特集:IoT技術特集
「IoTを始めよう」920MHz無線通信対応Lazuriteシリーズ

掲載記事

Contributing Articles

電波新聞ハイテクノロジー掲載 IoT技術特集

はじめに

あらゆるものがインターネットにつながるサービスIoT(Internet of Things)が今後、飛躍的に普及するといわれている。無線通信規格Bluetooth® SMARTによりスマートフォンと連携する活動量計を身に着けて健康管理を行うサービスや、特定の場所に足を運ぶとクーポンがもらえるサービスはすでに導入されており、利用している消費者も多数いる。これらは活動量計や特定の場所に設置したビーコンという「モノ」がインターネットにつながることでIoTのサービスが実現している。

今後、IoTの中で飛躍的に普及すると言われているのが農業・インフラ・環境・産業機器などの分野における遠隔モニタリングである。たとえば農業では温度・湿度・日射量を常時計測し、収穫量や収穫日と合わせてデータベース化しておく。こうして蓄積されたデータは、ビックデータとして解析することで収穫日を予測したり、収穫日を意図的に調整することで廃棄する野菜の削減が実現できる可能性がある。農業以外にも、トンネルや橋梁を常時モニタリングすることで、メンテナンスコストを削減しつつ、未然に大事故を防ぐことも可能になるだろう。

このようなシステムは現時点では存在していないため、「本当に実現できるのか?」、「導入したい場所で効果があるのか?」といった不安要素がある上に、初期段階で大規模なシステム開発が必要になるため、最初の一歩を踏み出すことができない。

そこで、ロームグループのラピスセミコンダクタは、「簡単に使える」、「よく飛ぶ920MHz無線に対応」、「1個から購入、評価が可能」、「ホームページの特設ページに実現方法を公開」、「世界最小クラスの低消費電力」などの特長を持つ、IoTに最適なリファレンスデザイン、Lazuriteシリーズを開発した。(図1)

図1:IoTのリファレンスデザイン Lazuriteシリーズ
図1:IoTのリファレンスデザイン Lazuriteシリーズ
(左)Lazurite Sub-GHz、(右)Lazurite Pi GatewayとRaspberry Pi

遠隔モニタリングの概要とLazuriteの概要

図2:センサノードのシステム構成
図2:センサノードのシステム構成

遠隔モニタリングを行うIoTのシステムは、センサノード、ゲートウェイ、クラウドサーバの3 つのハードウエアによって実現される。

センサノードは温度・湿度などを測定し無線でデータを送信する機器である。ここで測定されたデータはゲートウェイ(中継機)に集められ、そこから3G, LTE, Wi-Fiなどインターネット網に接続可能な通信手段を介してクラウドサーバに蓄積される。

Lazurite シリーズによるIoTは、Lazurite Sub-GHzLazurite Pi Gateway、および市販のLinuxコンピュータ Raspberry Piによって実現することができる。Lazurite Sub-GHzはセンサノードに、Lazurite Pi GatewayとRaspberry Piはゲートウェイに最適なシステム構成となっている。(図2)

センサノードに最適な「Lazurite Sub-GHz

センサノードは温度・湿度等のセンサと、その値を無線通信で送信する機能を持つ。このセンサノードは電源や通信手段のことを考慮せず自由に設置できるのが理想である。そのためには次のような性能が要求される。

  1. 電池で長時間動作すること
  2. 長距離で通信できること
  3. 無線モジュールで認証が取れており直ぐに使えること
  4. プログラムを容易に書き換えすることができる。

Lazurite Sub-GHzはこれらすべての特長を持つマイコンボードである。

一般的に電池で長時間動作する機器を実現するためには、Active(通常動作)状態の消費電力と、主要動作を停止したHALT(ホルト)状態の消費電力を下げる必要がある。Lazurite Sub-GHzはラピスセミコンダクタのローパワーマイコン「ML620Q504」を採用することで世界最小クラスの低消費電力を実現した。このマイコンには太陽電池で動作する時計や電卓などに数多く採用されているマイコンコアを搭載し、Active電流やHALT電流が小さくIoTに最適なマイコンである。

また無線通信についても同社の無線通信LSI「ML7396B」を搭載した技適認証取得済の920MHz特定小電力無線モジュールを採用している。920MHz特定小電力は下表に示す通り消費電力が小さく、通信距離も長いためIoTへの活用が期待されている。この周波数はスマートメータにも採用されている周波数であり、今後も様々な利用が期待されている。(表1)

無線規格 周波数帯 通信距離 伝送速度 消費電流
特定小電力 400MHz帯 数100m ~4.8kbps 数10mA
特定小電力 920MHz帯 数100m ~200kbps 数10mA
ZigBee 2.4GHz帯 数10m ~250kbps 数100mA
無線LAN 2.4GHz帯 数10m ~300kbps 数100mA

表1 : 国内で利用可能な近距離無線周波数

 

またLazurite Sub-GHzでは、誰でも簡単にソフトウエアを開発できるように専用のソフトウエア開発環境 LazuriteIDEも提供している。ソフトウエアは、LazuriteIDEをインストールしたパソコンとマイコンボードをUSBケーブルで接続するだけでC言語によってプログラム開発を行うことができる。ソフトウエア開発経験が無い人でもLEDの点滅や無線の動作確認を行うことができるようサンプルプログラムも同梱している。

このように、Lazurite Sub-GHzは低消費電力、無線通信に特長があり誰でも開発できるようにしたIoTのセンサノードに最適なマイコンボードといえる。

ゲートウェイに最適な無線モジュール「Lazurite Pi Gateway

ゲートウェイはセンサノードから送信されてくるデータをインターネット上のサーバに送信してPCやスマートフォンから閲覧できるようにしたり、そのデータを解析して異常や緊急性を要する問題があると判断した場合はメールで管理者に連絡したりする機能を有する。

そのためには、次のような機能が要求される。

  1. 高度な解析を可能とする十分なコンピュータの性能を有していること
  2. センサノードが送信するデータを受け取ることができること
  3. インターネットや3G/LTE回線でインターネット網にアクセスできること

高度な解析をするためのコンピュータというと高額な印象を受けるが、Lazuriteシリーズでは「Raspberry Pi」を採用することでコストパフォーマンスの高いゲートウェイを実現した。Raspberry Piは数千円で購入可能なLinux(リナックス)コンピュータであり、その価格と性能から2-3年で飛躍的に普及したコンピュータである。すでに多くの利用者がおり、インターネット上に豊富な技術情報が掲載されているため、安心して使用することができる。Lazurite Pi GatewayはRaspberry Piで920MHz特定小電力無線を行う無線モジュールであり、これを介してセンサノードからの信号を受け取ることができる。また、インターネット網へのアクセスについては市販のUSBドングルを接続して実現することができる。

このコンピュータで920MHz特定小電力無線を利用するためのソフトウエアはラピスセミコンダクタのLazurite特設ページからダウンロードすることができる。(図3) また、低コストで遠隔モニタリングを開始できるよう無料のクラウドサービスを活用するためのサンプルプログラムも公開しているため、閲覧すれば開発経験が無い人でもIoTの機器を作ることが可能である。

図3:Lazurite特設ページ
図2:Lazurite特設ページ(http://www.lapis-semi.com/lazurite-jp/

このようにLazurite Pi GatewayはRaspberry Piと組み合わせることで廉価で高性能なゲートウェイを実現したIoTに最適な無線モジュールである。

量産化/本格導入に向けて

システム完成後にデータを採取するための実証実験を行い、効果が確認できた後に量産/本格導入を検討する段階に入る。Lazuriteでは試作から量産へスムーズに移行できるよう搭載している部品を単体で購入が可能としているだけでなく、回路や基板レイアウト、ソフトウエアなどすべての設計データを公開している。また、お客様自身でLazuriteへの機能追加や基板形状が変更可能なマイコンボードであるため、実証実験時に蓄積したノウハウをそのまま量産に持ち込むことが可能となっている。

今後の展開

Lazuriteシリーズは、IoTのシステムに必要なセンサノードとゲートウェイを簡単に実現するために提供しているリファレンスデザインである。センサノードは低消費電力であり、ゲートウェイは高性能でかつ廉価なシステムを実現することができる。

今後、IoTが様々なシーンで利用されるためには機器の小型・軽量化が必須と考えており、現在はLazuriteを小型化したLazurite miniシリーズの開発中で、年内の発売を予定している。(図4)

図4:(左) CEATEC 2015に参考出展したLazurite Fly、(右)Lazurite Flyを搭載した折り鶴型飛行体
図4:(左) CEATEC 2015に参考出展したLazurite Fly、(右)Lazurite Flyを搭載した折り鶴型飛行体

その他にも、Lazuriteではセンサの活用に関する取り組みも積極的に行っている。2月にロームが発売を開始した8種類のセンサを同梱した「センサ評価キット」は、Lazuriteに直接接続できるだけでなく、Lazurite Sub-GHzでセンサを動作させるためのサンプルプログラムをLazuriteIDEに同梱しているため、ソフトウエアを開発することなく全てのセンサを動作させることができる。(図5)また、ラピスセミコンダクタでは農業や土砂災害の予知に貢献するといわれている土壌環境センサの開発も世界に先駆けて行っており、将来はLazuriteシリーズでそれぞれの用途に最適化したリファレンスデザインを提供していく予定である。

図5:(左)センサ開発キットとLazurite、(右) 世界初、土壌環境センサのデモ展示品
図5:(左)センサ開発キットとLazurite、(右) 世界初、土壌環境センサのデモ展示品

このようにLazuriteシリーズではIoTに必要なマイコンや無線の提供のみならず、新たなセンサへの対応や、小型・軽量化といった多様化にも対応していく。そして、すべての技術を公開し、IoTのサービスや機器の開発をする企業・個人に活用いただくことで、安心・安全・便利な暮らしの実現に貢献していく。

関連情報

この件についてのお問い合わせ