スマートグリッドやセンサーネットワークを実現する- Tech-On! --

第8回:スマートグリッドやセンサーネットワークを実現する
テキサス・インスツルメンツのワイヤレスソリューション

日本テキサス・インスツルメンツは、2010年10月6日から7日に「CEATEC JAPAN 2010」（幕張メッセ）会場内で開催された「アナログデバイス・プラザ」で、「スマートグリッド及びセンサーネットワークの市場動向とTIのRFソリューション」と題して、主にサブ1GHz帯を対象とした同社のローパワーRFデバイスと関連技術について講演した。受信感度特性や妨害波特性に優れる点が特徴である。新しい製品は日本の技適にも完全対応する。

浜田晃氏
日本テキサス・インスツルメンツ
アナログ・マーケティング

　テキサス・インスツルメンツでは、ワイヤレスデバイスのアプリケーションとして、スマートグリッド向けのスマートメーター（AMI：Advanced Metering Infrastructure）と、家庭およびビルなどのセンサーネットワークを主なターゲットに設定している（図1）。このうちスマートメーターは、北欧など欧州の一部でZigBeeを中心としたワイヤレス通信が標準化されており、今後スマートグリッド化が進むさまざまな国や地域で電力メーターやガスメーターにワイヤレスソリューションの採用を働きかけていく考えだ。

　センサーネットワークはホームオートメーションやビルオートメーションでの応用が期待されている。たとえばビルの場合、人感センサーや照度センサー、温度センサーなどを使って、人の在・不在、外光の明るさ、室温などを検知し、照明の明るさや空調の強さを制御することで、エネルギー利用の効率化を図ろうという構想が動き出している。

　最近注目を集めている、光、振動、熱、電磁波（RF）などの環境に存在するエネルギーを電力に変換する「エネルギー・ハーべスティング」（環境発電）を応用し、ローパワーのセンサーやRFトランスミッタをたとえば小型の太陽電池で駆動することで、電源を必要としないセンサーネットワークの構築にも取り組んでいる。

図1．大きな成長が期待されるスマートメーター（青）とセンサーネットワーク（黄赤）
　（クリックで拡大します）

　実際にスペインの「Torre Espacio」ビル（地上55階建て）では、テキサス・インスツルメンツのソーラー・エネルギー・ハーベスト開発キットである「eZ430-RF2500-SEH」をベースにした4200個のワイヤレスセンサーモジュールをビル内に設置し、照明やブラインドを制御して、照明エネルギーの30％節約に成功したという。なお、有線でネットワークを構築したときに必要になったと見込まれる30kmのケーブル（1.5トンの銅と3トンの塩化ビニール）の節減にもつながった。

　また、図1のように大きな成長が見込まれるスマートメーターおよびセンサーネットワークへの取り組みを加速するため、「ESMA」、「HomeGrid Forum」、「iPSO Alliance」、「PRIME Alliance」、「SAE International」、「SGIP」、「ZigBee Alliance」などほぼすべての業界団体および標準化団体に加盟し、標準化に貢献するとともに、規格策定から遅滞なく製品を投入できるように努めているという。たとえば同社のRFチップは、ZigBee Allianceから第一号となる認証を得ている。

優れた受信特性をローパワーで実現

　続いて浜田氏は、同社のローパワーRF製品のメリットとして3つのポイントを挙げた。

　ひとつは受信感度に優れていることである。たとえばZigBee対応のCC2530の場合、データシートに記載されているRSSI（受信信号強度）などのパラメータから伝送可能距離を求めると、見通しが良好な屋外で約300メートル、他の電波が飛び交う一般のオフィスでも約100メートルの通信が可能であるという。

　ふたつめは妨害波特性である。免許を必要としない2.4GHz帯は、使用帯域の広いWLANやホッピングを連続するBluetoothなどが使用するため妨害を受けやすい。

　そこで妨害波特性を示す「コ・チャンネル除去比」、「隣接チャンネル除去比」、「隣々接チャンネル除去比」をデータシート特性から数値的に算出してみると、ZigBeeデバイスであるCC2420は、理論上はWLANに2メートルまで近づけても通信が可能であることがわかったという。他社の競合デバイスでは28メートルまでしか近づけられないという結果が出た。

　三つ目の特徴がローパワーである。スタンバイモードからアクティブモードへの切り替えを高速化して、アクティブモードの動作割合をできるだけ抑えられるにした。また、送受信に要する電力を通信距離に合わせて最適化した。前述のように受信感度特性および妨害波特性が優れているため、通信状態が悪い環境でもリトライが少なく、その点もシステムの消費電力の削減に効果があるという。

　これらの特徴を備えた製品としては、2.4GHz帯に対応したデバイス（型番CC2xxx）と、サブ1GHz帯（1GHz以下）に対応したデバイス（型番CC1xxx）を揃えるともに、顧客システムの要件に柔軟に対応できるように、RF単体のデバイスとMSP430などのマイコンコアを統合したSoCデバイスをラインアップする。

技適対応のサブ1GHz帯製品を開発中

図2．ローパワーマイコンを組み込んだサブ1GHz帯トランシーバ「CC430」
　（クリックで拡大します）

　サブ1GHz帯の新しいソリューションとして「CC430」を紹介した（図2）。ローパワーで定評のある16ビットマイコン「MSP430」にRFトランシーバ機能を組み込んだSoCデバイスで、ZigBeeや同社独自プロトコルであるSimpliciTIなどをサポートする。なお、米国のFCCや欧州のETSIの各規格には準拠しているが、国内の技適（ARIB）を通すには制約があるという。

図3.　1GHz未満周波数帯向け最新RF製品　「CC1120」、「CC1125」
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　「CC1120」と「CC1125」はサブ1GHz帯の単体RFトランシーバで、同社では第4世代と位置づける（図3）。従来のサブ1GHz帯のRFトランシーバデバイス（CC1000/CC1020/CC1101/CC1100E）に対して、高性能化と低消費電力化を図った。CC1120、CC1125とも、国内の技適に対応しているため、たとえば950MHz帯（ARIB T96）を使ったスマートメーターのワイヤレス通信に応用することができるという。これまでのCC1xxx系のデバイスは一部の技適に対応していなかった。

　アプリケーションとしては、電気やガスなどのスマートメーター、インホーム・ディスプレイ、RFセンサー、HANゲートウェイなどを想定する。ファーストシリコンが完成した段階であり、サンプル時期および量産時期は未定である。