支持LPWA且无需更换电池的全球最小的传感器设备

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2018年09月27日

株式会社富士通研究所（注1）（以下简称：富士通研究所）开发出了一种全球最小的传感器设备，该设备无需更换电池，并可支持低功耗广域无线通信技术LPWA（Low Power Wide Area）。

开发背景

目前，随着IoT系统的不断普及，预计到2020年，数百亿个IoT（物联网）设备将通过网络连接到云。在IoT系统中，由于现场安装有大量传感器设备，需要通过云收集、分析来自这些设备的信息，因此，可将数据直接传输到云的低功耗广域无线通信技术LPWA受到广泛关注。而这些传感器设备，需要支持LPWA，且从便利性和成本方面考虑，人们期待出现一种无需更换电池（太阳能电池）的小型化设备。

图1 试制的支持LPWA的传感器设备原型

课题

富士通研究所之前开发了一项电源控制技术（注2），通过小型电路实现了基于BLE（Bluetooth Low Energy）的短距离无线数据传输。该技术利用太阳能电池存储电力，通过监控、调整发电及消耗的功率平衡，确保启动无线电路，实现了无需更换电池的支持BLE的传感器设备。

长距离无线LPWA需要缓慢传输少量数据以确保长距离通信质量，因此，传输所需时间比BLE长，一次传输所需的功率约为BLE的1500倍，所以使用传统电源控制技术的传感器设备无法支持LPWA。

开发的技术

此次，富士通研究所开发了一种新的电源控制技术，可以在降低电路规模的同时确保传输功率。新开发的技术特征如下：

图2 开发的传感器设备框图

1. 允许功率随温度变化的电源控制技术

   富士通研究所开发了一种电源控制技术，它基于温度传感器获取的温度数据，可实时控制LPWA无线电波的传输时间。为了防止电压低于LPWA模块的下限工作电压，该技术仅在随温度变化的启动电压达最大值时执行无线电波传输。通过高效使用电力，允许随温度变化的无线电路功耗和太阳能电池的发电功率产生偏差（图3）。因此，它不需要额外的储能元件应对电压波动，可通过储能元件的最小化实现传感器设备的小型化。

   

   图3 操作时序图

2. 确保温度传感器启动的电源监控技术

   为了获取温度数据，即使电源电压发生波动，也需要用小功率确保温度传感器的持续启动。为此，富士通研究所开发了一种电源监控技术，可以分析电源电压的波动，并准确判断是否存储了足够电力来启动温度传感器（图4）。利用该技术，可通过使用最小电力防止温度传感器不必要的关闭。

   

   图4 确保温度传感器启动的电源监控技术

效果

该技术适用于LPWA协议Sigfox（注3），实现了无需更换电池，可进行LPWA通信的世界上最小的传感器设备（82×24×6 mm）。并证实了在照度4000 lux的环境下，每隔十分钟便可向约7公里外的基站直接传输一次7天的温湿度数据。另外，还证明了通过富士通株式会社的IoT数据应用平台服务“FUJITSU Cloud Service K5 IoT Platform”，可实现数据的可视化（图5）。该服务作为可连接到Sigfox云的IoT平台，获得了Sigfox Ready Program for IoT PaaS认证。

这样，即使在难以确保电源或增设电缆的地方，只需配置传感器设备，即可轻松从云端获取传感数据。实现了IoT系统的免维护安装和运行管理，加快了现场的数字化进程。

图5 开发的LPWA传感器设备&通过云的使用场景/数据流

今后

富士通研究所将面向传感器设备的商业化进行验证实验，并将该技术作为连接设备并入“FUJITSU Cloud Service K5 IoT Platform”和富士通先端科技株式会社（注4）的传感器解决方案中，目标于2018年实现产品化。今后，我们将继续致力于传感器设备小型化技术的研发。

京瓷通信系统株式会社（KCCS）社长 黑濑善仁先生的评论

今后，随着IoT的不断普及，预计基于Sigfox网络低功耗特性的解决方案也会在各领域得到广泛应用。此次，富士通研究所开发出了无需更换电池的传感器设备，只需太阳能电池就能操作设备，我认为不仅在日本，更应该将Sigfox应用推向世界。作为日本的Sigfox运营商，KCCS愿与富士通研究所及其它合作伙伴联手，共同将一切连接到网络，并为创建安全舒适的社会做出贡献。

注释

 注1 株式会社富士通研究所：

社长 佐佐木 繁
总公司所在地 日本神奈川县川崎市

 注2 无需更换电池的小型电源技术：

业界首发！自由变形且无需更换电池的信标 （2016年2月20日研究所技术介绍）

 注3 Sigfox：

一个使用LPWA的全球IoT网络，由Sigfox公司提供，Sigfox是一家于2009年在法国成立的公司。在日本，京瓷通信系统株式会社（KCCS）是唯一的网络服务供应商。

 注4 富士通先端科技株式会社：

社长 五十岚 一浩
总公司所在地 日本东京都稻城市