IoTゲートウェイ（ルーター）とは？事例と活用方法【IoT活用事例 】

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ユーピーアールでは、IoTデバイスを用いたソリューション設計における中核に、手のひらサイズの極小ゲートウェイを採用しています。コンパクト設計であることのメリットは大きく、さらに通信手段も多岐にわたるため、さまざまな場面でご活用いただけます。極小ゲートウェイの特長や、IoTゲートウェイの概要、活用事例から当社がご提供する極小ゲートウェイがさまざまな課題解決の支援となるということをご紹介します。
 

IoTの構成要素について

IoTシステムの構成要素は、「デバイス（モノ）」「ネットワーク」「ゲートウェイ」の3つに分けられます。末端のモノやセンサーがインターネットにつながるためには、IoTゲートウェイが欠かせません。

デバイス：インターネットの「モノ」の部分

IoTシステムの末端にあるデバイス（モノ）には、「センシング」と「フィードバック」の2つの役割があります。

センシングとは、デバイスの計器やセンサーを活用し、自身の稼働状況や周囲の環境条件についてのデータを収集することです。代表的な例として、画像センサー、光センサー、人感センサー、温度・湿度センサー、加速度センサー、ジャイロセンサーなどがあります。収集されたデータは、インターネットを通じてエンドユーザー端末に送られ、様々な形で利用されます。

もう1つの役割は、リモコン制御システムなどを通じて、エンドユーザー端末から命令を送り、遠く離れた場所からデバイスを制御する「フィードバック」です。これにより、リモートでの遠隔操作や遠隔監視が実現し、幅広いIoTソリューションが実現します。

ネットワーク：データをやりとりするための通信技術

デバイスを遠隔操作・遠隔監視し、センサーから情報を集めるには、モノが外部インターネットに接続していなければなりません。

IoTシステムに使われるネットワークには様々な通信規格があります。たとえば、3G/LTEのような携帯電話回線や、無線通信規格のWi-Fi、BLE（Bluetooth Low Energy）、近年注目を集めるLPWA（Low Power Wide Area）などがあります。

ビットレートの高いブロードバンド回線を使用するケースもありますが、IoTシステムで扱うデータ量は比較的少量であることが多く、低コスト・低消費電力の無線通信が中心です。

ゲートウェイ：ルーターのような役割を果たす

近年は、デバイス（モノ）に通信モジュールを搭載し、3G/LTEやWi-Fi、BLEといった無線ネットワークと直接接続するケースも増えてきました。しかし、大規模なIoTシステムを構築し、数十個から数百個単位でIoTデバイスを導入する場合、デバイスすべてに高度な通信機能を搭載すれば費用対効果が悪化します。

そこで役に立つのが、ルーターのような役割を果たすゲートウェイです。ゲートウェイを通じてモノと外部ネットワークを接続すれば、モノの通信機能を最小限にでき、コスト削減につながります。マルチプロトコル対応のゲートウェイも多く、各デバイスの通信プロトコルがばらばらでも、ゲートウェイ側でプロトコルを変換し、問題なくデータ通信や遠隔制御が可能です。

IoTシステムの鍵は、デバイスとネットワークの架け橋となるゲートウェイにあります。

 

温度管理の目的は？食中毒のリスクは不十分な温度管理から生まれる

厚生労働省の平成27年度の調査では、食中毒事件の約60%は飲食店で発生しています。[注1]

食中毒菌が繁殖する原因の多くは、「衛生管理を怠った業者からの原材料搬入」「食品の温度管理不備」「食品の加熱不足」の3つです。温度管理の目的は、食中毒リスクを減らし、食の安心を守る点にあります。

冷蔵庫や冷凍庫、食品の陳列棚などの温度管理で大切なのが、「温度記録表」の作成です。すくなくとも、1日3回を目安に衛生点検を実施し、食品の管理温度を記録する必要があります。温度記録表を作成する目的は2点あります。

まず、食品の管理温度を「見える化」することで、適切な温度管理が行われているかを工場・事業所全体でチェックできます。食品表面に付着した食中毒菌は、冷蔵・冷凍によって死滅するわけではありません。
コールドチェーンの発展により、製造・流通過程で急速冷凍される食品が増加し、食中毒菌の多くは「仮死状態」で残存しています。
温度記録表を作成し、日々食品の管理温度を可視化する仕組みをつくることで、食中毒菌の増殖をはじめとした食品事故の予防が可能です。
食品の温度管理・温度記録は、令和3年6月1日よりすべての食品等事業者に義務化される「HACCP対応」の重要管理点（CCP）の1つでもあります。

また、万が一食品事故が発生した際、温度記録表があれば自社の食品衛生管理に問題がないことを証明できます。
目視での温度計の確認やIoTシステムによる自動監視など、食品の温度管理を行う仕組みがあっても、肝心の衛生管理記録がなければ証明ができません。
食の安全への取り組みを消費者にアピールするうえでも、温度管理とセットで「温度記録表」を作成・出力する仕組みが必要です。
 

IoTゲートウェイとは？モノとインターネットをつなぐ中継地点

IoTゲートウェイとは、モノのインターネット（IoT：Internet of Things）において、モノとインターネットをつなぐ中継地点のような役割を果たす機器のことです。

端末のセンサーが収集したデータは、そのままサーバー側に送信されるわけではありません。データを通信ルール（通信プロトコル）に基づいて変換することで、インターネットの負荷を減らし、通信速度を向上させることができます。その際にデータ変換を行うのが、IoTゲートウェイです。

センサーそのものに通信機能を持たせれば、IoTゲートウェイを使わずにデータを送受信することは可能です。しかし、通信モジュールを搭載するとセンサーのサイズが肥大化し、製品としての使い勝手が悪くなってしまいます。IoTゲートウェイはサイズが小さく、製品設計の邪魔にならないのもポイントです。

 

IoTゲートウェイ（ルーター）の基礎知識

IoTゲートウェイとは、IoT技術とIoT機器を繋ぐデバイスです。

ここではIoTゲートウェイの概要や役割についての基礎知識についてご紹介していきます。

まず、IoTとは前提として“ネットワークに接続されるモノ”としての「IoTデバイス」と、これをネットワークに接続する 「IoTゲートウェイ」の2種類によって構成されています。以下から、それぞれの特徴について詳しく解説していきます。

「IoTデバイス」の種類と接続方法

IoTデバイスにはさまざまな種類があります。イメージがしやすいよう、いくつかの例をご紹介します。

• スマートフォンなどの小型モバイル端末
• エアコンなど装置に内蔵されるもの
• スマートメーターなど建物に固定されるもの

そのほか、外部ネットワーク経由でデバイスを遠隔操作できるようなモノも登場しており、活躍の幅を広げています。

このように、IoTデバイスにはセンサーと通信機能備わっているため、単体であってもネットワークに接続が可能です。LTE、3G、Wi-Fi、Wi-MAX、イーサネットなど、直接接続ができる通信機能を備えたIoTデバイスは今や珍しくなく、導入自体もシンプルです。

一方で、事業にIoTを活用しようとした場合、IoTデバイスは数個では足りません。場合によっては、数百個単位での配置も検討しなくてはならないでしょう。これらのIoTデバイスすべてが、直接インターネットに接続できる機能を持っていたとしたら。そして、各自が通信を単体で行っていたとしたら。IoTデバイスそれぞれの単価や通信コスト、加えて消費電力などの面が大きな課題となるでしょう。

課題解決の鍵はIoTゲートウェイ

上記の課題を解決する方法のひとつとして用いられるのが、IoTゲートウェイです。

IoTゲートウェイは、IoTデバイスをインターネットやアプリーケーションに接続するための機器であり、ルーターのような役割を持ちます。接続にはWi-fi、Bluetooth、920Mhz帯無線（IEEE 802.14.g）、ZigBee(IEEE802.15.4)などの無線方式が用いられることが多く、有線イーサネットはほとんど登場しません。

IoTゲートウェイを活用できれば、IoTデバイスに搭載する通信機能を最小限のものへと設定できます。これによって、前項のコスト問題については解決が可能です。なお、これが実現できるのは、IoTゲートウェイがマルチプロトコルに対応していることも、大きなポイントです。

• マルチプロトコル対応の意義

複数のIoTデバイスから集めたデータには、異なるプロトコルが使われている可能性があります。プロトコルとは通信のルール（規格）のことであり、送り手と受け手の間でプロトコルが異なると、正しく通信が行われません。つまり、プロトコルが異なるデータが機器やクラウドに送られた場合には、読み込み自体ができないという事態が想定されます。

一方、IoTゲートウェイはマルチプロトコル対応という技術的特徴があります。これはその名称からもわかるとおり、さまざまなプロトコルに対応できる、という技術です。そのため、プロトコルが異なるIoTデバイスのデータを集約できます。集約したデータを処理した後、機器やクラウドに対してデータを送信する際には、受け手側に合わせたプロトコルへの設定ができます。

このように、IoTゲートウェイとはIoTデバイスとインターネットとの間をつなぐ架け橋だとお考えください。

• IoTデバイスの管理・情報処理・制御もゲートウェイの仕事

IoTゲートウェイは、IoTデバイスとインターネットとをつなぐだけでなく、その通信を見守ることで、IoTデバイスの管理・情報処理や制御という役割も担います。これにより、リモートでIoTデバイスを操作するといったことも実現が可能です。

また、配下にあるIoTデバイスの状態が確認できるので、故障などの検知も可能。たとえば、一部のIoTデバイスが正常に作動していないといった状況を発見した際には、ユーザーに対してアラートを発信するといった機能も設定可能です。

そのほか、IoTゲートウェイにはIoTネットワークの管理といった役割もあります。つまり、単なるインターネットとの架け橋だけでなく、IoTネットワークに関わるさまざまな通信やデバイスを整理し、管理してくれる存在であり多種多様な業務を支援する——それがIoTゲートウェイと言えるでしょう。

• 複数の小型IoTルーターでエリアを拡大

IoTデバイスの多くは、特定省電力無線という無線方式でIoTゲートウェイと接続されます。これは、無免許で使用できる無線方式であり、利用が手軽なのがメリットです。しかし、到達距離が短いというデメリットがあります。

これをカバーする方法のひとつに、マルチポップ通信という技術があります。使用するのは「IoTルーター」と呼ばれる装置で、IoTゲートウェイとIoTデバイスとの間に設置します。到達距離の短い特定省電力無線であっても、マルチポップ通信であればIoTルーターが通信の橋渡しをしてくれるため安定性が向上。そのため、エリア自体の拡張も可能になります。

加えて、マルチポップ通信の場合はひとつのIoTルーターが故障したとしても、自律的に別のデバイスが通信のルートを探し出し、接続を継続します。その点で言えば、信頼性向上にも期待が持てるでしょう。
 

IoTゲートウェイを導入するメリット

一般的なルーターではなく、IoTゲートウェイを導入するメリットは3つあります。とくに複数のIoTデバイスを導入する場合、IoTゲートウェイの導入がおすすめです。

多岐にわたる通信規格を利用できる

一般的なルーターと違い、IoTゲートウェイは複数の通信規格に対応しています。

たとえば、Wi-fi、Bluetooth、920Mh帯無線（IEEE 802.14.g）、ZigBee（IEEE802.15.4）などの無線通信規格のほか、イーサネットをはじめとした有線通信規格のIoTデバイス同士を中継し、インターネットに接続できます。

マルチプロトコル対応のIoTゲートウェイであれば、IoTデバイス同士の通信規格が異なっていても問題ありません。そのため、IoTデバイスを導入する場合、家庭用のルーターではなくIoTゲートウェイを利用するのが一般的です。

IoTデバイスの管理が簡単になる

IoTゲートウェイがあれば、IoTデバイスをストレスフリーに管理できます。IoTデバイスには通信機能が搭載されており、個々のデバイスがインターネット接続をおこなうことも可能です。

しかし、スマート農業やスマート工場への関心の高まりに伴い、数十個単位、数百個単位のIoTデバイスを導入するケースも増えてきました。IoTデバイスの数が増えれば増えるほど、運用管理が大変になります。

そこで、IoTゲートウェイでインターネットにつなぎ、IoTゲートウェイを通じて稼働監視をおこなうことで、運用管理の手間を減らせます。また、個々のデバイスが通信をおこなうと、電池の消耗が加速し、電池交換の手間がかかります。IoTゲートウェイがあれば、IoTデバイスの消費電力量を抑えることも可能です。

価格帯が広く、予算に合わせて選べる

IoTゲートウェイには、1万円前後の比較的安価なものもあり、IoTソリューションによってはスモールスタートが可能です。また、タイムスタンプを記録する機能や、IoTゲートウェイ側で簡単な情報処理をおこなうエッジコンピューティングを実現できる高機能な製品もあります。

自社の予算やニーズによって、さまざまな価格帯から選べるのも、IoTゲートウェイの魅力です。

IoTゲートウェイ導入の際に気をつけたい注意点3つ

IoTゲートウェイを導入すれば、IoTデバイスを一括で管理できたり、通信規格が異なるIoTデバイス同士を接続できたりと、さまざまなメリットがあります。しかし、IoTゲートウェイをスムーズに導入するには事前の準備が必要です。IoTゲートウェイ導入の際に気をつけたい注意点は3つあります。

• IoTゲートウェイの開発・設計費用も考慮しよう
• 通信容量が膨大になるため、サーバーへの負担を分散しよう
• セキュリティ強化のため、内閣府の「IoTセキュリティガイドライン」を参照しよう

 

• IoTゲートウェイの開発・設計費用も考慮しよう

IoTゲートウェイは価格帯が広く、安価な製品を選べばスモールスタートでIoTシステムを実現できます。また、IoTシステムに欠かせないセンシングデバイスも安価な製品が多く、導入コストを抑えられるのが特徴です。

しかし、冒頭で述べた通り、IoTシステムは「デバイス」「ネットワーク」「ゲートウェイ」の3つがそろって初めて動作します。IoTシステムのなかでも、IoTゲートウェイはデバイスとネットワークの架け橋の役目を渡す重要な構成要素ですが、IoTゲートウェイだけではIoTシステムは実現できません。IoTゲートウェイの導入にあたっては、IoTシステム全体の開発・設計費用も考慮し、予算の見積もりを行うことが大切です。

IoTシステムのコストを抑えたい場合は、「デバイス」「ネットワーク」「ゲートウェイ」の3つがパッケージングされたIoTソリューションの導入を検討する方法もあります。

・通信容量が膨大になるため、サーバーへの負担を分散しよう

IoTシステムのよくある課題が、IoTデバイスが収集するデータが膨大になり、サーバーの負担が大きくなるというものです。IoTデバイスには最低限のCPUやメモリしか搭載されていません。ほとんどのIoTデバイスは収集したデータをそのままサーバーへ送信するため、通信容量が想定以上に大きくなるケースがあります。したがって、IoTゲートウェイを導入するときは、サーバーへの負担を分散する方法を考える必要があります。

こうしたIoTシステムの課題解決につながるのが、「エッジコンピューティング」という考え方です。エッジコンピューティングとは、データを一箇所に集めてから処理するのではなく、末端のデバイスで一度データのクレンジング（加工）を実施し、サーバーには必要なデータのみ送信する方法を指します。

IoTゲートウェイには、このエッジコンピューティングの機能を持つ製品もあります。IoTデバイスから集めたデータをIoTゲートウェイでクレンジングし、不要なデータや破損したデータを除外してから送信することで、サーバーの負担を分散可能です。

・セキュリティ強化のため、内閣府の「IoTセキュリティガイドライン」を参照しよう

IoTゲートウェイは、スマート農業やスマート工場など、大量のIoTデバイスを必要とするシーンで活用が進んでいます。同時に懸念されているのが、産業用のIoTゲートウェイのセキュリティリスクです。

たとえば、大量のデータパケットを送付したり、細工したパケットを送付したりして、IoTゲートウェイの通信遮断や機器の誤動作を招くような攻撃が想定されます。また、マルチプロトコル対応のIoTゲートウェイを導入する場合、通信プロトコルを変換する際の脆弱性を利用し、インシデントを起こすケースも考えられます。

IoTシステムを構築するときは、デバイスやネットワークだけでなく、IoTゲートウェイのセキュリティ対策も必要不可欠です。IoTセキュリティを強化したい場合、内閣府の「IoTセキュリティガイドライン」を参照しましょう。[注1]方針、分析、設計、構築・接続、運用・保守の5つの観点からセキュリティを見直すことで、IoTシステムの脆弱性を発見し、セキュリティ体制を強化できます。

方針	IoTの性質を考慮した基本方針を定める
分析	IoTのリスクを認識する
設計	守るべきものを守る設計を考える
構築・接続	ネットワーク上での対策を考える
運用・保守	安全安心な状態を維持し、情報発信・共有を行う

[注1]内閣府：IoTセキュリティガイドライン[pdf]

 

高性能の手のひらサイズ極小ゲートウェイをIoTに活用

当社では、極小サイズのIoTゲートウェイをご提供することで、お客様にさまざまなIoTソリューションをご提供、導入の支援が可能です。

当社がご用意するIoTゲートウェイは、公衆無線ネットワークに対応した3G、BLE(Bluetooth Low-Energy)、無線LAN等で利用可能。サイズは極小で場所を選びません。各種センサーはセンサーネットワークとして、IoTゲートウェイ、M2Mルーター、エッジサイドで取得されたデータは、クラウドへと送られる手前や端末に近い場所で、フォグコンピューティングノードとして活用されます。

また、オプションケーブルについても使い分けが可能となり、多彩なインターフェースをご利用いただけます。さまざまなセンサーやビーコン・データ収集機器等から検出したデータを処理した後に、クラウドシステムにつなぐゲートウェイとして、IoTシステムの構築を支援することが可能です。

• 無線インターフェースの例

LoRaWAN

• LoRa（IoT向け無線通信技術）を使ったネットワークのこと。バッテリー持続が長く、遠通信距離や多量デバイス接続、安価な通信モジュールといった特長がある。

3G(W-CDMA)

• 第3世代携帯電話の通信規格。国内でも広く普及しているほか、コストについても比較的安価。

LTE(Long Term Evolution)

• 3G同様、携帯電話用通信回線企画のこと。通信速度が高速であり、広く普及している。

BLE(Bluetooth Low-Energy)

• Bluetooth規格を用いた通信方法のひとつ。バージョン4.0から追加された低消費電力が大きな特長で、省コスト化も実現できる。

無線LAN

• 無線によるネットワーク接続。有線に比べて安定性こそ劣るものの、同時に大量のIoTデバイスを接続するのには最適。かつ、配線などの手間やコストも抑えられる。

EnOcean

• 最大の特徴はバッテリーレス無線発信技術。内蔵バッテリーが不要となることで、幅広い製品に用いられるようになってきている。

配線の敷設、配線処理の手間やコストがかからないのことが安価なIoT導入の際には重要なファクターになります。

• 有線インターフェースの例

USB

• コンピュータと周辺機器を接続する規格のひとつ。汎用性が高く、さまざまなデバイスとの有線通信が行える。

Ethernet

• 有線LAN等で用いられるポピュラーな有線接続規格のひとつ。

RS-232C

• シリアル通信とも呼ばれる有線通信規格。家庭用機器では数が減ったものの、産業分野においては使用され続けているケースも多い。

RS-485

• RS-232C同様、シリアル通信と呼ばれるもの（互換性はなし）。RS-232Cに比べノイズの影響に強く、伝送速度も速い。

大容量のデータ処理やデバイスの接続が多い際等は有線インターフェースによるネットワーク構築にメリットがあることもあります。

 

IoTゲートウェイの導入費用

IoTゲートウェイは通常のルーターよりは高価なものの、求める機能によっては低コストで導入できます。IoTシステムを構築する前に、IoTゲートウェイの導入費用の目安を確認しましょう。IoTゲートウェイは、1万円～10万円の価格帯の製品と、10万円～50万円の価格帯の製品の2種類に分かれます。

1万円～10万円の価格帯のIoTゲートウェイは、小型・最小構成でスモールスタートを目指す場合に採用されることが多い製品です。しかし、低価格帯のIoTゲートウェイにも、3G/LTE、Wi-Fi、Zigbee、LoRAなどのマルチプロトコルに対応した製品や、ゲートウェイでデータのクレンジングを行うエッジコンピューティングに対応した製品があります。

10万円～50万円の価格帯のIoTゲートウェイは、低価格帯の製品よりも多機能です。収集したデータの分析・利活用、生産ラインの歩留まりの改善、PLC（コントローラ）を中継しないデータのアップロードなど、単なるゲートウェイにとどまらない導入効果が期待できます。
 

IoTゲートウェイの活用例【ビーコンゲートウェイとして】

近年では、スマートフォンやウェアラブルデバイス、ICカード等から発信される情報等をビジネスに結びつけようとする動きも活発です。この際にも、IoTゲートウェイはユーザー情報取得に大きく役立ちます。

たとえば大型ショッピングセンターや、空港、遊園地等で、人がどのように流れているのかという導線分析も可能。また、人の誘導自体に技術を応用することもできるでしょう。

そのほか、来場客の入退管理などもアイデア次第で実現可能です。各種の入り口やゲートにゲートウェイを設置するとともに、来場客にはビーコンを配布します。すると、ゲートをくぐる際にワイヤレスで情報収集ができます。

手のひらサイズの小型ゲートウェイを利用すれば、来場客に機器設置を意識させることはありません。また、取り付け場所についても制限が少なくなるため、自由な発想の下にビーコンゲートウェイが導入できます。
 

IoTゲートウェイの活用例【計測機器のセンサーネットワークゲートウェイとして】

電気メーターやガスボンベ・水道などをスマートメーター化する際にも、IoTの技術が活用されています。この際にも、極小ゲートウェイの利用は非常に有用です。

現在、多くのメーター機器にはM2Mと呼ばれる機器同士の通信規格が採用されています。これにより、ゲートウェイとの組み合わせにより、各種メーターのデータをゲートウェイが処理し、クラウドシステムへと通知できるようになっています。

ただし、通信自体には問題がないものの、機器のリプレイスや新規取り付けの際には、後付のIoT機器のサイズや消費電流がボトルネックとなり、実施が容易でなくなる可能性があるというのが大きな課題でした。

その点、極小ゲートウェイはサイズが非常に小さいため、取り替え自体が簡単。既存の設備環境の大幅な変更といったコストがかかることなく実施が可能です。
 

IoTゲートウェイの活用例【POC(Proof Of Concept)システムの試験用ゲートウェイとして】

山奥や郊外、地下・屋内等では、電波環境が悪くなる可能性があります。この際には、ネットワークの接続環境の確認が重要です。

しかし、どのような機器で接続確認をしたとしても、試験機と実機とが異なる機器であれば、それは本番環境とは異なります。結果として、トラブルの完全回避は難しいでしょう。

その点、極小ゲートウェイであれば、モバイルバッテリーなどでも数時間の駆動が可能。既存センサーネットワークや計測器、PLCなどから受け取るデータを処理し、クラウドデータ上に通知がされたかどうかの確認に役立ちます。

また、 試験的に接続したPOC(Proof Of Concept)システム環境を、そのまま本番設置可能である点は大きなポイント。手軽に検証ができるだけでなく、信頼性が確保された設置状態をそのまま利用できるため、工数の大幅な削減にも寄与します。
 

まとめ

IoTゲートウェイは、IoTデバイスをインターネットにつなぐ中継機器です。個々のIoTデバイスがバラバラに通信する代わりに、IoTゲートウェイが中継することで、IoTデバイスの負荷を軽減し、消費電力量を抑えます。

マルチプロトコル対応のゲートウェイなら、異なる通信規格同士のデバイスをつなぐことも可能です。また、IoTゲートウェイには稼働監視の機能もあり、IoTデバイスの管理の手間も減らせます。数百個単位のIoTデバイスを導入する場合、IoTゲートウェイの導入がおすすめです。