プラットフォーム
クラウド
- クラウド種類によるメリット・デメリット
- プライベートクラウド製品
IoT検定対策５章 デバイス（２／２）
デバイス（２／２）
アクチュエーター
- 電動アクチュエーターは電気信号を「直進」または「回転運動」に変換する装置（電動ではないが、油圧や空気圧で動かすものも、アクチュエーターの一種）
- ソレノイド：コイルの中に鉄心を通した装置で、通電によって鉄心（プランジャ）を引き込む（吸引）ことで、直進運動する。コイル域からはみ出ないようストッパーがついており、限定された範囲で動く。普通は通電を切ると吸引が終わるだけなので、直進したプランジャはそのままだが、ストッパにバネをつけてバネ動力で元の位置に戻すものもある。
- ソレノイドはこのほか、電磁弁に使用されることもある。水や油、空気などの弁。水道の蛇口など。
- 一方、モーターの回転数に限定域はないため、動力には主にモーターが、制御にはソレノイドが用いられることが多い。
- 逆起電力：モーターをOFFした後、停止までの間の動力によって、モーターが発電機となる。逆起電力とはそこから生み出される電力のこと。逆起電力によって回路が壊れる危険性があるため、ダイオードによって装置を守る必要がある。
電圧と実装技術・製造技術
- 電源：従来、アナログ回路の電源は12V、デジタル回路の電源は5Vが一般的であったが、今般は3.3Vなどが定格化されつつある。FPGAでは、2.5Vや1.8Vのものもある。
- 電池：
- 充電できる電池を2次電池、できない電池を1次電池という。
- 出力電圧の低い順：鉛 < マンガン電池 < ニッケルカドミウム電池 < ニッケル水素電池 < アルカリマンガン電池 < リチウムイオン電池
- ニッケル水素・ニッケルカドミウム電池：大電流特性に優れている（大容量出力時のインピーダンス（内部抵抗）が低く、アルカリ電池の半分程度）
- リチウムイオン電池：携帯電源など。3.7Vなど高電圧出力が可能だが、異常発熱の危険がある。自己放電が少なく黙っていた状態で勝手に減りづらい（ニッケル水素の1割程度）
- マンガン電池は出力電圧がリチウムイオンより低いものの、復活する特性があるので、テレビのリモコンなど非連続的な用途に向いている。
- 無線給電
- MEMS技術：Micro Electro Mechanical Systemの略。1mm以下の微細機械の設計・実装技術を指す。マイクロマシーン技術とも呼ばれる。インクジェットプリンタのヘッド、加速度センサーの部品のほか、HDDのヘッド位置決め部品の開発などで使用される。
アナログ信号のセンサー
- 温度センサー
- 湿度センサー
- 圧力センサー
- ひずみゲージ抵抗式：
- 静電容量式：
- シリコンレゾナント式：
- 光センサー
- 地磁気センサー
- ホール素子：
- MR素子：
- MI素子：
- 音センサー（マイクロフォン）
- 緒音波センサー
- 赤外線センサー
- アクティブセンサー：自ら赤外線LEDを照射し、反射光量をフォトトランジスターなどで測定する。人感センサーとして、自動ドアや防犯用センサーに使用。
- パッシブセンサー：人体が発生している遠赤外線（波長7～14um）の変化で熱源を感知する。トイレの自動点灯などで使用。
- 接触センサー
- イオンセンサーとバイオセンサー
- イオンセンサー：液体中のイオン濃度を計測するセンサ。農業用地の土壌調査、血液分析などにも活用される。
- バイオセンサー：受容体が持つ分子識別能力を利用して化学物質を検出するセンサー。血糖値測定、水質汚染調査などへの利用のほか、味センサー、匂いセンサーなども該当。
デジタル処理のセンサー
IoT検定対策５章 デバイス（１／２）
デバイス（１／２）
制御装置
- SBC。ArduinoやRaspberry Pi。
マイクロコントローラー
- マイクロコントローラーまたはSoc(System On Chip)とは、CPU+RAM+タイマー+カウンタ等のレジスタ群+入出力ポート(I2C、SPIなど)のセット。
入出力
- GPIO：用途を限定しない汎用入出力PIN。High/Lowを切り替えて使用。基本的には矩形波出力だが、PWM制御により疑似的な正弦波の出力も可能。
- UART（または SCI）：Universal Asynchronous Receiver Transmitterの略。RS-232cなどで使用。通信内容が長いメッセージ（GPSなど）の場合に使用されることがある。
- SPI：Serial Peripheral Interfaceの略。Motolora社開発。IC同士の通信で使用されるインターフェイス。マスター・スレーブ方式で１：ｎ通信（マスター 1：スレーブｎ）の通信が可能。シリアルバス。SDカード（Micro SDも）がこのI/Fを使用。
- I2C：Inter-Integrated Circuitの略。Royal Philips社開発。SPI同様、IC同士の通信I/F。低速デバイス(小型ディスプレイ、RTC（リアルタイムクロック）)で使用。SPIと異なり、マルチスター（複数マスターからひとつのスレーブに対して通信。マスター同士は不可）が可能。
- 1-WIRE：Dallas Semiconductor社製。1本の信号線でデータ送受信、給電が可能。長距離の伝送が可能。デバイスに振られた個別IDで複数の同系デバイスを識別できる。
IoTデバイスを動かすための仕組み
- デバイスの概要
- 電圧とロジックレベル
- 正論理と負論理
- 正論理：1をHigh、0をLowとする考え方
- 負論理：0をHigh、1をLowとする考え方
- MIL記号表記(下図)では、○の端子が 負論理を示す。
- NAND、NORについては、AND、ORの逆。
- 抵抗の系列とカラーコード
語呂合わせで覚える
-
- 電流を増幅する素子。コレクタ・ベース・エミッタの３端子。
- （ここは正直さっぱり。別途勉強必要）
スイッチ入力とチャタリング
- チャタリングは、電子回路のスイッチでVccとGNDの接点を物理的にONにする際、接点で「バウンド」または「擦れ」によって複数回細かなON/OFFが検知されること。
- チャタリングは、電子回路のスイッチでVccとGNDの接点を物理的にONにする際、接点で「バウンド」または「擦れ」によって複数回細かなON/OFFが検知されること。
-
- 蓄電器。
- 容量(C)と蓄積された電荷(Q)の関係は、Q = C × V。
電圧の入力（A/D変換）
- A/D変換は、サンプリング(標本化) → 量子化 → 符号化 の順に行う。
- 標本化：アナログ信号から一定間隔で信号を抽出する。
- 標準化には「標準化(サンプリング)定理」を用いる。曰く、
- 「波形の最大周波数の2倍を超えた周波数で標本化すれば完全に元の波形に再構成される」
- 例えば、電話の最大周波数は 4KHz（ナローバンド 0.3～3.1または3.4kHz） である。
- つまり電話は、4kHz×2=8kHz、つまり標本化レートを1秒間に8000回にすることによって忠実に再現できる
- 量子化：標本化した信号を量子化により数値化する。
- 符号化：0と1の2進数（デジタルデータ）に変換する。
IoT検定対策４章 ネットワーク
ネットワーク
データ送信プロトコル
- HTTP
- MQTT（Message Queue Telemerty Transport）
- AMQP（Advanced Message Queue Protocol）
- 「RabbitMQ」に代表されるメッセージ相互交換プロトコル。
- CoAP（Constrained Application Protocol）
- WebSocket
WANおよびLAN
- Wi-Fi
- 携帯電話の通信規格（3G、LTE、4G、5G）
- 衛星インターネットアクセス
- エッジコンピューティング、フォグコンピューティング
- LAN内通信機器（ルーター・ゲートウェイなど）
- LPWA
- MAN
- Metropolitan Area Network の略。LPWAにより都市をカバーするネットワーク。
- PAN(Personal) < LAN(Local) < MAN(Metropolitan) < WAN(World)
PAN
IoT検定対策３章 法律
法律
通信関連の法律
- 電波法
- 電気通信事業法
- 回線事業を行う際に必要となる法律。固定電話や携帯事業者だけではなく、ISP、MVNO、警備サービス、情報サービスも該当する。
- 通信内容の検閲・漏洩を規制する内容が盛り込まれている。
- 喫緊の課題として「070」番号の枯渇問題がある。対策として2017年からIoT/M2M向けに「020」番号帯が用意されている。この番号帯の使用要件はペットの見守りや自販機・ATMの在庫管理、構造物のモニタリングなど、データ通信とSMSのメッセージが対象であり、音声通話は対象になっていない。
- 国内における無線モジュールに関する許可
- 海外における無線モジュールに関する許可
製造および航空法に関する法律
- 製造物責任法（PL法）
- 製造物に対する瑕疵担保や搬送（取扱注意警告を怠ったなど）の責任
- 製造業者、工業社、輸入業者が対象となる。
- 建物（不動産）や、未加工の状態で販売された物（採れたての野菜など）、サービス、ソフトウェア、電気などの無体物は対象外である。ただし、製造物への組み込みプログラムはPL法の範囲となる。
- 海外からの輸入部品などを使用する場合、PL保険に入っておくことが適当である。
- ドローン規制法（改正航空法）
- 2015年12月に改正された航空法
- 200g以上の遠隔操作または自動操縦により飛行させられるものが対象(200g未満のものについては、本法の対象外ではあるが、後述の自治体条例に従う必要がある)
- 「空域」の規制
- A.空港などの周辺
- B.150m以上の高さの空域
- C.人口集中地区の上空（具体的な範囲は、国勢調査の結果で設定）
- 「無人航空機の飛行の方法」の規制
- 日中（日出～日没）に飛行させること
- 目視範囲内で常時監視して飛行させること
- 人または物体との間に30m以上の距離を保って飛行させること
- 多数の人が集まる催し(祭礼や縁日など)の上空で飛行させないこと
- 爆発物など危険物を輸送しないこと
- 無人航空機から物と投下しないこと
- 本法に加え、自治体の条例、「小型無人機等飛行禁止法」で別途禁止区域が定められている。
ライセンス
- オープンソースソフトウェアライセンス
- オープンソースハードウェア
- OSSと同様、無償で公開できるハードウェア。Arduinoの基盤設計が代表的（クリエイティブ・コモンズを適用）な例。
- オープンデータ
- 誰でも利用できる形式に加工され、公開されているデータ。行政機関の公開データなど。
疑問点
IoTデバイスのエッジプログラムとソフトウェア製造物責任法（PL法）
例として、ESP32デバイスにArduinoコードを埋め込んで、BlueTooth対応デバイスとして製品化・販売した後、Arduinoコードに不具合があって誤動作した場合には、PL法の対象として処罰されることがあるか（保険対象となる？）
IoT検定対策２章 産業システム（２／２）
産業システム（２／２）
産業界のIoT
- インダストリー4.0
- ドイツ政府の技術戦略。高度スマート工場の実現によるビジネスモデル創出の取組み
- 「OPC(Open Platform Communications)」は1996年にMicrosoftと大手制御機器メーカーが共同で策定した工場機器の連携インターフェイス規格。現在、この規格は「OPC Classic」と呼ばれており、後継の「OPC-UA」が主流である。
- インダンストリー4.0で工場内データ連携に使用する通信規格には、「OPC-UA(OPC Unified Architecture)」がある。日本国内では同じ規格として「ORiN(Open Resource interface for the Network)」がある。
- インダストリアル・インターネット
- スマートコンストラクション
海外におけるIoTプロジェクト
- 主な海外プロジェクトの一覧
IoT関連の標準規格
IoT検定対策２章 産業システム（１／２）
産業システム（１／２）
エネルギー関連のIoT
- 通信機能付きの電気メーター（電力計）を「スマートメーター」と呼ぶ
- これを家庭内で可視化して電力消費状況などを確認できる家が「スマートハウス」である
- さらに商用電力からの享受や家庭内の太陽光発電とのバランスを調整するのが「スマートグリッド」である。
- 家庭内の電力管理を行うシステムが「HEMS(Home Energy Management System)」である。
- ガスコジェネレーションシステム：エコシステム。排出されるガスエネルギーの中から再利用可能な排熱を用いて発電を行ったり給油を行うシステム。
- HEMSで使うネットワークのことを「HAN(Home Area Network)」と呼び、日本では通信規格 にECHONET Lite(OSI5層以上)、無線通信方式には Wi-Sun が採用されている。
- スマートメーターには、A～Cルートが存在する。
- Aルートを使用し、遠隔で電力使用状況を検針する仕組みがAMI(Advanced Metering Infrastructure)であり、光回線・PLC、無線が用いられる。電力会社にはAMIによって取得したデータを管理するMDMS(Meter Data Management System)が存在する。
身近なIoT
- スマートホーム
- 「スマートホーム」は照明調整や施錠管理など、生活を便利するための「賢い家」のこと。エネルギー管理を重点に置いている「スマートハウス」とは異なる。次世代自動車をConnectedCarと呼ぶように、スマートホームはConnectedHomeとも呼ばれる。
- 室内温度調節「Nest」とは、Google社が買収した米Nest Lab社が発売したサーモスタット製品である。利用者の生活パターンを学習し、自動的に温度調節を行い、光熱費20%～30%の節電効果がある。
- 代表的なスマートホームのプラットフォームにAppleの「Home Kit」と、Nest Labs社の「Brillo」がある。それぞれ iPhone、Androidアプリケーションを使ってスマート電球やスマートロックなどの家庭用機器の制御を可能とする。
- ヘルスケア
- 2015年から「ストレスチェック制度」が制定。従業員50人以上の事業所が行う必要があり、このチェックにウェアラブルの収集データを活用できる。
- NEDO、北海道大学、東京大学が協力し、2016年にヘルスケアIoTコンソーシアムを設立。健康データ流通横断プラットフォームの開発を進めている。
- 現在は個々の病院で管理されている医療や介護のデータについて、マイナンバーを媒介に共有化を図り、ビッグデータ分析によって疾病の早期発見や傾向把握を進める動きがある。これらを交換・共有するための規約に、国内では「SS-MIX」米国では「HL7」がある。
- 「HealthKit」はApple社が提供するヘルスケア機器に使用されるアプリケーションプラットフォームである。体重計、エアロバイク、ウォーキングマシンの運動量の管理を行い、病院アプリケーションと連携する。
- 「GoogleFit」もまた、同様の健康管理データの管理サービスであり、ウォーキングやランニングの歩数や時間データをスマートフォンで記録できる。
コネクテッドカー、自動運転、テレマティクス
- 「テレマティクス」とは「コネクテッドカー」の前身とも言える技術。２つの大きな違いはネットワークへの接続・通知形態であり、テレマティクスはメールなどのプル型なのに対し、コネクテッドカーは常時接続である。テレマティクスはCANデータをGPS情報などと併せてセンターに送信し、車両走行状況や位置をセンターで一元管理することができた。
- 「CANデータ」は「Controlller Area Network データ」の略であり、自動車をはじめFA産業機器の故障監視や燃費計測に用いられる制御データの集積である。
- コネクテッドカー用のOSとしてApple社の「CarPlay」や、Google社の「Android Auto」が提案されている。
- 「SENSORIS」は、ドイツのHere社が提案した、運転時に得られた渋滞や障害物データを車両からクラウドに収集するインターフェイスの標準化規格である。
- 「ITS」は「Intelligent Transport Systems」の略であり、高度道路交通システムとも呼ばれる、クルマ同士で情報交換し事故防止や交通渋滞の解決を図る交通システムである。
- 自動運転のレベルは米国のNHTSA(国家道路交通安全局)が下表のとおり5段階で定めている。
- 「テレマティクス」とは「コネクテッドカー」の前身とも言える技術。２つの大きな違いはネットワークへの接続・通知形態であり、テレマティクスはメールなどのプル型なのに対し、コネクテッドカーは常時接続である。テレマティクスはCANデータをGPS情報などと併せてセンターに送信し、車両走行状況や位置をセンターで一元管理することができた。
農業のIoT
- 植物工場を活用した農業の自動化。植物工場には光合成の実現にあたり、「完全人工光型」と「太陽光利用型」、その両方の併用型がある。「完全人工光型」は屋内でのLED照明等を活用し、天候不順、病害虫、土壌の連鎖障害などの影響を受けず、安定した生産が可能である。
- スマート農業には、以下のような特徴がある。
- 農業機械の自動運転、自動走行［超省力・大規模生産］
- 過去データを活用した精密農業［作物の能力を最大化］
- 荷物積み下ろし等の重労働の軽量化（アシストスーツ）、水管理自動化［きつい・危険な作業からの解放］
- 技能承継。栽培ノウハウのデータ化による成果均一化［取り組み易い農業の実現］
- 生産情報の共有、産地と消費者を直結［先進的な流通の実現］
