ローパワーからノーパワーへ-- Tech-On! --

第４回: ローパワーからノーパワーへ
環境に存在するエネルギーで新たな可能性

センサーテクノロジーや無線通信テクノロジーの発展を背景に，リモートセンサ・アプリケーションの可能性が広がっている。たとえば，遠隔でのメディカル・モニタ，プラント・モニタ，農場の環境監視，構造物の安全監視，セキュリティ・モニタ，あるいは空調温度や照明を対象にしたオフィス環境のモニタなどが挙げられるだろう。

こういったリモートセンサ・アプリケーションで課題になるのが電源の確保だ。商用電源を利用するのがもっとも簡単だが，プラントや農場のような広い敷地を対象としたアプリケーションでは電力の引き回しが難しく配線資材も必要になってしまう。システムのローパワー化を図ってバッテリで動作させる選択肢も考えられるが，センサの設置数が多い場合や広域あるいは高所に設置する場合は，バッテリ交換時に莫大なコストが必要だ。

図●エネルギー・ハーベストで動作するセンサシステムの構成
　（クリックで拡大します）

そこで注目されているのが，自然環境からエネルギーを取り出す「エネルギー・ハーベスト」だ。日本語では「環境発電」という言葉が充てられている。

エネルギー・ハーベストが対象とするエネルギー源は，太陽光，風力，振動，熱（温度），化学反応あるいは生体反応などだ。これら自然現象や物理現象に由来するエネルギーを電気に変換し，センサ回路や無線回路を駆動することで，システムが故障しない限り半永久的な動作を得ようという狙いである。

　エネルギー・ハーベストに対する可能性の拡大とニーズの高まりを受けて，「ローパワーからノーパワーへ」をテーマとして先進的なソリューションを展開しているのが，世界的な半導体メーカーであるテキサス・インスツルメンツである。

新たな価値と可能性を秘めたエネルギー・ハーベスト

エネルギー・ハーベストで課題になるのが，自然エネルギーの高効率な電力変換と，システム全体のローパワー化の二点だ。

ここで威力を発揮するのが同社のローパワー技術だ。たとえば，ソリューションの核となる16ビット組込みプロセッサMSP430ファミリは，パワーダウンモード時の消費電流を世界トップレベルの0.1μA以下に抑えるなど，徹底したローパワー化が図られている。近距離無線のZigBeeプロトコルをサポートするワイヤレス・コントローラ「CC2530」も，スリープ時の消費電流が1μA以下と小さい。また，DC/DCコンバータに代表される同社の電源コントローラは効率の高さで定評がある。

データの送信間隔を長くするなどアクティブな動作状態をできるだけ短くすることで，たとえば太陽光をエネルギー源とするのであれば，小面積のソーラーパネルでも十分にリモートセンサ・システムを構成できることになる。

　同社のソリューションを利用したエネルギー・ハーベストの成功事例も出てきた。スペインで建設された高層ビルの事例として，フロアの照度をエネルギー・ハーベストによる電力を使ってリモート・センシングし，調光やブラインド開閉を最適化した結果，照明エネルギーの30％削減と30km分の給電ケーブルが不要になったという。

エネルギー・ハーベストは，「ローパワーからノーパワーへ」が表すように，ゼロから価値を生み出す可能性を秘めたテクノロジーなのである。

第5回:エネルギー・ハーベストを手軽に評価ソーラーに対応した開発キットを提供

　自然環境に存在するエネルギーを電気に変換してシステムを動作させる「エネルギー・ハーベスト」。太陽光，風力，振動，熱（温度），化学反応あるいは生体反応などから得られるエネルギーを利用して，センサ回路や無線回路を恒久的に動作させる仕組みだ。

図●ソーラー・エネルギー・ハーベスト（SEH）開発キットのエンドポイント側基板
　

　このうちもっとも一般的なエネルギー源は太陽光（ソーラー）だろう。ソーラーパネルの低価格化が進むと同時に，室内光でもある程度の電力が得られるまでに効率が高くなっているため，他のエネルギー源に比べてシステムを組みやすいという特徴がある。

　とはいえ，ソーラーパネルのほか，ソーラーパネルが出力する不安定な電力を安定した電力に変換するDC/DCコンバータ回路，光が十分でないときにもシステムを動作させるためのバッテリサブシステム，消費電力の小さいマイコンや無線コントローラの選定と設計，センサ回路の設計などが必要になるため，エネルギー・ハーベストを試そうと思ってもそれなりの設計工数がかかってしまうのが現実である。

　そこで，より手軽にエネルギー・ハーベストの魅力を体験・評価してもらおうと，世界的な半導体メーカーであるテキサス・インスツルメンツが提供しているのが，「ソーラー・エネルギー・ハーベスト（SEH）開発キット」（型番eZ430-RF2500-SEH）である。

オープンソースを主体としたソフトウェアと開発環境が同梱

「ソーラー・エネルギー・ハーベスト（SEH）開発キット」の概略仕様を紹介しよう。光を電気エネルギーに変換するソーラーパネルは57㎜×57㎜である。サイズは小さいが室内光でも十分な電力が得られる効率の高さが特徴だ。また，暗い環境でも400回以上の無線送信ができるように，余剰電力を蓄えておく薄膜電池（Cymbet社のEnerChip）が搭載される。

マイコンは低消費電力のMSP430F2274だ。USBインタフェースを備えているため，PCを介した開発やデータのやりとりが可能だ。無線トランシーバは2.4GHz帯を使うCC2500が搭載されていて，スター・トポロジのセンサネットワークを簡単に構成することができる。温度とRF信号強度のセンシング機能を内蔵するほか，外部センサ入力としてピエゾ素子とのインタフェースや18本のアナログ入出力ピンを備えている。

ソフトウェアとしては，ホスト側で利用する「PC Sensor Monitor Application」が提供される。また，MSP430側の基本プログラムは「Sensor Monitor Firmware Source」として，ソースコードの形で提供される。いずれもオープンソースなので，ユーザー側の開発に利用することもできる。さらにMSP430の統合開発環境である「Code Composer Essential」も同梱される。

このように基本的なハードウェアと開発環境がセットになった「ソーラー・エネルギー・ハーベスト（SEH）開発キット」を活用することで，太陽光や無線ネットワークを利用したエネルギー・ハーベストを簡単に評価できるはずだ。

※　本キットは電波法に基づく技適（技術基準適合証明）を取得していないため，日本国内で使用する場合は若干の制約があります。