IoTデバイスの動作時間を左右する「出荷モード」と「ディープスリープモード」：IoT基礎解説（1/3 ページ）

本稿はIoTデバイスの電力効率を高めるパワーマネジメントのうち、消費電流がnAレベルとなる“ナノパワー”の「出荷モード」と「ディープスリープモード」の重要性について解説する。また、個別部品から成るディスクリートソリューションと機能を集積したICを用いる集積化ソリューションの比較も行う。

[Suryash Rai（アナログ・デバイセズ），MONOist]

はじめに

　さまざまなセンシングノードをインターネットで接続して、それらのデータをクラウドやサーバに送信するなど、IoT（モノのインターネット）の果たす役割への期待が高まっています。これらIoTを用いたアプリケーションの効率を高める上で重要な役割を果たすのがパワーマネジメントです。

　大半のIoTシステムでは、データを送り出すセンサーノードは遠隔地に設置されておりバッテリーで動作しています。容量の限られたバッテリーを使って、センサーノードをどれだけ動作させ続けられるかは、パワーマネジメントをいかに効率的に設計するかによって決まります。

IoTデバイスにおけるパワーマネジメントの基礎

　標準的なIoTシステムは図1のような構成になっています。このうちセンサーノードは、青色のブロックで示されている通り以下の3つの要素で構成されています。

• センサー
• マイクロコントローラー（MCU）
• 無線リンク

　センサーで温度や湿度などの生データを収集し、この生データをマイクロコントローラーに送信します。マイクロコントローラーは生データを処理し、処理済みのデータを無線リンクによってクラウドやデータセンターに送信します。しかし、標準的なIoTシステムのセンサーノードは非常に低いデューティサイクル（0.01〜1％の範囲）で動作します。ほとんどの時間がアイドル状態であることを考えると、センサーノードのスリープ電流が極めて小さいパワーマネジメント方式を採用することが、バッテリーの動作時間を延ばす上で必要なことが分かるかと思います。例えば、センサーノードが1時間に1回だけ土壌の水分を測定しデータを収集するスマートかんがいシステムは、そのようなIoTシステムの一例です。

図1　IoTシステムの標準的なブロック図［クリックで拡大］

出荷モードとスリープモード、そしてディープスリープモード

　「出荷モード」と「スリープモード」は、バッテリーで動作するIoTデバイスの用語として広く知られており、IoTデバイスのパワーマネジメントにおいて非常に重要です。出荷モードでは、まだIoTデバイスを使用していない製品出荷前の段階においてバッテリーの消費を極限まで抑えられます。バッテリーはIoTデバイスのほとんどの部分から電気的に切り離されているので、消費電流を最小限に抑えられます。起動ボタンなどで出荷モードを解除すればIoTデバイスの通常動作を開始できます。

　一方のスリープモードは、IoTデバイスが通常動作を開始した後で、バッテリー消費を最小限に抑えるためのモードです。周辺回路をシャットダウンするなどして、最小限の消費電流で動作します。IoTデバイスは定期的にウェイクアップして通常動作復帰し、特定のタスクを実行してから再度スリープモードに戻ります。

　IoTデバイスの周辺回路のうちどの部分を無効にするかで、異なるスリープモードを実現できます。例えば「モデムスリープモード」では通信ブロックのみが無効になり、「ライトスリープモード」では通信ブロック、センサーブロック、デジタルブロックなど大部分の回路ブロックが無効になります。そして、ほぼ全ての周辺回路を無効にして消費電流を最小限に抑えるのが「ディープスリープモード」です。

ディープスリープモードを有効にするデューティサイクル管理

　IoTデバイスにおいてディープスリープモードを有効にする一般的な手法の一つになっているのがデューティサイクル管理です。IoTデバイスがディープスリープモードにある間、大部分の周辺回路はオフ状態またはシャットダウンモードにあり、その消費電流はnAレベルにすぎません。リアルタイムクロック（RTC）などのタイムキーピングデバイスが、設定されたタイムアウト後にIoTデバイスをウェークアップさせます。

　この手法では、IoTデバイスがディープスリープモードにある間、マイクロコントローラーは完全にオフになります。しかし、復帰時には常にスタートアップブート時間が発生し、望ましくない遅延が加わるというトレードオフが発生します。ディープスリープモードを有効に活用するには、センサーノードの特性を考慮した適切なデューティサイクル管理が必要になります。