低電力ビーコンとは一体何でしょうか？
2.4GHz帯で1秒ごとに咳払いをし、残りの1秒間は居眠りするマッチ箱を想像してみてください。このマッチ箱こそが低電力ビーコンです。Bluetooth Low Energy（BLE）無線技術で、マイクロアンペアの電力を消費するように設計されているため、コイン型電池は接続されたデバイスよりも長持ちします。ビーコンは数バイトのID情報のみをブロードキャストし、ペアリングもストリーミングもWi-Fi接続の要求も行いません。その唯一の目的は、「私はここにいます」と知らせ、エコーが消える前に眠りに落ちることです。
マイクロアンペアの物理
CR2032電池は約220mAhを蓄えます。3Vでは660mWhです。スリープ中に5µA、毎秒5msごとに8mAを消費するビーコンは、1日あたり約60µWhを消費します。計算すると12年となり、これはほとんどのパレット、タグ、または小売用什器の減価償却年数よりも長くなります。秘訣は、無線を99.98%の時間オフにし、アンテナが鳴るだけの時間だけオンにすることです。
スリープ戦略：ディープスリープ、シャロースリープ、オポチュニスティックスリープ
ディープスリープでは、アドバタイジングインターバルごとにコアを起動する32kHz RTC以外のすべての機能を停止します。シャロースリープでは、無線のフロントエンドに電力が供給されたままなので、2msではなく50µsで起動できます。これは、インターバルが予測できない場合に便利です。オポチュニスティックスリープでは、数ミリ秒の時間を無駄にすることができます。加速度計が動きを感知すると、ビーコンはさらに3パケット分起動状態を維持し、その後再び暗闇に戻ります。その結果、環境に逆らうのではなく、環境と調和するデューティサイクルが実現します。
エネルギーハーベスティングの相棒
蛍光灯の下に設置された太陽光発電ストリップは、10µW/cm²のエネルギーを収集できます。これは、ビーコンを5秒ごとに無期限にアドバタイズし続けるのに十分な量です。倉庫のベルトコンベアに取り付けられた振動ハーベスターは、8Gの衝撃を100µWのバーストに変換し、100µFのスーパーキャパシタに充電します。このスーパーキャパシタは、静かな夜に無線を支えます。バッテリーは燃料タンクではなくバッファとなり、交換の手間をゼロに減らします。
アンテナの錬金術：苦労せずにゲインを上げる
高Q値FR4にエッチングされた蛇行したPCBアンテナは、8×12mmの面積で+2dBiのゲインを得ることができます。このゲイン増加は、同じ範囲で送信電流を25%削減することを意味します。超低消費電力設計では、エンジニアはアンテナトレースを共振からわずかにずらしてバイアスすることで、PAが0dBmではなく-8dBmのみを出力できるようにします。これにより、10mの通信距離を犠牲にすることなく、ピーク電流を8mAから3mAに削減できます。
セキュリティも眠らない
ローリング識別子は15分ごとに更新されます。キーは、64ビットの工場出荷時ヒューズをシードとする一方向性関数から生成されます。CPUは99%の時間オフになっているため、攻撃者は電力解析プローブでデバイスを調査できません。無線は単に調査のために存在していないからです。無線アップデートはECDSAで署名され、200バイトに圧縮されるため、無線が起動している時間は3ミリ秒未満、つまりクーロンカウンタのわずかな変化で済みます。
現実世界のささやき
5万席のスタジアムでは、10秒ごとに広告を送信する太陽光アシストビーコンがすべての座席に取り付けられています。 1シーズンで消費される累積電力は、LED投光器1個分の電力よりも少ない。コールドチェーン倉庫では、温度記録ビーコンは寿命の99.9%を冷蔵トラック内で休止状態とし、ドアが開いて32バイトのペイロードを送信する場合にのみ起動し、その後再び休止状態となる。同じバッテリーは、トラックの3年間のリース期間中、完全に稼働し続ける。
今後の展望：メンテナンスフリーに向けて
リサイクル可能な段ボールに印刷されたアンテナ、空調システムの振動からマイクロワットを回収するMEMSエネルギーハーベスター、そしてBluetooth 6.0のチャンネルサウンディングにより、デューティサイクルを0.01%未満に保ちながら、精度をセンチメートル単位まで高めることができる。未来のビーコンは、出荷時に収められた封筒の中で生まれ、生き、そして消滅する。それは、建物が取り壊されると同時に静かに姿を消す、儚い灯台のようなものだ。
結論：長いささやき
低消費電力ビーコンは、情報が伝わるのに量ではなく忍耐が必要であることを証明している。時間を延長し、ワット数を絞り出すことで、マイクロアンペアを年数へと変換し、電源コードを必要とせずに物理世界を検索できるようにします。より大きく、より速く、より明るく、より大きくという文化に溺れる文化の中で、これらの小さなラジオは静かな約束を提供します。電池がついにその名前を忘れたとしても、私たちはまだここにいて、ささやき続けているでしょう。
