モノのインターネット (IoT) 向けワイヤレス接続オプションのガイド

製品に接続してビジネス インテリジェンスを追加しようとすると、接続の選択肢が多すぎてすぐに圧倒されてしまうことがあります。IoTエコシステムでは多くのテクノロジーが役割を果たしていますが (コンポーネント、インフラストラクチャ、アプリケーション、サービス、分析など)、この記事では最も関連性の高いワイヤレス テクノロジーのいくつかをまとめ、それぞれのテクノロジーをいつ検討すべきかについて考える材料を提供します。

特定のワイヤレス テクノロジの属性について詳しく説明する前に、一歩下がって、ビジネスと技術の観点からアプリケーションを検討する必要があります。現在、製品はどのように実装されていますか?どのような改善が求められていますか?競争相手は何をしているのか？さらなる効率化は可能でしょうか?

ビジネス要件

製品/サービスのビジネス要件は、開発サイクルの早い段階で、ハードウェアを設計するかなり前に精査する必要があります。ニッチ市場が限られていたり、望ましい投資収益率 (ROI) を達成するまでの期間が長すぎる場合、製品のアイデアがいかに優れていても、健全な経済的成功は達成できない可能性があります。

IoT開発を開始する前に考慮すべき点は次のとおりです。

• 製品はどのような市場セグメントに販売されるのでしょうか?

• 望ましいROIを達成するには、どの程度の市場浸透を達成する必要がありますか?

• 発売日は特定の期間内に設定する必要がありますか (例: 季節商品)?

• ビジネスモデルは何ですか?

oハードウェアのみ（ハードウェア/サービスの購入にかかる前払いの1回限りの費用）
oサブスクリプション ベース（ハードウェアは無料で提供され、サブスクリプション料金は繰り返し発生します）oハードウェア + サブスクリプションの混合（ハードウェアは原価または割引価格で提供され、サブスクリプション料金は繰り返し発生します）

• ターゲット市場の人口統計?

• 競争環境は？ 

応募要件

技術的な観点から、特定のアプリケーションの接続の選択に影響を与える可能性のあるパラメータは次のとおりです。

• サイズ: ワイヤレス ソリューションはどのくらいのスペースを占めることができますか?

• ホスト プロセッサの要件: アプリケーションはワイヤレス デバイス自体で実行できますか?ホスト プロセッサが必要な場合、ドライバーはすぐに入手できますか?

• 電力: 電力消費を最小限に抑えることは重要な要素ですか?もしそうなら、ソリューションは複数のスリープ モード オプションをサポートしていますか?ワイヤレス ネットワークに接続している場合（データを受信する準備はできているがアイドル状態の場合）の電力消費量はどれくらいですか（クラウドに接続されたバッテリー駆動のデバイスでは重要）。

• データ帯域幅/スループット: アプリケーションをサポートするために必要なデータ レートはどれくらいですか?

• 距離: アプリケーションは、ワイヤレス信号伝送制限によってプラスまたはマイナスの影響を受けるでしょうか?

• データ セキュリティ: モジュール自体が完全なエンドツーエンドの暗号化を提供する必要がありますか、それとも固有のワイヤレス セキュリティでアプリケーション要件を満たすのに十分ですか?

• サービス品質 (QoS) - アプリケーションには、優先メディア アクセスのメリットが得られる、遅延の影響を受けやすいデータ交換が含まれていますか?

• インフラストラクチャ: ワイヤレス ネットワーク アクセス ポイントまたはネットワークがすぐに利用できることがわかっていますか?

• 規制認証: PTCRB、FCC、IC、CE、または業界依存の認証は必要ですか?

• 業界標準: 類似製品との相互運用性には適合が必要ですか?

  開発の労力/時間/コスト

  企業には、現在の製品を開発するための適切なエンジニアリングの専門知識が社内にあるかもしれませんが、1つまたは複数の無線技術を統合したソリューションを実装するためのスキルセットがない可能性があります。場合によっては、製造と購入のトレードオフ分析により、特に市場投入までの時間が重要な要素である場合、モジュールなどのよりコストが高く、より完全に統合されたサブシステムを取得する必要があると判断されることがあります。

  実装に関する考慮事項

  多くのIoT実装の利点は、既存の製品を作り直してワイヤレス接続を追加できることです。明らかな利点は、比較的少ない投資で済むにもかかわらず、革新的な機能と利点を備えたまったく新しい/最新の製品であると最終顧客に見える結果となることが多いことです。ただし、既存の製品を扱う際の課題は、既存の筐体や電源などの他の要素の範囲内で作業する必要があることです。 特定のワイヤレス テクノロジーを選択する前に考慮すべき主な領域を次に示します。

  テクニカル

  電気機械内部/外部

  重要な決定は、無線ソリューションを製品に組み込むか、外部インターフェースを介して接続するかです。外部インターフェースにより、ワイヤレス サブシステムとデバイス間の分離レベルが向上します。これは、EMC、規制承認、RFパフォーマンス、将来の移行パスに好影響を与える可能性があります。さらに、この実装を選択すると、従来の現場導入デバイスを現場でアップグレードできるため、追加のハードウェア販売が可能になり、デバイスの接続性とビジネス インテリジェンス サービスも有効になります。組み込みソリューションには、サイズ、電力、コストの利点があり、ワイヤレス サブシステムとホスト アプリケーション間のより緊密な結合が可能になります。

  物理インターフェース

  ワイヤレス モジュールで最も一般的にサポートされているデータ インターフェイスには、SDIO、SPI、UART、USB、mini-PCI-eなどがあります。

  サイズ

  ワイヤレス接続を実装するために必要な回路は、小型のシステムオンチップ (SoC) からランドグリッドアレイ (LGA) パッケージまで、さまざまなフォームファクターで利用できます。さまざまなエンド デバイスの要件に対応するために、複数のベンダーによってサポートされているパッケージ レベルが多数あります。多くの場合、モジュール ソリューションのサプライヤーはフットプリント互換デバイスを提供しており、さまざまな機能やパフォーマンス オプションを備えたデバイス間での容易な移行が可能です。

  電力予算

  IoT製品はバッテリー駆動であるとよく考えられていますが、壁のコンセントから電源を供給される製品も多くあります。バッテリー駆動のアプリケーションの場合、ワイヤレス ソリューションはデバイス全体の電力消費量のかなりの割合を占める可能性があります。ワイヤレス サブシステムによって使用されるエネルギーは、通常、送信、受信、スタンバイの各動作モードで使用される電力に応じて指定されます。 

  ワイヤレス サブシステムを管理するためにホスト プロセッサが使用する電力を考慮する必要があります。使用される総電力は、エンド アプリケーションに必要な接続モデルとデータ レートによって異なります。送信中に電源サブシステムが必要なピーク電流を供給できるように注意する必要があります。

  スタンバイ運用を検討する必要があります。ワイヤレス デバイスはネットワークからデータを受信する必要がありますか?もしそうなら、それは即時に行う必要がありますか (たとえば、制御アプリケーションの場合)、または許容可能なウェイクアップ ポーリング間隔を決定できますか (たとえば、センシング アプリケーションの場合)?

  多くのIoTアプリケーションでは、長いスタンバイ期間を利用できるという利点があり、事前に決められたイベント (しきい値を超えるセンサー データなど) が発生すると、ワイヤレス デバイスが起動して送信できるようになります。したがって、ワイヤレス サブシステムがどれだけ速く起動してネットワークに再接続できるかを考慮することが重要です。これは、バッテリーの寿命が10年から製品の寿命まで続くと予想される超低電力メッシュ ネットワークでは非常に重要です。 

  アンテナ

  アンテナは、ワイヤレス サブシステムのパフォーマンスにとって重要な要素です。アンテナの特性と放射効率は、ソリューション全体のRFリンク バジェットに大きな影響を与えます。このため、モジュール ソリューションを承認する規制機関は、使用できるアンテナの種類に対して特定の依存関係を提供します。最も一般的に使用されるアンテナは、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、チップアンテナです。一部の設計では、アンテナはPCB上のトレースを使用して実装されます。外部アンテナは一般的に効果的ですが、課題が生じる可能性があります。

  もう一つの決定は、アンテナダイバーシティを実装するかどうか（複数のワイヤレステクノロジをサポートできるようにするため）です。

  無線製品は、意図的および非意図的な放射線の両方に関して国際規格に準拠する必要があります。後々の製品承認で問題が発生するのを避けるために、設計サイクルの早い段階で製品設計を評価し、アンテナ戦略を策定することを強くお勧めします。多くの場合、アンテナの性能を公平にテストするために、サードパーティのラボ (Satimoなど) に依頼することが賢明です。 このようなサードパーティは、最終使用環境を厳密に再現した環境でパフォーマンスを評価するための高価なラボ機器を十分に備えています。再現するのが最も難しい使用例の1つは、身体に装着する製品です。

  電磁場

  製品内の無線のパフォーマンスは、近くの回路によって生成されるノイズによって低下する可能性があります。統合レベルが低いほど、トレース ルート、バイパス、シールドに関する適切なRFプラクティスを活用するために、より多くの注意が必要になります。

  共存

  製品内の無線のパフォーマンスは、近くにある他のRF回路によって低下する可能性があります。特に、複数のRF規格 (BluetoothやWi-Fiなど) を同じ製品に組み合わせる場合。干渉に対処するためのメカニズムをテクノロジーが確実に提供するように特別な注意を払う必要があります。多くの場合、事前に承認されたモジュール式ソリューションが最も簡単な方法です。 

  ホスト環境

  ワイヤレス ソリューションの選択は、（潜在的に）既存のホスト環境の特性によってさらに影響を受けます。

  ワイヤレス ソリューションには通常、読み取り専用メモリ (ROM)、フラッシュ、またはランダム アクセス メモリ (RAM) に内部的に保存できるファームウェア (FW) が必要です。FW自体は通常クローズドソースであり、変更することはできません。ほとんどのワイヤレス サプライヤーは、複数のオペレーティング システム (OS) オプション用のドライバーを提供します。

  特定のホスト プロセッサについては、ベンダーのボード サポート パッケージ (BSP) の調整が必要になる場合があります。あるいは、外部ホストMCUを必要としない (ホストに依存しない) モジュールを選択することもできます。これにより、ドライバーのコンプライアンスの問題を回避できます。 

  応募要件

  エンド アプリケーションの特定の要件によって、ワイヤレス ソリューションでサポートする必要がある機能と機能が決まります。消費電力の次に考慮すべき最優先の要件は、スループットと範囲です。有線ネットワークとは異なり、802.11 Wi-Fiなどの一部のワイヤレス テクノロジの伝送媒体は共有媒体です。メディアの同時使用は、同じ場所で同時に複数のデバイスが同じチャネル (周波数) を使用している場合にのみ可能です。たとえば、Wi-Fiメディア アクセス プロトコルは、キャリア センス マルチアクセス/衝突回避を利用して、特定のセルで使用中のチャネルで交互に通信します。これは競合ベースのアプローチであり、ほとんどの状況ではうまく機能しますが、デバイス密度が高い場合は非効率になる可能性があります。2.4GHz帯域で頻繁に発生する混雑 (802.11 b/g/n、セルラー、BT、ANT、ZigBee、RF4CE、ワイヤレスHARTによって発生) を回避するには、ミッション クリティカルなデータを送信するデバイスを5GHz (802.11a/hなど) やサブGHz (Z-waveなど) などの他の周波数帯域に配置する必要があります。 

  費用

  人生のほとんどのものと同じように、支払った金額に見合ったものが得られます (ワイヤレスの分野でもこれは当てはまります)。ハードウェア コストに加えて、開発コストや場合によってはサービス コストも発生します。 

  製品コスト

  ワイヤレス ソリューションを選択する際に、純粋に製造コストだけを基準にするのは、必ずしも賢明なアプローチとは言えません。トレードオフを慎重に検討する必要があります。市場投入までの時間やエンジニアリングリソースが問題となる場合

  懸念がある場合は、モジュール ソリューションが最善のアプローチである可能性があります。代替案としては、チップレベルのコンポーネントを調達し、開発とテストに多額の投資を行うことが挙げられます。

  たとえば、802.11 Wi-Fiモジュールのコストは15ドルになる可能性がありますが、個々の802.11無線チップのコストは4ドルに過ぎません。ただし、モジュール ソリューションには、簡単には手に入らない大きな価値 (複数のエンド アプリケーションと顧客を対象に数か月または数年かけて磨き上げられ開発された信頼できるソフトウェア スタック、事前認定済みの設計、テクニカル サポート、スターター アプリケーション コード、開発ツール) が含まれています。 

  開発コスト

  組み込みワイヤレス ソリューションを実装するための開発コストは、主に次の3つのカテゴリに分類されます。

  • ワイヤレス機能を製品に統合するためのエンジニアリングの労力と費用

  • 認定試験機関が世界規模の規制/業界認証のための試験レポートを作成するための費用

  • 関連するバックエンドシステム、アプリケーション、デバイス管理を構築するためのエンジニアリングの労力と費用

    統合レベルは、両方のカテゴリに関連する開発コストに大きな影響を与えます。多くの場合、コストを節約するために、実績のあるソリューション エコシステムを備えたモジュール型ソリューションが選択されます。 

  継続（サブスクリプション）コスト

  さまざまなワイヤレス テクノロジーのうち、携帯電話には継続的な月額サブスクリプション料金が必要です。エンド カスタマーのビジネス モデルにより、このような継続的な費用を負担することが困難な場合は、他のテクノロジを検討する必要があります。

  • もう一つの潜在的な継続的なコストはクラウド ソリューションです。PaaS/SaaSクラウド ソリューション プロバイダーの中には、定期的 (月単位など) に料金を請求するプロバイダーもあれば、トランザクションごとに料金を請求するプロバイダーもあります。

• ワイヤレス101

  世の中には多くのワイヤレス接続オプションがあり、それぞれが理想的なソリューションになる可能性があります...それはシステムの実際の要件によって決まります。

  • ここでは、普及しているテクノロジーを要約し、一般的な使用例を紹介します。まず、より短距離の無線技術について説明し、最後にユビキタスWi-Fiと携帯電話について説明します。 

  RFID

  無線周波数識別 (RFID) は、物体に取り付けられたタグを識別および追跡する目的で、電磁場を使用してデータを転送します。一部の (パッシブ) タグは電磁誘導によって短距離 (数メートル) でしか読み取れませんが、バッテリーを含む一部の (アクティブ) タグは最大数百メートル離れた場所から読み取ることができます。パッシブタグはバッテリーが不要なため、安価で小型です。 

  RFIDシステムでは、タグに加えてリーダーが必要です。リーダーは、タグを調べるためにエンコードされた無線信号を送信します。タグは、その識別情報と、場合によっては株価の偏りなどのその他の情報で応答します。送信されるデータ量はごくわずかであるため、データ レートは重要ではなく、400kbpsで十分です。 

  RFIDの優れた特性は、その周波数が、多くのワイヤレス テクノロジ オプションが使用されている混雑した2.4GHz領域外にあることです。RFIDは通常、120～150kHz (LF)、13.56MHz (HF)、433MHz (UHF)、または3.1～10GHz (マイクロ波) のいずれかの帯域を使用します。

  RFIDの興味深い使用例の1つは、RFIDタグを装着した個人による機器の使用状況を追跡することです (たとえば、病院のスタッフによる手洗いステーションの使用状況など)。 

  非対称

  近距離無線通信 (NFC) は、10 cm未満の距離にあるデバイス間の双方向通信を可能にする短距離無線技術です。NFC規格はISO/IEC 18092で定義されており、13.56 MHzで動作します。

  NFCのデータレートは400kbpsとかなり低いですが、セットアップは非常に簡単です。

  NFCの一般的な用途の1つは非接触型決済システムであり、これによりモバイル決済がクレジットカード取引に代わるようになります。NFCは、近接するデバイス間で連絡先情報や写真を共有する手段を提供することで、ソーシャル ネットワーキングでも普及しつつあります。 

  Apple社が最近、iPhone 6とApple WatchにNFCテクノロジーを搭載したと発表したことから、NFCはより急速に普及し始めるかもしれません。ただし、Apple NFCは現在ApplePayのみをサポートしており、スピーカーやその他のNFC対応アクセサリとはインターフェイスできません。

  ちなみに、Appleは、追加の指紋スキャン認証手順と一時的なApple Pay暗号の作成を要求することで、時々疑問視されるNFCのセキュリティを強化する予定です。その後、16桁のトークンは支払い処理のために小売店のNFCカード リーダーに送信されます。トークンは特定の期間と場所でのみ有効であるため、将来の使用のために盗難されることは無関係になります。 

  Bluetooth & BLE

  Classic Bluetooth (BT) とBluetooth Low Energy (BLE) は、まったく異なる用途向けに開発されており、実際には互いに互換性がないため、ほぼ別々のセクションにリストできます。

  Bluetooth (BT) も、最大100メートルの比較的短い距離でデータを交換します。Bluetoothは2400-2483.5MHzの範囲で動作します。Bluetoothのバージョンによって異なりますが、データレートは通常最大3Mbpsです。(クラシック) Bluetoothを使用するには、30以上のプロファイル (アプリケーションに基づく) のいずれかに従う必要があります。例:

  • - 高度なオーディオ配信プロファイル（A2DP）：BT接続を介してデバイス間でオーディオをストリーミングする方法を定義します。

  • - 基本イメージングプロファイル（BIP）：デバイス間で画像を送信するために設計されています

  • - ハンズフリープロファイル（HFP）：車載ハンズフリーキットが車内の携帯電話と通信できるようにします。

  • - ヘッドセットプロファイル（HSP）：携帯電話で使用するBTヘッドセットのサポート

    Bluetooth Low Energy (BLE) はBluetooth v4.0とも呼ばれ、低電力、低遅延、低スループット (1Mbps) のアプリケーション向けに開発されました。BLEの範囲は50メートルで、BTの範囲よりも短くなります。 

  BLEはBTとはまったく異なるプロトコルであり、従来のBluetoothプロトコルとは互換性がありません。異なるチャネル スキームを使用します (Classic BTの79個の1MHzチャネルに対して40個の2MHzチャネル)。 

  BLEは、心拍モニターなどの健康とフィットネスのモニタリングに最適です。

  デバイスをBluetoothデバイスとして販売するには、製品がBluetooth Special Interests Group (SIG) によって定義された標準に適合している必要があることに注意してください。SIGはBluetooth商標を所有しており、この技術を製品に組み込む企業にライセンスを付与することができます。ライセンシーになるには、企業は会員となり、製品の認証を受ける必要があります。

  さらに、どのスマートフォンが混在するかを念頭に置く必要があります。たとえば、iPhoneなどのApple iOSデバイスはBluetoothハンズフリーやヘッドセット アクセサリと自由に接続できますが、BTデータ接続には暗号化された接続 (およびApple認証チップ) が必要です。基本的には、Apple認証コプロセッサとの固有の検出/ペアリング シーケンスとネゴシエーションが必要です。BLE通信にはApple認証チップは必要ありません。

  心配しないでください。必要なことすべてを支援できるサードパーティが多数あります。半導体企業とOEM企業はどちらも、Stonestreet OneなどのBluetoothスタック開発者に依存することがよくあります。モジュール ソリューションもすぐにご利用いただけます。 

  ANT / ANT+

  ANTプロトコルも2.4GHz帯域で動作し、相互接続された複数から多数のセンサー ノード (BLEのように50mの範囲) 間で少量のデータを超低電力、低ビット レート (1Mbps) で定期的に転送するために開発されました。どのノードも送信または受信できるため、チャネルは双方向です。BLEと同様に、ANTはポイントツーポイント (P2P) およびスター トポロジをサポートできますが、さらにツリーまたはメッシュ構成も処理できます。

  ANTは、他のANTデバイスとの共存を保証する適応型アイソクロナス ネットワーク テクノロジを使用しているため、干渉耐性 (混雑した2.4GHz空間) に優れています。短いメッセージ の送信により、1つのチャネルを数百のタイムスロットに分割できます。したがって、この技術はフィットネス/健康モニタリングにおけるパーソナルエリアネットワークの実装に最適です。

  ANT+ は基本ANTプロトコルに追加でき、近くのANT+ デバイスのネットワーク化が可能になります。たとえば、ANT+ 対応のフィットネス モニタリング デバイス (歩数計、ケイデンス メーター、心拍数モニターなど) は連携してパフォーマンス メトリックを収集し、追跡できます。 

  ジグビー

  ZigBeeはIEEE 802.15.4標準に基づいており、すでに説明した多くのオプションと同様に2.4GHz帯域で動作します。データ レートは250kbpsとかなり低いですが、低消費電力と多様なトポロジを備えているため、多くの超低消費電力センサー ベースの産業用アプリケーションで人気のある選択肢となっています。

  無線範囲は見通し内で10 ～ 100 mですが、スター、クラスター ツリー、またはメッシュ ネットワークとして構成できるため、どのノードも他のノードと通信でき、ネットワーク範囲はほぼ無制限になります。そのため、ZigBeeは産業用制御およびビル自動化の事実上の標準として認められています。理想的な使用例の一例として、センサー ノード (環境条件や通気口の位置の監視など) がバッテリーで10年以上動作することが期待される産業用HVACが挙げられます。遠隔地のセンサー ノードからのデータは、広範囲のメッシュ ネットワークを経由したホップを介してリモートの建物コントローラーに送信できます。 

  WI-FI

  Wi-Fi (別名802.11) は、2.4GHzまたは5GHzで動作します。Wi-Fiはネットワークが一般的に利用可能であるため、多くのアプリケーションにとって理想的な選択肢であり、インターネット経由でデータを交換するための追加ゲートウェイのコストを節約できます。

  選択したサブ標準に応じて、さまざまなオプションがあります (例: 802.11nでは最大150 Mbpsのデータ レートと250 mの範囲)。

  Wi-Fiは電力を大量に消費すると考えられがちですが、スループットを犠牲にして比較的低電力のオプションを実現できます。たとえば、一部のWi-Fiモジュールでは、データ スループットが2Mbps程度に低下すると、平均消費電力が1mA未満に抑えられます。ANT+、BLE、ZigBeeほど低消費電力ではありませんが、比較的高いデータ レートを提供します。

  Wi-Fiの理想的な低電力使用例は、クラウドに接続された体重計です (1日に約10回体重を測定する場合、バッテリーは最大4年間持続します)。

  理想的な高スループットの使用例は、ポータブル セキュリティ カメラです。 

  セルラー

  セルラー (700MHz ～ 2.7GHz) は、最も広く利用可能なネットワークを活用し、展開ユースケースの課題を最小限に抑えるため、最後に残されています。携帯電話の範囲は、キャリアネットワークの可用性に応じて、基本的に無制限です。スループットは7.2Mbps (2.5-4Gネットワーク) とかなり高いです。

  車両追跡/監視は、理想的なセルラーユースケースの優れた例です。もちろん、携帯電話には月額料金を考慮する必要があります。