IoT検定・IoTリテラシーWG デバイス

IoT検定・IoTリテラシーWG　デバイス

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1. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. IoTプロ・コミュニティ福岡 リーダー 陣 宏充
2. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 1 Contents 1. 自己紹介 2. 主催団体 FITCO ＆ IoTプロ・コミュニティの紹介 3. IoT検定の概要 4. セミナー 「セキュリティ」の説明 5. アンケートのお願い 6. 最後に
3. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 2 1. 自己紹介
4. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 3 2. 主催団体 FITCO ＆ IoTプロ・コミュニティの紹介
5. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 4 3. IoT試験の概要
6. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 5 4. ミニセミナー IoTの教科書 第5章 「デバイス」
7. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 6 4-1. IoTデバイスとは
8. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 7 4-1-1.IoTデバイスとは ▪IoTデバイスとは 身近な温度などのデータを測定したりする制御装置をエンドデバイス やIoTデ バイスと呼びます。その実体はCPUでセンサーなどを制御する組み込みシステム です。 ネットワークを介してサーバやクラウドにデータを送るだけでなく、サーバや クラウドからのプログラムなどの指示で何か処理を行ったりします。 IoTデバイスにはRaspberry PiなどのOSや補助記憶装置を持つシングルボード コンピュータや、ArduinoのようにOSや補助記憶装置を持たないで機械語のプロ グラムが直接動作するワンボードマイコンなどが用いられます。 ▪Raspberry Pi 教育用に開発されたRaspberry PiはARMプロセッサを搭載したシングルボード コンピュータです。マウスやキーボードだけでなく、HDMI出力でディスプレイを 接続し、GPU搭載のデスクトップパソコンとして安価に利用することもできます。 また、小ロット製品のメインコンピュータとしても用いられ、SDカードなどの補 助記憶を装備するのでLinuxなどのOSを動作させることもできます。 なお、 ARMプロセッサは携帯電話やスマートフォンで良く採用されているプロ セッサで、低消費電流で動作することが特徴です。ニンテンドーDSやiPadなどの 携帯用電子機器に良く用いられます。
9. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 8 4-1-2. Raspberry Pi、Arduino ▪Arduino 教育用のマイコンボードとして開発されArduinoは、教育分野だけでなくプロト タイピング（試作）から実務的な分野でも用いられています。アナログ入力端子 を持つのでセンサー接続に適しています。 Arduinoの持つCPUはWindowsパソコンなどに搭載されるCPUとは異なり、8 ビットRISCマイクロコントローラAVRを用いています。そのためWindowsなどで 開発を行う場合は、AVRの命令を生成するクロスコンパイラを持つIDE (統合開発 環境)が必要です。また、プログラミング言語には、C++言語をベースにArduino 独自の機能を拡張したArduino言語と呼ばれる独自の言語を用います。 開発環境であるIDEが無償で提供されているだけでなく、ソースコードや回路図、 基板の設計データなどがソースコード管理サービ スであるGitHub.comで公開さ れています。そのため、独自システムをボードレベルで開発することができ、開 発したシステムを販売することもできます。独自に開発したハードウェアでも、 ArduinoのAPI(Application Programming Interface)や開発環境を利用すること ができます。
10. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 9 4-1-3.IoTデバイスの構成 ▪IoTデバイスの構成 ワンボードマイコンなどに用いられる制御装置にはMCU(Micro Control Unit) が用いられます。マイクロコントローラやSoC (System on Chip) とも呼ばれま す。 MCUは、コンピュータの処理の中心であるCPU (Central Processing Unit：中 央処理装置) だけでなく、メモリや周辺回路などが一体になっており、LEDやス イッチ、温度センサなどの電子回路が接続されて、IoTデバイスを構成します。そ の接続には下図のI/OポートやAnalog Inputが用いられます。
11. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 10 4-1-1.I/Oポート、他 ▪I/Oポート I/O (Input/Output)とはその名の通り入力と出力のことです。外部から信号を MCU内部に伝えたり、外部に信号を出したりします。そのためにMCUに設けられ た端子(信号の出入り口)がI/Oポートです。 I/Oポートを用いて、スイッチからの 信号を入力したり、LEDに信号を出力したりします。スイッチやLEDは電圧があ るか無いかの2状態で入力や出力をおこなうので、デジタル信号の入出力になりま す。これに対しアナログの電圧を入力するI/OポートをここではAnalog Inputと 表記しています。 ▪ボリュームや温度センサなどの接続 スイッチに対して「つまみ」を回転させて大きさなどを調節するボリュームで は、連続して変化する電圧を入力する端子が用いられます。それがAnalog Input です。温度を測定するセンサーなどは、温度で抵抗の値が変わる性質を利用する ので、やはり電圧の入力となります。 アナログの電圧を入力してもコンピュータの内部ではデジタル信号でなければ 処理できません。そのためにアナログの電圧をデジタルに変換するための仕組み が必要になります。それがA/D(Analog/Digital)変換回路です。 このA/Dについては次節で、電圧や抵抗については、第3節「デバイスの回路」 で説明します。
12. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 11 4-2. IoTデバイスの入出力
13. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 12 4-2-1. IoTデバイスの入出力 ▪I/Oの種類 前節で説明したように、IoTデバイスにセンサーなどを接続するためにI/O (Input Output：入出力)の端子が用いられ、 I/Oポートなどと呼ばれます。この 入出力端子(ポート)を用いて信号の入力や出力が行われます。I/Oの端子には、大 きく分けて、アナログとデジタルの端子があります。 センサーには温度を測定するサーミスタのように抵抗値が変化するものや、 タッチセンサのようにOn/Off動作するものがあります。前者の入力にはアナログ 入力端子が、後者にはデジタル入力端子が用いられます。 LEDやモータなどの駆動には出力端子が用いられます。点滅するだけのLEDは デジタル出力端子を用います。明るさを調整したい場合はアナログ出力端子が必 要ですが、主に疑似的に電圧を調整できるデジタル出力端子を用います。 ▪デジタルの入出力 デジタル信号のI/Oは汎用的に用いられるのでGPIO (General Purpose I/O ） と呼ばれます。デジタルI/Oや単に I/Oと呼ぶこともあります。 GPIOのポートは1ビットのデータの入力や出力を行います。メモリの1番地は8 ビットなので、ひとつの番地は８つのポートに対応することができます。 ポート とは入力や出力のための配線を接続するためにMCUやマイクロコントローラに用 意されている端子のことです。
14. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 13 4-2-1. IoTデバイスの入出力 各ポートはそれぞれを入力か出力に設定します。下図では、ポート1 (P1)にス イッチを入力設定で、ポート2 (P2)にLEDを出力設定で接続しています。スイッ チを押すたびにLEDが点灯と消灯を切り替える動作を行うプロクラムなどを作成 して、LEDを点滅させることができます。 図のVccとGNDの記号は電源接続を表します。ここに5Vなどの電源を接続して 動作させます。電源や抵抗などについては3節「デバイスの回路」で説明します。 抵抗 SW LED 電源 GND
15. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 14 4-2-2. アナログの入出力 ▪アナログの入出力 アナログの入力には専用のアナログ入力端子を用います。MCUやマイクロコン トローラなどと呼ばれる制御装置は、一般的に内部にA/D(A/D変換器、ADコン バータ、ADC)を持ち、アナログ電圧をデジタル信号に変換することができます。 A/Dがアナログ電圧をデジタル信号に変換する際には、デジタル信号のビット 数に8bitなどが用いられます。コンピュータの内部では1つのメモリの番地に8bit のデータが格納されるので、8bitが扱いやすいからです。ただし、8bitでは精度が 不足することが多く、10bitや16bitだけでなく24bitや36bitなども用いられます。 下図は，温度センサの抵抗変化を電圧の変化として捉え，A/Dで8bitのデジタル値 に変換してCPUに伝送しています。
16. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 15 4-2-2.アナログの入出力 A/Dを内蔵しているMPUは、アナログ入力端子を持ちます。この端子を持たな いMPUの場合は、外部にA/Dを用意し、次に説明するシリアル通信などを用いて MPUと接続します。 アナログ出力では、主にデジタル出力端子でPWM (pulse width modulation: パルス幅変調)を用いてOnとOffの割合を変化させることで平均の電圧を変えて LEDの明るさなどを調整します。繰り返しの周波数を変えることで、接続したス ピーカで音階を演奏することも可能です。
17. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 16 4-2-3. シリアル通信 ▪シリアル通信 1本の電線で8bitのデータを扱う通信です。シリアル通信の基本はRS-232Cです。 PCのモデム接続に用いましたが、USBに取って代わられました。COMポートやシ リアルポートなど呼ばれます。 PCでは図にしめすD-SUB 9ピンの コネクタで1対1の接続を行います。
18. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 17 4-3. デバイスの回路
19. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 18 4-3-1.デバイスの回路 ▪デバイスの回路と電子工学 IoTデバイスなどの制御装置やセンサーの基礎は電子工学の技術です。CPUやメ モリの基礎となるだけでなく、LEDやセンサ、モータ、電圧などの分野です。 センサー技術については4節に譲り、ここでは，電子回路の基礎とモータなどに ついて説明します。 ▪電子回路の基礎 1節の「IoTデバイスの構成」で説明したようにIoTデバイスのマイクロコント ローラ(MCU)は主にワンチップのLSIが用いられ、デジタル入出力端子にスイッチ やLED(発光ダイオード)が接続されます。そして，接続されたこれらの素子を動作 させるために，抵抗，コンデンサ，トランジスタなどが使われます。 電子回路を動作させるために電源が必要です。電源は上図のVccやGNDで表さ れます。 抵抗 SW LED 電源 GND
20. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 19 4-3-1.電圧と電流 豆電球を乾電池で点灯する場合をVccとGNDの記号で表すと右図になります。 右端は最新の電球の記号です。 GNDは電圧の基準となるものなので0Vです。 CPUなどの電源電圧Vccは5Vが 標準ですが、3.3Vのものも増えました。 ▪電圧と電流 電気の基礎は電圧と電流です。これらは目に見えないものですが、水圧と水流 に置き換えると理解しやすくなります。 電流は本質的には電子の流れなので，水の流れに例えます。川の水の流れの中 に立つと下流方向に水圧を受けます。川の中に杭が多数あると，水は杭の抵抗で それだけ流れにくくなります。そして杭は水圧を大きく受けることになります。 電気でも同様に抵抗があれば電流が流れにくくなり，そこに電圧が発生します。 電気の流れの大きさIと発生する電圧Vの関係が V=I×R となるように抵抗Rを定 めます。これがオームの法則です。 したがって、抵抗Rに電圧Vを掛けると流れる電流Iは次の式で計算されます。 I = V ÷ R
21. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 20 4-3-3.用語 ▪ LED ダイオードは電流を一方向にだけ流す素子です。順方向に電流を流すと，光を 出す性質があり、それを活用したものがLED (light emitting diode：発光ダイ オード) です。電流が流れすぎると壊れるので電流を制限する抵抗をつけるように します。逆方向にはごくわずかの電流しか流れず、点灯しません。光を当てると 電流が流れます。この発電の効率を良くしたものが光電池で，光の検出用にした ものがフォトダイオードです。これらは用途が異なるだけで，原理的には同一の ものです。左図はLEDです。 ▪アクチュエータ 電気や油圧，空気圧などが持つエネルギーを並進または回転運動に変換する駆 動装置をアクチュエータと呼びます。 代表的なアクチュエータにモータとソレノイドがあります。ソレノイドは電磁 石を用いた機構のことです。モータは主に回転運動に，ソレノイドは直進運動に 用いられます。モーターは回転数に限界はありませんが，ソレノイドは固定され た角度内で回転したり，直線運動したりします。主にモータは動力用に，ソレノ イドは制御用に用いられます。
22. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 21 4-3-3.用語 ▪モーター 動力用に用いられるモータの代表は直流電源を用いるDCモータです。プリンタ などに用いられるステップモータや回転数を一定に制御するサーボモータ、交流 の電源を用いるACモータなどもあります。 DCモータは整流子(ブラシ)で電流を切り替えることで，永久磁石の中でコイル が回転するモータです。負荷が重いと回転数が下がり、流れる電流が増加します。 駆動する電圧を上げれば回転数も上がります。 モータを動かすためには、大電流を流すので、下図のような放熱板付きのDC モータドライバICなどを用いて駆動します。 ドライバICは電流の流れる方向を逆にして反転させる機能も持ちます。回転数 はPWMで調節します。 サーボモータ モータの回転速度を調べ、駆動する電圧を調整することで，一定の回転速度を 保つモータです。 ロボットの関節などに取り付けて一定の角度の範囲で動作するものもサーボ モータと呼ばれています。
23. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 22 4-4. IoTデバイスのセンサ
24. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 23 4-4-1.IoTデバイスのセンサ ▪センサとは 身近な温度や圧力などを測定するためにセンサーが用いられます。センサーは外部 環境の状況をコンピュータに入力するための素子です。センサには温度や圧力などの 身の回りの環境だけでなく、動きや位置などを測定するものもあります。 スマートフォンの普及によってセンサが小型化され、安価になりました。そのため 1節で説明したIoTデバイスでも安価にセンサを利用できるようになりました。ここ ではスマートフォンなどを例にして、IoTデバイスに用いられるセンサについて説明 します。 ▪加速度センサ 加速度センサは，物体の移動に伴う速度の変化を検出します。微小な機構と周辺回 路を集積することができるMEMS技術を用いて，バネで支持された微細な重りと測定 回路などを作成します。その重りは加速度によってわずかですがその位置がずれるの で，そのずれを測定します。X軸，Y軸，Z軸の3軸を検出する3軸加速度センサーな ら静止状態で上下方向がわかります。 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)は半導体LSIを作る加工技術を用い て微小な機械構造を作る技術です。mmオーダ以下の可動部分と電子回路を持ち、マ イクロマシンとも呼ばれます。これでスマートフォンの縦位置、横位置を検出します。 さらに、歩く時の揺れを検出することで歩数計のセンサになります。
25. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 24 4-4-1. IoTデバイスのセンサ ▪ジャイロセンサ 物体移動の速度変化を検出する加速度センサに対し、ジャイロ (角速度) センサは 物体の回転を検出します。加速度センサと同様にMEMS技術を用いて、振動子と測定 回路などを作ります。ジャイロセンサはデジタルカメラの手ブレ検出や自動車の横滑 り検出、手持ちゲーム機やスマートフォンのユーザインタフェースなどに用います。 ▪磁気センサ 代表的な磁気センサにホール素子があります。ホール素子に一定の電流を流し磁界 を加えると，加えられた磁界の強さ(磁束密度)にほぼ比例した電圧が発生します。こ れをホール効果と呼びます。これを用いて磁気を測定します。携帯電話の開閉検出な どに用います。また、地磁気により南北を知るセンサは電子コンパスとも呼ばれます。
26. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 25 4-4-1. IoTデバイスのセンサ ▪圧力センサ 気体や液体の圧力を測定するセンサです。圧力に応じて凹む薄い膜(ダイヤフラム) にひずみを電気信号に変換する歪ゲージ抵抗などを貼り付けています。 ▪温度センサ 温度を測定するセンサにはサーミスタが良く用いられます。サーミスタは温度で抵 抗値が変化する半導体酸化物です。温度が上昇すると抵抗値が下がるものや上がるも のなどがあります。
27. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 26 4-4-1. IoTデバイスのセンサ ▪照度センサ 明るさを測定する照度センサにはCdSセル(下左図), フォトダイオード(下中図), フォトトランジスタ(下右図)などがあります。 CdS(硫化カドミウム)セルは光の強度が増加すると抵抗値が低下します。人の目に 近い特性を持ち，安価なため街路灯の自動点灯などに広く用いられます。 フォトダイオードは前節「デバイスの回路」のLEDで説明した素子で、高精度な照 度の測定に用いられます。フォトトランジスタは光の強弱でONとOFFを切り替える スイッチ動作する用途に良く用いられます。 ▪人感センサ 人の存在を検知して照明を付けたりするセンサです。超音波を用いたものや、赤外 線LEDで投光しフォトトランジスタで受光するアクティブセンサ、投光せずに人体の 発する赤外線を検知するパッシブセンサなどがあります。
28. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 27 4-4-1. IoTデバイスのセンサ ▪ 距離センサ 数cmから数10m程度の距離を測定するために超音波や赤外線が用いられます。 TOF (Time Of Flight)では、投射した光や音が反射して返ってくる時間から距離を 計測します。
29. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 28 4-5. IoTデバイスの実例
30. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 29 4-5-1. IoTデバイスの実例 ▪農業IoT ゲートウェイ(親ノード)とセンサノード(子ノード)を用い、田畑の温度や照度、湿 度などのデータをセンサで測定します。低消費電流な無線のセンサーネットワークな どで親ノードであるゲートウェイにデータを集め、携帯電話回線などを用いてサーバ に送信し、そこで「見える化」した結果をPCなどでWeb表示します。 ▪スマートホーム スマートホームは、照明などをスマートフォンから操作したりする“賢い”家のこと です。外出時に玄関の鍵を閉めると自動的に明かりを消灯することなどが可能です。 そのためには全体を管理するデバイスが必要になります。それをホームハブと呼びま す。ホームハブは例えば火災報知器からの信号を受け、スマートフォンに通知するな どの役割を果たします。 火災報知器 Nest(ホームハブ) スマートフォン
31. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 30 4-5-1. IoTデバイスの実例 室温をコントロールするサーモスタットのNestは使用者の生活パターンを学習し， 自動的に温度設定を行うだけでなく、 Wifi接続でスマートフォンから操作したり、 ホームハブとして使用することができます。 AIスピーカは音声でインターネットの検索を行うことができます。音声で検索を指 示し、検索結果を音声で聞くだけでなく、音声でスマート電球の点灯や消灯などを指 示できます。 音声をクラウドに送り、そこで音声認識を行い、その結果からネット経 由で操作します。 スマート電球はWiFi接続でスマートフォンなどから操作できる電球です。無線ルー タに接続できるものもあります。
32. © 2020 Hiromitsu Jin All Right Reserved. 31 4-5-1. IoTデバイスの実例 ▪スマートハウス 通信機能を持つ電力量計をスマートメータと呼びます。電力会社の使用電力量の計 測だけでなく、家庭内のエネルギー管理も行うことができます。それがHEMS(Home Energy Management System)です。 スマートメータは電力会社の管理サーバと接続するAルートだけでなく、家庭内の 電力管理を行うHEMSコントローラに接続するBルートで通信します。家庭内の通信は HAN(Home Area Network)と呼びます。 ▪コネクテッドカーと自動運転自動車 コネクテッドカーでは、自動車に通信回線を持たせ、インターネット接続により各 種のサービスを実現します。 自動運転ではカメラや距離センサーなどを用いて車線維持などを行います。自動運 転の定義は下記になります。 レベル0 自動化無し レベル1 運転支援。自動ブレーキ レベル2 部分自動運転。車線維持 レベル3 条件付き運転自動化。緊急時は運転手が対応。 レベル4 高度自動運転化。限定エリア内で運転手不要。 レベル5 完全自動運転化。ハンドル・ブレーキ無し