ほとんどの建物、主に住宅では、HVAC、エレベーター、防犯カメラ、その他のデバイスなどの既存のシステムを接続するための配線がされていません。LoRaWANやNB-IoTなどのテクノロジーを使用するワイヤレスIoTデバイスは、新しいデバイスやセンサーを接続したり、既存のデバイスやセンサーを改造したりするのに役立ちます。
新しいセンサーや制御システムを既存の資産に接続することは困難です。ほとんどの場合、すべての家電製品、エレベーター、HVAC、セキュリティ システムには、独自の接続機能が備わっています (ある場合)。
過去30年間、多くの建物所有者は、制御室または複数の制御パネルからシステムをリモートで管理できるように設備の配線を行ってきました。このアプローチでは、さまざまな建物システムの現在の状態に関するリアルタイムの情報を得ることができますが、動作状態、コンポーネントの摩耗、環境条件などに関する貴重なデータを収集するには不十分です。
分析と自動化を活用するには、インフラストラクチャにセンサーやその他のインテリジェント デバイスを装備し、統合された制御システムに接続する必要があります。
新しい建物を設計する際には、どのような接続性が必要かを決定することが重要です。新しい施設のほとんどは有線接続に対応していますが、さまざまな種類のデバイス、特にバッテリー駆動のセンサーを有効にするには、携帯電話やその他のワイヤレス ネットワークを検討することをお勧めします。
さらに、インフラストラクチャの配線作業は煩雑でコストがかかり、建物のすべてのエリアに到達できない可能性があるため、ワイヤレス接続は古い建物内のさまざまな種類のシステムを接続するのに最適なソリューションになる可能性があります。
IoT向けに特別に設計された新しいセルラー技術
急増した IoT 数十億のデバイスとそれらを接続するための電力要件により、低電力通信技術を検討する必要があります。
一般に4Gと呼ばれるLong-Term Evolution (LTE) が登場するまで、ほとんどのワイヤレス接続デバイスは、データの送受信にWi-Fiまたは2Gセルラー ネットワークを使用していました。現在でも、主にセキュリティ カメラや監視システムなどの一部のデバイスでは、世界中のほとんどの地域で広く利用可能な2Gが使用されています。
10年前、4Gが変化の始まりとなりました。新しい携帯電話規格は、従来の音声とテキストよりもデータ通信を活用した初めての規格でした。さらに、4Gのさまざまなリリースにより、キャリア アグリゲーションや低電力通信などの追加機能も実現されました。
新しいIoTデバイス、特に産業用および建築用アプリケーション向けのセンサーの急増により、低電力、広域接続、新しいデバイスの簡単なオンボーディングなどの新しいセルラー機能が必要になりました。
最初の部分である低電力接続は、通信事業者が既存のネットワークに導入できる2つの新しい4G規格、LTEマシン タイプ通信 (LTE-M) と狭帯域IoT (NB-IoT) とともに2016年に登場しました。どちらも、2016年6月に標準となった 3GPPリリース13 で定義されました。
LTE-MとNB-IoTは、4Gネットワーク上で少量のデータバーストを使用して動作します。LTE-MがNB-IoTよりも優れている点は、比較的高いデータ レート、モビリティ、ネットワーク経由の音声です。それでも、LTE-Mはより多くの帯域幅を必要とし、デバイス メーカーにとってコストが高くなります。NB-IoTは消費電力が低く、モデムも安価ですが、音声やSMSはサポートしていません。
通信事業者は、ネットワーク上のソフトウェア更新のみを必要とするため、LTE-Mを好みます。ただし、SMSや音声を必要としないデバイス メーカーは、消費電力が少なくモデムが安価なNB-IoTを好みます。
LTE-Mは北米で普及していますが、通信事業者は現在NB-IoT接続も提供しています。
2番目の課題である、新しいデバイスの簡単なオンボーディングは、組み込みの加入者識別モジュール (eSIM) を使用することで実現されます。GSMA eSIM仕様が登場するまでは、携帯電話ネットワークに接続されたすべてのデバイスには、すべてのスマートフォンに搭載されているものと同じプラスチック製のSIMモジュール用の穴とスロットが必要でした。
ピンの頭ほどの小さなeSIMと、他のチップに埋め込まれた統合SIM (iSIM) により、デバイス メーカーは小型デバイスを設計でき、オペレーターはインストール後に、それらのデバイスに携帯電話キャリアの認証情報を無線 (OTA) で提供できます。手動による介入は必要ありません。
スマート デバイスにセルラー接続を使用する主な利点は、セルラー ネットワークが利用可能になり、セキュリティが向上することです。現在、世界中で何千もの携帯電話ネットワークが同じ標準を使用して運用されており、通信はハードウェアベースのセキュリティであるSIMモジュールを使用して暗号化されています。ただし、主な欠点は、他のLPWANと比較して消費電力が高く、デバイスと携帯電話プロバイダーに支払う使用料の両方のコストがかかることです。
非セルラーLPWANはコストと消費電力を削減
おそらく、建物内に存在する最も一般的な無線接続はWi-Fiです。このワイヤレス規格は広く普及しているため、Wi-Fiモデムを搭載した多くのデバイスを接続するのに最適です。サーモスタット、防犯カメラ、エアコン、その他多くのスマートデバイスをWi-Fiアクセス ポイントに簡単に接続できます。
ただし、すべてをWi-Fiで接続すると、いくつかの課題と不便が生じます。Wi-Fiの範囲は厳しく制限されており、信号は壁、床、その他の物体によってブロックされます。ネットワークとデバイス間の良好な通信を確保するには、建物内に多数のアクセス ポイントを設置する必要があります。
第二に、Wi-Fiは電力を大量に消費します。ルーター、スイッチ、アクセス ポイントを接続する必要があるだけでなく、ネットワークに接続された何百ものデバイスも接続する必要があります。これは大型デバイスでは問題になりませんが、小型センサーやその他のバッテリー駆動ユニットでは問題になります。
ここ数年、新しい低電力広域ネットワーク (LPWAN) 規格が市場に登場しています。これらの規格は、主にバッテリーで動作する低電力デバイスを、サブGHzの無認可スペクトルを使用するゲートウェイに接続するために特別に設計されています。おそらく最も人気があり、インストールされているのはLoRaです。他の例としては、ZigbeeやSigfoxなどがあります。
LoRaWANなどのLPWANは、Wi-Fiを使用して2つの主な問題を解決できます。サブGHzの無認可スペクトルを使用することで、範囲が大幅に拡大します。多くの場合、単一の LoRaゲートウェイ で建物全体にサービスを提供できます。さらに、低消費電力と限られた帯域幅（LoRaWAN帯域幅は0.3 kbps ～ 50 kbps）により、限られた接続のみを必要とするバッテリー駆動のデバイスを使用できるようになります。つまり、小型センサーはメンテナンスなしで数年間動作できるということです。
さらに、世界規模の LoRaWANネットワーク により、オンサイトゲートウェイのインストールが不要になります。セルラー接続と同様に、LoRaWANは、消費電力を抑え、コストを大幅に削減しながら、数千のIoTデバイスを接続できます。
LoRaWanのセキュリティには、標準化されたAES-128暗号化アルゴリズムが使用されます。キーは、生産ラインで、試運転中に、または現場で無線アクティベート (OTAA) によって事前にインストールできます。OTAAでは、必要に応じてデバイスのキーを再設定できます。
すべての人に合うネットワークはない
間違いなく、スマート ビルディングのさまざまなシステム、コンポーネント、デバイスには、さまざまなタイプの接続が必要です。
環境条件や家電製品やその他のシステムの健全性を監視するセンサーでは、少量のデータバーストの送受信のみが必要です。LoRaなどのLPWANを使用すると、電力消費とコストを削減できるため、より優れたサービスが提供されます。
カメラ、モーション検出器、その他のリアルタイム アプリケーションなどのセキュリティ システムには、携帯電話や有線接続によって提供される、より広い帯域幅と安定した接続が必要です。
サーモスタットやスマート ウィンドウなどの他のデバイスは、Wi-Fiアクセス ポイントで効率的に動作したり、有線で接続したりできます。
相互運用性が鍵
建物の設計者や開発者にとって最大の課題は、さまざまなデバイスをすべて連携させることです。これまで、建物向けのソリューションのほとんどは、独立したサイロ、つまりインフラストラクチャの1つのセクションまたは一部のみに対応する部分的なソリューションに基づいています。
そのため、さまざまなシステムやネットワークを連携させることができる新しいプラットフォームが市場に登場しています。一つは シーメンスのビルXこれは、シーメンスのハードウェアの使用に限定されません。ベンダーやその他のビル管理会社は、既存のシステムをプラットフォームに統合できるため、初期投資と追加コストを削減できます。こうすることで、一枚のガラスでも、 デジタルツイン、建物を効率的に管理します。
Microsoftも、IoT CentralとAzure Digital Twinsを通じてこの成長市場に参入しています。「当社は他の業界リーダーと協力し、垂直市場全体でデジタルツインの利用を加速させています。」 サム・ジョージは言うマイクロソフトのAzure IoT担当コーポレートバイスプレジデント。「当社は、ベストプラクティスと相互運用性を促進し、実証済みですぐに使用できる設計パターンと、特定のビジネスおよびドメインにまたがるコアコンセプトの標準モデルを確立するためのオープンコミュニティの構築に取り組んでいます。」
