IoT のテクノロジとプロトコル

IoT の世界に飛び込みましょう。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 のテクノロジとプロトコルの基本事項について説明します。

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、コネクテッド ファクトリ、小売のインテリジェント化、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

人が IoT デバイスと対話できるようにするコンポーネントです。

IoT テクノロジ スタック パート 1:
IoT デバイス

IoT デバイス

IoT テクノロジ スタック内のデバイスに関連する一般的な用語について以下に説明します。

組み込みシステム

ハードウェアとソフトウェアの両方が含まれており、より大規模なシステムに関連付けられた特定の機能を管理します。組み込みシステムは、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラーを搭載しています。

インテリジェント デバイス

これらのデバイスにはコンピューティング機能があり、多くの場合、マイクロコントローラーが搭載されています。

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)

CPU の機能が 1 つまたは複数の統合回路に実装されています。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

これらのデバイスでは接続とデータの送信だけを行います。コンピューティング機能はありません。

変換器

ある形式のエネルギーを別の形式に変換する物理デバイスです。IoT デバイスの変換器には、内蔵のセンサーとアクチュエータがあります。これらは、オブジェクトが周囲の環境と相互作用するとデータを送信します。

  • アクチュエータ

    通常、センサーによって変化が検出されたときに、制御センターの指示に従って物理的なアクションを実行します。

  • 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します。センサーは通常、温度、化学物質、物理的な位置の変化など、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 プロジェクトを計画する際には、デバイスの接続方法と通信方法を検討することが重要になります。これにより、採用する IoT プロトコルが決まります。

IoT デバイスの接続

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

IoT デバイスは、ゲートウェイを通じてクラウドに接続します。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、バッテリーの寿命が延び、待機時間が短縮され、転送サイズが削減されます。また、ユーザー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、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?

必要な接続の種類は、デバイス、デバイスの機能、デバイスの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

これらのネットワークは、家庭、オフィス、その他の小規模な環境に適しています。小型のバッテリーを使用する状況 (場合によっては、バッテリーなしのセットアップ) に適しており、多くの場合、安価に運用できます。

一般的な例を以下に示します。

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。

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

ホーム アプライアンス用のメッシュ ネットワークで、低エネルギーの電波を使用して通信します。Z-Wave では、ホーム オートメーション システム間でのアプリケーション レイヤーの相互運用性が提供されます。

Zigbee

ホーム オートメーションと医療用デバイスでの一般的な選択肢として、Zigbee は小型で低電力かつ低帯域幅のデバイスを近距離で使用するパーソナル エリア ネットワークに最適です。

省電力広域ネットワーク (LPWAN)

少なくとも 500 m 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。たとえば、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。

一般的な例を以下に示します。

4G LTE IoT

高容量と短い待機時間を実現します。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。

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

この無線技術の標準は、LTE 標準のサブセット上で動作します。屋内での使用に特化しており、低コストと長いバッテリー寿命を実現します。

NB-IoT/Cat-M2

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、ゲートウェイを不要にします。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

この大手グローバル 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またはセンサーで確実に読み取って解釈できるようにします。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?

使用する IoT プロトコルの種類は、お客様のデータが移動する必要があるシステム 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、ユーザーとデバイスの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

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

ネットワーク レイヤーによって、個々のデバイスはルーターと通信できるようになります。

6LoWPAN

転送時間を短縮する低電力バージョンの IPv6 です。

IPv6

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。

データ リンク レイヤー

データ レイヤーでは、システム アーキテクチャ内でデータを転送し、物理レイヤーで検出され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

この種類のネットワークでは、500 m 以上の距離で通信できます。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

物理レイヤーでは通信チャネルが確立され、指定された環境内でデバイスが接続できるようになります。

Bluetooth 低エネルギー (BLE)

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します。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。

無線 IC タグ (RFID)

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

家庭やオフィスで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。

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。さまざまな IoT マネージド サービスを利用して、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。

IoT と最新のテクノロジとの関係

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的にコンテキスト化し、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 (複合現実とも呼ばれます) では、収集されたデータの視覚的なオーバーレイを生成できますが、これを IoT と組み合わせると、さまざまな用途に使うことができます。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。

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。

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。

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。

サーバーレスと IoT

トラフィックが変動しやすい IoT プロジェクトでは、サーバーレスを利用すると、コスト効率の高い方法で動的なスケーリングが可能になります。インフラストラクチャ管理に悩まされることもありません。

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。

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。

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。

一般的な IoT テクノロジ アプリケーション:

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。

リアルタイムの意思決定

効率的なリアルタイムの IoT 分析アーキテクチャは、大量のデータを短い待機時間で処理できるようにスケーリングされます。さまざまな IoT 分析サービスを利用でき、エンドツーエンドのリアルタイム レポートを提供することを目的とした以下のようなコンポーネントがあります。

  • 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。

IoT テクノロジに関する一般的な課題:

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。

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。IoT テクノロジは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。

強力な IoT サイバーセキュリティは、脅威のモデル化を含む標準的な機密性対策に留まりません。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。

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

Azure での IoT ソリューションの構築: A Developer’s Guide (Azure での IoT ソリューションの構築: 開発者向けガイド)

主要な IoT ソリューションの要件に対応するサービスの概要を確認し、ステップバイステップの手順を通じて、必要な知識を身に付け、完全に機能するソリューションに迅速に移行することができます。

ガイドを確認する

電子書籍: Ebook: Your IoT business needs the right business model

自身の現在のビジネス モデルを再考するか、顧客との関係向上をサポートする新たな IoT 対応モデルを見つけ出します。価格決定力と収益の再現に基づいて、複数の戦略を検討します。

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