HS3001 GPIO Renesas DCDC ISL9122 Vcc control Temp./Humidity sensor Controller Low Power Operation I2C serial Photo

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

送信回数 /日 2 次電池電圧 [V] 今年の梅雨での動作結果の例

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

Renesas RE01 ARM Cortex-M0+ 64MHz Wireless via LTE-M Primary Battery Renesas Sensor HS3001 GPIO Renesas DCDC ISL9122 Vcc control Temp./Humidity sensor Controller Low Power Operation I2C serial ・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。

AWSを用いたセンサ情報の見える化

見える化システムの概要

自動でデータ更新。

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

Publish

データを可視化する Data set

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。

Dashboard

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。 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 クリック ■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 デバイス 設置位置 ①今日の温度 ⑤今週の温度 ⑥今週の湿度 ③１日の温度 （日付選択） ⑦１週間の温度 （日付選択） ⑧１週間の湿度 （日付選択） ②今日の湿度 ④１日の湿度 （日付選択）

モニタ用ページのプロトタイプ

■IoTデバイスのセンサデータを示すページ ①今日の温度 ①概要欄 ⑤今週の温度 ⑥今週の湿度 ③１日の温度 （日付選択） ⑦１週間の温度 （日付選択） ⑧１週間の湿度 （日付選択）

daily

weekly

site

プルダウンメニューから 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。 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。 ②位置情報 ②今日の湿度 ④１日の湿度 （日付選択）

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。

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。