IoTゲートウェイの必要性とは?役割と通信・接続について徹底解説!

IoTゲートウェイの必要性とは 5G・IoT

IoTはその利便性から、工場やオフィスなどでのビジネス利用を中心に、その市場をこれまで拡大してきました。
現在では、IoTの活用はビジネス利用にとどまらず、スマートホームや医療・ヘルスケアなど、我々の身近なところにまで広く使われるようになってきています。

そんなIoTのシステムを構築するために、欠かせない存在がIoTゲートウェイです。
そこで今回は、IoTシステムの基礎となるIoTゲートウェイについて、その役割と接続方法、そして必要性について詳しく解説していきます。

IoTゲートウェイとは?

そもそもIoTゲートウェイとは、一体どのようなもので何のために必要なのでしょうか。
形状的にはWiFiルーターと似た長方形のボックス状デバイスで、WiFiルーターの近くに設置されることが多いので、目にしたことがある方もいるかもしれません。

IoTゲートウェイの役割を理解していく上では、IoTシステムの構成とその関係性の理解が欠かせません。
ここでは、IoTシステムにおけるIoTゲートウェイの位置付け、そしてその役割について確認していきましょう。

IoTシステムの構成とIoTゲートウェイ

IoTシステムの構成とIoTゲートウェイ

Source:https://www.upr-net.co.jp/case/iot/usecase-41.html

IoTシステムにおけるIoTゲートウェイの位置付けを確認するために、まずはIoTシステムの構成を再確認しておきましょう。

IoTシステムは、一般的に以下の5つの要素から構成されています。

IoTシステム構成している5つの要素
  • IoTデバイス
  • IoTゲートウェイ
  • インターネット
  • サーバー
  • アプリケーション

この5つの間で何が行われているのかというと、デジタルデータのやり取りです。
IoTはモノのインターネット化という意味でよく使われますが、もう少し掘り下げると収集したデジタルデータの活用に他なりません。

これまでデジタルデータを取得・保存していなかった・できなかったモノを、デジタルデータが取得できるようにすることこそIoTなのです。

実際に、上記の5要素がIoTシステム内で行うデジタルデータの流れをまとめると、次の通りになります。

IoTシステム内のデジタルデータの流れ
  1. IoTデバイスがデータを取得
  2. IoTデバイスからIoTゲートウェイへデータを送信
  3. IoTゲートウェイが受け取ったデータをインターネットに送信
  4. サーバーにデータを保存・蓄積
  5. スマホアプリなどのアプリケーションでサーバー内のデータを閲覧・操作

IoTシステムにおいて起点となるIoTデバイスは、センサーそのものを用いる場合と、IoT化するモノにセンサーを組み込んでIoTデバイスにする2パターンがあります。

いわゆるIoTによる見える化は、このような仕組みでこれまで知り得なかったモノの状態を可視化、数値で把握することを可能にするわけですね。
また、IoTによる遠隔操作や自動制御は、サーバーへのデータ蓄積とは逆の流れでデータがやり取りされます。

サーバーを起点として、インターネット経由でIoTゲートウェイへ命令データを送信、IoTデバイスが受け取れる形に変換・送信してIoTデバイスへ指示をする、という形です。

IoTゲートウェイの役割とは

IoTゲートウェイの役割とは
IoTシステムにおけるIoTゲートウェイの役割とは、IoTデバイスで取得したデータを変換して、インターネット・サーバーへ送り出す、という2点です。

つまりは、IoTデバイスとインターネットの中継役と言えるでしょう。

上述したデータの流れから、位置的にもIoTデバイスとインターネットの中間地点にいることがわかります。
ちなみに、IoTゲートウェイは英語の「gateway」という単語が語源となっていますが、日本語の意味は入り口や出入り口、門といった意味です。

IoTゲートウェイは、まさしくインターネットとIoTデバイスの出入り口というわけですね。
IoTデバイスにインターネット接続機能がないとき、その役割をIoTゲートウェイが担ってくれています。

ただ、IoTゲートウェイは単純にインターネットへのデータ中継をしているだけ、というわけではありません。
IoTデバイスから受け取ったデータを、インターネットへ送り出せる形にデータ変換している点が非常に重要なポイントとなります。

この変換する機能がなければ、IoTシステムとして正しく動作してくれない結果に繋がってしまうからです。
また、逆にスマホアプリでIoTデバイスの操作を行う際には、サーバーから命令するデータをIoTデバイスが理解できる形式に変換して届けてくれています。

複数のIoTデバイスがあれば、当然ながらデータの送り先デバイスの振り分けを行うことも、IoTゲートウェイの役割の1つです。

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の違いとは
IoTゲートウェイの役割からすると、我々も使い慣れているルーターと似た機能を持っているような気がします。

実は大きなカテゴリーで言うと、ルーターとIoTゲートウェイはゲートウェイという意味では、同じ種類のデバイスです。

ただ、この2つのデバイスの間には明確な違い、IoTゲートウェイにはあってルーターにはない役割が存在します。
それが、先にも述べたデータ変換です。

IoTゲートウェイは、IoTデバイスもしくはサーバーから受け取ったデータを、変換して中継してくれています。

一方でルーターは、自身に紐づいているデバイスへIPアドレスを付与する役割はありますが、データを変換する機能自体は備わっていません。

なぜなら、やり取りしているデータ形式がもともと双方で理解可能なインターネットプロトコル(IP)だけなので、送られてきたデータをそのまま中継・振り分けするだけで十分だからです。

つまり、IoTゲートウェイとルーターは同じ仲間ではあるものの、やってくれている仕事が少し違うと理解しておきましょう。

IoTゲートウェイとルーターの役割
IoTゲートウェイ IoTデバイス、サーバーから受け取ったデータを変換する
ルーター 紐づいているデバイスへIPアドレスを付与する

IoTゲートウェイが必要な3つの理由とは?

IoTゲートウェイの概要がわかったところで、こんな疑問をいだいた方もいるかも知れません。

「データを中継するだけなら、IoTゲートウェイって必要なの?
「IoTデバイスに、直接インターネット接続できるような機能があればよいのでは?」

たしかにそんな気もしますが、もちろんIoTシステムにIoTゲートウェイが必要となる理由はきちんとあります。
その理由は、大きくは以下の3つです。

IoTゲートウェイが必要な理由
  • IoTデバイスの小型化とコストダウン
  • インターネット回線の安定化
  • IoTデバイスの管理・制御

ここでは、上記の3つの観点から、IoTゲートウェイの必要性と詳細な役割について確認していきます。

IoTデバイスの小型化とコストダウン

IoTデバイスの小型化とコストダウン
IoTデバイスはインターネットに接続する必要がありますが、IoTゲートウェイがなくてもIoTデバイス自体にインターネット通信できる機能があれば問題ありません。

なぜIoTゲートウェイがIoTシステムに存在しているのかといえば、IoTデバイスを小型化できるからです。

IoTデバイスにインターネットとデータ通信・変換する機能をもたせようとすると、各IoTデバイスやセンサーに通信モジュールが必要となってしまいます。
そのため、デバイスのサイズが大きくなってしまうのです。

当然ですが、通信モジュールはできる限りコンパクトな方が使い勝手がよく、エアコンなどサイズが決まっている製品に組み込むのであればなおさらでしょう。

また、IoTデバイスとして使うセンサーは数多く設置するケースも多いので、できる限り1つ1つを小さい方が望ましくなります。
小さければ小さいほど、設置できる場所や範囲も広がりますからね。

加えて、各IoTデバイスに通信モジュールやデータ変換機能を搭載するとなると、当然ながらIoTゲートウェイがないことを差し引いても、IoTシステム全体でコスト高になることとも避けられません。さらに、IoTシステムの開発スピードも落ちてしまいまいます。

このように、IoTデバイスの小型化やコストダウンを実現するため、通信モジュールや変換機能をIoTゲートウェイに集約しているわけなのです。

インターネット回線の安定化

インターネット回線の安定化

IoTゲートウェイは、インターネット回線の安定化にも重要な役割を果たします。
各IoTデバイスが通信機能を持ってしまうと、インターネット回線やサーバーに大きな負荷がかかってしまうからです。

たとえば、同時に複数人がスマホで動画やゲームをしているときに、通信速度が落ちることがありますよね。
また、テレビで報道があったお店のWebサイトが、サーバー負荷が重くなって一時的に接続しにくくなる話もよく耳にします。

IoTシステムでも、多くのIoTデバイスが同時に通信すると通信速度の低下やサーバー負荷の増大に繋がり、インターネット回線が安定しなくなってしまうのです。

IoTシステムでは、多くのセンサーを設置してデータ収集を行うことも多いので、インターネット通信が不安定になってしまう可能性も十分にあります。
また、WiFiルーターにも接続可能な台数制限があるので、その点でもIoTデバイスが直接通信するのは望ましくありません。

このときIoTゲートウェイがあれば、IoTデバイスのインターネット接続は不要になるので、その分インターネット回線が安定するというわけです。

このようにIoTゲートウェイは、IoTシステムを構築する上で欠かせない存在となっています。

なお、IoTデバイスが1つしかない場合、たとえばパソコンやスマホがわかりやすいですが、IoTゲートウェイは不要なケースが多いです。

本体とは別にIoTゲートウェイがあると、単純に価格アップに繋がってしまいますし、設定も煩雑になるので基本的にはインターネット接続機能が内蔵されます。
ただ、IoTデバイスが1つのみの場合でも、設置済のデバイスを後からIoT化する場合には、IoTゲートウェイをIoT化を実現するケースもなくはありません。

IoTデバイスの制御・管理

IoTデバイスの管理や制御も、IoTシステムに必要なIoTゲートウェイの重要な役割の1つです。
IoTシステムは複数のIoTデバイスで構築されることが多く、安定的な運用のためにはその管理が非常に重要となります。

IoTゲートウェイがあれば、紐づいているIoTデバイスの電池・通信・故障などの状況について、履歴はもちろんリアルタイムの情報も把握することが可能です。

IoTデバイスの電池切れが近い、通信が途切れがちで不安定などの状況を検知して、アプリなどへ通知が行くようにしておけば安心感が高まります。

またIoTゲートウェイには、サーバーから送信されるフィードバック情報を、複数あるIoTデバイスから振り分けて対象のIoTデバイスへ送信する役割も担っています。
これによって、IoTデバイスを遠隔で操作することを可能にしているのです。

IoTゲートウェイの接続と通信

IoTゲートウェイの接続と通信
IoTゲートウェイは、IoTデバイスとインターネットの中継役ですが、その間での接続や通信はどのようになっているのでしょうか。

スマホをWiFiやBluetoothなどで無線接続することはよくありますが、IoTゲートウェイではどのような通信を行っているのか気になります。

ここでは、IoTゲートウェイと接続されるIoTデバイスとインターネット、そしてサーバーの3つについて、それぞれの通信方式や手法を詳しく解説していきます。

IoTデバイスとの接続・通信

IoTデバイスとの接続・通信
まずは、IoTシステムの起点となるIoTデバイスと、IoTゲートウェイの接続・通信について確認してきましょう。
IoTゲートウェイとIoTデバイスは、有線もしくは無線のいずれかで接続され通信を行なっています。

2つの接続方式がどのようなケースで使い分けられているのか、それぞれ確認していきましょう。

IoTデバイスとは配線レスになる無線接続が基本

IoTゲートウェイとIoTデバイスの接続は、基本的に無線接続がスタンダードです。

IoTシステムでは、センサーなどのIoTデバイスをかなりの数設置するケースも少なくありません。
そのため、有線接続だと配線工事の手間やコストが膨大になってしまうため、選択肢から外れやすいのです。

また、IoTゲートウェイと違う部屋にセンサーを設置することも普通にあります。
そうなると、別の部屋からケーブルを引っ張って有線で繋ぐことになりますが、見た目もそうですし生活をする上で支障になってしまうでしょう。

無線接続なら、安定性という点では有線には勝てませんが、その点を差し引いても十分なメリットがあります。
IoTデバイスとIoTゲートウェイで使われる無線は、よく知られているWiFiやBluetoothだけではありません。

消費電力の少ないBluetoothのBLEZ-WaveZigbeeといった、さまざまな通信規格があります。

IoTゲートウェイの通信規格は、接続するIoTデバイスの特徴や用途に合わせて、適切ものを選択していくことが重要となるでしょう。

有線接続は通信の安定性を求めるIoTデバイスで利用

IoTゲートウェイとIoTデバイスは無線接続がほとんどですが、通信の安定性を求められるIoTデバイスでは有線接続が採用される場合もあります。

例として挙げられるIoTデバイスとしては、ネットワークカメラがあるでしょう。
ネットワークカメラは、取得するデータが容量の大きい動画になるため、通信が安定しないとデータの欠損が発生するケースも少なくありません。

加えて、IoTシステム内に多数のセンサーがあるとインターネット回線に負荷もかかるため、無線接続で安定性を求めることはかなり厳しいです。

そのため、IoTゲートウェイは複数の無線通信規格に加え、有線接続も可能なように設計されることが多くなっています。

基本は無線接続にしつつ、ネットワークカメラなどのIoTデバイスのみ有線接続を併用するわけです。

IoTデバイスとの接続・通信
無線接続 特徴)簡単に接続でき、コストが安い
活用例)隣の部屋のデバイスなども配線工事なしで利用可能
有線接続 特徴)配線のコストがかかるが、安定性に勝る
活用例)データ容量の大きいネットワークカメラでも安定性を維持できる

インターネット接続・通信

インターネット接続・通信

インターネットとIoTゲートウェイの接続方法は、IoTデバイスと同じく有線接続と無線接続の2種類があります。

インターネット接続の場合、無線接続が主流のIoTデバイスとは少し異なりますので、よく確認しておきましょう。

有線LANでルーターと接続

IoTゲートウェイとIoTデバイスとは無線接続が一般的でしたが、インターネット接続はルーターと有線接続となることがほとんどです。

スマホやパソコンも、今となってはWiFiで無線接続することが増えたので、ルーターと有線接続しているデバイスがあまり多くないかもしれません。あっても、デスクトップパソコンやテレビなど、据え置きで動かさないデバイスで使うことがあるくらいでしょう。

やはり、無線接続だと日常生活で使う分には十分に安定しているように感じますが、確実性ではやはり有線には劣ります。

特に、IoTゲートウェイは常に通信データをやり取りしており、少し通信が途切れるだけでもデータ欠損が起こってしまうので望ましくありません。
また、後述する無線接続の場合は、回線費用がランニングコストとしてかかってきます。

一方で、インターネットの固定回線がない家庭は少ないため、追加費用がかからない点も有線を採用する理由の1つでしょう。
このように、IoTゲートウェイとインターネットの接続は、通信の確実性を求めて有線接続を採用するパターンが多くなっています。

無線接続は今後の普及に期待

IoTゲートウェイは、無線でインターネット接続することも可能です。無線接続する場合は、3GやLTEといった携帯電話の回線が使われます。
やはり、無線接続になるとケーブルも邪魔になりませんし、なんといっても自由に設置場所を選べる点が大きなメリットです。

また、設置場所にインターネット回線が用意できない場合も、無線接続を採用することになるでしょう。
ただ、携帯電話の回線を使う場合は、月々のコストが発生します。
プランや通信容量にもよりますが、おおよそ数千円ほどと決して安い価格ではありません。

そこで、現在注目が集まっている新たな無線通信技術が『LPWA』です。

LPWAは、「Low Power Wide Area」の略で、直訳すると低消費電力・長距離通信となります。
送受信するデータ容量を小さくする代わりに、消費電力を抑えながら遠距離通信を実現している通信規格がLPWAです。

特筆すべきは、携帯電話回線の使用で課題となっていた月々のコストが、LPWAでは月数百円から数十年程度とかなりの安く抑えられるようになる点でしょう。

このような特徴から、LPWAはIoTシステムと非常に相性が良いと言われており、IoTの通信網として今後の普及が期待されています。

LPWAの代表的な通信規格には、SigFoxやLoraWAN、NB-IoTなどがあります。

インターネットとの接続・通信
無線接続 特徴)少し通信が途切れるだけでもデータ欠損が起こってしまうため、不向き
ポイント)今後は『LPWA』による無線接続の普及が期待されている
有線接続 特徴)通信の確実性が高い
ポイント)インターネットの固定回線があれば、ランニングコストも抑えられる

サーバー接続・通信

IoTゲートウェイとサーバーの接続においては、クラウドサーバーを利用することが一般的です。

クラウドサーバーは、インターネットを通じてサーバー機能が使えるので、IoTシステム側でサーバーを用意する必要がありません。

コストはもちろん、開発スピードも大幅に圧縮することができるので、IoTシステムの構築においてクラウドサーバーはなくてはならないサービスになってきています。

また、クラウドサーバーはIoTデバイスで収集したデータの蓄積・保存だけでなく、PCやスマホアプリといったアプリケーションの構築にも欠かせません。

クラウドサーバーは、MicroSoftの『Azure』、Amazonの『AWS(Amazon Web Service)』、IBMの『IBM Cloud』、Googleの『GCP(Google Cloud Platform)』などが代表的なサービスとして挙げられます。

提供元 クラウドサーバー
MicroSoft Azure
Amazon AWS(Amazon Web Service)
IBM IBM Cloud
Google GCP(Google Cloud Platform)

チェックしておきたい3つのIoTゲートウェイ

IoTゲートウェイの役割とその必要性がわかったところで、実際に販売されている製品が気になりますよね。
ここでは、以下の3つの製品を紹介していきます。

  • NEC「エッジゲートウェイ」
  • アットマークテクノ「Armadillo-IoTゲートウェイ」
  • iND「LM-200」

NEC「エッジゲートウェイ」

NEC「エッジゲートウェイ」

Source:https://jpn.nec.com/iot/platform/egw/index.html

日本の大手IT企業であるNECからは、「エッジゲートウェイ」というIoTゲートウェイが展開されています。

エッジゲートウェイの特徴は、通信規格への対応が非常に充実している点です。
USBやイーサネット、WiFi、シリアル接続、3G/LTEなど、多くの通信インターフェースに対応しています。

また、セキュリティ対策やサポート体制など、大手ならではの安心感も評価できるポイントです。

アットマークテクノ「Armadillo-IoTゲートウェイ」

アットマークテクノArmadillo-IoTゲートウェイ

Source:https://armadillo.atmark-techno.com/

CPUボードなどを手がけるアットマークテクノからは、「Armadillo-IoTゲートウェイ」という製品がリリースされています。

Armadillo-IoTゲートウェイには、組み込みプラットフォームアルマジロ」が採用されており、拡張性や自由度に優れている点が特徴的です。

また、高性能SoCを搭載しており、プリインストールの「Debian GNU/Linux」を活用すれば、アプリケーションをユーザー側で制作することも可能となっています。
スキルさえあれば自分好みにカスタマイズができるので、自由度の高い製品をお求めの方に向いているでしょう。

また、セミオーダー方式でカスタマイズできる「BTOサービス」も提供されているので、よりスピードを重視した開発も可能です。

ATMARK TECHNO Armadillo-IoTゲートウェイ G3 開発セット

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Amazonの情報を掲載しています

iND「LM-200」

Source:https://www.i-netd.co.jp/

iND社からは、「LM-200」というマルチキャリア・LTE対応のIoTゲートウェイが提供されています。

LTEの800MHz/900MHz/2.1GHz帯に対応しているため、ドコモauソフトバンクで利用可能です。

また、MVNO提供のデータ通信専用SIMにも対応のため、IoTシステムに適した通信プラン選択ができる点も評価できます。

このほか、MQTTSプロトコルにも対応しており、IoTプラットフォームとも連携OKです。

汎用性が高いIoTゲートウェイをお探しの方には、もってこいの製品と言えるでしょう。

IoTゲートウェイ製品
NEC
「エッジゲートウェイ」
通信規格への対応が充実
アットマークテクノ
「Armadillo-IoTゲートウェイ」
拡張性や自由度に優れている
iND
「LM-200」
マルチキャリア・LTEに対応しており汎用性が高い

IoTゲートウェイはIoTシステムに不可欠な存在

IoTゲートウェイはIoTシステムに不可欠な存在
IoTシステムにおいて、IoTゲートウェイはIoTデバイスのインターネット接続、そしてデータ変換という非常に重要な役割を担っています。

このような役割に加えて、IoTデバイスの小型化や低コスト化、インターネット回線の安定化など、IoTゲートウェイIoTシステムを陰で支える不可欠な存在です。

IoTデバイスやインターネットと接続する通信規格は、無線/有線含め非常に多様なため、最適な選択ができるよう最新情報を注意深くウォッチしていきましょう。