IoT（モノのインターネット）はあらゆる産業分野で急速に浸透し、日常の物から大型産業機器に至るまでの「モノ」をクラウドに接続するためにワイヤレス センサー ネットワークを導入しています。 IoTモジュールは、BluetoothやWi-Fiなどの2.4 GHzの産業、科学、医療 (ISM) プロトコルからサブギガヘルツの低電力広域ネットワーク (LPWAN) まで、さまざまなRFフロントエンド、変調技術、無線プロトコルを、特定のアプリケーションに適合させるために必要な特定の処理とともに利用できます。 IoTモジュールの設計と実装を初めて試みる場合、設計、最適化、相互運用性、コンプライアンス、認証、テスト、製品リリースの間で複雑さのレベルが急速に高まる可能性があります。多くの場合、厳しい設計スケジュールを満たす必要があります。
IoTモジュールの内訳
IoT開発ボードには、次のようないくつかの基本的な側面が含まれます。
● データ監視（例：センサー技術）
● データ制御とストレージ（例：MCU + RAM）
● 無線モジュール（IoTプロトコルなど）
● 電源管理（コード付き、バッテリー駆動、エネルギーハーベスティング方式など）
これらの各パラメータには、それぞれ独自の利点と考慮事項が伴います。図1 はIoTモジュールの基本的なレイアウトを示しています。開発ボード は、システムオンチップ (SoC) のマルチプロトコル無線モジュールと処理用のMCUを使用したり、Arduinoなどの一般的なMCUやRaspberry Piなどのシングルボード コンピューターで実行されるより複雑な処理を使用して、これらのさまざまなインターフェイスを提供しようとします。開発ボードは、この記事の後半で説明するいくつかの理由から、IoTデバイスのプロトタイピングに最適なプラットフォームとなっています。さまざまなIoTプロトコルとセンシング テクノロジー、およびそれらのアプリケーションを理解することで、エンジニアはIoT設計を開始しやすくなります。
図1: IoTモジュールの機能ブロック図
IoTプロトコルの現状を理解する
IoTプロトコルの状況はアプリケーションとほぼ同じくらい多様であり、特定のユースケースに合わせて選択できるプロトコルが多数あります (図2)。これは、次の主要なIoTアプリケーションによって異なります。
● スマートホーム（ビデオドアベル、スマートサーモスタット、スマートスピーカーなど）
● スマートシティ（例：スマートグリッド、スマートパーキング、スマート照明、廃棄物管理）
● 産業用IoT（資産/車両管理、プロセス監視、予知保全など）
● スマートヘルス（例：スマートウォッチ、ウェアラブル）。
商業、産業、ミッションクリティカルな医療アプリケーションで一般的に使用されるプロトコルには、ワイヤレス接続と使いやすさの点で優位なセルラー (5G、LTE/LTE-A、2G/3G-GPS)、Wi-Fi/WiMAX、Bluetooth (BLE) が含まれることが多く、ワイヤレス対応デバイスの大部分はこれらのワイヤレス ネットワークに容易に接続できるため、追加の無線モジュールのコストは不要です。
商用IoTアプリケーションには、Zigbee (IEEE 802.15.4a) やZ-waveを使用したワイヤレス パーソナル エリア ネットワークの使用が含まれることがよくあります。Zigbeeプロトコルは2.4 GHzの無認可ISM帯域を活用しますが、Z-waveは無認可のサブギガヘルツ、800 MHz ～ 900 MHz帯域を使用します。低い周波数を使用する利点は、2.4 GHz帯域がWi-FiとBluetoothの両方で使用されるため、干渉が少ないことです。さらに、信号の波長が長いため、低周波信号の範囲は本質的に長くなります。それぞれの長所と短所にかかわらず、どちらも一般的に使用され、成熟したメッシュ プロトコルであり、スマート ホーム アプリケーションでよく使用されます。さらに、多くの開発ボードには、両方のプロトコルと互換性のあるマルチ無線プラットフォームが搭載されています。
ニッチな低電力、長距離ユースケースにおける最近の候補はLPWANです。これらは通常、サブギガヘルツスペクトルと特定の狭帯域 (NB) および超狭帯域 (UNB) 変調方式を活用します。一般的に活用されるLPWANには、LoRa、Sigfox、Weightless、およびNB-IoTやLTE-Mなどのセルラーバリアントが含まれます。これらのプロトコルは、たとえば石油パイプラインの整合性をチェックする石油・ガス産業のアプリケーションや、計画的な散水のために土壌の水分レベルを監視する農業アプリケーションなど、小さなペイロードを断続的に長距離伝送するアプリケーションで主流となっています。
図2: IoTプロトコルは、ゲートウェイ、基地局、または衛星接続を使用することで、短距離、中距離、長距離のアプリケーションに対応できます。
モジュールで使用される一般的なセンシング技術とその応用
ワイヤレス センサー ネットワーク のデータ取得には、温度、湿度、振動、電流、電圧、圧力、液面、近接性、気流、動き検出、光検出、CO2、VOCの測定が含まれます。多くの 開発ボード には、次のような測定に最も一般的に使用されるセンサーがいくつか搭載されています。
● 加速度計
● ジャイロスコープ
● ガスセンサー
● GPS/BLEビーコン
たとえば、スマートメーターには、住宅に供給される電気の量を測定するための電流センサーや電圧センサーが含まれます。ビデオドアベルやさまざまなセキュリティ/照明アプリケーションで使用されるモーションセンサーでは、視覚的なモーション検出のためにPIRセンサーやカメラが使用されることがよくあります。加速度計は、クレーン、コンベアベルト、CNCマシンなどのモーターを使用する産業機械の振動データを収集できます。圧力、レベル、および空気流量センサーは、多くの場合、同じ基本原理/テクノロジーに依存しています。これらのセンサーの使用例としては、水管理、食品加工、製薬用途におけるタンク内の液面測定などが挙げられ、液面の変化を正確に監視できます。商用HVACシステムまたは空気ろ過システムでは、流入空気と流出空気を適切に監視するために気流センサーが必要になります。近接センシングはGPSを介して行われることが多いですが、中程度の精度の短距離アプリケーション向けの資産追跡/リアルタイム位置システムでは、BLEビーコンもこの目的に活用できます。しかし、車両管理にはより長距離の接続が必要になります。
開発ボードを使用したプロトタイピングの利点と考慮事項
コンプライアンスと認証
一部のIoTプロトコルでは、IoTデバイスを市場に出すためにコンプライアンスとテストが必要です。たとえば、Bluetoothでは、相互運用性を促進し、Bluetoothの特許および著作権契約、Bluetooth商標ライセンス契約、およびBluetoothの仕様への準拠を保証するために、広範な認定プロセスが必要です。この認定プロセスでは、以前に認定されたBluetooth最終製品またはサブシステムが使用されない限り、テストが必要です。当然のことながら、テストプロセスにより製造業者には追加コストが発生し、製品の市場投入までの時間も長くなります。セルラー接続を活用するIoTデバイスは、デバイスが3GPP仕様に従って動作することを保証するために、認証プロセスを経ます。Global Certification Forum (GCF) やPTCRBなどの通信業界の認証や、オペレータ固有の認証など、さまざまな層の認証を使用できます ( 図3 を参照)。したがって、事前認証された製品はコスト効率の点で望ましいものであり、設計者は詳細な認証プロセスではなく、設計、プロトタイピング、最適化に集中できます。
図3: 携帯電話対応デバイスのさまざまなレベルの認証
ネットワークとの相互運用性と互換性
前述したように、既存の実績のあるSoCを活用することで、無線モジュールの相互運用性と機能性が保証されます。LTE-MやNB-IoTなどのIoTベースのセルラー プロトコルでは、標準および極端な展開シナリオで高性能な機能が求められます。相互運用性は、ローカルの要件や市場の状況に応じて異なるネットワーク構成を使用して、デバイスをある接続領域から次の接続領域まで機能するように構成できるようにするために重要です。展開シナリオに関係なく、さまざまなネットワーク構成を活用して、これらすべてのLTE-MおよびNB-IoT機能が適切に機能するようにすることができます。Bluetooth認定チップセットの相互運用性には、デバイスが認定対象外デバイス、つまり再認定を必要としないデバイスと接続することが必要です。Bluetoothベンダーの大多数は、自社のBluetoothデバイスでこれを機能させるために必要なソフトウェア調整を熟知しています。LoRaなどのプロトコルを使用するには、設計者がSemtechからベンダー固有のチップを購入する必要があります。さまざまなプロトコルにはそれぞれ独自の考慮事項があり、それらは急速に非常に複雑になり、適切に機能するには多大な時間とコストがかかります。
たとえば、無線モジュールのRFフロントエンドの設計作業には、指定された距離として保証されたリンクに適したアンテナの選択だけでなく、それに伴う適切な信号チェーンも含まれます。開発ボードでは、さまざまなサブシステムが一般的に使用されるMCUやインターフェイス (USB、HDMI、シリアルRS232、SIMカード、同軸コネクタなど) と簡単にインターフェイスできるため、エンジニアは接続とプロトコルの整合性ではなく、IoT相互作用のサイズと接続性の最適化に集中できます。
クラウド統合とセキュリティ
場合によっては、データ処理をさらに強化するために、ボードをクラウドに直接接続する必要があることもあります。これには、IoTデバイスがクラウドにデータを簡単にアップロードできる機能が必要になる場合があります。多くのIoTアプリケーションでは、これは、有線イーサネット接続を介して接続されたスター トポロジのゲートウェイを介して行われます。ただし、他のデバイスではWi-Fi接続でインターネットに接続する必要がある場合があります。このような場合は、Wi-Fiモジュールを備えたマルチプロトコル開発ボードを検討する必要があります。
開発ボードの一部のバージョンでは、安全なファームウェア更新、安全なストレージ、改ざん検出、ペイロード検証、暗号化エンジンなどのセキュリティ機能が統合されており、IoTデバイスにハードウェア セキュリティのレイヤーが追加されます。組み込みファームウェア、キー、およびその他のセキュリティ上重要な資産は、抽象化APIを通じて保護できます。これらのセキュリティ開発ボードを使用すると、エンジニアは、厳しい設計期限に間に合わせるためによくある開発の後の段階ではなく、設計サイクルの初めにIoTデバイスにセキュリティを統合できます。IoTアプリケーションに関係なく、IoT市場には、設計者のプロトタイピングのニーズに適合するオプションが多かれ少なかれ溢れています。
開発ボード: センサーデータをクラウドに接続する簡単な方法
開発ボードは、IoTデバイスのプロトタイピングと設計を簡素化するプラットフォームを提供します。さまざまな開発ボードの利点、IoTプロトコル、センサー、および使用されるテクノロジーを理解することで、設計者は最適なボードを選択できます。最終的に、これらの製品はIoTモジュールの設計と開発の障壁を下げ、デバイスが適切に機能することを保証します。
