成果報告書詳細
管理番号20160000000827
タイトル平成27年度成果報告書 ノーマリーオフコンピューティング基盤技術開発 電子・材料・ナノテクノロジー部実施事業の周辺技術・関連課題における小規模研究開発の実施 位置情報収集システムにおけるノーマリーオフコンピューティング技術の研究開発
公開日2017/1/14
報告書年度2015 - 2015
委託先名株式会社コア
プロジェクト番号P11001
部署名IoT推進部
和文要約件名:平成27年度成果報告書 ノーマリーオフコンピューティグ基盤技術開発/電子・材料ナノテクロジー部実施事業の周辺技術関連課題における小規模研究開発の実施/位置情報収集システムにおけるノーマリーオフコンピューティング技術の研究開発

1.位置情報収集システムのノーマリーオフアーキテクチャの研究開発 (担当:株式会社 コア) 1-1. ハードウェアの問題 既存モニタリングシステムの多くは、センサノードにGPS、無線機、マイクロコントローラ、揮発メモリが搭載されている。マイクロコントローラは非動作時に一律にスリープモードである。また揮発メモリもデータ保持のため給電されている。これは、センサノードの動作頻度を固定とする場合、この構成を選択することが総消費エネルギーの削減に効果的であるからである。しかしこの構成の場合、非稼動時無駄に消費されるスタンバイ電流、データ保持のためだけの消費電流、電源不足時の揮発メモリデータ消失が起きてしまい、課題となっている。上記課題解決のため、センサノード非稼動時に電源遮断を行うパワーゲーティング機構、電源遮断時データ保持する不揮発性メモリ搭載が必要となる。本細目では、GPS、マイクロコントローラ、無線機の電源遮断を可能にすると共に、不揮発性メモリを採用する事でノーマリーオフを実現し、1データあたりのエネルギー効率を1.8倍にする事を目標とした。上記目標を達成する為に、電源遮断回路と不揮発性メモリを搭載した基板の開発を行い、モジュールごとの消費電流の測定を行った結果、平均4.07倍の効率になり、目標であったエネルギー効率1.8倍を大いに上回る結果を得ることが出来た。1-2. ソフトウェアの問題 1回のデータ取得のために、GPS/マイクロコントローラ/無線機/揮発性メモリの電源ON/OFFを行う。しかし、GPSによる位置情報の取得は衛星の位置により時間が異なる為全てのモジュールのON/OFFを同じタイミングで行った場合、電流のロスを発生する事が課題である。本細目では、電源制御を行う各モジュールの電源ONを最適なタイミングで行うための計測と分析を行い、エネルギー効率1.2倍とする事を目標とした。上記目標を達成するため、GPSの電源状態毎に位置測定時間の計測を行い、マイクロコントローラの電源ONタイミングを変更する事で約2.2倍のエネルギー効率を得ることが出来、目標であったエネルギー効率1.2倍を上回る結果を得ることが出来た。2. 位置情報収集システムにおけるノーマリーオフ技術の評価(担当:国立大学法人 東京大学) 2-1. 評価方法の検討 省電力制御と消費エネルギーの関係を評価するために、1.と連携しセンサノードを構成する要素別に電力パラメータを抽出し、それを元に考慮すべき動作モードの状態遷移を定義しつつ、各状態と遷移時間、消費エネルギーをまとめた。また、蓄電池の電力量の増減、ならびに太陽光による発電量を、NEDO日射量データベースを利用してモデル化し、このモデルを用いて以降の評価を行った。2-2. 消費エネルギー評価 対象システムに対して、動作頻度、発電量などが与えられた場合に適切に電力制御を行うアルゴリズムを構築した。評価の結果、同一条件下で期間中の最大サンプリング間隔を最小化しつつ、総サンプリング回数を最大化するアルゴリズムを提案し、既存手法と比較して大幅な改善が可能であることを示した。2-3. 定式化検討 エネルギーモデルと提案省電力アルゴリズムを利用することの効果を定式化した。これを基に、電力消費シミュレーションを行うことで、1.における改良により、提案アルゴリズムを利用しない従来型制御においても、太陽光発電と蓄電池を持つシステムで年間の日射量変動を考慮した際にも、連続稼働を行えることがわかった。本結果より、メンテナンスなしでの連続稼働を実現するために必要な太陽電池パネルサイズと蓄電池容量を最適化することも可能である。
英文要約title:Development of Normally-Off Computing Platform/Small-Scale Development of Materials Technology and Nanotechnology Department projects in a research task/Research and development of Normally-Off Architecture in Positioning System (FY2015-FY2016)Final Report

1. Normally-Off Architecture in Positioning System (CORE CORPORATION)
1-1. Problems of hardware
Much of general monitoring systems has been used a GPS, Radio communication system (RCS), microcontroller (MCU), and volatile memory (VM). These systems has a problem that the time being active becomes shorter for the following two reasons. MCU is sleeping during non-active state with standby current. VM also supplies power to keep data. There is also a problem that VM data is lost when the supplied power is insufficient. We achieved normally-off with using non-volatile memory(NVM), and enable power-gating of GPS, RCS, MCU and NVM, and we set an energy efficiencies 1.8 times per data as a target. As a result, we got an energy efficiency about 4.07 times, our target was achieved.

1-2. Problems of software
We will switching the power supply of the device together each data. But it cannot switch the all devices together because the time necessary to locate information acquisition by GPS is different by the satellite position. Therefore, in such a case, the current consumption is lost. We have set a target of 1.2 times the energy efficiency by optimizing the timing of power-gating. As a result, we got 2.2 times of energy efficiencies and exceeded 1.2 times that we have set.

2. Evaluation of Normally-off technology in Positioning System(The University of Tokyo)
2-1.Study of the evaluation method
We evaluated relationship of power-saving control and energy consumption with 1. We modeled the increase or decrease of electric energy of the storage battery and power generation amount of sunlight, were evaluated in the following by using this model.

2-2. Evaluation of energy consumption
We constructed an algorithm to perform the appropriate power control when operation frequency, power amount, etc. is given. The result of evaluation, we propose an algorithm that maximizes the total sampling number while minimize the maximum sampling interval, and exhibited that the algorithm is possible a significant improvement compared with the existing methods.

2-3. Formulation study
We have formulated the effect of using energy model and the power-saving algorithm which we proposed. By performing the power consumption simulation based on this, we found the system has solar photovoltaics and storage battery can perform continuous operation even taking into account the amount of solar radiation fluctuation in the year by improvement of 1. As a result, it is possible to optimize the solar panel size and storage battery capacity required to achieve the continuous operation without maintenance.
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