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さくらのIoT

IoTシステム開発は「試作」と「量産」の2段階で行います。多くのIoTデバイスは過酷な環境で使用されることが想定されるため、量産後に致命的な問題が出てこないように、試作段階で検証を入念に行う必要があります。IoTデバイスはモノが主役となるため、インターネットに接続されるすべてのモノを示します。

IoTデバイスの定義と特性

IoTデバイスの定義はモノがインターネットに接続される時に用いられるコンピュータのことです。ここで言うモノとはインターネットに接続されると面白いアイディアが新たに実現できそうなモノと理解すると良いです。IoTの代表例として挙げられるキーワードは「ホームIoT」「デジタル家電」「装身具(ウェアラブルデバイス)」「スマートスピーカー」「医療器具(ヘルスケア)」「コネクテッド・カー」などが存在します。扱う範囲が「モノ」に限定されているIoTだけではなく、これからは様々なサービスを通じて「すべてのインターネット」の意味を持つIoE(Internet of Everything)が「コト」「人」「データ」「プロセス」も含まれる総合的な観点でIT化を突き詰め、森羅万象(EveryThing)のインターネット化が進むでしょう。

IoTデバイスとは

IoTデバイスとはインターネットに接続された機器のことで、言い換えればインターネットに接続される全てのモノを示します。IoTデバイスを実現するための要素としては、身近な温度を測定したりする制御装置をエンドデバイスを道具として活用し、実態はCPUでセンサーなどを制御する組み込みシステムなどを示します。クライアントサイドで利用されている大まかな種類は「センサモジュール」「マイクロコントローラー」「シングルボードコンピュータ」などが存在します。またこれらを搭載したプロトタイピングのために用いられる「基板」も存在し、製品化をする際に同様のものが利用されていることも増えてきています。サーバサイドでは「IoTゲートウェイ」がハードウェアで該当します。ソフトウェアでは「プログラミング」「ファームウェア」がキーワードとして多く出てきます。IoT開発はハードウェアに該当するIoTデバイスをもとにソフトウェアと連携をすることを総合的に取り組みます。

センサモジュール

IoTデバイスの「五感(人間の視覚、聴覚、触覚、嗅覚、味覚のような働き)(センシング)」を担う装置がセンサーです。IoTデバイスはセンサーから入力情報に基づいてしかるべき処理を行います。センサーの種類は多種対応であり、全て網羅して説明することは非常に困難です。人間の五感の認識能力の範囲を超えた情報を認識できるセンサーも数多く存在しています。

項目 説明
温度センサー
湿度センサー
温度湿度を計測する。両方検知できる「温湿度センサー」も存在する。
超音波センサー 超音波を対象物に当てて距離を測る
イメージセンサー
(カメラ)
光の明暗に反応する、人間の「視覚」に相当する
音センサー
(マイクロフォン)
音に反応する、人間の「聴覚」に相当する。
圧力センサー 圧力に反応する、人間の「触覚」に相当する
臭気センサー 臭いに反応する、人間の「嗅覚」に相当する
加速度&
ジャイロセンサー
傾き加速度に反応する
GPSセンサー 人工衛星からのGPS信号を受信する

マイクロコントローラー

マイクロコントローラー(マイコン)は組込機器を制御するIC(集積回路)です。外見は正方形や長方形の胴体から多くの足が出ているような形状をしています。主な構成要素は「CPUコア」「メモリ領域」「周辺回路」「タイマー」となります。

項目 説明
CPUコア
(CPU core)
マイコンの中核(core)に相当する「中央演算処理装置」
CPU(Central Processing Unit)
メモリ領域
プログラム領域(ROM)
プログラムロジック(処理)を格納するための領域。プログラム実行中に変化しないため、読み込み専用のROM(Read Only Memory)に書き込まれる。
メモリ領域
データ領域(RAM)
可変データを格納するための領域。プログラム実行中に変化するため、読み書きできるRAM(Random Access Memory)に書き込まれる。電源オフ後も維持する必要があるデータは不揮発性のSRAM(Static RAM)に格納される。
周辺回路 マイコンの入出力などの周辺機能を相当する回路を指す。
  • A/Dコンバータ(Analog to Digital Converter)
  • D/Aコンバータ(Digital to Analog Converter)
  • PWM(Pulse Width Modulation)
  • RTC(Real Time Clock)
  • GPIO(General Purpose I/O)
  • UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)
タイマー 経過時間や一定周期に応じて処理を
定期的に実行するための仕組み
  • ユーザーが設定するタイマー
  • ウォッチドッグタイマー(WDT:Watch Dog Timer)

シングルボードコンピュータ

シングルボードコンピュータとは単一の基板で構成された小型マザーボード搭載の自己完結型のコンピュータで、主な構成要素は「SoC(System on Chip)」と「入出力」です。

項目 説明
SoC
(System on Chip)
シングルボードコンピュータの処理全般を担当する”All in one”型の集積回路で「システムLSI」とも呼ばれている。下記の構成要素が単一の集積回路に含まれている。
  • マイコン(CPU)
  • GPU
  • Wi-Fi
  • チップセット相当の機能
入出力 シングルボードコンピュータの入出力を担う機能。下記の入出力を搭載することが多い。
  • GPIO(General Prrpose I/O)
  • HDMI(High-Defintion Multimedia Interface)
  • USB(Universal Serial Bus)

IoTデバイスが成り立つ要素

IoTデバイスの要素である、マイクロコントローラとSoCの違いとシングルボードコンピュータの位置づけについて説明をします。マイクロコントローラとSoCはソフトウェアを動かすという同じ役割ですが得意分野が違います。

SoC 説明
違い ソフトウェアの処理能力が重視される場合に採用 ソフトウェアの処理能力よりも他の要素が重視される場合に採用
特徴
  • ソフトウェアの処理能力が高い
  • サイズが大きい(SoCそのもののサイズの他、動かすために外部に多くの部品が必要)
  • 消費電力が大きい
  • 値段が高い
  • マイクロコントローラと比べて内蔵している周辺機器が少ない
  • マイクロコントローラと比べてリアルタイム応答性が悪い
  • ソフトウェアの処理能力が低い
  • サイズが小さい(動作に必要な外付け部品が少ない)
  • 消費電力が少ない
  • 値段が安い
  • SoCと比べてリアルタイム応答性が良い

マイクロコントローラとSoCだけあっても実際には動かせないので、動くように小型のコンピュータとして仕立てたものがシングルボードコンピュータになります。実用例では、温湿度計なら温湿度センサーやマイクロコントローラー、監視カメラならイメージセンサーやSoCが採用されます。センシングで収集された大量のデータの利活用にAIと組み合わせることで、データの価値が高まります。

IoTデバイスの定義

IoTデバイスの定義は「インターネットに接続できる」「データを収集・送信・処理できる」の2つの要素から構成されます。インターネットに接続することで他のデバイスと通信しデータを共有することができます。データ収集・送信・処理では、センサーやカメラなどのデバイスからデータ収集しクラウド環境に送信します。クラウドでデータ処理をし人や機械にフィードバックします。

IoTデバイスの特性

IoTデバイスの特性は、インターネットに接続される、データ収集・送信・処理できる、様々なデバイスに適用できる、低コストで導入できる点です。様々なデバイスに適用できる点は、スマートフォンやタブレットなどの情報端末から、工場機器や自動車などの産業用機器まで広範囲に適用できることを意味します。低コストで導入できる点では、これらを実現するデバイス自体、近年は普及しているとともに価格も低下している傾向にあり、IoTデバイスの導入がより容易になってきています。

IoTとAIの関連性

IoTとAIの関連性は、IoTで集めたビッグデータをネットワークを経由してクラウド上に蓄積していき、このデータ群を価値あるものにするためにAI(人工知能)が活用されることです。AIの性能を高めるためには原則として、学習のための大量のデータが必要となります。そのため、手軽で安価にかつ、リアルタイムにデータ収集が可能なIoTとAIを組み合わせることは非常に有用な手法です。

AIの役割とは

実務や研究で用いる場合のAIの役割は「大量のデータから有益なパターンを見つけ出す技術」と大まかに捉えることができます。どのようなデータが使えそうか、どのようなパターンを見つけるAIが有益か、などを考えて活用することがよいでしょう。このようにIoT、ビッグデータ、クラウド、AIが連携することにより、新たなアイディアを通じてサービスが生まれ、IoEを実現するための可能性を秘めています。

具体的なAIとIoTの連携事例

IoTとAIは幅広い分野で活用されています。AIはビッグデータから有益なパターンを見つけ出す技術なので、アイディア次第で産業や分野を問わずに活用する方法が考えられます。技術要素ごとにIoTデバイスと連携しAIの活用例を図解しました。この他にも、様々な分野でIoTとAIは活用されており、産業別の活用例では身近な分野から意外な分野まで、多くの産業で使われています。

IoTデバイスの利点とその可能性

IoTデバイスの利点は主に3つあります。1つは「効率化」で業務効率化、2つめは「品質向上」でサービスや製品の品質向上を目指すことができます。3つめは「新たな価値の創出」で私たちの生活をより便利にしたり、交通やエネルギーなどの社会インフラを最適化などで住みやすい街づくりに貢献することが出来るようになります。これらの利点によりIoTデバイスは様々な分野で活用されるようになり、活用範囲も拡大していくと考えられます。

主な利用分野と活用事例

IoTデバイスの主な利用分野は、業界や技術別に考えると様々な用途があります。例えば、製造業では生産ラインの稼働状況の可視化、不良品の検知、品質管理の自動化を目的に、未来の工場であるスマートファクトリーを目指して利用される場面が増えてきました。物流業では荷物の追跡、配送最適化、在庫管理の効率化を目的に、安全かつ確実に荷物を届けることの精度を上げることができます。ヘルスケア分野では、患者の健康管理、医療サービスの効率化、遠隔診療を通じて、未病治療などで患者の健康寿命を伸ばすことでも利用されています。スマートホームでは家電製品の連携、エネルギー管理の効率化、セキュリティの強化を通じて人々の生活がより便利になることが期待できます。スマートシティでは交通の円滑化、エネルギーの最適化、環境保護を通じて、住みやすい街づくりに貢献できることが期待できます。

IoTの活用例

IoTの活用事例は私たちの身近なところにも存在します。またビジネス展開されているサービスでも様々なものが存在します。いくつか例を上げて説明しましたので次のページをご覧ください。

新規ビジネスチャンスとコスト削減

新規ビジネスチャンスにおける主な要素は、データ分析による新たな価値創出、遠隔操作や自動化による新たなサービスの提供、新たなプラットフォームの創出が挙げられます。またコスト削減に関しては、業務の効率化、エネルギー消費の削減、故障やトラブルの予防などによりコスト削減が期待できます。今後も、IoTデバイスの活用はさらに進んでいくことが予想され、これまでになかった新しいビジネスモデルやサービスが創出される可能性が高まり、IoTデバイスの活用により、さまざまなコスト削減の機会が生まれてきます。

IoTデバイスのリスクと対策

サービスで活用されているIoTデバイスのリスクは大きく分けて3つに分類されます。1つ目はセキュリティリスクで、サイバー攻撃の対象となりIoTデバイスを通じてシステムに侵入しデータが盗まれたり、遠隔不正操作が行われる可能性があります。2つ目はプライバシーリスクで、IoTデバイスから収集されるデータは個人情報などのプライバシー情報を含む可能性があるため、情報漏えいに伴うプライバシー侵害のリスクがあります。3つ目は安全性リスクで、IoTデバイスが人や環境に危害を及ぼす可能性があり、自動運転やロボットの誤作動で人を傷つけてしまうリスクもあります。IoT開発の段階でもIoTデバイスのリスクに対する対策も考慮して進める必要があります。

IoTデバイスのメリットとデメリット

IoT開発におけるIoTデバイスのメリットとデメリットについて説明します。IoT開発の段階でも抑えておくべき事項がいくつか存在し、また製品化されたIoTデバイスと合わせてメリット・デメリットをいくつか挙げてみました。

IoTデバイスのメリット

IoT開発 製品化されたIoTデバイス
  • 安価であるため調達がしやすい
  • 試作がしやすい
  • 小規模の開発から始めやすい
  • データ収集の容易化
  • 遠隔操作・監視の実現
  • 新たなビジネスモデルの創出
  • 製造業におけるIoTデバイスの活用
  • 物流業におけるIoTデバイスの活用
  • 小売業におけるIoTデバイスの活用

IoTデバイスのデメリット

IoT開発 製品化されたIoTデバイス
  • ハードウェアからソフトウェアまで幅広い知識が必要とされる
  • 新しい取り組みが多いので、実用化まで進めることが困難
  • セキュリティリスクが把握できない
  • セキュリティリスク
  • プライバシーリスク
  • 運用コストが高額

主なセキュリティリスクとその対策

今までネットワークに接続していなかった機器がインターネットに接続できるようになったことにより、悪意のある第三者からの攻撃を受け、不正な遠隔操作による情報漏えいや、機器の誤動作を引き起こすといったセキュリティ事故が増加する可能性があります。

IoTデバイスにおける主なセキュリティリスク

項目 説明
長期利用による対策が不十分 IoT機器設置後に何年も利用するものも多いため、セキュリティ対策が不十分になってもそのまま利用してしまう。
事故の影響範囲が広い ネットワークを介して関連するシステムや、他のIoT機器にも影響が及ぶ可能性が高い。
監視が難しい 画面がない、通知手段がない、などの理由で、IoT機器にセキュリティ上の問題が発生しても気が付きにくい。
機器の性能が低い パソコンのように高い性能を持ち合わせていないIoT機器では、暗号化などに時間がかかり対策しにくい。
管理が不十分 管理する機器が多いことや、IoT機器設置直後はパソコンのように頻繁に操作などは行わないため、必要なアップデートの実施などの管理が不十分になりやすい。

IoTセキュリティの強化策

IoTセキュリティ事故を防止するためには、IoT機器やデバイスの導入時および、IoT機器の利用時のセキュリティ対策を後回しにしないことが重要になります。

項目 説明
信頼できるメーカーから購入 内蔵されているプログラムに欠陥があると攻撃者による攻撃に利用されてしまうため、サポートをしているメーカーがある製品を購入し、販売後も修正プログラムが出ていることも確認します。
パスワード設定を初期値のままにしない 攻撃者は不正ログインを行う際、初期値のパスワードなど容易に思いつくパスワードでログインを試行することがありますので、パスワードは変更するようにします。
パスワードを他のシステムと使い回さない パスワードをシステムごとに変更しておくことで、他のシステムのパスワードが漏えいした場合の影響が小さくできます。
IoT機器メーカーの脆弱性対策用のパッチ適用する 攻撃社は不正アクセスの際、プログラムの脆弱性を狙って攻撃を行うので、必ず脆弱性対策用のパッチを適用するようにします。
使わなくなったIoT機器は電源を切る 電源が入っている状態では攻撃されてしまう可能性があるので利用していないIoT機器の電源は必ず切るようにします。

IoTデバイスの選び方

製品化されているIoTデバイスの選定は特有のポイントを抑えることが必要です。例えばIoTデバイスを屋外で稼働させる場合には人間の出入りが困難な場所を監視するなどの条件で、IoTシステムを構築する場合などが考えられます。一般的には屋内よりも屋外のほうが厳しい環境である場合が多いので、IoTデバイスを屋外向けに設計開発をしておけば、屋外向けの用途にもそのまま耐えれるとも言えます。

課題 解決方法
電源が確保できない 省電力の徹底
1台にコストをかけられない 省コストの徹底
過酷な環境で稼働する ヒートランテストの実施
システム構成が複雑 連携動作の検証

互換性と信頼性

IoTデバイスにおける互換性とは、異なるメーカーや製品間で、データのやりとりや通信ができるようにすることです。独自の規格や仕様で設計されていますので、異なるメーカーや製品間でデータをやり取りしたり、通信したりする場合、互換性の問題が発生する可能性があります。IoTデバイスの信頼性は、IoTデバイスが正常に動作し、期待通りの機能を提供し続けられることです。ネットワークに接続されているため、さまざまな環境下で動作する必要があり、デバイスの故障やトラブルが発生しないよう、信頼性の高い設計・製造・運用を行うことが重要です。IoTシステム構築や運用において、IoTデバイスの互換性と信頼性を高めるために「システムの構築や運用の容易化」「システムの拡張性の向上」「システムのコスト削減」などが重要な要素です。

カスタマイズ性

開発段階でのIoTデバイスのカスタマイズは、IoTデバイスのハードウェアやソフトウェアを、特定の用途や目的に合わせて変更することです。既存のIoTデバイスをカスタマイズして、特定の用途や目的に合わせて機能を追加したり、性能を向上させたりすることが一般的に行われています。特にハードウェアのカスタマイズでは、試作品で入念に検証してから量産品への移行が行われます。試作品段階ではコストや労力を多くかけることができないため、出来合いの安価な電子基板であるシングルボードコンピュータ、FPGAボード、ブレッドボードなどを活用することが多いです。

まとめ

最後にIoTデバイスについてまとめます。

  • IoTデバイスはインターネットに接続できる様々なモノ
  • IoTデバイスを実現するための道具は「センサーモジュール」「マイクロコントローラー」「シングルボードコンピュータ」などが存在する
  • IoTデバイスのリスクは「セキュリティ」「プライバシー」「安全性」に分類される
  • IoTデバイスの選び方は互換性と信頼性やカスタマイズ性を意識することが重要

これからもIoTデバイスの普及に伴い、様々なモノがインターネットに接続され、面白いアイディアが出てくるでしょう。そこから具体的にビジネスで活かされる場面が発生し、業務の効率化や自動化が進み、新たなサービスが誕生することが期待できます。
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参考
  • 図解即戦力 IoT開発がこれ1冊でしっかりわかる教科書 IoT検定パワーユーザー対応版(技術評論社)
  • 図解即戦力IoTのしくみと技術がこれ1冊でしっかりわかる教科書IoT検定パワーユーザー対応版(技術評論社)
  • 図解即戦力 AIの仕組みがしっかりわかる教科書(技術評論社)
  • 60分でわかる! IoTビジネス最前線[改訂2版] (60分でわかる! IT知識)(技術評論社)
2023年11月公開