ZigBee センサーネットワークに対する マイクロ波無線電力供給システム

社団法人 電子情報通信学会
THE INSTITUTE OF ELECTRONICS,
INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS
信学技報
TECHNICAL REPORT OF IEICE
SPS2009-12 (2010-03)
ZigBee センサーネットワークに対する
マイクロ波無線電力供給システムの研究開発
鈴木 望†
三谷 友彦†
†京都大学生存圏研究所 〒611-0011 京都府宇治市五ヶ庄
E-mail:
†{n-suzuki, mitani}@rish.kyoto-u.ac.jp
あらまし センサーネットワークのバッテリー交換にかかるコストを解消するために，マイクロ波無線電力伝送
を行うことによるバッテリーレスまたは遠距離から無線での充電が可能なワイヤレスネットワークの実現を目指
す．本研究では低消費電力で駆動する無線通信規格である ZigBee をセンサーネットワークとして用いる．まず送
電に用いる周波数を決定するため電波を照射した状態での ZigBee 通信実験を行った．また，整流回路と DC-DC
コンバータで構成されるマイクロ波受電回路を用いて，マイクロ波電力による ZigBee の動作実験を行った．
キーワード マイクロ波無線電力伝送，ZigBee，整流回路，DC-DC コンバータ
Study and Development of Microwave Power Transmission System
for ZigBee Sensor Network
Nozomu SUZUKI†
Tomohiko MITANI†
†Research Institute for Sustainable Humanosphere, Kyoto University Gokashoo, Uji-shi, Kyoto, 611-0011 Japan
E-mail:
Abstract
†{n-suzuki, mitani}@rish.kyoto-u.ac.jp
Battery maintenance cost is an important problem for spreading a wireless sensor network. The objective of the
present study is realization of the a “battery-less” or ”wireless-charging” wireless sensor network by using microwave
power transmission. In this study, we firstly performed a communication test between ZigBees under continuous
microwave irradiation. Then, we conducted microwave power transmission experiments for driving a ZigBee by using the
microwave receiving system which consists of a rectifier circuit and a DC-DC converter.
Keyword Microwave power transmission, ZigBee, Full-wave rectifier circuit, DC-DC converter
本研究の目的は，マイクロ波による無線電力伝送に
1. 研 究 背 景 ・ 目 的
現在，センサーネットワークは様々な用途において
よってノードの電源を確保することでバッテリーレス
注目されており，例を挙げるとビルの空調やセキュリ
または遠距離からの充電を可能としたメンテナンスフ
ティなどの管理システム等に応用されている．しかし
リーに近いセンサーネットワークの開発である．この
有線通信を使ったシステムの場合，センサーノード本
技術は海上など電源の確保が困難な場所におけるセン
体のコストより配線にかかるコストの方が高い．そこ
サーネットワークの運用の他，災害時などの緊急時の
で通信を無線にすることで設置コストを抑え，また配
状況確認などにも応用が期待される．また，普段は使
置の変更も有線よりはるかに低コストで行うことがで
用しないセンサーに対してマイクロ波を照射し電力を
きる．また，電源ケーブルも廃止してバッテリー式に
供給することで一時的にセンサーを動作させることが
することで更なる低コスト化，および電源の供給が難
でき，定期的な検査等にも応用が可能である．本研究
し い 場 所 で の 運 用 も 可 能 と な る [1]．し か し ，多 く の ノ
で は 低 消 費 電 力 の 無 線 通 信 規 格 で あ る ZigBee を 用 い
ードを持つ大規模なワイヤレスセンサーネットワーク
て ZigBee セ ン サ ー ネ ッ ト ワ ー ク に 対 す る マ イ ク ロ 波
においては各々の機器に対して定期的にバッテリーの
無線電力供給システムの開発を目指す．
交換が必要なってしまい，イニシャルコストは抑える
ことができてもランニングコストが大きくなる．
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7)
2. ZigBee に つ い て
3. 送 受 電 シ ス テ ム の 構 成
ZigBee は 通 信 距 離 と 通 信 速 度 を 抑 え る こ と で 低 コ
ZigBee に 接 続 す る マ イ ク ロ 波 電 力 供 給 シ ス テ ム の
ス ト ，低 消 費 電 力 を 目 指 し た IEEE802.15.4 規 格 で あ る ．
概略図を図 2 に示す．送電されたマイクロ波をレクテ
IEEE802.15.4 で 定 め ら れ た 周 波 数 帯 は 868MHz ，
ナにより直流の電力に変換して蓄電回路に溜めておき，
915MHz， 2.4GHz の 3 種 類 あ り ， 本 研 究 で は 日 本 で 唯
マイクロ波による給電が途切れたり不安定になった際
一 認 め ら れ て い る 2.4GHz 帯 の み を 取 り 扱 う ． 変 調 方
に は 蓄 電 回 路 か ら 電 力 を 供 給 し ZigBee を 動 作 さ せ る ．
式 は O-QPSK，拡 散 方 式 は DSSS を 用 い て い る ．ZigBee
DC-DC コ ン バ ー タ は 電 圧 を 一 定 に す る た め に 用 い る ．
の ノ ー ド に は ネ ッ ト ワ ー ク 全 体 を 制 御 す る ZC，ネ ッ ト
蓄電回路は必要に応じて使用し，バッテリーレスの実
ワ ー ク の 中 継 を す る ZR， ネ ッ ト ワ ー ク の 末 端 と な る
現も同時に目指す．
ZED の 3 種 類 の ノ ー ド が あ り ， 各 ノ ー ド は ZR を 中 継
本 研 究 で は 主 に 受 電 ア ン テ ナ お よ び RF-DC 整 流 回
し て ZC ま で 情 報 を 送 る ． こ の マ ル チ ホ ッ プ ・ ネ ッ ト
路のレクテナ部分を設計し，必要に応じて蓄電回路の
ワークを形成することで通信可能距離を確保しつつ消
設 計 も 行 う ． DC-DC コ ン バ ー タ に は 現 在 NTT 社 製 の
費 電 力 を 抑 え て い る ． ノ ー ド の 電 源 を ON に し た 時 な
昇 圧 コ ン バ ー タ を 使 用 し て い る が ， 自 作 の DC-DC コ
どネットワークを構成する際には自動的に各ノードは
ンバータの使用も検討している．受電アンテナには有
最 も 近 い ZR ノ ー ド を 中 継 地 点 に 設 定 す る ． ま た ， 中
効開口面積が大きく生産性に優れたパッチアンテナを
継 地 点 と し て 働 い て い た ZR が 何 ら か の 理 由 で 通 信 が
使用する．
行えなくなった際にも自動的に別の通信ルートを検索
無 線 電 力 伝 送 に 用 い る 周 波 数 は ISM バ ン ド で あ る
し ，ZC と の 通 信 を 確 保 す る 機 能 も 持 っ て い る ．ZigBee
2.45GHz 付 近 を 想 定 し て い る ．し か し ，ZigBee の 通 信
に は 図 1 に 示 す よ う な 16 の チ ャ ネ ル が 設 定 さ れ て お り ，
に 用 い る 周 波 数 も 同 じ 2.4GHz 帯 で あ る た め ， 状 況 に
各 チ ャ ネ ル の 中 心 周 波 数 は 2405MHz か ら 2480MHz ま
よっては送電マイクロ波により通信が正常に行えなく
で 5MHz 刻 み に 存 在 し ，チ ャ ネ ル 幅 は 2MHz で あ る [1]．
なるという問題が生じる．この問題を回避するには
本 研 究 で 使 用 す る NEC 社 製 の ZB24FM-Z に は 温 度
5.8GHz を 使 っ て 送 電 す る こ と も 有 効 と 考 え ら れ る が ，
センサーが取り付けられており，各ノードは設定した
一つの機器に二つの周波数帯を使用することは周波数
一定時間ごとに気温のデータをパソコンに接続した
の 有 効 利 用 の 観 点 か ら 望 ま し く な い た め ， 2.45GHz 帯
ZC に 送 信 す る 仕 様 と な っ て い る ．パ ソ コ ン に よ り 現 在
の使用を中心に研究を進める．
のネットワーク形態の確認も可能である．
現在，マイクロ波を送電する方式として以下の方法
を構想している．
1.
常 に マ イ ク ロ 波 を 送 電 し 続 け ，通 信 と 給 電 を 同
時に行う．
2.
一 部 の ノ ー ド に マ イ ク ロ 波 を 送 電 し ，給 電 中 は
通 信 を 行 わ な い ．マ イ ク ロ 波 を 受 電 し て い な い
ノードは蓄電した電力により通信を行う．
1.の 方 法 に お い て は 前 述 の よ う に 通 信 と 送 電 用 マ イ ク
ロ波を共存させる必要があり，送電電力には制限があ
図 1： ZigBee の チ ャ ネ ル
る ．2.の 方 法 は ZR が 通 信 を 行 え な く な る と 別 の ZR を
経 由 し て 再 度 ネ ッ ト ワ ー ク を 構 成 す る ZigBee の 特 徴
を利用したもので，充電中のノードは通信を行わない
前 提 の た め 送 電 用 マ イ ク ロ 波 の 電 力 密 度 の 上 限 が 1.の
方法に比べて大きくなる．
図 2：ZigBee に 接 続 す る マ イ ク ロ 波 受 電 シ ス テ ム の 概 略 図
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7)
4. 連 続 マ イ ク ロ 波 照 射 環 境 下 に お け る ZigBee
5. ZigBee の 消 費 電 力 の 測 定
ZigBee(ZED) の 入 力 端 の 電 圧 ， お よ び 入 力 端 に 直 列
通信実験
電力伝送に用いる適切な周波数を定めるために，図
に繋いだシャント抵抗の電圧から電流を測定し，ノー
3 に示す実験装置を用いて外部からマイクロ波を照射
ド の 消 費 電 力 を 測 定 し た ．ノ ー ド の 構 造 上 ZigBee 部 分
し た 際 に ZigBee 間 で 通 信 が 行 え な く な る マ イ ク ロ 波
だ け の 消 費 電 力 を 測 定 す る こ と は 難 し い た め ， ZigBee
電力密度を様々な周波数に対して 5 回繰り返し測定し
と温度センサーおよび制御部分を合わせたノード全体
た ．送 信 ア ン テ ナ に は 利 得 15.9dB の 矩 形 ホ ー ン ア ン テ
の消費電力を測定した．電圧の測定にはオシロスコー
ナ を 使 用 し ， ZigBee（ ZED） と の 距 離 を 2m と し た ．
プを使い，電圧波形および電流波形より消費電力を求
この時通信に使用したチャネル中心周波数は
め た ． 図 5(a)の よ う な ネ ッ ト ワ ー ク 構 成 で 通 信 間 隔 を
2405MHz，通 信 頻 度 は 5s 毎 で あ る ．実 験 の 結 果 を 図 4
5s と し た と き ，図 6(a)の よ う な 電 流 波 形 が 測 定 さ れ た ．
に示す．なお，グラフ中の点線はマイクロ波増幅器の
ま た ，ネ ッ ト ワ ー ク 構 成 を 図 5(b)，(c)の よ う に 変 更 し
最大出力に対応する電力密度であり，それより上の実
た 場 合 ， お よ び 図 5(a)の ネ ッ ト ワ ー ク 構 成 で 通 信 間 隔
測点は少なくともその電力密度では通信が途切れなか
を 30s に 変 更 し た 場 合 で も 同 様 の 電 流 波 形 が 得 ら れ た ．
ったことを示している．測定ごとに値が大きく異なっ
ZB24FM-Z の 仕 様 書 に よ る と 待 機 時 の 電 流 は 20μ A と
たものの，かなり弱い外部電波出力で通信不能となる
あ る が ，こ の 値 は ZigBee 部 分 の 電 流 で あ り ，実 際 に は
周波数と比較的通信を阻害しない周波数があることが
センサーおよび制御部分でより大きな電力を消費して
わ か っ た ．し か し ，ZigBee の 通 信 規 格 で 定 め ら れ た チ
い る と 思 わ れ る ．図 6(a)に 示 し た よ う に ZED の 動 作 状
ャネルと比較してもそれらの規則性は見られなかった．
態の時間は待機状態の時間に比べ非常に短いため，時
こ の 結 果 よ り 2.4575GHz，2.8GHz を 電 力 伝 送 用 の 電 波
間 平 均 を 取 る と 67.7mW と 待 機 時 の 消 費 電 力 と ほ と ん
の周波数とした場合には他の周波数に比べ比較的高い
ど変わらない．この特性により動作時の消費電力がよ
1000mW/m 前 後 の 電 力 密 度 で 送 電 で き る こ と に な る
り大きい，また通信の頻度がより多い異なる機種の
た め ，暫 定 的 に 2.4575GHz を 使 用 す る も の と し て 研 究
ZigBee に お い て も 平 均 消 費 電 力 に 大 き な 差 は な い と
を進める．
考えられる．
2
次 に 図 5(d)の よ う な ネ ッ ト ワ ー ク 構 成 で ZigBee(ZR)
の 消 費 電 力 を 同 様 に 測 定 し た と こ ろ ， 図 6(b)の よ う な
電 流 波 形 が 得 ら れ た ．ZR は 動 作 状 態 の 時 間 が 非 常 に 長
く ZED よ り も 消 費 電 力 が 大 き い た め ， 当 面 は ZED を
マイクロ波無線電力伝送により動作させること目的と
する．
図 3： 連 続 マ イ ク ロ 波 照 射 環 境 下 に お け る
ZigBee 通 信 の 概 略 図
図 5： 消 費 電 力 測 定 時 の ZigBee ネ ッ ト ワ ー ク 構 成
図 4： ZigBee が 通 信 不 可 能 と な っ た 連 続 マ イ ク ロ 波 電 力
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用 い る 必 要 が あ る ．こ れ に 伴 い ダ イ オ ー ド に Avago 社
製 HSMS-2824 を 使 っ た 場 合 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行
っ た ．こ れ は HSMS-2864 に 比 べ て 抵 抗 は 同 じ だ が ブ レ
ー ク ダ ウ ン 電 圧 が 倍 以 上 高 く ，C j 0 や I s の 値 が 大 き い と
い う 特 性 を 持 つ ．シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 を 図 11 に 示 す ．
こ の ダ イ オ ー ド を 用 い た 際 に は 300mW を 入 力 し て も
ブレークダウンすること無く整流が行えたが効率は
HSMS-2864 使 用 時 と 比 べ 数 ％ 低 下 し て し ま い ，ま た 低
電力での効率は著しく低下した．これらの結果より
60mW 以 下 程 度 の 低 電 力 の 整 流 に は HSMS-2864 が ，そ
れ 以 上 の 電 力 の 整 流 に は HSMS-2824 が 適 し て い る と
言える．
図 6： ZED お よ び ZR の 消 費 電 力 の 測 定 結 果 の 概 略 図
6. 整 流 回 路
アンテナによって受け取ったマイクロ波を整流す
る回路を作製した．製作した整流回路の概要を図 7 に
示 す ．こ の 回 路 は 1/4 波 長 線 路 ，ダ イ オ ー ド ，DC カ ッ
図 7： 整 流 回 路 の 概 略 図
トコンデンサ，および平滑コンデンサより成る全波整
流 回 路 で ， 理 想 的 な 条 件 で は 効 率 は 100％ と な る が 現
実においては主にダイオードにより消費される電力で
損 失 が 生 じ る [2]．実 際 に は 図 8 の よ う に ダ イ オ ー ド と
DC カ ッ ト コ ン デ ン サ の 間 に イ ン ピ ー ダ ン ス 整 合 ス タ
ブ を 挿 入 し て い る ．使 用 し た ダ イ オ ー ド は Avago 社 製
HSMS-2864 で あ る ． こ の 整 流 回 路 の 適 正 出 力 負 荷 は
NTT 社 製 DC-DC コ ン バ ー タ に 合 わ せ て 30Ω と し て 設
計 し ，シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 上 に お い て は 効 率 60％ 程 で あ
った．
こ の 回 路 の 入 力 電 力 -効 率 特 性 を 図 9 に 示 す ．こ の と
き の 負 荷 抵 抗 は 適 正 出 力 負 荷 の 30Ω で あ る ． 効 率 は
45％ を 達 成 し た が ， DC-DC コ ン バ ー タ の 効 率 を 75％
図 8： 試 作 し た 整 流 回 路 の 写 真
と す る と 総 合 効 率 は 30％ と な っ て し ま い ，ZigBee の 消
費 電 力 を 供 給 し 続 け る に は 210mW も の マ イ ク ロ 波 電
力が必要となってしまう．整流回路の効率向上のため
には昇圧コンバータではなく降圧コンバータを使用，
ま た は DC-DC コ ン バ ー タ で は な く 蓄 電 池 や 蓄 電 回 路
を整流回路に接続することで整流回路の出力負荷を大
きくし，ダイオードによる電力損失を抑えることが有
効 で あ る ．図 10 は 適 正 出 力 負 荷 を 150Ω と し て 設 計 し
た整流回路のシミュレーションにおける効率特性であ
る ． 80%の 効 率 が 得 ら れ た が 負 荷 が 高 く な っ た 分 出 力
電 圧 が 高 く な っ て し ま い ，入 力 電 力 75mW 程 で ダ イ オ
図 9： 試 作 整 流 回 路 の RF-DC 変 換 効 率 の 測 定 結 果
ードがブレークダウンを起こしてしまい整流可能電力
(出 力 負 荷 30Ω )
が小さくなってしまっている．変換効率を考慮すると
ZigBee の 消 費 電 力 を 整 流 す る に は 複 数 の 整 流 回 路 を
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7)
図 12： マ イ ク ロ 波 電 力 供 給 ZigBee の 動 作 実 験
表 1： DC-DC コ ン バ ー タ を 整 流 回 路 に 接 続 し た 際 の 動 作
図 10： 適 正 負 荷 を 150Ω に し た 場 合 の
整流回路シミュレーション結果
8. 今 後 の 課 題
ま ず は 整 流 回 路 に よ っ て ZigBee を 動 作 さ せ る こ と
が 必 要 不 可 欠 で あ る た め ，ZigBee の 駆 動 に 十 分 な 電 力
を供給する整流回路を開発する．また，実際の運用に
おいては送電電力に限界があることや送電効率を考慮
図 11：HSMS-2824 使 用 時 の 整 流 回 路 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果
す る と ，ZigBee の 通 信 待 機 時 に 受 電 し た 余 剰 な 電 力 を
キャパシタ等に充電しておき通信時に必要な電力とす
7. 整 流 回 路 と DC-DC コ ン バ ー タ を 接 続 し た
ることが有効であると思われるため，蓄電池を使用し
た 動 作 も 試 み る ．ZigBee の 動 作 が 確 認 さ れ た 後 に 無 線
ZigBee 動 作 実 験
電 力 伝 送 に よ っ て ZigBee を 動 作 さ せ る 送 受 電 シ ス テ
図 12 の よ う に 整 流 回 路 に DC-DC コ ン バ ー タ を 接 続
ム の 構 築 を し ，シ ス テ ム 全 体 の 効 率 の 向 上 に 取 り 組 む ．
し，シグナルジェネレータを用いて有線によりマイク
ロ 波 電 力 を 入 力 し ZigBee の 動 作 実 験 を 行 っ た と こ ろ ，
また，蓄電池ではなくキャパシタを用いた蓄電回路
最 大 整 流 可 能 電 力 を 入 力 し て も ZigBee を 動 作 さ せ る
を使用したシステムの作成も行う．蓄電回路の利点と
こ と は で き な か っ た ．こ れ は ZigBee の 起 動 時 に は 平 均
して蓄電池より製作コストおよび素子のサイズが押さ
消費電力より大きな電力を必要とするため十分な電力
えられる，放電と充電を繰り返しても品質が劣化しに
を供給できなかったことが原因と考えられる．整流回
くい等が挙げられる．
路 の 効 率 ，お よ び 整 流 可 能 電 力 を 大 き く す る と RF-DC
十分な電力を受け取るためには受電アンテナであ
整 流 電 力 に よ る ZigBee の 動 作 が 可 能 に な る と 思 わ れ
るパッチアンテナを複数個使用して受電可能な面積を
る．
大きくする必要があるが，その際には電力を結合して
図 12 に お い て ZigBee の 代 わ り に 電 子 負 荷 を DC-DC
整流回路に入力する，またはそれぞれのアンテナに整
コンバータに接続して電力を入力し，ある電力を入力
流回路を取り付けて整流した後に電力を結合すると言
し た 際 に DC-DC コ ン バ ー タ が 定 格 出 力 電 圧 の 4.07V
うどちらかの方法を採ることになる．しかし，これは
を出力する負荷抵抗，およびその時の総合効率を測定
整流回路の効率が下がることになってしまうため，今
した．測定結果を表 1 に示す．入力電力が大きいほど
後はその最終的な変換効率を考慮して使用する回路を
DC-DC コ ン バ ー タ が 正 常 に 動 作 す る 負 荷 抵 抗 が 小 さ
決定する．
く な る が ，待 機 時 に お け る ZigBee の 入 力 イ ン ピ ー ダ ン
文
ス は 130Ω 程 な の で 回 路 が 整 流 可 能 な 範 囲 で は 正 常 な
献
[1] 鄭 立 ，ZigBee 開 発 ハ ン ド ブ ッ ク ，株 式 会 社 リ ッ ク
テレコム，東京
[2] 橋 谷 真 紀 ，建 物 内 無 線 配 電 シ ス テ ム の た め の 大 電
力レクテナの高効率化に関する研究，京都大学，
2007
DC-DC コ ン バ ー タ の 動 作 が 見 込 め な い ．こ の こ と か ら
も 図 12 の 接 続 に よ る ZigBee の 動 作 は 不 適 で あ る こ と
がわかり，主に出力インピーダンスに着目した回路設
計が必要である．
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