IoTゲートウェイは、数十億ものIoTデバイスの急激な成長を支えるIoTエコシステムに不可欠な要素の一つです。しかし、エッジに多数のIoTデバイスを導入する際には、様々な課題に直面します。ここでは、IoTゲートウェイが、成長するモノのインターネットの導入とアプリケーションにとって、いかに優れたソリューションであるかをご紹介します。
IoTゲートウェイとは
簡単に言うと、IoTゲートウェイとは、接続されているすべてのIoTデバイス、センサー、アクチュエーターを管理するセントラルハブとして機能するインテリジェントなコンピューターのことです。ゲートウェイという言葉は非常に自明ですが、ゲートウェイの概念を簡単に理解すると、クラウドに送信される前に、様々なIoTデバイスから送られてくるすべてのデータを集約、処理、フィルタリングする入り口として機能します。
より高度なIoTゲートウェイは、人工知能のような複雑なエッジコンピューティングアプリケーションを実行することができます。この場合、IoTゲートウェイはほとんどのデータをエッジで処理し、クラウドからの支援なしにエッジでリアルタイムの意思決定を実行することができます。
IoTゲートウェイの仕組み
IoTゲートウェイは、異なる種類のIoTデバイス間の橋渡し役となり、それらを中央データシステムまたはクラウドに接続します。エッジ、ゲートウェイ、クラウドのような外部ネットワークを移動するデータのロジスティクスには、データの集約、要約、同期が含まれます。IoTデバイスは、Zigbee、Z-wave、Bluetooth LEなどの短距離無線技術を使用してIoTゲートウェイと通信します。また、LoRa、WiFi、LTE、LTE-Mなどの長距離無線技術を使用してIoTゲートウェイと通信するIoTデバイスもあります。IoTゲートウェイは、光ファイバーWANまたはイーサネットLANを介して、様々なセンサーを広域ネットワーク（WAN）またはクラウドに接続します。
さらに、IoTエコシステムには、異なるプロトコルやインターフェースを持つ数百から数千のIoTデバイス、センサー、アクチュエーターが存在する可能性があります。毎秒生成されるこの膨大なIoTデータは、クラウドに過負荷を与えます。IoTゲートウェイは、収集されたデータをフィルタリングして単一の標準プロトコルに変換し、クラウドで簡単に処理され、より効率的なコンピューティングのためにエッジに渡されるようにします。IoTゲートウェイが変換する一般的なプロトコルには、AMQP、DDS、CoAP、MQTT、WebSocketなどがあります。
さらに、インテリジェントなIoTゲートウェイは、クラウドに接続することなく意思決定を実行できるエッジワークロードを管理できます。例えば、冷蔵食品を輸送する車載アプリケーションの場合、ストレージ内のセンサーが温度上昇を示した場合、IoTゲートウェイは自動的にアクチュエーターを制御して温度を理想的なポイントまで下げ、商品への損傷を防ぎます。IoTゲートウェイは、照明、空気の質、セキュリティシステムなど、アプリケーションの様々な側面を同時に監視できます。このように、IoTゲートウェイの主な利点は、追加の処理と分析のためにデータの要約を外部ネットワークに送信できることです。
IoTゲートウェイの主な機能
- M2M（マシンツーマシン）通信の提供
- IoTデバイスと外部ネットワーク（クラウド）の橋渡し
- すべてのデバイスからのデータを集約
- クラウドに送信するデータの準備（データの洗練、処理、フィルタリング）
- リアルタイムおよびオフラインコンピューティングのサポート
- インテリジェントなエッジコンピューティングの実行
- サイバーセキュリティの強化
- FOTA (Firmware Over The Air) アップデート
IoTゲートウェイはIoTおよびエッジコンピューティングフレームワークでどのように使用されるか
IoTデバイスの急増、人工知能アプリケーションの進歩、5Gネットワークにより、エッジでの相互作用とコンピューティングがますます増えています。エッジコンピューティングアプリケーションのトレンドは、クラウドから、データが生成される場所に近接したエッジへとコンピューティング能力が移行した結果です。クラウドからのワークロードをオフロードし、エッジで直接コンピューティングを実行することで、よりインテリジェントでミッションクリティカルなアプリケーションに様々なメリットがもたらされます。エッジコンピューティングは、データが移動する必要のある距離が短いため、低レイテンシー、高帯域幅、信頼性の高いパフォーマンスを提供します。つまり、IoTゲートウェイはエッジコンピューティングエコシステムを支援し、接続されたすべてのIoTデバイスからのデータ処理をエッジで扱います。
IoTゲートウェイとルーターの違いとは
IoTゲートウェイとルーターは非常に似ていますが、IoTゲートウェイの方がはるかに多くのことを行います。IoTゲートウェイとルーターはどちらも、異なる種類のデバイスや通信技術を接続する橋渡し役として機能します。これらのローカルデバイスと技術は、異なるインターフェースとプロトコルを持っており、ゲートウェイによって外部ネットワークで使用されるプロトコルとインターフェースに合うように変換されます。例えば、ご家庭のルーターは、接続されたデバイスとインターネット間の接続を橋渡しします。ローカルエリアネットワークをインターネットプロトコルスイート (TCP/IP) に変換して、インターネットサービスプロバイダー (ISP) の広域ネットワークに接続します。IoTゲートウェイも同様のプロセスをサポートし、IoTデバイスをインターネットに接続します。しかし、主な違いは、IoTゲートウェイはクラウドに送信する前にデータを集約、処理、フィルタリングすることです。データを処理する際、IoTゲートウェイはリアルタイムの意思決定を実行して、クラウドに接続することなくアプリケーションを管理および制御できます。簡単に言えば、IoTゲートウェイはオフラインとオンラインの両方の状況で複雑なタスクを実行できますが、ルーターはデバイスをインターネットに接続するためにオンラインの場合にのみ機能します。
IoTデバイスがハッキングされやすい理由と、IoTゲートウェイがそれらを保護する方法
IoTデバイスはサイバー攻撃に非常に脆弱であることで知られています。驚くべきことに、IoTデバイスは防御が弱く、サイバー攻撃の標的となっています。さらに、IoTデバイスが攻撃を受けると、複数のデバイスが露出する穴が残り、エコシステム全体が危険にさらされます。
IoTデバイスにIoTゲートウェイを利用することは、サイバーセキュリティを支援するためにIoTエコシステム内に追加の保護レイヤーをインストールするようなものです。IoTゲートウェイは、インターネットに直接接続されているIoTデバイスがハッキングされる可能性が高いという事実から、インターネットに接続されるデバイスの数を減らします。さらに、プレミオの産業用IoTゲートウェイコンピューターは、オンラインおよびオフラインの脅威からデータを保護するエンドツーエンドの暗号化を提供するTPM 2.0（トラステッドモジュールプラットフォーム）を搭載しています。
IoTゲートウェイのメリット
- データ管理
- 低帯域幅消費
- 遅延の削減
- エネルギー効率
- サイバーセキュリティ
- 費用対効果
- 耐久性と信頼性
- エッジコンピューティング
データ管理 - IoTゲートウェイは、IoTデバイス、センサー、アクチュエーターからのすべてのデータを管理します。すべてのデバイスからのデータを集約、処理、フィルタリングし、最も重要な情報のみをクラウドに送信します。また、リモートロケーションからIoTアプリケーションを制御・監視する際に、クラウドから送られてくるデータを橋渡しします。
低帯域幅消費 - IoTエコシステムには、数百から数千ものIoTデバイスが関与しています。これほど多くのデバイスがインターネットに接続され、常にデータを送信していると、システム全体を運用するためにどれほどの消費電力が必要になるか想像してみてください。IoTゲートウェイは、システム内のすべてのデバイスからのデータを事前に処理・管理し、外部ネットワークに送信する前に帯域幅消費を低く抑えることができます。
遅延の削減 - IoTゲートウェイによって高効率が実現されることで、デバイスのIoTネットワークはクラウドとより速く接続され、遅延の問題を軽減します。さらに、エッジで直接データを処理することで、IoTゲートウェイはIoTデバイスがクラウドに接続しようとする際に発生する遅延ボトルネックを解消します。IoTゲートウェイはデータソースに非常に近いため、遅延の問題を改善します。
エネルギー効率 – IoTゲートウェイはデータ管理を行い、帯域幅の使用量を抑え、IoTデバイスのレイテンシーを低減することで、数百から数千のIoTデバイスが効率的に動作できるようになり、最終的には消費電力が少なくなります。クラウドからデータを送受信するIoTゲートウェイが1台だけというのは、複数のIoTデバイスが常にクラウドに接続しようとするよりもはるかにエネルギー効率が良いです。
サイバーセキュリティ – IoTゲートウェイは、ハッカーが標的にできる接続ポイントを減らすことで、IoTエコシステムのセキュリティを向上させます。また、IoTゲートウェイには、TPM 2.0などの複数のセキュリティオプションが搭載されており、完全なデータ暗号化が保証されています。
全体的なコストの削減 – 消費電力とインターネット使用量を抑えることで、IoTゲートウェイはIoTアプリケーションの効率を高めるだけでなく、運用コストも削減します。さらに、より安全で信頼性の高いアプリケーションによってダウンタイムのリスクを低減し、より費用対効果の高いIoTアプリケーションを実現します。
耐久性と信頼性 – 産業用IoTゲートウェイは、エッジコンピューティングアプリケーションによく見られる過酷な環境に耐えるように設計されています。堅牢な産業用素材で構築された産業用IoTゲートウェイは、過酷な産業環境に展開されても、はるかに耐久性と信頼性が高くなります。
エッジコンピューティング – 市場でより堅牢なプロセッサが利用可能になったことで、IoTゲートウェイは、機械学習、深層学習、人工知能などの複雑なコンピューティングアルゴリズムをエッジで実行するために、ハイエンドのスペック（CPU、RAM、SSDストレージ、GPUなど）で構成されています。さらに、産業用IoTゲートウェイを使用すると、スマート農業、フリートテレマティクス、車載アプリケーション、ガス・石油のリモート監視などの産業用アプリケーションのために、最も遠隔地の過酷な環境に展開できます。
IoTゲートウェイのいくつかの例
以下に、実際のIoTゲートウェイアプリケーションの使用例をいくつか示します。
スマート農業IoTゲートウェイ
スマート農業では、多くの変数を監視および制御する必要があります。さまざまな種類のIoTデバイス、センサー、アクチュエータが農業用地全体に設置され、作物とその環境に関する貴重なデータと情報を収集します。これらのセンサーとIoTデバイスは、土壌の質、作物の成長、紫外線、湿度、およびその他多くの情報を収集でき、農家はそれらを使用して作物の成長を改善するための意思決定を行えます。IoTゲートウェイは、天候条件に基づいて肥料の散布や植物への水やりなど、農業用地のアクチュエータを制御するように自動化することもでき、作物への肥料と水の効率を高めます。
車載IoTゲートウェイ
フリートテレマティクスなどの車載アプリケーションでは、さまざまなセンサーやIoTデバイスから収集されたデータや情報を管理するために、IoTゲートウェイが必要になることがよくあります。集約されたデータと情報には、車両のGPS位置、移動先、機械情報、道路情報、および車両のミッションに応じたその他の情報が含まれます。たとえば、冷凍食品を遠隔地に送る場合、追加情報として、保存温度、ラジエーターの性能、冷却がどれくらい続くかを知るための電力計が含まれることがあります。これらのインサイトはすべてIoTゲートウェイによって収集および管理されます。IoTゲートウェイは、効率を向上させるために重要な情報のみを送信します。たとえば、IoTゲートウェイは、保存温度のわずかな変化を継続的に送信するのではなく、保存温度が大幅に低下した場合にのみアラートを送信します。継続的なデータストリームにより、IoTゲートウェイからの貴重なフィードバックに基づいて保存温度の調整を行うことができます。
さらに、プレミオの産業用IoTゲートウェイは、CE、FCC、EMC適合性についてテストおよび検証されています。また、Eマーク、EN50155、EN50121-3-2鉄道準拠を含む車載および輸送システム認証は、特に欧州経済委員会の一部である国にとって非常に重要です。プレミオの産業用IoTゲートウェイは、ミッションクリティカルなアプリケーションで世界中のお客様をサポートするために、これらの規格に準拠しています。
産業用IoTゲートウェイ | なぜ必要なのでしょうか？
1. コンパクト設計
「産業用」という言葉を聞くと、デバイスの耐久性を高めるために、その産業用機能を持つデバイスはかさばって重くなると思うかもしれません。しかし、産業用IoTゲートウェイは、システムを冷却するためにファンではなく超伝導ヒートシンクを利用するファンレス設計のおかげで、非常にコンパクトです。たとえば、PremioのBCO-1000産業用IoTゲートウェイは、サイズが142mm（幅）、101mm（高さ）、30mm（高さ）で、体積は非常に小さい0.43Lです。BCO-1000は、一般的な家庭用ルーターの2倍も小さいです。
2. 広い温度設計
ファンレス産業用IoTゲートウェイは、-40℃から85℃までの広い動作温度範囲を持ち、極端な低温および高温環境に対応しています。
3. 広い電力設計
モバイルからエッジ展開まで幅広いアプリケーションに対応するため、産業用IoTゲートウェイは、9Vから50Vまでの広いDC入力電圧範囲を備えています。
4. 耐衝撃・耐振動性
S衝撃と振動は、市販グレードのデバイスの故障の主な原因の一部です。産業用IoTゲートウェイは、軍事規格MIL-STD-810Gに準拠し、最大50Gの衝撃と最大5Grmsの振動に耐えることができます。この機能により、産業用IoTゲートウェイは、車載アプリケーションやその他の重機アプリケーションなど、頻繁な衝撃や振動を伴うIoTアプリケーションに最適です。
5. 産業用コンポーネント
産業用IoTゲートウェイは、エンクロージャーから内部コンポーネント（パワーチョーク、抵抗、マザーボード、I/Oなど）に至るまで、産業用グレードのコンポーネントで構築されています。産業用IoTゲートウェイの外側エンクロージャーは、押し出しアルミニウムと重金属を一体成形したものです。これらの追加手順は、デバイスの耐久性、信頼性、寿命を強化するのに役立ちます。
6. エネルギー効率
7. 豊富な接続オプション
産業用IoTゲートウェイは、5G/4G LTE、WiFi6、Bluetooth 5.0などの豊富なワイヤレス接続機能、およびPoE+対応のRJ45やM12 LANなどの有線接続オプションを備えています。また、RS485、RS232、I2C、SPI、DIO、GPIOなど、ほとんどの通信の柔軟性のためにレガシーアナログ信号もサポートしています。
8. セキュリティ
産業用IoTゲートウェイはTPM 2.0暗号化プロセッサを利用し、産業用IoTゲートウェイで収集されたデータを暗号化する暗号鍵またはデジタル証明書を有効にし、オンラインおよびオフラインのセキュリティを確保します。
9. テレメトリーをクラウドに渡す認定
Premio Incが提供する産業用IoTゲートウェイは、Amazon Web Services（AWS）IoT GreengrassおよびMicrosoft Azure IoTの主要クラウドプロバイダーにデータを実行および渡すことが認定されています。
産業用IoTゲートウェイはどこで入手できますか？
総合的に考えると、産業用IoTアプリケーションに最適な産業用IoTゲートウェイを選ぶのは非常に複雑です。Premioでは、お客様の複雑で高度に専門化された産業用IoTアプリケーションに最適な技術を選択できるよう、エンジニアリング専門家がサポートいたします。企業向けに堅牢なコンピューティングソリューションを設計・製造してきた30年の経験から、当社の専門知識がお客様のビジネスを完全により良い方向に変革すると確信しています。お客様のアプリケーション向けに、最先端の堅牢な産業用IoTゲートウェイソリューションをお探しでしたら、ぜひお問い合わせください！