ナビゲーションをスキップする

IoT のテクノロジとプロトコル

IoT の世界とテクノロジを始めましょう。このガイドでは、お客様が自身のプロジェクトに適した選択を行えるように、IoT のプロトコルとテクノロジのしっかりとした基礎を説明します。

IoT のテクノロジとプロトコルについてのガイド

モノのインターネットは、組み込みシステム、ワイヤレス センサー ネットワーク、制御システム、オートメーションを集約したもので、工業生産のためのコネクテッド ファクトリ、小売のインテリジェント化、次世代のヘルスケア、スマート ホームやスマート シティ、ウェアラブル デバイスを実現します。IoT テクノロジを使用すると、データ主導型の分析情報、運用プロセスの改善、新たなビジネス ライン、原材料の使用の効率化を通じてビジネスを変革することができます。

IoT テクノロジは拡大を続けており、多数のサービス プロバイダー、さまざまなプラットフォーム、数百万の新しいデバイスが毎年登場しているため、開発者は IoT エコシステムに参加する前に多くの決定を行う必要があります。

このガイドは、一般的な IoT のプロトコル、電力、および接続の要件を理解するために役立ちます。IoT テクノロジの基礎的な概要については、『IoT とは』および『IoT サイバーセキュリティ』の Web ガイドをご覧ください。

IoT テクノロジのエコシステム

IoT テクノロジのエコシステムは、デバイス、データ、接続性、テクノロジ ユーザーのレイヤーで構成されています。

デバイス レイヤー

センサー、アクチュエータ、ハードウェア、ソフトウェア、接続性、ゲートウェイを組み合わせて、ネットワークに接続して通信するデバイスを構成します。

データ レイヤー

ビジネスの状況に即して、収集、処理、送信、格納、分析、提示、使用されるデータです。

ビジネス レイヤー

課金やデータ マーケットプレースの管理を含む、IoT テクノロジのビジネス面の機能です。

ユーザー レイヤー

IoT デバイスとテクノロジを操作する人。

Azure IoT Hub を使って構築する際に、デバイスを適切に接続する方法を詳しくご確認ください。

IoT テクノロジ スタック パート 1:
IoT デバイス

IoT デバイスの種類は多岐にわたりますが、これらの共通の概念やボキャブラリは共有される傾向があります。また、こちらの IoT デバイス カタログでは、IoT 技術を利用したデバイスの種類についても詳しく確認することができます。

アクチュエータ

アクチュエータは、通常はセンサーによる変化の検出に応じて、制御センターの指示に従って物理的な動作を実行します。これらは、変換器の一種です。

組み込みシステム

埋め込みシステムは、大規模なシステム内の特定の機能を管理するマイクロプロセッサベースまたはマイクロコントローラーベースのシステムです。これには、Azure RTOS などのハードウェアとソフトウェアの両方のコンポーネントが含まれます。

インテリジェント デバイス

コンピューティングの機能を備えたデバイス。これらにはマイクロコントローラーが組み込まれていることが多く、Azure IoT Edge などのサービスを利用して、デバイス間で特定のワークロードを最適にデプロイすることができます。

マイクロコントローラー ユニット (MCU)

これらの小さなコンピューターは、マイクロチップに埋め込まれており、CPU、RAM、ROM を搭載しています。単純なタスクを実行するために必要な要素が含まれていますが、マイクロコントローラーで使用できる電力はマイクロプロセッサに比べて限られています。

マイクロプロセッサ ユニット (MPU)

MPU が単一または複数の集積回路上で CPU の機能を実行します。マイクロプロセッサでは、タスクを完了するために周辺機器が必要ですが、CPU しか含まれていないため、処理コストを大幅に削減できます。

非コンピューティング デバイス

接続とデータの送信だけを行い、コンピューティングの機能はないデバイス。

変換器

一般的に、変換器は、ある形式のエネルギーを別の形式に変換するデバイスです。IoT デバイスでは、これには内蔵のセンサーとアクチュエータが含まれます。これらは、デバイスが周囲の環境と連動してデータを送信します。

センサー

周囲の環境の変化を検出し、その情報を伝達するために電気インパルスを生成するセンサー。センサーは通常、温度、化学物質、物理的な位置の変化、変換器の種類など、環境の変動を検出します。

IoT テクノロジ スタック パート 2:
IoT のプロトコルと接続性

IoT デバイスの接続

IoT テクノロジ プロジェクトの計画における重要な側面は、デバイスの IoT プロトコル、つまり、デバイスがどのように接続して通信するかを決定することです。IoT テクノロジ スタックでは、デバイスの接続はゲートウェイまたは組み込み機能のいずれかを通じて行われます。

IoT ゲートウェイとは

ゲートウェイは IoT テクノロジの一部であり、これを使用して IoT デバイスをクラウドに接続することができます。すべての IoT デバイスにゲートウェイが必要であるわけではありませんが、デバイス間の通信を確立したり、IP ベースではないためクラウドに直接接続できないデバイスを接続したりする場合に使用することができます。IoT デバイスから収集されたデータは、ゲートウェイを経由し、エッジで前処理が行われた後、クラウドに送信されます。

IoT ゲートウェイを使用すると、待機時間が短くなり、転送サイズが減少します。また、IoT プロトコルの一部にゲートウェイを設けることで、お客様はインターネットに直接アクセスしなくてもデバイスに接続できるようになり、また送受信するデータが保護されることで追加のセキュリティ レイヤーが確保されます。

どのようにして IoT デバイスをネットワークに接続しますか?

お客様が IoT プロトコルの一部として利用する接続の種類は、デバイス、その機能とユーザーによって異なります。通常は、データの移動距離 (短距離または長距離) によって、必要な IoT 接続の種類が決まります。

IoT ネットワークの種類

低電力の短距離ネットワーク

低電力の短距離ネットワークは、家庭、オフィス、その他の小規模な環境に適しています。小型のバッテリーだけで済む傾向があり、通常は安価で動作します。

一般的な例:

Bluetooth

高速データ転送に適しています。Bluetooth では、音声信号とデータ信号の両方を最大 10 m の距離に送信できます。

NFC

2 つの電子機器間で 4cm (1⁄2 インチ) 以下の距離で通信するための通信プロトコルのセット。NFC は、より機能性の高い無線接続をブートストラップするために使用できる、シンプルな設定の低速接続を提供します。

Wi-Fi/802.11

Wi-Fi は運用コストが低いので、家庭やオフィスで標準となっています。ただし、すべてのシナリオに適しているとは限りません。到達範囲が限られており、電力を常に消費するためです。

Z-Wave

低エネルギーの電波を利用してアプライアンスからアプライアンスへの通信を行うメッシュ ネットワーク。

Zigbee

小型で低電力のデジタル無線機を使用してパーソナル エリア ネットワークを構築するために使用される、高レベル通信プロトコル スイートの IEEE 802.15.4 ベースの仕様。

省電力広域ネットワーク (LPWAN)

LPWAN を使用すると、少なくとも 500m の距離で通信が可能になります。最小限の電力で動作し、大部分の IoT デバイスで使用されています。LPWAN の一般的な例を次に示します。

4G LTE IoT

高容量と低遅延を実現します。これらのネットワークは、リアルタイムの情報や更新が必要な IoT シナリオに最適です。

5G IoT

現時点ではまだ利用できませんが、5G IoT ネットワークでは、特定のエリアで従来よりはるかに高速なダウンロードが可能になり、さらに多くのデバイスに接続できるようになるため、IoT のイノベーションが加速することが期待されています。

Cat-0

これらの LTE ベースのネットワークは、最も低コストの選択肢です。2G を置き換えるテクノロジである Cat-M の基盤になっています。

Cat-1

この携帯ネットワーク IoT 向けの標準は、最終的に 3G を置き換えます。Cat 1 ネットワークは簡単にセットアップでき、音声やブラウザー インターフェイスを必要とするアプリケーションに優れたソリューションを提供します。

LoRaWAN

長距離広域ネットワーク (LoRaWAN) では、セキュリティで保護されたバッテリー駆動の双方向モバイル デバイスが接続されます。

LTE Cat-M1

これらのネットワークは、LTE ネットワークと完全に互換性があります。IoT アプリケーション専用に設計された第 2 世代の LTE チップで、コストと電力が最適化されます。

ナローバンドまたは NB-IoT/Cat-M2

NB-IoT/Cat-M2 では直接スペクトラム拡散 (DSSS) 変調を使用してデータをサーバーに直接送信します。これにより、ゲートウェイが不要になります。NB-IoT ネットワークのセットアップにはコストがかかりますが、ゲートウェイが不要になるので運用コストは低くなります。

Sigfox

このグローバル IoT ネットワーク プロバイダーが提供するワイヤレス ネットワークでは、データを連続して出力する低電力のオブジェクトを接続できます。

IoT プロトコル: IoT デバイスがネットワークと通信する方法

IoT デバイスでは通信に IoT プロトコルを使用します。インターネット プロトコル (IP) は、データをインターネットに送信する方法を規定した一連の規則です。IoT プロトコルは、あるデバイスまたはセンサーの情報を別のデバイス、ゲートウェイ、サービスで確実に読み取って解釈できるようにします。さまざまな IoT プロトコルが設計され、さまざまなシナリオや用途に合わせて最適化されています。多種多様な IoT デバイスを使用できることを考えると、状況に合わせて適切なプロトコルを使用することが重要です。

どの IoT プロトコルを使用すべきでしょうか?

お客様に必要な IoT プロトコルの種類は、データが移動するシステム アーキテクチャ レイヤーによって異なります。開放型システム間相互接続 (OSI) モデルでは、データを送受信するさまざまなレイヤーのマップが提供されます。IoT システム アーキテクチャの各 IoT プロトコルでは、デバイス間の通信、デバイスとゲートウェイ間の通信、ゲートウェイとデータセンター間の通信、ゲートウェイとクラウド間の通信、さらにはデータセンター間の通信を行うことができます。

アプリケーション レイヤー

アプリケーション レイヤーは、特定の IoT プロトコル内で、ユーザーとデバイス間のインターフェイスとして機能します。

Advanced Message Queuing Protocol (AMQP)

メッセージング ミドルウェア間の相互運用性を実現するソフトウェア レイヤーです。さまざまなシステムとアプリケーションを連携して、工業規模で標準化されたメッセージングを確立するために役立ちます。

Constrained Application Protocol (CoAP)

制約付き帯域幅および制約付きネットワークのプロトコルです。マシン間通信で接続能力が限られたデバイス向けに設計されています。また、CoAP はユーザー データグラム プロトコル (UDP) を介して動作するドキュメント転送プロトコルです。

Data Distribution Service (DDS)

小型デバイスの実行から高パフォーマンス ネットワークへの接続にいたるまで、あらゆる用途に対応できる汎用性のあるピアツーピア通信プロトコルです。DDS では、デプロイの効率化、信頼性の向上、複雑さの軽減を実現できます。

Message Queue Telemetry Transport (MQTT)

軽量のマシン間通信向けに設計されたメッセージング プロトコルで、主にリモートの場所への低帯域幅の接続に使用されます。MQTT ではパブリッシャー/サブスクライバー パターンを使用しており、帯域幅とバッテリーを効率的に使用する必要がある小型のデバイスに最適です。

トランスポート レイヤー

あらゆる IoT プロトコルにおいて、トランスポート レイヤーは、データがレイヤー間を移動するときにデータ通信を可能にして保護します。

伝送制御プロトコル (TCP)

大部分のインターネット接続で主流となっているプロトコルです。ホスト間の通信を可能にして、大量のデータ セットを個別のパケットに分割し、必要に応じてパケットを再送信および再構成します。

ユーザー データグラム プロトコル (UDP)

プロセス間通信を可能にする通信プロトコルで、IP 上で動作します。UDP を使用すると、TCP 経由のデータ転送速度が向上します。このプロトコルは、無損失のデータ転送を必要とするアプリケーションに最適です。

ネットワーク レイヤー

IoT プロトコルのネットワーク レイヤーは、個々のデバイスがルーターと通信する支援をします。

IP

多くの IoT プロトコルでは IPv4 が利用されていますが、最近の実行例では IPv6 が利用されています。この最近更新された IP では、インターネット経由でトラフィックをルーティングし、ネットワーク上のデバイスを識別して特定します。

6LoWPAN

この IoT プロトコルは、処理能力が限られている低電力デバイスに最適です。

データ リンク レイヤー

データ レイヤーは、システム アーキテクチャ内でデータを転送する IoT プロトコルの一部で、物理レイヤーで見つかったエラーを特定して修正します。

IEEE 802.15.4

低電力のワイヤレス接続向け無線標準です。Zigbee、6LoWPAN、その他の標準と共に使用して、ワイヤレスの組み込みネットワークを構築します。

LPWAN

低電力の広域ネットワーク (LPWAN) ネットワークでは、500m の距離から、場所によっては 10km 以上の距離での通信が可能です。LoRaWAN は、低電力消費向けに最適化された LPWAN の一例です。

物理レイヤー

物理レイヤーは、特定の環境内のデバイス間の通信チャネルです。

Bluetooth 低エネルギー (BLE)

BLE を使用すると、電力消費とコストを大幅に削減しつつ、従来の Bluetooth と同様の接続範囲を維持できます。BLE は、モバイル オペレーティング システム全体でネイティブに動作し、低コストでバッテリー寿命が長いため、コンシューマー向け電子機器で急速に普及しつつあります。

イーサネット

この有線接続は、高速なデータ接続と短い待機時間を兼ね備えた低コストの選択肢です。

Long-Term Evolution (LTE)

モバイル デバイスとデータ端末用のワイヤレス ブロードバンド通信の標準です。LTE では、ワイヤレス ネットワークの容量と速度が向上し、マルチキャスト ストリームとブロードキャスト ストリームがサポートされます。

近距離無線通信 (NFC)

電磁場を使用した一連の通信プロトコルで、2 つのデバイスが 4 cm 以内の距離で通信できます。NFC 対応デバイスは ID キーカードとして機能し、通常は非接触型のモバイル決済、チケット発行、スマートカードに使用されます。

電力線通信 (PLC)

既存の電力ケーブルを介してデータの送受信を可能にする通信技術。これにより、同じケーブルを介して IoT デバイスの電力供給と制御の両方を行うことができます。

無線 IC タグ (RFID)

RFID は電磁場を使用して、無給電の電子タグを追跡します。互換性のあるハードウェアで電力が供給され、これらのタグとの通信が行われて、識別と認証に関する情報を読み取ります。

Wi-Fi/802.11

Wi-Fi/802.11 は、家庭やオフィスでは標準となっています。低コストな選択肢ですが、到達範囲が限られており、電力を常に消費するため、すべてのシナリオに適しているとは限りません。

Z-Wave

低エネルギーの電波を利用してアプライアンスからアプライアンスへの通信を行うメッシュ ネットワーク。

Zigbee

小型で低電力のデジタル無線機を使用してパーソナル エリア ネットワークを構築するために使用される、高レベル通信プロトコル スイートの IEEE 802.15.4 ベースの仕様。

IoT テクノロジ スタック パート 3:
IoT プラットフォーム

IoT プラットフォームを利用すると、デプロイ、デバイス、データを管理する単一のサービスが提供されるので、IoT プロジェクトを簡単に構築して開始できます。IoT プラットフォームでは、ハードウェアとソフトウェアのプロトコルが管理され、セキュリティおよび認証の機能とユーザー インターフェイスが提供されます。

IoT プラットフォームの正確な定義ははっきりとは決まっていません。400 を超えるサービス プロバイダーがソフトウェアやハードウェアから SDK や API にいたるまで多種多様な機能を提供しているからです。しかし、ほとんどの IoT プラットフォームには以下のものが含まれます。

  • IoT クラウド ゲートウェイ
  • 認証、デバイス管理、API
  • クラウド インフラストラクチャ
  • サードパーティ アプリケーション統合

マネージド サービス

IoT マネージド サービスは、企業が IoT のエコシステムを積極的に運用して保守するために役立ちます。Azure IoT Hub などのさまざまな IoT マネージド サービスを利用して、お客様の IoT プロジェクトを構築、デプロイ、管理、監視するプロセスを効率化し、サポートすることができます。

最新テクノロジでの IoT の応用

AI と IoT

IoT システムでは膨大な量のデータが収集されるので、多くの場合、AI と機械学習を使用し、それらのデータを並べ替えて分析する必要があります。その結果、パターンを検出して分析情報を元にアクションを実行できるようになります。たとえば、製造機器から収集されたデータを AI で分析して、メンテナンスの必要性を予測し、予期しない故障によるコストとダウンタイムを減らすことができます。

ブロックチェーンと IoT

現在、IoT で得られたデータが販売または共有される前に改ざんされていないことを確認する方法はありません。ブロックチェーンと IoT を組み合わせて、データの分断を解消し、信頼性を高めることで、データを検証、追跡、利用することができます。

Kubernetes と IoT

ダウンタイムなしのデプロイ モデルを使用すると、Kubernetes ではユーザーに影響を与えることなく、IoT プロジェクトをリアルタイムで最新の状態に保つことができます。Kubernetes では、クラウド リソースを使用して簡単かつ効率的にスケールし、エッジへのデプロイに対応した共通のプラットフォームを提供できます。

オープンソースと IoT

オープンソース テクノロジは IoT の成長を加速させており、開発者は IoT テクノロジのアプリケーションでお好みのツールを使用できます。

量子コンピューティングと IoT

膨大な量のデータが生成される IoT は、当然ながら、大量の計算を高速に処理できる量子コンピューティングに適しています。さらに、量子暗号を使用すると必要なセキュリティ レベルを高めることができますが、現在のところ、ほとんどの IoT デバイスには、この処理を行うために十分な計算能力がありません。

サーバーレスと IoT

サーバーレス コンピューティングにより、開発者がインフラストラクチャを管理する必要がなくなるため、アプリケーションの構築を迅速化できます。サーバーレス アプリケーションでは、コードの実行に必要なインフラストラクチャのプロビジョニング、スケーリング、管理がクラウド サービス プロバイダーによって自動的に行われます。IoT プロジェクトのトラフィックが変動する中、サーバーレスによりコスト効率の高い方法で動的なスケーリングを実現できます。

仮想現実と IoT

仮想現実と IoT を組み合わせることで、複雑なシステムを視覚化し、リアルタイムの意思決定を行えるようになります。たとえば、拡張現実と呼ばれる (複合現実とも呼ばれます) 仮想現実の一形態を使用すると、重要な IoT データを現実世界のオブジェクト (IoT デバイスなど) やワークスペースの上にグラフィックとして表示することができます。この仮想現実と IoT の組み合わせによるテクノロジの発展は、医療、フィールド サービス、輸送、製造などの業界で進んでいます。

Digital Twins と IoT

実行前にお客様のシステムをテストすることは、コストと時間の劇的な節約につながります。Digital Twins は、複数の IoT デバイスからデータを取得し、他のソースからのデータと統合することで、システムがデバイス、人、空間とどのように相互作用しているかを可視化します。

IoT データと分析

IoT テクノロジでは大量のデータが生成されるので、それらのデータから実用的な情報を得るには、特別なプロセスやツールが必要となります。IoT テクノロジの一般的な応用と課題:

応用: 予測メンテナンス

過去のデータのシグナルを識別するように設計およびトレーニングされた IoT 機械学習モデルを使用すると、現在のデータでも同じトレンドを識別できるようになります。この手法により、ユーザーは予防的なサービス要求を自動化し、必要に応じていつでも交換できるように、新しいパーツを前もって注文することができます。

応用: リアルタイムの意思決定

次のような、エンドツーエンドのリアルタイム レポート作成を目的としたさまざまな IoT 分析サービスが提供されています。

  • 大容量のデータ ストレージ: 分析ツールでクエリを実行できる形式が使用されます。
  • 大容量のデータ ストリーム処理: 分析を実行する前にデータをフィルター処理して集計します。
  • 待機時間の短い分析ターンアラウンド: レポートを生成してデータを視覚化するリアルタイム分析ツールが使用されます。
  • リアルタイムのデータ取り込み: メッセージ ブローカーが使用されます。

課題:データ ストレージ

大規模なデータ収集では、大容量のデータ ストレージが必要になります。いくつかのデータ ストア サービスを利用できますが、データ編成の構造、認証プロトコル、サイズ制限などの機能はサービスによって異なります。

課題:データ処理

IoT では大量のデータが収集されるので、それらのデータを短時間でクリーニング、処理、解釈するという課題があります。エッジ コンピューティングでは、この課題に対処するために、ほとんどのデータ処理を集中管理システムではなくネットワークのエッジ、つまり、データを必要とするデバイスの近くで行います。一方で、データ処理を非集中化する際には、エッジ デバイスの信頼性やスケーラビリティ、転送中のデータのセキュリティなど、新たな課題が生じます。

IoT のセキュリティ、安全性、プライバシー

IoT のセキュリティとプライバシーは、あらゆる IoT プロジェクトで重要な考慮事項です。お客様は IoT テクノロジでビジネスの運用を変革できますが、適切に保護されていない場合、IoT デバイスは脅威をもたらす可能性があります。サイバー攻撃を受けると、データ侵害や機器の破壊が発生し、損害を被る恐れがあります。

Azure Sphere などの強力な IoT サイバーセキュリティは、脅威のモデル化を含め、標準的な機密性対策を超えるところまで到達しています。攻撃者がお客様のシステムを危険にさらす可能性があるさまざまな手法について理解することは、攻撃を阻止するための最初の一歩になります。

お客様の IoT セキュリティ システムを計画および開発する際には、OT から IT まで、お客様のプラットフォームとシステムの各ステップに適したソリューションを選択することが重要です。Azure Defender などのソフトウェア ソリューションによって、お客様の特定のシステム全体で必要な保護が提供されます。

IoT セキュリティについての詳細はこちら

関連資料

実際の IoT製造業のストーリー

ビジネス リーダーが IoT を活用してデータ、デバイス、アプリケーションを管理している事例について説明します。IoT テクノロジの活用に欠かせない事柄とお客様のソリューションを稼働するための方法について理解を深めましょう。

電子書籍を読む

IoT ショー

Microsoft の IoT に関する最新のお知らせ、製品と機能のデモ、お客様とパートナーの事例紹介、業界トップのエキスパートによるディスカッション、詳細な技術情報をご覧ください。

最新のエピソードを視聴

信頼できる IoT リーダーと提携する

お問い合わせ