これらの秘密を知れば、IoTハードウェアが驚くほど魅力的になる

12年2021月XNUMX日
IoT基本

IoTハードウェアは、センサー、ブリッジ、ルーティングデバイスなど、多種多様なデバイスから構成されています。これらのIoTデバイスは、システムの起動、通信、動作規定、セキュリティ、詳細なアクションや目標の検出といった重要なタスクの管理において重要な役割を果たします。以下では、MOKOSmartで利用可能なIoTテクノロジーを採用したIoTハードウェアデバイス、IoTハードウェアの構成要素、IoTソフトウェアのアーキテクチャ、そして一般的なIoTハードウェアプラットフォームについて解説します。さらに、IoTプロジェクトの展開に必要なIoTハードウェア要件、そしてマイクロコントローラー開発ボード、シングルボードコンピューター、そしてプロセッサについても解説します。

IoTハードウェアの構成要素

このセクションでは、IoT ハードウェアのいくつかの構成要素について説明します。

もの

IoTにおいて「モノ」とは、測定、監視、または制御を目的とした資産を指します。ほとんどのIoT製品は、スマートデバイスを「モノ」に完全に統合しています。例えば、自動運転車やスマート冷蔵庫などの製品は、自らを徹底的に監視・制御します。

「モノ」が単独のデバイスとして使用される他のアプリケーションでは、特定の製品をリンクして、それがスマート機能を備えていることを証明する必要があります。

データ収集モジュール

このIoTハードウェアコンポーネントは、監視対象または観測対象から物理信号を取得することに重点を置いています。その後、これらの信号をコンピューターが容易に解釈または操作できるデジタル信号に変換します。圧力、密度、温度、光、振動、動きといった実世界の信号を取得するのに役立つすべてのセンサーがこのIoTハードウェアコンポーネントに含まれています。必要なセンサーの数と種類はアプリケーションによって決定されます。

また、データ取得モジュールは、入力センサーからの信号をコンピューターが使用するデジタルデータに変換するために必要なハードウェアで構成されています。これには、入力信号の順応、解釈、アナログからデジタルへの変換、スケーリング、ノイズの最小化などが含まれます。

データ処理モジュール

これは、ローカルデータストレージ、ローカル分析、その他のコンピューティング操作などの操作を実行するデータを処理するために使用される重要なユニットで構成されます。

通信モジュール

このモジュールにより、クラウド内またはローカルのクラウドプラットフォームとサードパーティシステム間の効率的な通信が可能になります。

IoTハードウェアセンサー

センサーはIoTハードウェアにおいて最も重要な要素です。IoTセンサーは、電源管理モジュール、RFモジュール、センシングモジュール、エネルギーモジュールなど、複数のモジュールで構成されています。これらの用途に最適です。

近接
光学的周囲光
漏れの検出
温度と湿度の測定
電磁気
加速
音響と振動
化学ガスの識別
変位
強制圧力

センサー

IoTデータはセンサーなしでは存在できません。すべてのIoTセンサーは、物理的な資産に比例したアナログ電気信号を生成します。センサーはADC（アナログ-デジタルコンバータ）を使用して、これらのアナログ信号をデジタルデータに変換します。また、電流、インダクタンス、電圧、抵抗、インピーダンスといった単純な電気特性もセンサーによって測定できます。

さらに、センサーを使用して磁場と電場の方向と強度を測定することもできます。

センサーによって測定される非電気的特性は、トランスデューサーを使用して物理的特性をアナログ電気信号に変換します。

最も一般的な物理的特性は次のとおりです。

速度、加速度、変位、振動などの 3D パラメータ。
湿度や温度などの生態学的特性。
圧力、流量、音などの液体流体力学。

ウェアラブル電子機器

これらは、頭、腕、首、足、胴体に装着する小型の機器です。現在市販されているウェアラブル電子機器には、以下のものがあります。

頭に装着するスマートグラス
首に着用する首輪
腕に装着するスマートウォッチ

バックパックやその他の衣類は胴体に着用されます

その他のIoTハードウェアデバイス

タブレット、スマートフォン、デスクトップパソコンなどのデバイスは、IoTシステムの不可欠な要素として、私たちは日々利用しています。スマートフォンは、機能的なリモート操作やその他の重要な設定変更を可能にします。デスクトップパソコンは、ユーザーがシステムを徹底的に制御することを可能にします。

タブレットを使用すると、ユーザーはシステムの主要機能にアクセスできるだけでなく、リモートとしても使用できます。スイッチやルーターなどの標準化されたネットワークデバイスは、その他の主要な接続デバイスを形成します。

IoTハードウェアデバイスの特徴

新しい産業用IoTハードウェアプラットフォームの急速な導入に伴い、その環境は絶えず進化しています。IoTデバイスには共通の重要な特性があり、新しいIoTネットワークの構築や既存ネットワークの拡張・発展に使用するハードウェアとソフトウェアの選択において、評価材料となります。IoTデバイスに特徴付けられる重要な機能は以下のとおりです。

接続性

すべての IoT デバイスは、ネットワーク接続をその特徴としています。IoT デバイスがローカルで他のデバイスと通信する場合、クラウドベースのサービスを使用してデータを公開します。ほとんどの IoT デバイスは、Bluetooth ビーコン、802.11 (Wi-Fi)、セルラーネットワーク、RFID、または SigFox、LoRa、NB-IoT などの LPWAN テクノロジーを使用して、無線で情報を転送します。すべての固定デバイスには、有線通信システムが搭載されています。これらの固定デバイスは、産業制御アプリケーション、ホームオートメーション、スマートビルディングなどに設置されます。コントローラエリアネットワーク (CAN) やユニバーサル非同期受信送信機 (UART) などの標準プロトコルは、シリアル通信の形式でデバイスを接続します。

パワーマネジメント

太陽電池やバッテリーなどのワイヤレス電源に大きく依存するポータブルデバイスやウェアラブルデバイスでは、電力管理が重要な課題となります。多くのユーザーは、電力を節約するために、デバイスを低電力モードまたはスリープモードに切り替えることがあります。これは、ユーザーの使用パターンと、関連する集積回路（IC）、センサー、アクチュエータの電力需要によって異なります。接続コンポーネントが増えると、デバイスの消費電力は増加します。

マイクロコントローラ開発ボード

マイクロコントローラは、データ処理と膨大な量のデータの保存が可能なSoCの一種です。メモリ、プロセッサコア、そしてマイクロコントローラ上で実行されるすべてのカスタムプログラムを保持するために用いられる消去可能なプログラマブル読み出し専用メモリ（EPROM）で構成されています。さらに、マイクロコントローラ開発ボードには、マイクロコントローラをサポートするための追加の電気回路が搭載されており、チップを使ったプログラミングやプロトタイピングにおいてより優れたメリットをもたらします。

マイクロコントローラは、ハードウェアバス、またはアナログもしくはデジタルの汎用入出力（GPIO）ピンを介してアクチュエータやセンサーに接続されます。バスに接続されたすべてのコンポーネントは、SPI、I2C、SPIなどの標準通信プロトコルを使用して通信を行います。ユーザーが特定の標準規格を採用することで、バスに接続されたコンポーネントの交換や追加が容易になります。

シングルボードコンピュータ（SBC）

マイクロコントローラよりも即興的な設計です。シングルボードコンピュータは、画面、キーボード、マウスなどの周辺機器を接続できます。さらに、処理に必要なパワーとメモリ容量も豊富です。例えば、マイクロコントローラは8ビット16kHzのマイクロプロセッサを搭載していますが、シングルボードコンピュータは1.2GHz 32ビットARMマイクロプロセッサを搭載しています。

マイクロコントローラ開発ボードとシングルボードコンピュータのどちらを選択するのが最適ですか?

マイクロコントローラ開発ボードまたはシングルボードコンピュータの購入を計画する際には、アプリケーションの要件に応じてデバイスの主な特性を考慮することが重要です。また、以下の点も検討材料として検討してください。

必要に応じて、コンポーネントの設計回路に不可欠な出力コンポーネントと周辺センサーの数量と種類を決定します。
周辺システムのコンポーネントを制御および調整するには、単一のボードまたはマイクロコントローラを選択します。
デバイス内通信に必要なデータ通信プロトコルの中から、必須のプロトコルを選択します。例えば、マイクロコントローラーと接続されたセンサー間の通信には、I2Cを使用します。
アプリケーションやクラウドサービスとの通信に不可欠なプロトコルとネットワークハードウェアを決定します。
IoT ランドスケープデザインをさらに進めた後に達成すると予想される設計意図を比較します。
組み込みソフトウェア、プロトタイプ、デバイス設計にアクセスし、最適なアプリケーションとサービスを選択してください。セキュリティ、パフォーマンス、信頼性といった機能要件と非機能要件を照らし合わせながら、プロトタイプを随時評価することも可能です。その後、必要と思われる選択肢を再検討してください。

IoT プロジェクトを展開するための IoT ハードウェア要件

IoTデバイスは特定の環境でのみ動作し、ハードウェアプロジェクトも多岐にわたるため、高度に専門化されています。しかしながら、汎用的な市販ハードウェアを用いてプロトタイプを作成することで、IoTソリューションの要件に合わせてカスタムPCBとそのコンポーネントを開発・設計することが可能です。IoTプロジェクトを展開する際には、以下のIoTハードウェア要件を考慮することが不可欠です。

セキュリティ要件

セキュリティはIoT（モノのインターネット）の不可欠な要素です。デバイスのセキュリティ要件を考慮することは、開発・設計のあらゆる段階において不可欠です。プロトタイプ開発段階においても、デバイスによって取得されるデータのセキュリティと整合性が確保されていることを確認してください。すべてのIoTデバイス、そのネットワーク、ウェブサイトやモバイルのサービスアプリケーションにセキュリティ要件が適用されます。

開発のしやすさ

開発の容易さは、プロトタイピングにおいて最優先事項です。開発の容易さによって、ユーザーはIoTデバイスを迅速かつ効率的に起動し、データのキャプチャや他のデバイスやクラウドとの相互接続を行うことができます。IoTプロジェクトをデプロイする際には、APIドキュメントの品質、アクセス性、可用性に留意してください。また、開発ツールや、デバイスのメーカーまたは開発チームが提供するサポートについても検討してください。

データの取得、処理、および保存要件

処理されるデータ量の主な決定要因は、接続されたセンサーの数、キャプチャされたデータの解像度、そしてサンプリングレートです。これらはデータの保存と処理の要件にも影響を与えます。

接続要件

無線ネットワークには、動作範囲、送信信号の到達距離、予測されるデータ量と送信量といった接続要件があります。デバイスの接続要件を確認する際には、フォールトトレランス、デバイスの再接続能力、そしてデバイスが切断後にデータ送信を再試行するまでの時間を考慮することが重要です。

電源要件

電力要件は、主にネットワーク伝送速度とデバイスに搭載されているセンサーの数によって左右されます。そのため、IoTプロジェクトを展開する際には、デバイスにスーパーキャパシタやバッテリーなどのモバイル電源が必要か、それとも有線接続が必要かを検討することが重要です。また、バッテリーのサイズ、容量要件、重量、そしてバッテリーが充電されるのか、交換されるのか、あるいは消耗時に廃棄されるのかを把握しておく必要があります。バッテリーが充電可能な場合は、どのような方法で、どのくらいの頻度で充電されるのかを確認しましょう。

物理デバイスの設計要件

ハードウェアデバイスのサイズや外観も重要な要素です。IoTデバイスを設計する際には、デバイスが設置される環境を考慮することが不可欠です。例えば、デバイスに耐久性や防水性が必要かどうかを検討しましょう。車両監視アプリケーションの一部としてトラックの下部に設置されるすべての機器は、過酷な環境下でも正常に動作するよう、常に保護する必要があります。デバイスは耐水性で、衝撃、汚れ、振動に耐えられる必要があります。

コスト要件

ハードウェアの価格を決定づける主な要因は、ハードウェア本体の導入費用とセンサーなどの関連コンポーネントです。ハードウェアコストを左右するその他の要素には、メンテナンスや電力コストといった継続的な運用コストも含まれます。また、一部のデバイスのドライブやコンポーネントについては、適切なライセンス料について検討することも重要です。カスタムボードの組み立ては、市販の開発ボードを購入するよりも費用がかかります。多数の機器を備えたIoTネットワークをスケールアウトする場合は、専用のハードウェアデバイスを使用する方が賢明です。

プロセッサ

センサーデータは、取得したデータをクラウドに送信する前に処理されます。したがって、後続のセンサーデータを作成するために必要なデータ処理量とセンサーの複雑さによって、処理レベルが決まります。例えば、温度測定値は、設定された値の平均値、あるいは時間経過に伴う単一のデータ値を単純に表したものです。さらに、シーン検出アルゴリズムがイベントをフラグ付けしなければデジタルビデオを録画できないセキュリティカメラは、より複雑になる可能性があります。

データ処理に必要な複雑さと処理能力に基づいて、4つのIoTハードウェア処理クラスが必要です。これらは次のとおりです。

PCベースシステム

PCベースのシステムは、システムインテグレーターが安価な一般的なプロセッサ、市販のマザーボード、ケース、電源を使って簡単にカスタムシステムを構築できる、構成可能なプラットフォームです。大規模なローカルデータストレージ機能は、主にソリッドステートドライブ（SSD）またはテラバイト級のハードドライブによって提供されます。

モバイルシステム

モバイルシステムには、スマートフォンやタブレット向けに最適化された専用サブセットを備えた組み込みシステムが組み込まれています。すべてのモバイルシステムはバッテリー駆動のため、頻繁な充電が必要です。これらの本質的にパーソナルなデバイスは、エネルギーを節約し、デバイスのバッテリー寿命を延ばすための高度な電源管理システム機能を備えています。また、モバイルシステムは高性能な処理能力を備えています。

マイクロプロセッサ（MPU）ベースの組み込みシステム

特定の製品の要件に対応するために、幅広い機能と性能を備えたオプションを提供します。これらの要件は主に、通信システム、民生用電子機器、自動車および産業用制御機器、医療機器、その他の垂直市場アプリケーションを対象としています。

マイクロコントローラ（MCU）ベースの組み込みシステム

これらのシステムは最小限の処理要件しか必要とせず、低コストのソリューションを提供します。マイクロコントローラは、画像処理の高速化や、公開鍵／秘密鍵の交換のための暗号化アクセラレーション、真性乱数生成（TRNG）などのセキュリティ機能を実現する、インプラントに特化した高度なハードウェアモジュールです。

IoTハードウェアアーキテクチャ

マイクロコントローラユニットは、IoTデバイスのハードウェアアーキテクチャを構築するために使用できます。システムのチップリソース、インターフェース、および電力によって、マイクロコントローラユニットの選択が決まります。IoTハードウェア設計を確定するには、いくつかの機能を集める必要があります。これらの機能は、完璧なIoTハードウェアプロトタイプと、必須のIoTハードウェアキットの価格を決定するのに役立ちます。具体的には、以下の機能が含まれます。

アクチュエータまたはセンサーの種類
通信インターフェースの種類
キャプチャおよび送信されたデータの量
データ転送頻度

IoTソフトウェアアーキテクチャ

オープンソースコンポーネントは、IoTソフトウェアアーキテクチャの基盤です。上の図は、IoTアーキテクチャが多くのシステムで一般的に使用されている様子を示しています。Linuxは、IoTハードウェアとソフトウェアの開発対象を限定する必要がないため、より広く利用されています。

現在、多くの企業は、無数のIoTアプリケーションですぐに使用できるIoTフレームワークの提供を目指しています。CoAPプロトコルはIoTアプリケーション専用であるため、主に利用されています。このプロトコルは、IoTデバイスと連携するための標準的なメカニズムも提供します。

一般的なIoTハードウェアプラットフォーム

IoT（モノのインターネット）アプリケーションに不可欠な要素は、IoTハードウェアプラットフォームです。これらのデバイスは、DIYプロトタイプやプロジェクトを迅速に構築するのに役立ちます。IoT開発でよく使用されるハードウェアプラットフォームには、以下のようなものがあります。

Raspberry Pi – Raspberry Pi は、テクノロジー愛好家、実験者、教育者の間で、小型で安価なコンピューティングボードとして広く普及しています。
Arduino (Genuino) – 使いやすいソフトウェアとハードウェアをベースにしたオープンソースのプロトタイピングプラットフォームです。
ESP8266 – アクセスポイントとクライアントポイント、完全な TCP/IP スタック、および DNS 付き Wi-Fi フロントエンドを備えた 160 MHz マイクロコントローラーに参加します。
Intel Edison – この小型開発プラットフォームには、Intel Atom CPU を搭載した 32 バイトの Intel Quark マイクロコントローラーが搭載されています。
Intel Galileo – この Intel ベースのアーキテクチャ AWS IoT ハードウェアプラットフォームは、Uno R3 向けの Arduino シールドとピン互換のあるソフトウェアパッケージおよびコンピュータハードウェアです。
BeagleBone – このオープンハードウェアは、家庭にあるさまざまなアイテムに接続できる小型のオープンソフトウェアコンピュータであるため、組み立てが簡単です。
Banana Pi – 日常使用に十分な小型、低価格、柔軟性を目指したシングルボードコンピュータです。
NodeMCU 開発キット – ESP1 Wi-Fi チップをベースに、PWM、ADC、8266-Wire、GPIO、IIC を XNUMX つのボードに統合します。
Flutter – Flutter には、高速 ARM プロセッサ、オンボードの IoT ハードウェアセキュリティチップ、内蔵充電バッテリー、堅牢な長距離ワイヤレス通信が搭載されています。

オープンソースはIoTハードウェアに浸透している

IoT開発者の多くはオープンソースの活用に精通しており、91%以上が開発スタックの複数の部分にオープンソースソフトウェア、オープンデータ、またはオープンハードウェアを適用しているため、その説得力は高まっています。しかし、IoT開発者の2人中10人未満が特許取得済み技術を主に利用しており、オープンソースの選択肢を採用する可能性は低いです。IoTハードウェア企業の多くは、IoTオープンソースハードウェアの利用が主流です。この高い利用率は、開発者の動機（学習目的、楽しみのため、あるいは金銭目的など）に関わらず、常に維持されています。

オープンソースは新たな標準化である

標準ソリューションの利用は、オープンスタンダードの利用と同等の生産性向上をもたらします。さらに、オープンソースにおけるパブリックスタンダードの適用は、新興のIoT（モノのインターネット）において重要な課題である相互運用性の課題解決に役立ちます。使用するオープンソース技術に精通した新人研修の費用を常に考慮することが重要です。GoogleはMapReduce技術の下請け契約において、まさにこの方法を採用しました。オープンソースソリューションは主にAzure IoTハードウェア分野で利用されています。

オープンソースは開発者を惹きつける

オープンソースは開発者の間で非常に大きな関心を集めています。開発者はオープンソースが提供する価値や標準に敏感であるためです。IoT開発者の78%以上が、可能な限り、少なくともXNUMXつの開発分野において、プロプライエタリな技術よりも優れた代替技術よりも、オープンソース技術を利用することを好んでいます。企業がオープンソースを運用・推奨することは、開発者にとってXNUMXつの重要な側面において、最高級の技術であることを示すことになります。

開発者の精神と倫理観に合わせる
ソリューションの価値と開発者のサポートを強調
最先端の技術を披露

によって書かれた -

ヘンリー・ヘ

ヘンリーは、当社のR&D部門で経験豊富なプロジェクトマネージャーを務めており、BYDでプロジェクトエンジニアを務めた豊富な経験をMOKOSMARTに持ち込んでいます。R&Dにおける彼の専門知識は、IoTプロジェクトマネジメントにおいて幅広いスキルをもたらします。6年間にわたるプロジェクトマネジメントの豊富な経験と、PMPやCSPM-2などの資格取得により、ヘンリーは営業、エンジニアリング、テスト、マーケティングの各チーム間の連携を円滑に進めることに長けています。彼が携わったIoTデバイスプロジェクトには、ビーコン、LoRaデバイス、ゲートウェイ、スマートプラグなどがあります。

ヘンリー・ヘ

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