センサベースのシステムの設計および実装方法を変えるIoT

化石燃料を排除しようとする動きは、上流へと泳ぐ鮭を思わせるかもしれません。 非常に高いコストのソーラーパネル、充電コントローラおよび電池などの経済的な理由により、多くの人々は、グリッドの使用を中止することを、少なくともできる限り多くの炭素排出量を削減することを思いとどまっています。 しかし、技術はまもなく、対抗する流れとの闘いを容易にするかもしれません。 たとえば、グリッド接続インバータの使用により、ソーラーパネルは、電池、充電コントローラ、または施設の再配線を必要とせずに、エネルギーをグリッドに供給することができます。 さらに、モノのインターネット（IoT）が発展を遂げ、世界のどこからでもソーラーパネルの性能をモニタできるようになりました。

この記事では、センサ、およびセンサに依存するシステムが設計され実装される方法をIoTがいかにして変えているかを考察します。 低コストの分散型センサを展開し共有できることで、より多くの制御が実現し、これは、エネルギー効率向上のための社会的なソリューションの一部となるかもしれません。 この記事で言及されているすべての技術および部品は、DigiKeyウェブサイトでご覧いただけます。

クラウドコネクティビティ

何十年もの間、エネルギー生産者および分配業者は、状態や制御のために閉じられたシステムを有してきました。 専用ワイヤレスリンク、電話回線、または施設間ケーブルを通して、中枢部やリモートスイッチングまたは検出部は閉じられたシステムまたはネットワークでした。 プラス面では、いかなる不正変更やハッキングも、取り付けられたケーブルまたは通信リンクに物理的に入り込むか、または割り込むことで、ローカルで行われる必要がありました。

しかし、IoTやクラウドコネクティビティは、このすべてを非常に素早く変えています。 石油、液体および天然ガス精製所、保存施設、伝送システム、およびスイッチングステーションや（安全性モニタリングおよび制御機能）はすべて、クラウドタイプの環境を通して完全なコネクティビティに移行しています。 同様に、家庭内のクラウドベースシステムは、リモート制御などの利点を提供することができます。 ここで、スマートフォンまたはタブレットの使用を通して、家庭または施設の主要なシステムにアクセスすることで、センサ情報の読み取り、エネルギーの節約、占有の準備、不要な時のサービスのシャットオフを行うことができます。

最も特筆すべき例は、リモート制御サーモスタットです。 マイクロコントローラおよび通信ネットワークに接続されるシンプルな温度センサには、最も多くの電力を必要とする家庭のシステムの1つである暖房空調に費やされるエネルギーを削減する可能性があります。

より自律的な操作を作成するために設定の予測を学習アルゴリズムが試みることができる一方で、実際の利点は、どこからでも温度を制御できる時にもたらされます。 たとえば、学習された動作は、この時点のこの平日に、占有を予測して熱を50度から70度に上げることを示すかもしれません。しかし、そこにいないことを知っている場合は、シンプルなオーバーライドのコマンドは、温度を50度に設定し続け、一晩で家庭のすべてのCCFL電球よりもより多くのエネルギーを節約することができます。

設計ソリューション例

IoTスタイルのコネクティビティの最も大きな利点の1つは、機能を共有するために余剰または異なるセンサおよびシステムを接続できるということです。 たとえば、セキュリティシステムは、焦電型赤外線センサ（PIR）および/またはマイクロ波ベースの人感センサを使用して、モーションが検知される場合にアラームを始動させることができます。 一般的に、このアラームシステムは閉ループで、それ自身に孤立しています（図1）。

図1：独立したシステムは、制限された機能を提供し、多くの場合、余剰のハードウェアの付加的なコストの負担を負います。

しかし、コネクティビティの使用を通して、全く異なる主要機能を持つかもしれない他のシステムと主要なセンサを共有することができれば、性能または機能を犠牲にせずに、より高いレベルの自律性とエネルギー節約が実行できます。 2つ（以上）の独立したシステムは、センサを共有でき、余剰を排除してコストを削減することが可能です。 1例として、単一のセンサが他のシステムと機能を共有できるシステムに目を向けましょう（図2）。

図2：無関連のシステム間のコネクティビティは、どのシステムも以前達成できなかった新たな層の機能を提供します。 これは、IoT分散型センサおよび制御設計のアーキテクチャ上のアプローチを変える可能性があります。

この記事での例で、セキュリティライト向けの人感センサは、セキュリティライトの駆動と制御をもはや行いません。 代わりに、その動作はマイクロコントローラによってモニタされます。 投光照明のオン/オフリンクは、単なるオンおよびオフではもはやありません。 これらのライトは、マイクロコントローラベースの調光器によって駆動されます。

人工知能スタイルのアルゴリズム的プログラミング手法は、このソリューションの機能を一まとめにします。 より高レベルのアウェアネスの一部として、その機能は特定の事柄を「知って」います。 日中か夜間か、 環境が明るいか暗いか、 部屋が占有されているか空室かを認識します。 住宅が安全なモードかそうでないか（すなわち、アラームが装備されているか）を住宅が認識し、人々が起きているか眠っているかを住宅が認識しているという2つの他の状態が重要です。

真理値表のような問題解決のアプローチは、どんな動作を取るべきかを決定できます（図3）。 これは、日中の非効率的なエネルギーの消費を防止し、また、他の方法でエネルギーを節約します。

図3：ロジック設計問題のように、共有された分散型センサアレイのマルチ出力ソリューションは、真理値表のような機能にまとめることができます。 システムは、プログラムされたアルゴリズムの一部として日中と夜間を認識できるため、ルールベースのアサーションは、適切に動作するのに、日中または夜間に関する特定の情報を必要としないかもしれません。

セキュリティライトが150Wを消費できるからといって、それが必要であることを意味しません。 たとえば、30%の強度で動作するライトは依然として、安全性のために十分にエリアを照光することができます。 安全なモードにある場合は、60%の強度に切り替えると、検出されたことを侵入者に知らせることができます。 また、アラームシステムを、アラームレベルの高い状態にすることができ、おそらく一定期間ビデオDVRをターンオンすることが可能です。 センサデータの共有により、累積的なエネルギー節約が実現するとともに、その他のシステムの性能を強化することができます。

これは、IoTおよびクラウドコネクティビティに関して重要です。 それにより、システムはより高レベルで「思考」することができ、割り込みは、実際に対処すべきことがある場合のみに限られます。 また、このアプローチにより、居住者はより高レベルで環境とインタラクションすることができるとともに、カプセル封止の技術は全体的なエネルギー要件を低減させることができます。

興味深いことには、直感的な期待はセンサデータによって覆されるかもしれません。 たとえば、プログラムされた日中/夜間のアルゴリズムの一部として日の出と日没の時間を建物が認識しているからといって、より効率的にエネルギーを節約するのにそのデータを使用できることは意味しません。 代わりに、Avagoが提供するAPDS-9008-020などの周囲光センサは、暗さの閾値をより微細に把握し、それらが本当に必要とされるまで光の消費を回避することができます。 ROHMが提供するBD9251FV-E2などのPIRプリアンプやON Semiconductorが提供するNCS36000DRGなどのPIRコントローラチップと組み合わせると、TIのCC3200R1M1RGCRなどの実質的にすべての低コストのRFマイクロコントローラは、次世代のIoTベースのエネルギー管理センサに理想的なソリューションを提供することができます。

工場のように、家やアパートはいつの日か、ピークの需要負荷を超えないというインセンティブで動作するかもしれません。 これにより、電力を生成し分散する電力会社は、リアルタイム負荷制御の責任を顧客が担うために、より多くの予測可能なローディングを持つことができます。産業用施設、民間の建物、または家庭がある時点で、あらかじめ決められた閾値よりも多くの電力を使用する時、エネルギーレートは増加します。

リアルタイム電流消費などの主要な情報にアクセスできることで、制御は負荷を切り替えて、他のシステムと動作し、サービスまたは性能を犠牲にせずにエネルギーを節約できます。 この記事が示してきたように、設計方法、センサ、および通信技術はすべて、エンジニアにすぐに利用可能です。

この記事で扱っている部品の詳細については、このページにあるリンクを使用して、DigiKeyウェブサイトの製品ページにアクセスしてください。