屋内測位システム用ビーコンの電源オプション
屋内測位システムのビーコンに給電する方法として推奨するのは、固定の外部電源です。
対象:Super-Beaconには、一般的な AC-USBコンバーターまたはUSB充電器を推奨します。
Industrial Super-Beaconの場合:
- AC-+5Vコンバーターまたは充電器(Industrial Super-Beaconの新しいロット)
- AC-+12Vコンバーターまたは充電器(Industrial Super-Beaconの古いロット)
注意!新しいSuper-Beaconの電源は+5Vで、+12Vではありません。新しいロットのSuper-Beacon(2022年以降の製造)に+12Vを加えると故障します。
当社のコンバーターと充電器は、約110Vと約220Vの両方に対応しています。そのため、欧州、アジア、南北アメリカで手軽にお使いいただけます。ただし、プラグの形状が地域によって異なる点にご注意ください。
プラグ付きのコンバーターもありますが、入力側が裸線になっていて、倉庫や工場の電力網に接続するよう設計されたものもあります。
外部電源を使えば安心でき、システムのほかの面に集中できます。
固定の外部電源の使用を強くお勧めしますが、固定電源を用意できない場合は、各種のバッテリーオプションもご用意しています。ソーラーパネルのような、より特殊な方法が役立つ特別な用途もあります。
電源の種類を詳しく見ていく前に、何に注意すべきか、そしてその理由を説明します。
屋内測位システム用ビーコンへの給電で重要な要素
モデムへの給電は問題になりません
まず、ここではモデムへの給電は扱いません。モデムはほぼ常時稼働しており、通常はスリープしません。ほとんどの場合、コンピューターに接続されています。そのため、給電は通常問題になりません。Modem v5.1のようにUSB接続でUSBから給電されるか、次の製品向けの約220V→+5V(古いロットは+12V)コンバーターで簡単に電源を確保できます:Super-Modem。
RTLSモデムへの給電
固定ビーコン(アンカー)は位置が決まっています。詳しくは次をご覧ください:配置マニュアル。
一見すると、固定ビーコンへの給電は問題にならず、主に考えるべきはモバイルビーコンだと思われるかもしれません。実際、タグのバッテリー寿命が1年、3年、5年とうたうシステムもあります:UWB または BLEシステム…
しかし実際には、ほとんどの場合その逆です:
- 固定ビーコンへの給電は、とにかくコストがかかります:ケーブル、配線、工事、許可、制約
- 固定ビーコンは壁や天井の高い位置に設置されるため、ビーコンの設置、電源の配線、消耗したバッテリーの交換のためにその場所に立ち入るには、特別な許可が必要になることがよくあります。こうした作業は高額になりがちで、制約がある場合はさらに高額になります
- 基本的な約110/220Vの配線 + コンバーターが、最も安価な選択肢になることがあります。PoE は、特にEthernetが不要な場合、高額で過剰な投資になることがあります。固定ビーコン(アンカー)ごとに高額なデータ配線を必要としない方法を探してください。なお、UWBシステムの多くはアンカーにPoEとEthernet接続を必要とし、それが総コストの大部分を占めます。データ通信は無線が適しています。通信は無線 + 電源は基本的な固定電源、という組み合わせをお勧めします
- 固定ビーコンには、避けられない場合を除き、バッテリーはお勧めしません。バッテリーには常にリスクと制約があるためです:(1) 設定をうっかり忘れると、バッテリーが数週間や数か月ではなく数日で切れてしまいます。(2) いずれはバッテリーの交換(非常に好ましくない)か充電(はるかに良い)が必要になり、いずれにしても運用の中断と追加作業の原因になります。(3) バッテリー寿命、バッテリーのコスト、更新レート、到達距離などのバランスを取るため、性能を犠牲にするか妥協しなければなりません。
一方、モバイルビーコンは、通常、ロボット、ドローン、フォークリフトの電源系統から給電されるか、頻繁に(毎日、毎週)充電されます。固定ビーコンと違って手が届きやすく、また人は電話、カメラ、プレーヤー、ライトなどの機器を充電することに慣れているため、さほど抵抗がないからです。
したがって、次の点をはっきり理解しておくことが重要です:モバイルビーコン(タグ)への給電は通常問題になりません。しかし、固定ビーコンへの給電は問題になることがあります。その理由は、配線のコストや制約、あるいは必要なバッテリーのサイズとコスト、そしてそれに伴うバッテリーの交換・廃棄と充電のコストです。
屋内測位用ビーコンの電力消費の仕組み
最近の多くの電子機器と同様に、Marvelmindのビーコンもほとんどの時間スリープしています。ごく短時間だけウェイクアップして処理を行い、エネルギーを節約するためにすぐにスリープに戻ります。
ビーコンの動作はデューティサイクルになっており、消費電力は大きく変動します。アクティブフェーズでは数ミリ秒間比較的大きな電流が流れ、その後スリープフェーズでは数十〜数百ミリ秒間ほぼゼロの電流になります。両モードの消費電流の差は1000:1、あるいはそれ以上です。
典型的な電力消費パターン:
- 低消費電力モードでウェイクアップし、モデムからの無線によるトリガーを待つ
- モデムからの無線信号「タイムリセット」を受信する
- 動作モードに応じて、超音波を発信または受信する
- データを処理する
- 結果のデータを、モデムと、ビーコンに接続された外部ユーザーに送信する
- 次のサイクルの開始までスリープする
まとめると:
- 「平均消費電力」を論じるのは、あまり正確ではありません。言えるのは「指定した位置更新レートとその他の設定における平均消費電力」です
- バッテリー寿命は、何よりも位置更新レートに左右されます。その関係はほぼ線形で、1Hzでは10Hzの場合のほぼ10倍のバッテリー寿命になります
位置更新レートとバッテリー寿命
前述のとおり、ビーコンはほとんどの時間非アクティブです。そのため、1回の位置更新に必要なエネルギーを計算できます。そのエネルギーとバッテリー容量が分かれば、バッテリーが切れるまでに何回の位置更新ができるかを見積もれます。
例:
- バッテリー容量は1Ah
- ビーコンの消費は1 mAs(0.001 A × 1/3600 h)
- バッテリーで可能な位置更新の回数はおよそ:1Ah/1mAs=3 600 000回
- これを、たとえば1Hzまたは8Hzの更新レートで消費できます
- 位置更新レート1Hzの場合:3.6e6/(1*60*60*24)=41日
- 位置更新レート8Hzの場合:3.6e6/(8*60*60*24)=5.1日
ご覧のとおり、その差は歴然です。
実際には、差はこれほど極端ではありません。スリープモードでもゼロではない電流が流れているためです。そのため、スリープ時間が長くなると、スリープ電流が総消費電力に占める割合が大きくなります。バッテリー寿命が1年になると、スリープ時の消費電流がアクティブ時の消費電流を上回ることもあります。
屋内測位用ビーコンの推奨電源オプション
固定ビーコン(アンカー)への給電
固定の外部電源は、確実で信頼性の高い推奨の選択肢です。
- 110V ACと220V ACの両方に対応
- 一般的な+5V USBコンバーターです。同様のUSBコンバーターや、0.5〜1A以上を供給できるUSB充電器でも問題なく動作します
- ビーコン/モデムが固定設置で、AC電源を簡単に確保できる幅広い用途向け
- 通常、最も安価で、推奨度の高い選択肢
- 対応製品:Super-Beacon、Mini-TX、Mini-RX、Beacon-UWB、ウォッチ、ヘルメット、ジャケット、キャップ、Modem v5.1、およびそれぞれの屋外版
- 約110V ACと約220V ACの両方に対応
- 次の製品向けの特別なIP67コンバーターです:産業用ビーコンと Super-Modem
- 産業用ビーコンやSuper-Modemが固定設置で、AC電源を簡単に確保できる幅広い用途向け
- 通常、最も安価で、推奨度の高い選択肢
- すべてのタイプの産業用ビーコンに対応:Super-Beacon、Industrial-RX。Super-Modemにも対応
ロボット、ドローン、フォークリフト上のモバイルビーコンへの給電
ビーコンに外部から給電するための特別な方法:バッテリーを取り外す場合、USBコネクターを交換する場合、4×4ピンから給電する場合。
モバイルビーコンには、外付けのDC-DC電源コンバーターが確実で信頼性の高い推奨の選択肢です:
DC-USBまたはDC-+5V(古いロットは+12V)コンバーター:
- 最大+48V DCの入力電圧に対応
- 出力コネクターは4ピンのIP67コネクターで、次の製品に適合します:Industrial Super-Beacon、Industrial-RX、Super-Modem
- ビーコン/モデムがロボット、ドローン、フォークリフトなどに搭載された移動体で、その車両からDC電源を確保できる幅広い用途向け
- 通常、最も安価で、推奨度の高い選択肢
多くの場合、外部のUSB電源を利用できます。ビーコンにmicro-USBコネクターを接続すれば、電源の供給と、たとえばRaspberry PiやNvidia Jetsonとの間のデータストリームの両方が得られます。
移動体/ドローン/ロボットの搭載電源から外部の+5V(古いロットは+6V〜+15V)を確保できれば、産業用ビーコンやモデムでも同様のことができます。
屋内測位用ビーコンのバッテリー給電
内蔵バッテリーのオプション
Marvelmindのデバイスの大半は、LiPolバッテリーを内蔵しています。通常は3.6Vのセルです。例:
- Super-Beacon:900〜1000mAh、3.6V
- Mini-RX(ヘルメット、ジャケット、キャップ):500〜700mAh、3.6V
- Mini-TX:250mAh、3.6V
外付けバッテリーを追加で備えたデバイスもあります。たとえばヘッドライトには容量の大きい外付けLiPolセルが2個あり、使用するセルに応じて内蔵バッテリーの3〜5倍の容量になります。
ロボットなど、大容量のバッテリーを内蔵したデバイスもあります。Boxieは最大96Whで拡張可能、ロボット v100は740Whで拡張可能です。これらのバッテリーは、ロボットのモーター、電子機器、搭載ビーコンに給電します。
産業用ビーコンにバッテリーが内蔵されていない理由
産業用ビーコンには、あえてバッテリーを内蔵していません:
- このビーコンは、-40 °C〜+60 °Cの拡張温度範囲で動作するよう設計されています(設計上の値であり、試験済みでも保証値でもありません)。しかし、一般的なLiPolバッテリーは0 °C未満では充電できず、修復不能な損傷を受けるおそれがあります。さらに、温度が-20 °C〜-40 °Cまで下がると、バッテリー内の電荷は少なくとも2〜3分の1に低下し、容量が小さくなります
- LiPolバッテリーは優れていますが、システムの中で信頼性の低い部品の一つであり、高品質なバッテリーでも膨張などの厄介なトラブルが起こりえます。これは産業用ビーコンでは特に避けたいことです
屋内位置トラッキング用ビーコンの外付けバッテリーのオプション
Super-Beacon用のUSBモバイルバッテリー
USBモバイルバッテリーは、Super-BeaconなどUSB給電のビーコンのバッテリー寿命を延ばす、シンプルで手軽な方法です。ただし、次の点にご注意ください:
- 多くのUSBモバイルバッテリーは「賢すぎ」て、ビーコンが満充電になり電力が不要になると給電を止めてしまいます。再開するには、モバイルバッテリーを抜き差しするか、ONボタンを押す必要がありますが、たとえばビーコンが高い位置に設置されているとそれはできません。詳しくは動画をご覧ください
- モバイルバッテリーの表示は誤解を招きやすいものです。たとえば10,000mAhという容量が目立つように表示されていても、それは結果として得られる+5Vの容量ではなく、内部の3.6V LiPolバッテリーの容量であることがあります。その場合、総エネルギー容量は10*5 = 50 Whではなく、10*3.6 = 36 Whです。ご注意ください
- 容量を偽って表示しているモバイルバッテリーも少なくありません。15,000mAhと書かれていても、実際の容量は5,000mAhしかないことがあります
- 測定・外挿法で考えると、バッテリー寿命の延長は「外付けバッテリーの容量/内蔵バッテリーの容量」に近くなります。したがって、満充電の10,000mAhモバイルバッテリーがあれば、Super-Beaconを8Hz・デフォルト設定で使用した場合、ビーコンの稼働時間は約10倍、つまり3日から1か月に延びると見込めます。省電力機能を有効にして更新レートを0.5Hzにすれば、同じモバイルバッテリーで1年もつ可能性もあります。ただし、その場合はモバイルバッテリーの自己放電に左右されます。モバイルバッテリーの自己放電による持続時間は、多くの場合それよりずっと短いものです
産業用ビーコン用のIP67外付けバッテリー
外付けの Battery-3.7V-15Ah-IP67 は、産業用ビーコンとSuper-Beacon向けのシンプルなバッテリー給電オプションです。デフォルト設定と8Hzの更新レートで、内蔵バッテリーの約15倍の稼働時間が得られます(モードとサブマップのサイズによって異なります)。設定を変え、更新レートを下げれば、必要に応じて1年もたせることもできます。
外付けの Battery-3.7V-15Ah-IP67 は、次の充電器で充電できます:Charger-3.7V-3A-IP67。
大容量LiPolバッテリーのカスタムオプション
どうしてもバッテリーが必要なお客様には、カスタムの外付けLiPolバッテリーをご用意しています。容量、電圧、サイズは文字どおり自由に選べます。バッテリー寿命1年が必要ですか?問題ありません。5年でも問題ありません。
オプション:
- LiPolセル 3.6V、43Ah – Super-Beaconで最大1〜2年
- より小さい・大きい容量、別の形状や実装の同様のオプションもご要望に応じて対応します
屋内測位用ビーコンのバッテリー寿命の見積もり
数式によるバッテリー寿命の計算
バッテリー寿命を数式で計算することは可能ですが、次の理由からかなり困難です:
- 変動する要素が多い
- 実際の消費電力は、電流値も時間も正確には分からないパルスの集まりなので、不確かさが大きい
- 最終的に支配的になりうる要因を見落とすリスクが高すぎる:バッテリーのリーク電流、文書化されていないサージ電流、温度による消費電流と実際のバッテリー容量への影響など
さらに、純粋な数式による計算では不確かさが残りすぎるため、結果の妥当性を確かめるには実際に測定する必要があります。
消費電力の測定
サイクルの各要素の消費電流を測定して積分することもできます。可能ではありますが難しく、次の理由から信頼性もそれほど高くありません:
- 同じサイクル内で1,000 mAと0.1 μAを測定するのは容易ではありません。パルスは1ミリ秒程度、場合によってはそれ以下の短さです
- 温度の違いや複数の動作モードによる不確かさが大きい
- 測定機器そのものが実際の消費電力を変えてしまうことがある
測定・外挿法
実務上は、根底にある物理を踏まえたうえで、実際のバッテリー寿命を測定して外挿する方法が適しています:
- 見積もれるのは、指定した設定における1点です。設定や動作モードが変われば、別の計算が必要です
- たとえば、1Ahの内蔵バッテリーでビーコンが3日間(72時間)動作したなら、10Ahのバッテリーでは30日間動作すると、かなりの確度で言えます
- ビーコンが8Hzで3日間動作した場合、1Hzでの予想バッテリー寿命は24日弱になります(省電力機能の影響を受ける点にご注意ください。安定性や精度を高めるために省電力機能を無効にする場合もあり、その場合は更新レートを8Hzから1Hzに下げても、ほとんど差が出ないことがあります)
屋内測位システムのバッテリー寿命に影響するその他の要因
バッテリー寿命にはいくつかの要因が影響します。最も影響の大きい位置更新レートについては、すでに説明しました。そのほかには:
- サブマップのサイズ。距離が大きいほど、システムは長く超音波を聴き取る必要があり、処理するデータも多くなります。そのため、1サイクルあたりの電流が流れる時間が長くなります。30mの大きなサブマップで更新レートを可能な限り高くした場合など、ビーコンがまったくスリープしないこともあります
- 無線プロファイル。ボーレートが低いほど(たとえば500 kbpsより38 kbpsのほうが)、無線のオン時間が長くなり、消費エネルギーが増えます。到達距離と干渉耐性を重視するなら38kbpsの無線プロファイル、バッテリーを重視するなら500kbpsの無線プロファイルが適しています
- 動作モード。超音波を発信するビーコンでは、ごく短い(1ms)ものの大きなピークが生じますが、その後はサイクル全体から見て非常に長い時間スリープします。超音波を受信するビーコンには大電力のピークはありませんが、超音波を聴き取ってデジタル処理する時間(100ms)が、発信するビーコンよりもかなり長くなります。そのため、サイクル全体の総消費電力はかえって大きくなることがあります
- 温度。ビーコンは-20 °Cまで動作できますが、温度が0 °Cを超えるまでは充電しないでください。氷点下ではバッテリー容量が2〜3分の1、場合によってはそれ以下に低下します
上級ユーザー向けの特別な給電方法
4×4ピンからのSuper-Beaconへの給電
- 4×4ピンのバッテリーピンは、本来、内蔵バッテリーから外部デバイスに給電するためのものです。ただし、以下の項目の内容を理解し、要件を満たしていれば、ビーコンに給電することもできます
- このピンは内蔵の3.7V LiPolバッテリーに直結しています。つまり、たとえばこのピンに+5Vをそのまま加えることはできません。バッテリーが壊れ、LiPolバッテリーの発火という深刻な事態を招くおそれがあります
- このピンには、3.7V LiPolバッテリー充電器を接続するか、外付けLiPolバッテリーを接続します。接続する時点で、バッテリーは内蔵バッテリーとほぼ同じ電圧になっている必要があります。たとえば、内蔵バッテリーが3.6Vで外付けバッテリーが3.7Vなら問題ありません。しかし、内蔵が3.2Vで外付けが4.2Vの場合は不可です。内蔵バッテリーに急激な負荷がかかり、急速な劣化や充電中の過熱などにつながるおそれがあります。
- 内蔵バッテリーを完全に切り離すこともできます。慎重にはんだを外すか、ショートさせないよう配線を1本ずつ切断してください。この場合、内蔵バッテリーはなくなりますが、ピーク電流1A以上を供給できる外部電源から3.7〜5.5Vを供給できます
その他の関連リンク: