IoTとは？概要から動作の仕組み・実際の用途まで丁寧に解説！

IoTとは？

IoTは「Internet of Things」の略を指し、全てのモノがインターネットに接続され、情報が相互に共有される仕組みを指します。Internet of Thingsを和訳した「モノのインターネット」という言い方をすることもあります。

IoTにおいてはスマートフォンやウェアラブル端末が利用されているため、すでに身近で簡単に実現できる情報機器としても利用が急増しています。さらに情報共有される通信・設置環境が整備されており、従来は不可能であった機器にも搭載が進むことで我々の生活がより豊かになることが期待されています。

情報教育の一環で小学生を中心とした子供向けの学習でIoTが紹介されることもあります。そこではIoTの読み方を「アイオーティー」や「モノのインターネット」と呼び、「インターネットオブシングス」と言うこともあります。

教育の際には、「モノ同士がやり取りしたり、人間とお話しできるといいことがあるよね？」という投げかけから始まります。その中で普段使う家電品やリモコンあるいはペットのお世話を例に、理解を深めていく進め方です。そして、やり取りをする上で情報を間で受け渡しするのがインターネットとなります。

IoTはモノのインターネットなため、情報を共有するインターフェイスを持つことで多様な用途に対応します。その中でできることを共通化すると以下のように分類できます。

・モノの状態を取込むこと 言い換えると、「状態の可視化」ができることです。機器の状態や必要な情報を取り込み、後工程で利用可能とします。

・モノの状態を記録すること 状態を記録、つまり「情報の格納」が可能となることで、データとして保存ができます。これにより情報蓄積によって過去の状態の分析に活用できます。

・モノの状態を通信すること 通信機能を持つことで、「情報の共有」をタイムリーに行うことができます。

・モノの稼働を操作すること 「情報の共有」が可能となることで、機器の「制御と動作指示」に活用できます。また、一連処理を予め登録することで処理や動作の自動化が可能です。

・モノの異常を検知すること 「状態の可視化」が可能になることで、機器の「診断と検知」が可能です。自動的な危機の動作状況のモニターと自動復旧に活用できます。

上記はIoT単体で実装可能ですが、さらにIoTをシステムとして連結し、情報連携処理することが可能です。具体的には、IoTを束ねるサーバやクラウドの活用により実装します。このIoT連携では、さらに以下の応用が期待できます。

・データの蓄積 IoT機器のデータを機器単体で保存する容量の制限なく一定期間蓄積し、時系列データとして分析に活用します。さらにIoT機器の収集データを横断的に分析することができます。

・データの分析 機械学習により蓄積データから今後の予測を立てたり、新規事業の計画に役立てたりできます。実際の活用例としては、画像データ・信号データによる品質管理と傾向分析、人の流れや人口動態から新規出店や新規事業を予測、雨量や気圧・水位・位置情報等から今後の天候を予測し生産を調整、等に活用できます。

 IoTのメリットとして主に以下の点が挙げられます。 ・距離に関係なく情報共有が可能 IoTではリモート操作が画像転送が可能なため、遠隔地の状況を監視したり機器の制御を容易に行ったりすることができます。

・場所に関係なく情報共有が可能 これも代表的なメリットです。例えば高所に機器を取り付けて気象データや観測データを取り込むことができます。橋梁やトンネルに設置すると劣化状況をモニターすることもできます。ドローンでさらに上空から監視したり、画像を取り込んだりすることも可能です。

・自動化による効率向上 IoT機器では定点観測等定期的なデータ収集や繰り返し処理を効率的に行うことができます。自動実行することで使い勝手を向上したり、作業効率を向上したりできます。

・技術伝承不要で人的エラーを回避 IoTを産業システムに活用することで、従来は経験が必要な領域についてもIoTが人の動作をトレースし、再現することで効率的に高品質な作業が可能です。人的エラーを回避することもできるため、中小企業等においても技術伝承の課題を解決することが期待されています。

デメリットの面としては概ね以下の点が挙げられます。 ・ITスキルが必要 IoTは従来の機器を高度化したものですが、ベース技術はITを活用しています。そのため従来人や機械に任せた作業を自動化できる半面、その分IT知識が求められます。これを補うために利用者の利便性を高めたり、操作の簡素化をしたりする工夫がされています。

・セキュリティ対策が必要 IoTは情報共有をするため、ハッキング等のセキュリティ攻撃対策やアカウントIDやパスワード管理が不十分だと外部からの侵入や内部犯行により情報が漏洩したり乗っ取りされたりすることが想定されます。そのため正しいセキュリティ設定を行い適切に管理することが求められます。

・障害対策が必要 IoTは情報収集の他、機器によっては制御や稼働の操作が可能です。そのため不具合・誤作動による人的被害や、障害発生時の復旧手順をしっかり決めておく必要があります。

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IoTの仕組みと実装方法

IoTでは、対象となる装置や機器に電子制御可能なマイコンや小型PCを取付ます。対象となる装置や機器を「IoTデバイス」と言います。同様に、電子制御可能なマイコンや小型PCを「コントローラ」と呼ぶこともあります。

IoTではコントローラと通信モジュールを接続し、デバイスのステータス確認や制御要求を通信回線を通じて送受信します。また、IoTデバイスはコントローラが取扱い可能なデジタルデータに変換するために、アナログデータや旧来の運用技術（OT）をITで処理可能なデジタル形式に変換します。

IoTデバイスとはInternet of ThingsのThingsに相当する端末部分で、モノと言われている装置や機器自体を表します。IoTデバイスには用途に応じてデータを可視化するためのセンサーや、稼働させるためにアクチュエータが搭載されています。

各デバイスは産業別用途に応じて開発されますが、モジュラー化したりボックス化したりすることで単体で販売されるケースも増えてきています。同様にスマートフォンやウェアラブル端末を利用することもあり、今後もヘルスケア等での利用が期待されています。

センサーとは、機器自体の状態を測定したり測定対象物の状況を確認するために、機械や人間が分かるデータに置き換えてくれる電子部品あるいはモジュールや装置です。IoTではそのデータをデジタルデータとして通信し、活用します。具体的なIoTで用いる主要センサーは以下の通りです。

・温度センサー 熱電対やサーミスタ等の素子を用います。用途は気温や物体の温度を図ることで、エアコンや室温計等に搭載されています。近年、温度センサーにおいてもサーモグラフィーを用いた非接触型が脚光を浴びており、無人ロボットでの環境データ測定等にも用いられます。

・湿度センサー 乾湿材料を電極で挟み、電気抵抗として測定するものです。加湿器・空気清浄機やエアコンに搭載されています。

・圧力センサー 隔膜が圧力を受けて変形することで、歪による電気抵抗の変化を検出します。空気・水・油の用途に応じて利用することができるため、家庭でもエアコンや給湯器・食洗器、洗濯機等に搭載されています。

・振動センサー 圧電素子を用い振動を測定します。主に機器が正常に動作しているか確認したり、診断したりする目的に利用します。

・距離センサー 光源からの照射光を受光素子でとらえ、距離に換算します。ミリ波や超音波を用いる場合もあります。実際の距離を測定する用途に加えて、車の安全システムやホームセキュリティにも採用されています。

・速度センサー 電磁式の場合コイルと磁石を用いて回転速度を測定します。光センサーを用いてスリットの通過時間で測定することもあります。モータの回転速度をモニターできますので、自動車やバイク・鉄道・航空機・船舶等に利用されています。

・加速度センサー 一般的にはバネと重り・圧電素子を用いて慣性運動量を測定します。カメラの手振れ防止機能や、スマートフォンやタブレットあるいは万歩計等に搭載されています。さらにゲーム機のコントローラにも内蔵されています。

・ジャイロセンサー 角速度センサーという慣性力を用いたセンサーの1種です。物体の回転や傾きを各速度として電気信号化します。加速度センサー同様にカメラやビデオの手振れ防止に使われるほか、自動車の横揺れ防止制御やカーナビゲーションの自走機能に採用されています。

産業向けや一般向けにドローンの活用が進んでいますが、ドローンの姿勢制御が優れているのはジャイロセンサーのお陰です。

・GPSセンサー GPSセンサーはGPS（全地球測位システム）という衛星の測位システムを利用します。民生用に機能提供される24の衛星が発する電波のうち、4つの信号を受信することで送信時刻と受信時刻の差から受信機の位置情報を求めることができます。

GPSは元々軍事利用に開発され、その後民生用の航空機や船舶に利用拡大しました。現在では自動車のカーナビゲーションの他、スマートフォンやウェアラブル端末に搭載されたことでカメラの位置情報記録・活動量記録に用いられています。さらに、連続したトラッキング情報の記録ができることで多方面に活用されています。

・フォトセンサー 発光素子と受光素子を対にした光センサーで、素子間を物体が通過することで光が遮断され検知するものです。用途としてはチケット挿入機や自動販売機のコイン通過・ペットボトル通過の検知、プリンターの用紙検知等に用いられます。また、ゲートに設置することで人や資材の通過検知等にも利用されます。

・イメージ・画像センサー 撮像素子を用い光信号を電気信号に変換します。色の明暗のみをつたえるイメージセンサーや色調データを変換する画像センサー等があります。現在画像処理の入力センサーとして、デジカメやスマートフォンのみならず、ノートPCの内蔵カメラとして標準搭載されています。

さらに車載ドライブレコーダーやドローン撮影においても、イメージ・画像センサーを用いた録画撮影は欠かせない機能となっています。

・音センサー マイクロフォンを使って電気信号に変換します。電気信号はそのままでも利用しますが、デジタル信号化することも増えています。具体的にはスマートフォンの通話に加えて自動音声認識に利用されます。AIスピーカも音声を音センサーで入力変換し、音声操作を行うものです。

アクチュエータとは、指定した入力信号にしたがい力学エネルギーとして駆動する機械をさします。具体的には以下のようなものが挙げられます。

・電気式 電気信号により駆動するもので電磁弁やモーターが該当します。電気式バルブの電磁弁は流量調整に用いられます。モーターは電気式駆動部品の代表で、家電品・医療・産業から自動車等多岐にわかり利用されています。また制御の精度を高めるためにステッピングモーターやDCモーターが用いられています。

・シリンダ式 水・油・空気等のをシリンダに充填し、ピストンの径の違いにより大きな力を発揮します。精密動作には電動シリンダが用いられます。用途としては生産装置から重機まで多岐に渡ります。

IoTでは用途に応じてセンサーとアクチュエータをコントロールしますので、アイデア次第でありとあらゆる機器に取り付けることができます。

IoTデバイスは用途に応じて通信機能を実装しています。そのため、通信距離や消費電力を考慮し通信周期や転送量から機能設計されています。利用されている通信仕様もその用途に応じて各種の規格が存在しています。

具体的に見ていきますと、近距離ではパッシブ型のNFC・RFID、双方向のWiFiやBluetooth等が規格化されています。パッシブ型は在庫個数を数えたり、電車の改札システムに利用されています。この場合、他の端末やリーダーの求めに応じて情報を伝達するだけですので一定周期の通信には適していません。

能動的な通信を行う場合は、双方向通信規約を利用したWiFiやBluetoothを用います。WiFiは高速通信が可能ですが、エネルギー消費が大きいのが難点です。さらに通信距離のポイントを考えていきます。中長距離ではNB-IoTやLoRaWAN等のLPWA（Low Power Wide Area、低消費電力広域通信）の活用が始まっています。

一般的に5Gセルラー通信では超高速通信に対応しますが、エネルギー消費が大きくなります。LPWAでは低消費電力で実装されているため、転送速度は5Gセルラー通信に劣るものの低消費電力のため長時間の通信に適しています。以上のようにメリット・デメリットを比較しながら、ニーズに応じて必要とされる規格を選択し設計に反映させています。

低消費電力の通信規格は比較的短距離から中距離をカバーするため、一旦ゲートウェイで個々のIoTの通信を集約し、データセンターへ一括送信するする接続形式も利用されています。データを仲介し一括通信する通信中継サーバを「エッジサーバ」ということもあります。

IoTの身近な例

ここではIoTの実例を、身近な例を中心に紹介していきます。以下が代表的なIoTの市場分類と活用例です。 ・自動車 IoTの活用例として引き合いに出されるのが、自動車です。自動車の部品は多岐に渡り、多くの情報機器が搭載されています。IoTによりカーナビゲーション・渋滞予測に活用できます。さらにIoTを連携することで走行・メンテナンス・渋滞情報を総合的に通信するコネクテッドカーとして利便性を向上する試みがされています。

加えて、自動運転のレベルを高めてより安全な運転を提供することも取り組まれています。

・宇宙航空 宇宙航空でも多様な機器が用いられています。制御機器の監視・制御・モニターシステム・画像システムが地上局や移動体に実装されています。今後も成長が期待されています。

・医療 IoTは距離の影響を受けにくく監視や制御が可能なため、医療のリモート診断が高速通信5Gで実現されています。さらにロボット介護の機器や遠隔の見守り等へ活用されています。

・産業 産業向けにも活用が増加しています。従来はOT（オペレーショナルテクノロジー）が用いられていた産業システムや産業用機械ですが、情報通信を活用し高度な連携が可能となっています。そのため産業用システム・機器の監視と制御をIoTで実現するケースが増えています。

これにより品質管理を画像データを含めて高度化し、長期間の品質傾向も簡単に評価できるようになりました。

・コンピュータ コンピュータの領域においてもさらに省スペースIT機器の組み込みや、プリンタ・コピー機への実装なと従来取り付けできないモノにも取り付けられ利用されています。

・コンシューマ（家庭用） スマートホーム・スマートメータが代表例です。具体的には、エアコンや調理器具等の家電の操作に利用されています。また、AIスピーカや電気ポット等を用いたスマートフォン連動見守りサービス・遠隔監視・セキュリティサービス等で用いられています。

・通信 通信の領域では通信機器の管理の他、通信機能をベースとしたシステム全般が対象となっています。具体的には、バス運行管理・ロケーションシステムはバスの位置情報をベースにセンターに通信し、バス停での待ち時間表示等が実現されています。同様に、現在自販機の在庫自動発注をベンディングマシンの注文量で追加発注する際に利用されています。

この仕組みはリモートゲートウェイやローカル5Gが活用されることで、公共通信網に加えて各企業内でも実用されると予測されています。

IoTで利便性が向上しますが、セキュリティ面での対応が求められます。以下はIoTで想定される代表的なセキュリティリスクで、サイバー攻撃リスク面での考慮も必要となる項目です。

・物理リスク 産業機器として用いるロボットや自動車が制御不能となり、物理的事故などを引き起こすリスクです。介護ロボット等の誤作動は致命的な問題を引き起こします。

・乗っ取りリスク センサーやスマートデバイスから情報が窃取されるリスクです。場合によっては踏み台として利用されるリスクもあります。インターネット接続している機器のアカウント情報管理がデフォルト設定されている場合は、特にリスクが生じやすい状態にあるため注意が必要です。

・通信網の傍受や改ざんリスク 仲介するインターネットや回線網から情報が傍受されたり、改ざんされたりするリスクです。SSL等を用いず暗号化されていないパケット送受信では何らかの対策が求められます。

IoTセキュリティリスクに対処するために、総務省と経済産業省によるIoT推進コンソーシアムではIoTセキュリティガイドラインをまとめています。この他に情報処理推進機構ではIoTの情報セキュリティとしてさらに多くの情報を掲載し、啓蒙に努めています。 【参考】：IoT推進コンソーシアム IoTセキュリティWG 【参考】：情報処理推進機構 IoTの情報セキュリティ

総務省の発行する情報通信白書では、ICTに関連するテーマをまとめています。IoTについても現状が整理されれているため、ポイントを解説します。 【参考】：総務省 情報通信白書データベース

情報通信白書全体は454ページに及ぶため、ここではIoTに関連する事項を分かりやすく整理してみます。

・インターネット通信量の傾向 2010年代中頃から5年間のインターネット通信量の急激な増大は、クラウド・ビッグデータ・IoT・AI・VR/AR等の新しいテクノロジー需要によってもたらされていると考えられます。

・クラウドの利用傾向 クラウドの利用はIoTにもおよび、クラウドサービス利用は今後も増加が予測されています。

・IoTデバイスの通信 今後LoRaWAN、及び4G-LTE Cat-NB1等のLPWAモジュールが利用拡大していくと想定されています。

・インターネット接続端末 IoTデバイス普及により、スマートメータや自動車セルラーモジュール等のIoTデバイス端末が増加すると想定されます。また、ヘルスケアや介護用ロボットや遠隔監視・操作やドローン操作等の通信需要も想定されます。さらにウェアラブル端末が多方面で利用されるとも予測されています。

・IoT適用領域 自動車・宇宙航空・医療・産業用途・コンピュータ・コンシューマ・通信と分類した際に、産業用途・コンシューマ・通信の需要が多いとされており、今後医療・自動車・宇宙航空で成長度合いが高いと想定されています。 【参考】：総務省 情報通信白書 令和3年度版 IoTデバイスの急速な普及

以上から、国際競争力を高めるうえでIoTは非常に重要な成長領域として認識されています。

総務省では、ICTスキル総合習得プログラムとしてICTスキル教材をオープンデータとして提供しています。本教材は自由にダウンロード利用可能です。この中でIoTもカバーされており、自身の学習や学校・企業の教材としても活用することができます。 【参考】：総務省 ICTスキル総合習得プログラム

なおオープンデータとは、営利目的・非営利目的を問わず二次利用可能で、機械判読可能であり、無償利用可能なデータを指します。「データ収集」「データ蓄積」「データ分析」「オープンデータ・ビッグデータ利活用事例」の4コース計426ページの大作です。よろしければご利用ください。

IoTの活用は今後一層求められます

IoTは生活を豊かにしてくれるためにあらゆる機器への搭載が進んでいくと考えられます。また、農業や運送のスマート化は人手不足を救うことも期待されています。IoT機器から収集された情報はビッグデータ分析可能なため、この分析作業から有効な活用を進めることがエンジニアに求められています。

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