Industrial IoT: What, Why, and
Why Bluetooth TechnologyIIoTの基本：定義・重要性とIIoTにBluetoothが果たす役割

この記事では、IIoT（Industrial IoT：インダストリアルIoT）に馴染みがないBluetooth^®の開発者やマーケター、Bluetoothに関心を持つ方々を対象に、IIoTについて学ぶ際に役立つ基本情報をまとめています。また、さらに重要な点として、なぜBluetooth^®技術がIIoTで大きな役割を果たすようになりつつあるのかについても解説します。

インダストリアルIoT（IIoT）とは

インターネットで検索すると、IIoTに関連するさまざまな定義や技術、アプリケーションが見つかります。Infineonでは、IIoTを単純に「Industry（産業）のデジタル化」と捉えています。これは、なるべく話をシンプルにするという意味でも有益な観点です。ここでのIndustry（産業）は製造活動を指すことも、業界、つまり生産的な活動を行う営利企業の特定のグループを指すこともできます。

「デジタル化」とは、事業のあらゆる領域においてデジタル技術を組み込み、活用し、業務・プロセス・モデルなどを変革、最適化することを言います。

IIoT – なぜ重要なのか

デジタル化にはかなりの投資と労力が必要です。にもかかわらず、いったい何が企業をそのような変革に向かわせるのでしょうか。

答えは簡単です。企業が、収益性や競争力に影響する課題の増大に常に直面しているためです。図1に例を示します。IIoTを通じて、企業は多くの課題に対応し、そのマイナスの影響を低減して、課題を克服するための強力な技術的能力を手に入れることができるのです。IIoTが重要性を持つ理由はこの点にあります。

図1 –企業のIIoT導入を促進する課題の増大

IIoT – 何ができるのか

機能という意味では、IIoTのデバイスやシステムはセンサー感知、制御、計算、通信、ネットワーク形成、コミッショニング、インターフェース機能を提供します。企業はこれらを合わせて活用することで、資産、プロセス、製品、労働者を対象とした、次のような活動を行うことができます。

• データの収集と処理、これに基づく自動的かつインテリジェントな意思決定
• 継続的、リアルタイム、リモートでの監視・追跡
• 資産の最適化、または使用状況、コスト、エネルギー、効率など事業条件の最適化を図るための制御または管理の導入
• 人との対話または対話インターフェースの改良・強化

このような能力や活動を戦略的に活用することで、稼動率の最大化とリソースおよび生産性の最適化が図れます。また、既存製品に関する新しいサービスや機能を導入し、新しいビジネスモデルの実現や、収入源を増やすこともできます。

IIoTによって可能になることをより具体的に示す例を、次に2つ挙げます。

センサー感知と自動化

• 旧式または現行の機械や設備を近代化できる
• このような資産で収集されたデータを使用し、監視・評価性能、メンテナンス、活用の向上が図れる
• データに反応して作動する自動制御を活用し、より効率的にオペレーションやエネルギーコストを管理することで、稼動と生産性の最適化、労働安全対策の実施、人的ミスの低減などが図れる

監視と追跡

• 製品、プロセス、作業者などの状況や場所を常時把握できる
• 生産・流通の問題を迅速に検出して対応し、影響を低減できる
• 在庫管理の最適化に関する選択肢が増える
• 盗難を検出し関連損失を最小に抑えられる

IIoT – 重要な要素

IIoTがそれほど素晴らしいものなら、誰もがIIoTソリューションを競って市場に出そうとするに違いありません。

これは、そうとも言え、そうでないとも言えます。実際のところ、IIoTには膨大なポテンシャルと成長予測があり、活発な動きも見られています。一方で、IIoTソリューションを利用する顧客とシステムインテグレーターの両方にとって、IIoTソリューションの設計、展開、商用化を一筋縄では行かないものにする重要な要素が数多くあります。図2は、その主要な一部を示しています。

図2 – IIoTの産業顧客とシステムインテグレーターにとって重要な要素

産業分野においては、前提として常に考えなければならない基本的な要素が3つあります。「性能」「信頼性」「コスト」です。産業現場で使われる機器は、常に期待通りに、必要なタイミングで着実に動作し、一貫性があり、できるだけ早期に投資に対する利益を最大限に実現しなければなりません。

工場、企業へのIIoT導入決定権を持つ人など顧客側の観点からは、セキュリティ、耐用年数、使いやすさ、プラットフォームの対応、堅牢性、テクニカルサポートも重要な要素として考慮する必要があります。システムインテグレーターの観点からは、プロトコル、エネルギー効率、サイズなども重要な要素です。これらの要素が重要である理由は後述します。

多くの要素が関係していることから、容易に次の2つの点が導き出せます。

• IIoTソリューションの開発と市場投入に万能な方法はない
• すべての条件を満たすことのできるIIoTデバイスやIIoTソリューションを提供できるサプライヤーは少ない

重要な要素

• 性能：採用されるソリューションは、あらゆる具体的な条件/シナリオ下で、常に期待される通りに作動しなければならない。
• 信頼性：採用されるソリューションは、定格寿命の期間を通して、意図された機能を着実に果たさなければならない。
• コスト：採用されるソリューションは、可能な限り早期に、投資に対して最大限の利益を実現しなければならない。
• セキュリティ：採用されるソリューションは、オペレーション、製品、企業の評判などに対するリスクを一切もたらしてはならない。また、将来的な新しい脅威への対策として更新できなければならない。
• 耐用年数：選択されたソリューションまたはサプライヤーは、投資を回収し、採用されたソリューションのメンテナンスとアップグレードに対応し、長期的な利益を生み出せるだけの耐用年数を保証しなければならない。
• 使いやすさ：検討されるソリューションは開発者にとって評価、設計、展開、メンテナンスなどが容易で、ユーザーにとって使いやすいものでなくてはならない。
• プラットフォームの対応：採用されるソリューションは拡張性があり、関連するエコシステムと連携でき、既存および将来の製品やシステムとの相互運用性があって、一般的で再利用可能なソフトウェアやツールなどに基づいていなければならない。
• 堅牢性：選択されるソリューションは、産業現場で求められる耐久性と品質を持たなければならない。
• テクニカルサポート：選択されたサプライヤーは、研究開発期間の短縮、規制要件遵守、新システムの旧システムへの統合、アップグレードや新機能の容易な展開、問題が生じた場合のダウンタイムの最小化を助けるための専門技術と支援を提供しなければならない。
• プロトコル：選択されたソリューションは、性能、信頼性、コスト、セキュリティ、アップグレードなどに関する顧客目標の達成に適した通信、ネットワーク形成、セキュリティ、安全性などのプロトコルに対応していなければならない。
• エネルギー効率：選択されたソリューションは、多様なエネルギーによる稼動に対応し、最大限の効率を達成できる選択肢を選べなければならない。
• サイズ：選択されたソリューションは、ニーズを満たすと同時にコストを最小限に抑えられるような、最適なサイズでなければならない。

IIoTにおけるワイヤレス

IIoTと、クラウドへの直接的なアクセスを可能にする各種技術にとって、ワイヤレス接続はその基盤を成す構成要素です。初期の段階ではWi-Fiとセルラー通信が主でした。しかし、すべてのIIoTデバイスやアプリケーションがクラウド接続もしくは強力なWi-Fi（例えば広いチャネル帯域幅、数十・数百MBのスループット、強力なアプリケーションまたはホストプロセッサ、無制限の電力消費など）、ライセンスバンドで運用するためのコストとリスクを必要としているわけではありません。また、最新のIIoTシステムのアーキテクチャには異なる設計・性能要件を持つ多種多様なデバイスが含まれ（ゲートウェイ、コントロールパネル、エンドノード、ワイヤレスインフラストラクチャなど）、多くの場合、エネルギー効率と低コストが最優先事項となっています。このためBluetooth^®技術が勢いを増し、IIoTにおける存在感を大きく高めています。

IIoT – なぜBluetooth技術なのか

Bluetooth^®技術は元来、個人が使用する電子機器のケーブルの代わりに、短距離のPAN（パーソナルエリアネットワーク）を形成することを意図したワイヤレス無線規格でした。

Bluetooth技術の対象・普及範囲は、Bluetoothコア仕様の定期的な改定を通じて追加されるさまざまな新機能によって、時とともに大きく拡大してきました。その一部を以下に示します。

Bluetoothコア仕様

• v4.0： Bluetooth Low Energy（LE）によるオペレーションモードの導入で、ボタン電池1つで数年にわたり稼働できるバッテリー駆動ソリューションが可能に。
• v5.0：2M PHYとCoded PHYで転送速度と通信範囲が大幅に拡大し、Extended Advertisingによるコネクションレスモードでのデータ通信高速化が実現。
• v5.4：コネクションレスで双方向、1対多のデータ通信を可能にする、PAwR（Periodic Advertising with Responses、レスポンス付き定期アドバタイズ）を導入。
• v6.0：接続されたデバイス間の距離を正確かつ安全に推定する高精度測距機能、Bluetoothチャネルサウンディングを展開し、近接認識、位置特定、追跡などの用途が可能に。

現在、Bluetooth技術はさまざまな産業用アプリケーションの通信範囲、堅牢性、セキュリティ、ネットワークトポロジーの要件に適合しています。また、量販市場向けの電池式コンシューマー製品での成功により、SoCやモジュールなどのBluetoothデバイスでは、サイズ、コスト、電力消費を最小限に抑える最適化が大きく進みました。これらはどれも、産業用アプリケーションにとっても、同様に望ましい特徴です。

簡単にまとめると、Bluetooth技術が今日のIIoTで大きな役割を果たし、さらに重要な点として、今後短期的かつ長期的に非常に大きく成長すると予測されているのには、以下の10の理由があります。

1. エネルギー効率：Bluetooth LEの本質は高いエネルギー効率にあります。資産追跡用のタグや電子棚札（ESL）など、電池や環境エネルギーを使用する産業用アプリケーションでは最大限のエネルギー効率が求められますが、この実現に関してBluetooth以上に優れた無線技術はありません。
2. RF性能：最先端のBluetoothデバイスは極めて優れたRFリンクバジェットを実現し、RF干渉の回避・低減に役立つ周波数ホッピングやLEチャネル分類などの機能を備えています。これは、倉庫、工場などの産業現場でのオペレーションに最適です。
3. コストとサイズ：Bluetoothデバイスは一般的に大量に使用される用途を対象とするため、極めてコスト競争力が高くなっています。新しいプロセスノードやコスト削減を狙う設計の最適化で、サイズはますます小型化し、現在では3.6mm²と非常に小型のICも販売されています。
4. スループットおよび長距離：Bluetooth LEは幅広い産業用途に適した2Mbpsのスループットを実現でき、通信範囲も、Coded PHYの導入やAdvertising Coding Selectionといった機能によって劇的に拡大しています（> 5 km）。
5. マルチプロトコル対応：Wi-Fi、15.4などマルチプロトコル対応のデバイスの多くがBluetooth技術に対応しています。実績あるメカニズムがハードウェアまたはソフトウェアに実装されていることによって、複数の無線通信方式が共存する環境で、通信方式を連携できます。
6. ネットワークトポロジー：Bluetooth技術は、コネクションモードとコネクションレスモードのいずれにおいても、ポイントツーポイント、ブロードキャスト、さらには1対1、1対多、多対多のデバイス通信が行えるメッシュなど、さまざまなネットワークトポロジーに対応しています。このため、ネットワーク性能、ノード数、エネルギー効率について多様なニーズがあるIIoTのユースケースに最適です。
7. セキュリティ：Bluetooth技術は、その中核にある安全性の高いペアリングによって、堅牢なセキュリティ機能を提供します。ペアリングによって、デバイスでリンクの暗号化、プライバシー保護、データの署名などができるようになります。追跡から保護するためのプライベートアドレスにも対応しています。最新のBluetoothデバイスでは、ハードウェアに専用のセキュリティサブシステムも組み込まれています。
8. モジュール：多くのベンダーが、BluetoothのICと必要な外部コンポーネント（アンテナ、XTAL、パッシブなど）を統合したシステムソリューションを小型PCBまたはSiPで提供しています。法令・規格ベースの認証も取得済みです。これは、複数の設計にBluetooth技術を追加する場合の開発、商用化などの期間短縮に最適です。
9. 標準化：Bluetooth規格の利点は、グローバルな無免許の周波数帯で動作できること、異なるベンダー間でデバイスの相互運用性があること、多数のサプライヤーおよびデバイス、ソフトウェア、ソリューションのグローバルなエコシステムを利用できること、高い効率性、拡張性や高い将来性などがあります。
10. プラットフォームの対応：Bluetooth技術は、産業現場においてアクセス、デバイスのプロビジョニング、スマートフォンアプリでの操作などに使用されるタブレットおよびモバイルデバイスのすべてのプラットフォームで利用できます。

IIoTにおけるBluetoothアプリケーション

参考までに、Bluetooth LEを使用するIIoTアプリケーションの例をいくつか挙げます。