实现各种物体的网络互联超小型、低功耗蜂窝LPWA模块(前篇)

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可在更广范围内收集数据的物联网设备的需求

通过数据营造丰富健康的生活,充分利用数据开展有价值的业务,以数据为基础构建高效、畅通无阻的社会……为了在不久的将来实现这一目标,全世界的企业和政府都在致力于构筑并有效利用新的信息系统。在商务和生活中每天都会产生的数据已与“人”、“物”和“金钱”并列成为了推动生活、商务和社会的经营资源之一。

近年来,通过有效利用将各种物体连接到互联网的IoT(Internet of Things,即物联网),不仅可以收集在虚拟世界中产生的数据,还可以详细地收集在现实生活中各处产生的数据。在工厂的生产线、办公室和家庭中,安装有传感器和通信功能的物联网设备已被设置在各处,以掌握运行中的装置和设备的状况,帮助预测故障和提高生产效率。

然而,与工厂内数十米见方的特定区域范围内的数据收集相比,在智能仪表的自动读数、道路和桥墩等社会基础设施的监控方面,在数千米见方的广阔范围内的数据收集则存在尚未解决的难题。这是因为当时尚未出现适合在远距离无线连接的物联网设备上使用的无线通信技术。

图1

特定区域内的数据收集可以利用现有的Wi-Fi和Bluetooth®等针对电脑等信息设备的近距离无线技术。此外,利用这些无线技术的小型低功耗无线通信模块也很容易获取,因此相对容易地就能制造出小巧的物联网设备。另一方面,对于广范围的数据收集而言,上述物联网设备则难以应对,因此只能利用针对手机的大功耗移动通信技术。但是,由于还考虑到在无法频繁充电的场所使用的情况,因此就出现了为确保足够使用的电源容量而安装大容量电池,从而导致设备体积过大的问题。

作为针对物联网设备的无线通信,蜂窝LPWA使用起来极其得心应手

针对物联网设备的广范围无线通信技术——蜂窝LPWA(Low Power Wide Area)的商业服务于2018年启动,其目的是为了拓展曾因缺少合适的无线技术而被遗漏的物联网设备的使用场景。

蜂窝LPWA建立在以智能手机等的通信手段——广范围覆盖为特征的LTE的基础之上,是一项通过降低数据传输速度和通信频率,实现惊人的低功耗化的技术。以这种较低的数据传输速度无法传输视频数据。但它却足以用来传输用于了解道路老化的振动、水稻生长管理所需的稻田温度,以及共享单车的位置信息等数据。应当说,通过低功耗化,电池在可长年使用等方面明显提高了其便利性。

蜂窝LPWA具有拓宽物联网设备的使用场景的潜力,但要想加快对物联网设备的运用,还需要先克服一些障碍。那就是必须要有和Wi-Fi和Bluetooth®等一样能够嵌入或设置在各种设备和场所的超小型、低功耗无线通信模块。村田制作所(以下简称“村田”)运用迄今为止在开发多种无线通信模块的过程中培养的技术和经验,开发出了超小的蜂窝LPWA模块。与此同时,村田还与供应商和芯片制造商合作,制造并提供即使不具备无线通信方面的专业知识,也能稳定连接网络的模块。

村田的蜂窝LPWA模块推动了有价值的物联网设备的开发

由于物联网设备在无法轻松获取数据的环境中也能够使用,因此其价值将有所提升。所以,在开发物联网设备时,确保在任何场所都可以设置的小巧外形,以及最大限度地减少更换电池和充电的频率是至关重要的。为满足这种需求,村田开发并提供了高质量、超小型、低功耗的蜂窝LPWA模块。我们向负责开发蜂窝LPWA模块的工程师们询问了他们在开发时设想的蜂窝LPWA的使用场景、村田的模块的优势,以及在产品开发过程中开展的工作。

团队
左起依次为管理负责人藤原先生、管理负责人兵库先生、商务拓展负责人川中先生及王女士

利用现有的手机基站实现物联网的远距离通信

⸺作为将利用物联网设备收集的数据传输到云端的手段,你们所设想的蜂窝LPWA的用途是什么呢?

首先要说明LPWA的定位。就目前的物联网设备而言,在需要实现超过1公里的远距离数据传输用途方面,以前必须使用手机服务。但是,由于手机服务成本高、功耗大,因此对于所有用途来说未必都是方便使用的通信手段。为解决这一问题而诞生的无线通信技术,就是LPWA。

LPWA分为两类,一类是利用手机基站的蜂窝LPWA,另一类则是主要利用独自的访问接入点的非蜂窝LPWA(表1)。其中,蜂窝LPWA的优点是可以通过大型通信运营商的通信网,在全世界范围内轻松扩展网络。另外,蜂窝LPWA可以覆盖的区域也比非蜂窝LPWA更广,并且还具有通信的稳定性和安全性较高的特点。因此,蜂窝LPWA比较适合用于智慧城市、物流类及跨国数据收集等方面。

图3
在蜂窝LPWA中,还包括LTE Cat.M1(LTE-M)和NB-IoT这两个标准。其中,LTE Cat.M1的特点包括出色的移动性和低时延性,以及在LPWA中属于较快的、最高可达1Mbps(理论值)的数据传输速度。LTE Cat.M1适用于跟踪、紧急装置和可穿戴设备等应用。另一方面,NB-IoT则具有低成本、低功耗和大规模连接等特点。
它适用于智能仪表的自动读表等处理少量信息的应用。

在超小型、低功耗方面无人可及

⸺针对蜂窝LPWA,村田正在提供具有哪些特点的无线通信模块呢?

村田提供的高质量蜂窝LPWA模块符合各个国家和地区的无线电法,并且还获得了运营商的认证。从通信的稳定性、可靠性、安全性、移动性等各个方面来看,我们提供的模块都能够放心使用。此外,在超小型、低功耗方面,我们也有自信不输给其他任何产品。

⸺超小型的蜂窝LPWA模块为物联网设备带来了哪些好处呢?

在我们开发的蜂窝LPWA模块中,采用树脂封装的“Type 1SC”实现了11.1 mm × 11.4 mm × 1.4 mm的超小型尺寸。只需这一款产品,就能同时支持Cat.M1和NB-IoT两种标准,并且其面积还是普通小型模块*1的一半以下。如果能够将小型化实现到这种程度,那么就能将模块应用于在医疗保健领域中使用的腕带式可穿戴设备,用来确保物流可追溯性的跟踪设备,以及嵌入共享单车中跟踪动作等方面。

*1 与18.0 mm × 16.0 mm × 2.0 mm的LPWA模块相比

⸺要想使模块小型化,在技术方面将面临怎样的困难呢?

如果只是安装小型元件、设计细致的布线图案的话,可能并没有那么难。但是,在无线通信模块中,越是小型化,细微的特性差异和图案偏差就越容易对模块整体的特性和性能带来较大的影响。而且,由于蜂窝LPWA的输出要高于Wi-Fi和Bluetooth®,因此为符合无线电法或获得运营商认证而进行的调频的难度就会有所增加。

村田在通信模块的小型化和蜂窝模块的开发方面积累了10多年的经验。虽然有不少供应商在Wi-Fi模块方面都有开发实绩,但拥有将蜂窝模块小型化的经验的制造商却屈指可数。

实现运行10年以上且无需更换电池的低功耗化

⸺那么,模块的低功耗化会为物联网设备带来哪些好处呢?

并不是在所有设置物联网设备的地点都可以频繁地更换电池或充电。甚至可以说,可以从人无法轻易踏入的场所收集数据的物联网设备的价值更高。如果能实现模块的低功耗化,那么就能够延长物联网设备的电池寿命,令运营变得轻松。

然而,在实现理想的物联网设备的通信稳定性、可靠性、安全性和移动性的同时降低功耗却并非易事。这是因为,如果只是推进低功耗化的话,只需利用简单的通信技术即可,但是为了制造出高质量的模块,就必须要利用复杂的通信技术。如何在软件和硬件的设计上下功夫并尽量降低功耗,这对于我们来说是一次展现实力的机会。

⸺你们是通过怎样的技术来实现低功耗化的呢?

LTE Cat.M1和NB-IoT中运用了被称为eDRX*2和PSM*3的降低功耗的技术。另外,村田的蜂窝LPWA模块本身也是以追求低功耗为目的而设计的。通过这些技术,可以将待机时的电流消耗降低到3.5μA(典型值),无需更换电池就能实现10到15年的运行*4。

*2 eDRX是extended Discontinuous Reception的缩写。它是一项在待机时降低接收电波的频率,从而实现低功耗化的技术。
*3 PSM是Power Saving Mode的缩写。它是一项通过仅在限定的时间段内接收电波来减少功耗的技术。
*4 以每天发送一次传感器数据的应用为假设

此外,使用时的通信质量和功耗并不是仅由模块本身的好坏来决定的。为使包括通信基础设施在内的系统整体能够顺利运行,模块的调频是极其重要的。村田正在与提供蜂窝LPWA连接服务的运营商密切合作,共同开发通信平台,以在系统层面兼顾高质量通信、高安全级别与低功耗化。

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