スマートスペースが、センサーとAIを日常の環境に統合することを目指す主要な産業分野になるのもそう遠くないだろう。そこで、将来の可能性のある例をいくつか見ていき、そのようなプロジェクトを実現するために検討する必要があるハードウェアについて考えてみましょう。
スマートスペースとは何ですか?
IoT関連技術の将来について言えば、「スマート スペース」という言葉がよく使われます。ただし、スマート スペースのハードウェアとアプリケーションを調査する前に、まずスマート スペースとは何かを定義する必要があります。
簡単に言えば、読み取りと書き込みの両方が可能なレベルまでデジタル化されたあらゆる環境は、スマート スペースと考えることができます。読み取り可能かつ書き込み可能であるということは、環境に関する重要なデータを読み取り、処理し、その結果に影響を及ぼすことができることを意味します。たとえば、屋内環境は、室内の空気質の温度とCO2レベルを測定し、その結果をコンピューターで処理し、窓やエアコンを調整して、古い空気を入れ替えたり、空間を暖めたり、冷房したりすることで空気質を改善するスマート スペースと考えることができます。ただし、従来の環境制御システムとは異なり、スマート制御システムは、存在する人数、現在のエネルギー価格、ユーザーの行動パターンなど、複数の要因に応じて環境を処理して反応します。
基本的に、スマート スペースとは、環境をデジタル化して、リアルタイムで応答できるインテリジェント システムによって監視および制御できるようにすることです。道路、森林、街路など、ほぼあらゆる環境をスマート空間に変えることができます。デジタル化できれば、スマートな空間に変えることができます。
スマートスペースの組み込みシステムの基本要件は何でしょうか?
あらゆるスマート スペース (またはあらゆる最新の電子回路) の基本コンポーネントは、センサー データを読み取り、I/Oを処理し、リモート サーバーと通信してデータを提供してコマンドを受信するという役割を持つ組み込みマイクロコントローラーです。
スマート スペースで2番目に重要なコンポーネントは通信です。組み込みマイクロコントローラーはどのようにしてリモート サーバーと通信してデータを取得するのでしょうか。一部のスペース (屋内産業など) では有線イーサネットまたはRS-232の使用が許可される場合もありますが、スマート スペースでは無線通信の使用が必要になる可能性が高くなります。この場合、設計者はセルラー、Wi-Fi、Bluetooth、LoRaWANの中から選択できます。
使用されるワイヤレス テクノロジに関係なく、ワイヤレス通信を使用するという行為自体が、電力使用量やセキュリティなど、設計にさまざまなプレッシャーをかけます。電力の問題は、データ転送の頻度を減らし、低消費電力のマイクロコントローラを使用することで対処できますが、無線通信のセキュリティ面では大きな課題がいくつか生じます。
たとえば、ワイヤレス セキュリティにより、攻撃者は物理的にデバイスの近くにいなくてもデバイスに侵入できるようになります。第二に、同じテクノロジーを使用する複数のデバイスを備えたスマート スペースは、ハッカーにとって魅力的なターゲットになる可能性があります。1つのデバイスをハッキングすると、すべてのデバイスへの侵入が可能になり、ハッキングが成功した場合の報酬が増加する可能性があるためです。
したがって、組み込みデバイスは低エネルギーであるだけでなく、ハードウェア暗号化、真の乱数生成、信頼ゾーン、暗号化アクセラレータなどの強力なセキュリティ機能も統合する必要があります。
スマート スペースとそれが直面する制約をより深く理解するために、設計が直面する課題とエンジニアが考慮する必要がある事項の例をいくつか見てみましょう。
例1: スマートビン
スマートゴミ箱はすでに開発が始まっており、使用状況にリアルタイムで対応できる都市のスマートスペースの構築に役立つ可能性があります。たとえば、現在の使用状況を検知するセンサーを備えたゴミ箱であれば、必要なときだけ回収を手配することができ、ゴミを収集する車両からの二酸化炭素排出量を削減することができます。第二に、スマートゴミ箱は、現在の時間に対するゴミ箱の使用状況を追跡することができ、これにより都市計画者は、その地域の交通状況を把握できるようになります。
このようなデバイスは信じられないほど単純なので (ここでは単純な PIRセンサー で十分)、ほとんどすべての組み込みマイクロコントローラは、ゴミが存在することを検出し、必要に応じてリモート サーバーにゴミ収集の信号を送る処理機能を備えています。ゴミ箱はインフラにアクセスできる市街地に設置されていますが、作業員がゴミ箱を訪問するため、センサーに必要なメンテナンスは収集のたびに行うことができ、これには電池の交換も含まれます。バッテリーは電源コンバータ付きの主電源ケーブルよりも統合しやすいため、このようなセンサーをバッテリー駆動にすることは理にかなっています。最後に、このようなセンサーを市街地で使用すると、都市部に広く普及している携帯電話ネットワークを活用できるようになります。
この場合、設計エンジニアにとって最も重要な要素は、セルラー モデムと通信できる、またはシステム オン モジュールの形で独自のセルラー モデムを統合できる低電力プロセッサの必要性です。いずれにせよ、低消費電力がこのような設計の鍵となるでしょう。
例2: アクティビティモニター
アクティビティモニターは、屋外でも屋内でも、周囲の環境の即時の活動を観察できるデバイスです。このような活動には、その地域を移動する人の数、その地域で徘徊する人が過ごす時間の長さ、さらには個人の識別などが含まれます。この例では、このようなデバイスには主にカメラが必要であり、これにより、選択したマイクロコントローラに処理要求が課せられます。顔認識の使用は、プライバシー保護のためローカルで実行する必要もあるかもしれません（エッジ コンピューティングなど）。このため、ローカルAI処理が必要になります。
最後に、ほとんどのカメラ システムはメイン デバイスの電力を使用することを考慮すると、このようなデバイスの電力に関する懸念は、あまり重要ではありません。これは、カメラがビデオを処理するために必要なすべてのエネルギーを確保し、カメラの信頼性を確保するためです。
例3: スマート照明
照明を使用する屋外スペースでは、スマート デバイスを利用して照明が必要かどうかを判断できます。これには、使用していないときにエネルギーを節約できるという利点があり、照明を暗くすることで、空だけでなく近隣の住民への光害も軽減できます。さらに、照明の削減により照明の寿命が延び、電子廃棄物の削減と照明システム全体の寿命コストの削減にも役立ちます。
このようなシステムを作成するには、アクティビティを検出できるセンサーが必要ですが、前の例 (アクティビティ モニター) と同じ精度や解像度で動作させる必要はありません。この場合、唯一の懸念点は、スペースが占有されているかどうかであり、より高度なデータでは、占有者の速度と方向を確認することができます (これを使用して、どのライトをオフまたはオンにするかの予測パスを作成できます)。
また、このようなセンサーは、ほとんどの処理をオンチップで実行でき、リモート クラウド サービスを使用する必要がない可能性もあります (もちろん、照明システムに機能を追加するためにこれを使用することもできます)。スマート照明システムは安定した電源接続を備えているため、バッテリー駆動のセンサー システムの必要性はほとんどなく、低電力ソリューションは必須ではありません。
代わりに、このアプリケーションの組み込みデバイスは、攻撃者がデバイスにアクセスして照明を自由に制御できるようになり、それが悪意のある目的（つまり、痕跡を隠蔽したり、犯罪を犯すなど）に使用される可能性があるという単純な理由から、強力なセキュリティを備えることに重点を置く必要があります。カメラが使用されると個人を特定できる可能性があるため、強力なセキュリティも必要になります。
スマートスペースの未来は明るい
スマート スペースはまだ初期段階にあり、市場に出回っている多くの製品は「スマート」として販売されていますが、実際にはそのほとんどはスマートではありません (つまり、実際のデータ処理を実行せず、イベントにリアルタイムで反応しません)。エンジニアがスマート スペースで使用するセンサーやエッジ コンピューティング デバイスを設計および開発する際、アプリケーションに適した種類のテクノロジが選択されていることを確認する必要があります。そのためには、デバイスに何が求められているかを完全に理解する必要があります。
スマート スペースの場合、プライバシーとセキュリティが2つの最大の懸念事項となるため、スマート スペースに組み込まれるデバイスには、暗号化、キー ストレージ、証明書など、少なくとも複数レベルのハードウェア セキュリティが必要になります。その後、スマート空間センサーはバッテリー駆動になる可能性が高いため、エネルギー消費が重要な要素になります。これらの主な懸念事項に基づいて通信技術が選択され、この時点で、組み込みのスマート スペース設計が最終的に構築されます。