この記事ではモノのネットワーク通信化によるIoT技術の側面について詳しく解説します。
IoTとは物理的デバイスがインターネットを通じデータ収集・交換する仕組みのこと
IoT（アイオーティー：Internet of Things：モノのインターネット）とは、自動車や家電などの「モノ」が直接インターネットに繋がり、互いに情報交換をする技術です。
具体例として、
- 外出先からスマホを操作して、
- 自宅のエアコンの電源を入れるシステム
などが挙げられます。
IoTシステムは「IoTサーバ」と「IoTデバイス」から構成され、例として
- 家庭用のスマートスピーカーや
- 産業用の飛行機エンジン
といったモノがIoTシステムに該当します。
これらのデバイスは、センサーやアクチュエーターと連携して動作し、効率的なデータ収集と制御を行います。
IoTの導入により、私たちの生活や産業のあらゆる側面が大きく変わろうとしています。
IoTサーバとはIoTデバイスを管理する機器
IoTサーバとは、IoTデバイスを管理する機器で、データの受信・処理・指示送信を行います。
以下のように、
- IoTデバイスからデータを受信し、
- 処理を行い、
- 指示を送信する
といった役割を持ちます。
| 用語 | 解説 |
|---|---|
| IoTサーバ | IoTデバイスを管理する機器 |
| IoTデバイス | モノのインターネットのモノにあたる機器。物理デバイス |
IoTにおけるセンサーとアクチュエーターとは
センサーとは、物理量を検出して電気信号に変える装置です。
IoTにおけるセンサーの役割は、周囲の温度、湿度、光、音などを計測し、デジタル化することです。
アクチュエータは、電気信号を力学的な運動に変える装置です。
IoTにおけるアクチュエータの役割は、IoTサーバから受信した信号にしたがってIoTデバイスを制御することです。
例として「外気温に応じて窓を開閉するIoTシステム」を構築した阿相、センサーやアクチュエータは次のような役割を持ちます。
| 用語 | 解説 |
|---|---|
| センサー | 外気温を計測して電気信号に変換する |
| IoTサーバ | IoTデバイスから外気温データを受信する・IoTデバイスに対して窓の開閉を指示する |
| アクチュエータ | 窓を開閉する |
IoTサーバで生活の質向上？
特にIoTサーバは、複数のデバイスを一括管理し、効率的なデータ処理を可能にします。
例えばスマートホームシステムを利用することで、IoTサーバは家中のスマートデバイス（照明、セキュリティカメラ、エアコンなど）を一元管理し、住人のライフスタイルに合わせて最適な制御を行います。
IoTを活用することでエネルギーの節約や、生活の質の工場が図ることが可能です。
アクチュエーターで電気を力に変える
先述のとおりアクチュエーターとは、電気信号を力学的な運動に変える装置です。
アクチュエーターでIoTサーバから受信した信号に従ってIoTデバイスを制御することで、スマートホームシステムでは、
- 温度センサーが外気温を計測し、
- IoTサーバがそのデータを処理して
- エアコンの設定温度を調整する
といった命令をアクチュエーターに送信します。
IoTゲートウェイとは
IoTデバイスは、インターネットへの接続機能の有無によって次の2種類に分類されます。
- 直接インターネットに接続できるタイプ
- 必要最低限の機能のみを持たせ、インターネット接続には別機器を利用するタイプ
インターネット接続機能を持たないIoTデバイスの代わりに、インターネットへの接続を行う機器を「IoTゲートウェイ」といいます。
IoTゲートウェイは、IoTデバイスからのデータをインターネットに送信し、逆にインターネットからの指示をIoTデバイスに伝達する役割を持ちます。
IoTゲートウェイは、セキュリティの観点からも重要です。
多くのIoTデバイスはセキュリティ機能が十分でないため、ゲートウェイがデータの暗号化や認証を行うことで、安全な通信を確保します。
また、ゲートウェイはデータのフィルタリングやプロトコルの変換なども行い、システム全体の効率を向上させます。
IoTゲートウェイは中継点にもなる
複数のIoTデバイスが構成される場合、各デバイスが直接サーバと通信するとネットワークに負荷がかかります。
このような場合、IoTゲートウェイが中継点となり、データをまとめてサーバに送ることでネットワークの負荷を軽減します。
これにより、システム全体のパフォーマンスが向上し、安定した運用が可能となります。
例えば、大規模なスマートファクトリーでは、多数のセンサーやアクチュエーターが使用され、それらのデータをリアルタイムで処理する必要があります。
IoTゲートウェイが中継点となることで、データの集約と効率的な通信が可能となり、工場の生産性が向上します。
Society 5.0とはAI・IoT技術を駆使した人間中心の社会を目指すビジョン
AI（人工知能）やIoTの普及に伴い、内閣府が提唱する未来社会のコンセプトである「Society 5.0」も注目されています。
Society 5.0は、サイバー空間（仮想空間）とフィジカル空間（現実空間）を高度に融合させ、経済発展と社会的課題の解決を両立する人間中心の社会を目指します。
この新しい社会は、技術の進歩を活用して、より良い生活環境を提供することを目的としています。
Society 5.0の定義と目的
内閣府が定義するSociety 5.0は、「サイバー空間（仮想空間）とフィジカル空間（現実空間）を高度に融合させたシステムにより、経済発展と社会的課題の解決を両立する、人間中心の社会（Society）」です。
具体的には、以下のような課題の解決を目指しています。
- 高齢化社会への対応
- 地方創生と都市のスマート化
- 環境保護とエネルギー効率の向上
- 健康管理と医療の高度化
- 災害対策と安全保障の強化
Society 5.0の実現には、IoTやAI、ビッグデータ、ロボティクスなどの先端技術が不可欠です。
これらの技術を統合することで、私たちの生活がより便利で快適になると同時に、社会全体の効率も向上します。
IoTシステム関連のその他の用語
IoTシステム関連の用語には、以下のようなものがあります。
| 用語 | 説明 |
|---|---|
| ドローン | 無人航空機のこと。リモートコントロールまたは自律飛行で操作される飛行機械。多くの分野で応用が期待されている。 |
| コネクテッドカー | インターネットに接続できる自動車。安全性や快適性を向上させ、環境保護にも寄与する。 |
| スマートファクトリー | 工場の機械をネットワークにつなげて効率化した工場。生産性向上、コスト削減、品質改善が期待できる。 |
| インダストリー 4.0 | IoTやAIを使った製造業の革新。第一次は蒸気機関、第二次は電気、第三次はコンピュータを使った産業革命。 |
| ウェアラブルデバイス | 身につけることができるデバイス。スマートウォッチやフィットネストラッカーなど、健康管理や通知機能を持つ。 |
これらの用語を理解することで、IoTシステムの全体像を把握しやすくなります。
組込みシステムとは特定の機能や用途のために設計されたコンピュータシステム
組込みシステム（Embedded System）とは、特定の機能を実行するために設計されたコンピュータシステムです。
これらのシステムは、特定のタスクを効率的に実行するように最適化されており、一般的なコンピュータとは異なります。
組込みシステムは通常、「マイクロコンピュータ」のことを指し、日常生活で使用される多くのデバイスや民生機器に組み込まれています。
民生機器とは一般家庭で使われる電化製品のことであり、組込みシステムは自動車、医療機器、産業機器などに広く使用されています。
以下に具体的な例を示します。
| カテゴリ | 事例 |
|---|---|
| 家電製品 | 電子レンジ、冷蔵庫、洗濯機などの制御システム。組込みシステムは、自動車の安全性や快適性を向上させるために欠かせない技術です。 |
| 自動車 | エンジン制御ユニット（ECU）、エアバッグシステム、ナビゲーションシステム。組込みシステムは、自動車の安全性や快適性を向上させるために欠かせない技術です。 |
| 医療機器 | 心電計、血糖値測定器、MRI装置。医療分野では、組込みシステムが患者の健康管理や診断をサポートしています。 |
| 産業機器 | ロボット制御システム、工作機械、工場の自動化装置。産業分野では、組込みシステムが生産性の向上やコスト削減に貢献しています。 |
組込みソフトウェアとは特定ハードのシステム機能を制御するソフトウェア
組込みシステムの中にインストールされたソフトウェアを「組込みソフトウェア（ファームウェア）」と呼びます。
これらのソフトウェアは、特定の機能やタスクを効率的に実行するために設計されており、通常は読み出し専用の記憶装置（ROM）にインストールされて出荷されます。
読み出し専用にすることで、ユーザがソフトウェアを上書きすることを防ぐことができます。
上記は「固定されたソフトウェア= ファームウェア」とも呼ばれます。
組込みソフトウェアは、システムの安定性と信頼性を確保するために重要な役割を果たします。
組込みソフトウェアの特性と利点
組込みソフトウェアは、以下のような特性と利点を持ちます。
例えば、自動車のエンジン制御ユニット（ECU）は、エンジンの性能を最大限に引き出すために特別に設計されたソフトウェアが使用されています。
| 項目 | 説明 |
|---|---|
| 高い信頼性 | 組込みソフトウェアは、システムの安定性と信頼性を確保するために設計されています。これにより、医療機器や産業機器など、故障が許されない環境での使用が可能となります。 |
| 低消費電力 | 組込みソフトウェアは、ハードウェアリソースを効率的に使用するように設計されており、低消費電力で動作します。これにより、バッテリー駆動のデバイスでも長時間の使用が可能となります。 |
| 特定の機能に最適化 | 組込みソフトウェアは、特定のハードウェアとタスクに最適化されているため、効率的に動作します。 |
IoT・組込みシステムのまとめ
以上のように、IoTと組込みシステムは現代社会の多くの分野で利用され、その重要性は今後ますます高まっていくことが予想されます。
IoTは物理的デバイスがインターネットを通じてデータを収集・交換する仕組みであり、組込みシステムは特定の機能を実行するために設計されたコンピュータシステムです。
どちらも我々の生活や産業に深く関わっており、理解を深めることが重要です。
未来の技術社会において、これらの技術はますます発展し、新たな価値を提供していくでしょう。
- IoTとは、自動車や家電などの「モノ」が直接インターネットにつながって、お互いに情報をやりとりすること
- センターとは、物理量を検出して電気信号に変える装置
- アクチュエーターとは、電気信号を力学的な運動に変える装置
- IoTゲートウェイとは、IoTデバイスとIoTサーバ間の通信を中継することでネットワークの負荷を軽減する装置
- Society 5.0は「仮想空間」と「現実空間」を融合させたシステム
- 組込みシステムとは、特定の機能を実現するシステムである（ハードウェア + ソフトウェア）
- 組込みソフトウェアとは、特定の機能を実現するためのソフトウェアである