スマートエネルギーとユーティリティのための安全で堅牢なワイヤレスコネクティビティの導入方法
著者 Jeff Shepard(ジェフ・シェパード) 氏
DigiKeyの北米担当編集者 提供
2023-03-29
マルツ掲載日：2023-07-17
ローカルネットワークやクラウドコネクティビティを含むワイヤレス通信は、エネルギーメーター、重要インフラ、グリーンエネルギーシステム、電気自動車、電力送電網の近代化、スマートグリッド、スマートシティなど、さまざまなスマートエネルギーやユーティリティシステムにおいて不可欠な要素となっています。
これらのアプリケーションは、エッジコネクティビティを伴うことが多く、IEEE802.15.4、Zigbee、Bluetooth、その他のプロトコルでサポート可能な、低レイテンシで予測可能で安全な通信が必要になります。場合によっては、IEEE802.11g/n規格のような低消費電力で高スループットのワイヤレスプロトコルを利用することで、屋外約300メートル以内で高データレートのネットワークアクセスを実現することができます。
また、これらのワイヤレスデバイスは、米国のFCC(連邦通信委員会)規格、ETSI(欧州電気通信標準化機構)規格、欧州のEN300 328とEN62368-1、カナダのISED(イノベーション・科学経済開発省)、日本の総務省などの要求事項を満たす必要があります。
ワイヤレスコネクティビティの設計や認証の取得には時間がかかるため、コストの増加や市場投入までの時間の延長につながる可能性があります。その代わりに、スマートエネルギーやユーティリティデバイスに簡単に組み込むことができる、設計済みで認証済みのワイヤレス通信モジュールと開発プラットフォームを利用することができます。
本記事では、まずローカルネットワークとクラウドコネクティビティのためのいくつかの通信オプションとアーキテクチャについて、有線と無線のネットワークオプションを含めて説明します。そして、スマートエネルギーやユーティリティ向けの安全で堅牢なワイヤレスコネクティビティを展開するためのDigi、Silicon Labs、 Laird Connectivity、Infineon、STMicroelectronicsの複数のワイヤレスプラットフォーム(設計プロセスを加速する開発環境など)を紹介します。
大きなチャンスとチャレンジ
大きなチャレンジには、大きなチャンスが伴うことが多いです。スマートシティのインフラにスマートエネルギーやユーティリティを導入する場合、確かにそのようなことがいえるかもしれません。まず、既存の老朽化したインフラを効果的に統合する必要があります。そして、地理的に分散し、効率的で堅牢な技術的に異質なネットワークを展開する必要があります。最後に、これらのネットワークは、スマートカーやコネクテッドカーの出現など、将来の技術開発に対応できる柔軟性を備えていることが期待されます。
たとえば、高度自動交通管理システムは、安全性を高め、エネルギー消費を改善し、自動車やバスなどの環境への影響を低減することができます。この場合、集中管理された交通管理システムは、広帯域のファイバやワイヤレスバックホール通信でネットワークに接続されます。その他のシステム要素としては、以下のようなものが考えられます(図1)。
・IP対応デバイスをローカルレベルでサポートするイーサネットやセルラールータ。場合によっては、PoE(Power over Ethernet)を追加して、ネットワークの実用性を高め、コスト抑制します。
・専用接続やシリアルポートを使ってレガシーデバイスを統合することができます。
・ローカルWi-FiやBluetoothデバイスは、匿名化されたデータで交通密度や歩行者を監視することができます。得られたデータはローカルで分析し、中央の交通管理システムに送信して、意思決定やより高度な制御機能を行うことができます。
・交通カメラ、レーダやライダなどのセンサ、その他のデータソースを組み合わせて、ローカルのASTC(Advanced Solid-state Traffic Controller)の両方で使用し、集中管理センターに移動して交通の流れをリアルタイムに最適化します。
図1：スマートシティにおける交通管理の自動化は、Wi-Fiによる歩行者や車両の検知から、交通カメラやASTCコントローラ、交通管理、制御センターの一元化まで多岐にわたります。(画像提供：Digi)
これにより、都市部の道路における総合エネルギー効率、安全性、環境影響の低減を、以下によってさらに向上させることができます。
・ローカル制御と集中制御を組み合わせて、ほぼリアルタイムに交通の流れと信号タイミングを修正することで、渋滞を検知し、最小化します。
・バスやその他の大量輸送機関の効率的で予定通りの運行をサポートするために、信号のタイミングを調整します。
・救急隊員などの到着を早めて、公共の安全への影響を最小限に抑えるために、最適化された経路をリアルタイムで提供することができます。
未来のスマートシティ
今日のスマートシティは、まだほとんどが未完成の状態です。改善や進歩のチャンスは十分にあります。将来のスマートシティは、統合的なエネルギー効率と生活の質の向上にますます焦点を当てるようになります。電気自動車(e-vehicle)、スマートカーや自律走行車が主流になります。
スマートハウジング、スマート充電インフラ、スマートデリバリーシステム、そして電車、ライトレール、バスなどのエンドツーエンドの輸送システム、そして「ラストマイル移動」用の電気ロボタクシーに統合されることになります。
バスや鉄道のチケットの購入など、住民のスマートフォン利用はますます広がり、そのスピードは増し、交通の環境への影響はさらに軽減されます。電気自動車の主な用途は今後も輸送ですが、それだけではありません。
Infineonによると、トラック、バス、貨物や配送バンなどの商用車、そして建設機械は、都市におけるCO2排出量の約4分の1、温室効果ガス(GHG)排出量全体の約5％を占めています。乗用車や電気自転車(e-bike)の充電に加え、商用車の大型バッテリに対応した統合充電インフラを整備する必要があります。充電インフラは、多様な車種とそのユースケースに対して充電速度を最大化するために、相互接続と集中制御が必要です。
環境への影響の低減、生活の質の向上、エネルギーの効率的な利用を実現するためには、分散した再生可能エネルギー源、マイクログリッド、エネルギー貯蔵の稼働状況の監視、エネルギー利用の最適化、上下水道の利用管理、交通システムなどのさまざまなシステムの管理を行う複雑なリアルタイムワイヤレスネットワークが必要となります。
このようなリアルタイムネットワークには、堅牢性と最小限のレイテンシが求められます(図2)。スマートシティのインフラを支えるために、設計者は複雑な通信ネットワークや接続されたデバイスの迅速な開発、展開、更新を可能にするツールを必要としています。
図2：スマートシティのサービスは、多様なアプリケーションをつなぐ堅牢でリアルタイムなワイヤレスネットワークに依存します。(画像提供：Infineon)
ワイヤレスモジュールによる安全なネットワーク
安全なネットワーキングを迅速に展開するために、80MHzのARM Cortex-M33コアと統合型セキュリティサブシステムを含むSilicon LabsのEFR32MG21B020F1024IM32-BRワイヤレスシステムオンチップ(SoC)をベースにしたDigiのXBee RRワイヤレスモジュールを利用できます。
XBeeモジュールは、Zigbee、802.15.4、DigiMeshなどの複数のワイヤレスプロトコルと周波数帯、Bluetooth Low Energy(BLE)を活用して、幅広いネットワークアーキテクチャをサポートします。DigiMeshはピアツーピアのメッシュネットワーキングプロトコルで、Zigbeeを使ったポイントツーマルチポイント構成の複雑さを軽減することができます。このモジュールは、BLEに対応し、他のBLEデバイスとの接続が可能です。
スマートフォンとの接続は、XBeeモバイルアプリを使用してモジュールの設定やプログラミングを行うことができます。また、開発者はWindows、MacOS、Linuxと互換性のあるXCTUコンフィギュレーションプラットフォームを使用することができます。
XCTUは、ワイヤレスネットワーク設定を簡素化するグラフィカルなネットワークビューと、XBee APIフレームを素早く構築するためのAPIフレームビルダー開発ツールを使用しています。その他のモジュールの機能とオプションは以下の通りです。
・パッケージは、XBRR-24Z8UMのような13mm×19mmのマイクロマウントデバイス、XBRR-24Z8PS-Jのような表面実装モジュール、XBRR-24Z8ST-Jのようなスルーホールの形態がある(図3)
・PROバージョンは北米で使用するためのFCC認証、スタンダードバージョンはヨーロッパで使用するためのETSI規格に適合している
・ローパワーモジュールとハイパワーモジュールの設定
・屋内/都市部では条件により最大90mまでの範囲で使用可能
・条件により、屋外の見通し線距離は最大3200m
・統合IoTセキュリティアプリにより、デバイスセキュリティ、デバイスID、データプライバシーの統合を簡素化
図3：Digi XBeeワイヤレスモジュールのパッケージオプションには、マイクロマウント(左)、表面実装(中央)、スルーホール(右)があります。(画像提供：DigiKey)
スマートゲートウェイ
453-00084RなどのLaird ConnectivityのSterling LWB+モジュールは、ワイヤレスIoTデバイスやスマートゲートウェイ向けに設計された高性能2.4GHz WLANとBluetoothコンボモジュールです。
これらの製品は、InfineonのシングルチップワイヤレスICのAIROC CYW43439をベースにしており、動作温度範囲は－40℃～＋85℃で、スマートユーティリティ、スマートシティ、エネルギーアプリケーションに適しています。Sterling LWB+モジュールは、FCC、ISED、EU、MIC、AS/NZSを含むグローバル認証を取得しています。
Sterling LWB+モジュールには、メディアアクセス制御(MAC)、ベースバンド、ワイヤレスに加え、Bluetoothインターフェース用の独立した高速UARTが搭載されています。Laird ConnectivityとInfineonは、最新のAndroidとLinuxのドライバをサポートしています。チップアンテナを内蔵しているため、離調に強く、システム設計や製造が簡素化されます。
Sterling LWB+シリーズは、SIP(システムインパッケージ)で、トレースピン、チップアンテナ内蔵、MHF4コネクタのいずれかを選択できます。また、WPA/WPA2/WPA3による暗号化も搭載しています。これらのモジュールは、多様なシステム設計やアプリケーションの要件に対応するため、4つのパッケージスタイルで提供されています(図4)。
図4：基本的なSterling LWB+ SIP(左)、MHFコネクタ付きモジュール(左から2番目)、アンテナ内蔵モジュール(左から3番目)、カードエッジコネクタ(右)。(画像提供：Laird Connectivity)
Sterling-LWB+は、LinuxやAndroidベースのあらゆるシステムとの容易な統合をサポートする、安全で高性能なセキュアデジタル入出力(SDIO)を搭載しています。ワイヤレスIoTデバイスやスマートゲートウェイの開発を短縮するために、設計者はMHFコネクタを内蔵した453-00084Rモジュールを含む453-00084-K1開発キットを利用できます(図5)。
図5：この開発ボードには、MHFコネクタを内蔵したLaird社の453-00084R Sterling LWB+モジュールが含まれています。(画像提供：Laird Connectivity)
ワイヤレス産業用センサノード
ワイヤレスセンサノードは、スマートエネルギーやスマートシティのユーティリティの重要な要素となっています。先進的なワイヤレスセンサノードを迅速に設計、試作、テストするという複雑な課題に設計者が対処できるように、STMicroelectronicsはSTEVAL-STWINKT1B SensorTile開発キットとリファレンスデザインを提供しています。
これには、IoTデバイスの認証と安全なデータ管理をサポートする拡張ボードX-NUCLEO-SAFEA1A、BluetoothトランシーバモジュールBLUENRG-M2SA、MEMSマイクロフォンIMP23ABSUTRが搭載されています。
MEMSマイクロフォンは、超低消費電力のオンボードマイクロコントローラと組み合わせて、35Hzから超音波までの幅広い振動周波数で9自由度(DoF)のモーションセンシングデータの振動解析に使用されるように設計されています。また、加速度センサ、ジャイロセンサ、湿度センサ、地磁気センサ、圧力および温度センサも搭載しています。
SensorTile開発キットには、包括的なエンドツーエンドのIoTセンサシステムの開発を加速するためのソフトウェアパッケージ、ファームウェアライブラリ、クラウドダッシュボードアプリケーションの数々へのアクセスが含まれています。統合モジュールがBLE接続を、RS484トランシーバが有線接続をサポートし、プラグイン拡張ボード STEVAL-STWINWFV1 がWi-Fi接続を提供します。
メインボードには、STM32ファミリのマイクロコントローラをベースにしたスモールフォームファクタのドーターボードを追加するためのSTMod+コネクタが搭載されています。最後に、開発キットは、480mAhのリチウムポリマー電池、 STLINK-V3MINIスタンドアロンデバッグプログラミングプローブ、プラスチックボックスで構成されています(図6)。
図6：STEVAL-STWINKT1B SensorTile開発キットとリファレンスデザインには、包括的な環境センサ一式といくつかの接続オプションのサポートが含まれています。(画像提供：STMicroelectronics)
まとめ
スマートシティにおけるスマートエネルギーやユーティリティシステムのニーズをサポートするために、さまざまなワイヤレスコネクティビティプロトコルが必要です。これらのシステムはエネルギー効率を高め、公共の安全を向上させ、より効率的な水とエネルギーの使用をサポートし、CO2とGHG排出の削減を実現します。
このように、Wi-Fi、Zigbee、Bluetoothの低エネルギーワイヤレスプロトコルには、さまざまなワイヤレスモジュールや開発環境があり、スマートエネルギーやスマートシティのインフラにおけるユーティリティに必要な安全で堅牢な接続を提供することができます。
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