IoTの仕組みとは？構成要素や活用事例、課題をわかりやすく解説

2022/2/6

テクノロジー

「モノのインターネット」と訳されるIoTですが、どんな仕組みで実現しているのでしょうか？　また、IoTに取り組みたい企業は何からはじめ、何を準備したら良いのでしょうか？　製品や部品に通信機能を持たせることで生まれる新しいサービスを解説しつつ、IoTの仕組みを取り上げます。

Contents

そもそもIoTとは？

IoTは「Internet of Things」の略で、「モノのインターネット」と訳されています。あらゆるモノにセンサーや通信機能を搭載することで、インターネットへの接続やモノ同士の通信を可能にする概念です。たとえば、エアコンをIoT化すれば、帰宅時間にあわせて外出先からエアコンを操作し、部屋を暖めておくこともできるようになります。また、留守中のペットを見守る家電もIoTのひとつです。単に遠隔操作するだけではなく、さまざまな可能性を秘めたテクノロジーとして注目されています。

IoTの仕組み基本となる構成要素と通信

では、具体的にIoTとは、どんな原理のシステムなのでしょうか？　IoTの基本的な構成要素や通信の仕組みについて解説します。

IoTの構成要素はクラウドサーバ、ゲートウェイ、デバイスの3つ

IoTを実現するためには、インターネットに接続するモノである「IoTデバイス」と、IoTデバイスから送信されるデータを処理するための「IoTサーバー」、そしてIoTデバイスとIoTサーバーを中継する「IoTゲートウェイ」が必要になります。IoTゲートウェイについては必ずしも必要ではなく、IoTデバイスとIoTサーバーを直接接続するケースも見られます。ただ、多くのIoTデバイスを管理するような構成を構築するのなら、デバイスの管理が煩雑になります。そのためIoTデバイスとIoTサーバーの間にIoTゲートウェイを挟むことによってデータをいったん蓄積し、まとめてIoTサーバーと通信することによってネットワークを効率的に利用することができるというメリットがあります。

通信、ネットワークの仕組みゲートウェイはサーバとデバイスの仲介役

ゲートウェイは、本来、コンピュータを介したネットワークにおいて、通信プロトコルが異なるネットワーク同士がデータのやり取りを行う場合、中継点の役割を担うルーターのような機能を担当する機器やソフトウェアのことを指します。デバイス同士がデータをやり取りするのではなく、ゲートウェイを使って、通信プロトコルを変換することによって、円滑な通信が実現できるというわけです。

したがって、IoTで使用されるIoTゲートウェイでも、デバイスとインターネットを介したデータのやり取りをする際に、中継を担うことになります。とくにIoTでは大量のデバイスを繋がれば繋がるほど、利便性が高まっていきます。必然的にデバイス（端末）が検知するデータも膨大で、しかも多様なものになっていきます。そのようなデータをIoTゲートウェイで一度、処理を行ってから、サーバ側に送信することによって、インターネット（通信）の負荷を軽減することができるというメリットがあります。

NB-IoT（Narrow Band-IoT）とは

IoT向けの通信規格にNB-IoT（Narrow Band-IoT）というものがあります。「Narrow Band」とは「狭い周波数帯」を意味する言葉です。スマートフォンなどで利用されているLTEが5MHz〜20MHzという幅の広い周波数帯を一度に使っているのに対して、NB-IoTでは180kHzという非常に狭い帯域を使用します。また、通信速度は下りが最大27kbpsで上りが最大63kbpsと非常に低速な通信規格となっています。

通信速度が遅いという特徴から、無線通信によるファームウェアの更新ができず、モビリティの通信には向かず、スマートメーターや防犯機器などの警報装置、災害時の異常検知といった固定して使用するような用途が想定されています。通信速度が遅い反面、消費電力が極めて低い、安価に製造可能などIoTに適した通信規格として知られています。

IoTの普及が加速する仕組み

IoTは近年、急速に普及が進んでいます。どのような背景があるのでしょうか？　解説します。

スマホやタブレットの普及

電車に乗ると、乗客のほとんどはスマホ画面をのぞいています。肌身離さず持ち歩くデバイスになっているわけです。また、処理能力も飛躍的にあがり、高性能なパソコン並みの性能を持っています。そのため、スマホで操作できるIoTのニーズが高まり、技術や対応する製品も増えたという背景があります。

IoT機器や部品のサイズダウン

センサーや通信チップの小型化、軽量化は目覚ましく、IoT化するためにこれらを取り付けても、サイズアップしたり、重量が大きく増すことはありません。しかも性能も向上しており、センサーの精度、センサーの種類の多様化、通信速度の大幅UPも進んでいます。サイズダウンにしたことによって、腕時計のような小型の機器にも搭載することができるようになり、スマートウォッチやスマートグラスのようなウェアラブル機器も登場しています。

IoT機器の導入コスト低下

センサーや通信チップも需要が広がることで、製造コストが下がり、以前と比べると高性能なものが安価に調達できるようになっています。IoTでは、これらの部品が必須で必要になりますが、コストが下がったことで、多くの企業がIoTに参入できるようになりました。たくさんのプレイヤーが参加したことで、IoT対応の製品の幅も広がり、消費者にとっても選択肢が広がっています。

IoT技術の仕組みを応用した活用事例

私たちがIoT技術の普及を実感しやすい分野として、IoT家電やスマートハウスが挙げられます。近年、IoTを搭載した家電や建具、あるいはホームセキュリティに活用したスマートハウスに参入する企業が増えています。ここからはIoTの具体的な用途や仕組みを解説していきます。

エアコンや照明などの家電の操作は可視化、通知、制御が鍵

IoTに対応した代表的な家電として、エアコンや照明器具、洗濯機などが挙げられますが、こうしたIoT家電はどんな仕組みで動作しているのでしょうか？　簡単に説明しましょう。

従来までの家電製品は年々、多機能化・高性能化されてきましたが、量産品のため、一人ひとりのユーザーの使い方にあわせたカスタマイズは困難でした。AIなどを搭載することによって使い方を学習することはできても、家電本体に備わった機能のなかでしか、対応することができませんでした。IoT家電になると、各種センサーでデータを集め、それをクラウドで蓄積することによって、利用状況にあわせた、よりきめ細かい機能・サービスの提供が可能になります。

IoT家電の操作は主にスマートフォンなどのデバイスを通じて行われますが、キーワードは「可視化」です。ユーザーはデバイスを使って、「可視化」されたIoT家電の状態を確認することで、希望する操作のリクエストを行います。また、ユーザーは常に自らIoT家電の状態を確認する必要はなく、システムがあらかじめ設定した状態を検知すると、デバイスに「通知」こともできます。そんな「可視化」された情報や検知された「通知」をきっかけにユーザーはデバイスを通じて、動作を変化させるための「制御」を行うことになります。たとえば、スマートフォンで出先から自宅のエアコンを通じて、室温を確認するなら、それが「可視化」で、洗濯物が濡れないように雨が降りはじめたことを知りたいなら、室外機に湿度センサーを取り付け、プッシュ通知でデバイスに情報が届くような仕組みを構築することになります。さらに帰宅前に自動的にエアコンを操作して室温を調整するなら、デバイスのGPSとエアコンを連動させて「制御」することになります。つまり、IoT家電では「可視化」「通知」「制御」の3つを連動させることが鍵になることがわかります。

車の自動運転の仕組みはセンサーとAIが鍵

IoTのもうひとつの身近な活用事例が自動車への搭載が進められている自動運転です。自動運転はドライバーと車が担う運転動作の比率や、テクノロジーの到達度、走行可能なエリアの限定度合いなどによって、レベル0からレベル5までの6段階に分類されています。レベル0〜2は運転の主体が人間で、あくまで自動運転の技術は運転の補助や支援にとどまります。レベル3からは運転の主体が人間からシステム側に変わり、ここからが実質的な「自動運転」になります。

ドイツのアウディが2017年にレベル3の技術を搭載した新車を開発しましたが、各国の法整備が整っていなかったため、レベル2に相当する運転支援技術を実装することで販売したという経緯があります。その後、日本で自動車の交通ルールを規定した「道路運送車両法」や「道路交通法」が改正され、自動運転レベル３の車両が公道を走行することが可能になり、ホンダが世界初となる自動運転レベル3の新車の販売を開始すると発表しています。

そんな自動車の自動運転では車両にセンサーを搭載し、位置情報や走行状況といった各種データを取得します。そのデータはクラウドに集約され、AIが分析を担当。分析した結果を車にフィードバックすることで、データに応じた安全な運転を可能にするといった仕組みになっています。

IoT自販機の開発や普及も進んでいる

自動販売機をIoT化したIoT自販機の開発も進められています。これまでの自動販売機ではどのドリンクがどれくらい売れているのかといった販売データは、ドリンクを補充するタイミングでしか、得ることができませんでした。通信機能が搭載されておらず、1週間に一度の頻度で補充していた自動販売機だったとしたら、1週間分の販売データは現場で補充を行うときに得ていたことになります。これがIoT自販機になると1日ごとに販売状況が把握できます。自動販売機ごとの人気度がわかり、補充するタイミングも迅速に行うことが可能になると言います。

また新商品の補充ではトラックに積むことができる本数に限りがあるため、以前まではスタッフの経験や勘に頼っていました。それが、どのドリンクを何本補充すれば良いのか正確に把握しやすくなり、補充作業も効率化されます。一人のスタッフが1日で補充できる自動販売機の台数も、従来の1.5倍程度に増やすことが可能だという指摘もあります。

IoTを導入したヘルスケア機器も増えている

ヘルスケア機器も、近年注目されているIoT製品です。消費者の健康に対する意識は高く、センサーや通信チップを搭載したIoTとの相性も良いと言えます。たとえば日常的に身につけるスマートウォッチには、心拍数や活動量、血圧など生体情報を計測できるセンサーも内蔵されており、毎日データを収集することで体調の変化を把握することが可能です。その情報をクラウドを使ってかかりつけ医と共有することで診断に役立てることもできます。そのほかIoTを搭載した歯ブラシや、ペット用のヘルスケア機器も登場しています。

IoTを活用したスマート工場も増えている

これまではネットワーク化と無縁だったような工場の生産ラインなどでも、IoTの活用がはじまっています。機械ひとつひとつに通信チップやセンサーを取り付け、メンテナンスの時期を把握したり、細かい生産調整も容易になります。遠隔地からの操作や制御、計測ができるため、工員の安全を確保する意味でも重要です。こうした省人化や製造の効率化を目指してIoTを導入する工場は、スマート工場やスマートファクトリーと呼ばれ、世界中で採用が広がっています。なお日本では、2015年に総務省と経済産業省が協力し、IoT技術の活用促進のための「IoT推進コンソーシアム」も立ち上げています。

IoTに欠かせない2つの主要サービスの仕組みと特徴

IoTはあらゆるモノをインターネットに接続することによって、データを集め、それを活用するというテクノロジーです。したがって接続するデバイスが増えるほど、得られる効果も大きくなりますが、データやデバイスが膨大になれば、一企業ですべてのシステムを構築するのは困難になります。そこでIoTの実現に欠かせないソリューションが登場しています。ここでは代表的なソリューションである「AWS IoT」と「Azure IoT Hub」について解説します。

AWS IoTでデバイスの開発と統合ができる

AWS IoTはAmazon社のAWSで提供されているクラウドサービスです。自前では構築するのが難しいデバイスとの同期やセキュリティにまつわるシステムをAWSを利用することで、より手軽に導入できます。また、AWS IoTを使用することで、AWS Lambda（データ活用）やAmazon Kinesis (データ収集)、Amazon Redshift (データ蓄積・分析)といったAWSの各種サービスとも簡単に連携することができる点も大きなメリットです。これらと連携することで膨大なデバイスやメッセージのサポートができるようになり、デバイスから届くデータの集積や処理、あるいは分析までを行えるようになります。

またIoTでは、多くのデバイスが必ずしも常に接続されているとは限りませんが、それを管理するシステムを構築するのが課題でした。その点、AWS IoTにはThing Shadowという機能があり、IoTのデバイスがオフラインだったとしてもステートを保持することで、再接続されたときに未送信のデータがデバイスに送られるという仕組みになっています。そのほか、AWS IoT Device SDKが用意されており、デバイスの開発が容易な点も大きな特徴です。

Azure IoT Hubは双方向通信におけるハブの役割

Azure IoTはマイクロソフト社が提供しているクラウド型のIoT管理サービスです。このサービスを導入すれば、自社でIoTのシステムを構築する手間が省け、利用しているすべてのIoTデバイスと接続して、監視や制御を行うことができるようになります。Azure IoTの特徴として、マイクロソフト社が培ってきたセキュリティ対策を活用できる点にあります。脆弱性を少なくするシステムソリューションが用意されており、デバイスのセキュリティ強化や悪意ある攻撃の排除を行うことができます。また、独立しているシステムを１カ所にまとめて、データの管理や分析ができる点も特徴です。加えて、ソフトウェア開発キットの「Azure IoT Hub SDK」を使えば、デバイスを管理するアプリケーションを自社で開発することもできます。

Azure IoTにはいくつかのサービスがあり、組み合わせて活用することで独自のデータモデルを作ったり、セキュリティを高めることが可能になりますが、「Azure IoT Hub」もそのひとつです。これは各デバイスとクラウドネットワークを双方向でつなぎ、接続から監視、さらにプロビジョニング（必要に応じてネットワークなどのリソースを提供できるよう準備しておくこと）までを行うサービスです。デバイスとアプリの双方向通信におけるハブとして機能し、データ通信が強化されたチャンネルによって守られており、障害や接続状況を随時管理することができます。

IoTを普及させる際の課題

IoTの世界でも、機器がインターネットというオープンな世界と、つながるため、セキュリティへの対策が今後の鍵になっていきます。工場内や機器同士の通信なら、クローズドで安全性も高かったのですが、プロトコルも標準的なプロトコルを使うようになったため、利便性と安全性を天秤にかけながら、高度なセキュリティを確保する仕組みづくりが求められます。

IoTの仕組みを知ったうえでビジネスに応用しよう

IoTは多くのデバイスを扱うため、通信環境やセキュリティの強化、あるいはシステムの構築など、カバーすべき領域が広くなりますが、仕組み自体はシンプルだと言えます。また、AWS IoTやAzure IoTといったクラウドサービスを活用することもできます。使い方次第でさまざまなサービスに応用することもできるため、参入するハードルが低くなっていると言えるでしょう。概要を把握しながら、導入を検討してみてはいかがでしょうか？