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RaspberryPi(ラズベリーパイ)とIoT開発の基礎知識

勉強法
この記事は約9分で読めます。

こんにちは、28歳の時に未経験からITエンジニア(IoTエンジニアではありません。普通にITエンジニア)を目指したniyuta(@niyuta)です。

niyuta
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この記事は、下記の記事の続き的な内容です

IoT(モノのインターネット)が急成長した背景には、センサー・5G・クラウド・AIなどの様々な要素が関係しています。

これらIoTの周辺知識とRaspberry Piラズベリーパイ)について説明します。

IoTエンジニアに興味がある方はぜひ読んで下さい。

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IoT周りの技術の進歩

「IoTエンジニアとは?」の記事では、IoTエンジニアにはネットワークやクラウド、AIの知識やスキルが必要と書きました。

本記事では、なぜIoTがこんなにも急速に普及しようとしているのか? について書きます。

あなたはIoTに欠かせないものが何かご存知ですか?

IoTに欠かせないものはいろいろあります。

例えばデータを保管するべきベースとなるDWH(データウェアハウス)。今まではなかなかこの大量に集まってくるビッグデータを保管する為の箱が高額だった訳です。

そして、保管したデータを解析する為のAI。

このAIをガリガリ動かす為のハイスペックなシステムも今までは高額でした。

そして、もっとも重要なのが様々な場所に設置されたIoT端末からデータの保管場所であるDWHにデータを集める為の経路です。

そして一つ一つのIoT端末も高額でした。

それらのものが、技術革新により安価になったのが、現在のIoTの急激な発達に寄与しているのです。

niyuta
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ひとつずつ細かく説明していきます

IoTデバイスにはセンサーが必須

IoTデバイスに欠かせないセンサーが、半導体が安くなり小型で省電力なうえに安価で入手できるようになりました。

ラズベリーパイのような高機能なIoT機器も6,000~7,000円程度で買えるようになったのです。びっくりです。

ラズベリーパイは教育用端末としての用途があるので、その理由もあって余計に(機能に比べて)安価です。

センサーは、温度・光・電気の他にも特定の物質だけにしか反応しない酵素の性質を利用したバイオセンサーなど、物質や現象の特性を利用してあらゆるものからデータを取得できます。

IoTデバイスの通信技術

センサーがデータ送信する時の無線通信で注目されているのが5GLPWA (Low Power Wide Area)です。

5Gは広域をカバーできて低遅延なため、自動車制御のようなリアルタイム性が必要な場面で活用されます。

一方、IoT家電などはLPWA (Low Power Wide Area)を使っています。

LPWAは低ビットレートですが消費電力を抑えられます。

また、IoTデバイスに最適化した新しいLPWAの料金体系(従量課金)が提供されたことで、従来より安価になりました。

IoTでクラウドを利用すると何が起きる?

クラウドを使うとサーバーの構築・システム開発がカンタンに安くできるだけでなく、AIを用いた分析予測やセキュリティ対策などのサービスも利用できます。

それだけではなく、従来のM2M(Machine to Machine)とは大きな違いがあります。

電気ポットを使った見守りサービスなどのM2M方式は、専用サーバーへ集められたデータを、専用システムで管理していました。

いわば、これだけにしか使えない仕組みです。デバイスとサーバーが一対一の関係から、クラウド利用で多対一になることで、集まったデータに今までにない価値が生まれました。

niyuta
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ですので、IoTが浸透すればするほど、クラウドエンジニアの価値も高まります

IoTとAIとビッグデータ

ビッグデータは量(Volume)の多さだけでなく、多様性(Variety)のあるデータが頻繁(Velocity)に送受信されるものと表現されます。

AIの機械学習に必要なビッグデータが形成されたことで、AIによる解析がすすみ人間の思考範囲を超える答えが生みだされるようになりました。

AIにはたくさんのデータが必要ですが、IoTのおかげでたくさんのデータを収集する事が容易になったのです。

このように、IoTデバイスの発達は、センシングや通信技術、クラウドビッグデータ・AI(機械学習)など様々な技術の向上や低価格化が関係しています。

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さあ、ここからラズベリーパイについてです

Raspberry Pi 4(ラズベリーパイ)はIoT初心者も使える開発ツール

Raspberry Pi(ラズベリーパイ)と、Arduino(アルドゥイーノ)の違い

Raspberry PiはOS搭載のシングルボードパソコンですが、Raspberry Piと並んでよく目にするArduino(アルドゥイーノ)はOS非搭載のマイコンです。

Raspberry Pi(ラズベリーパイ)は複雑なプログラミング処理ができ、様々なインターフェイスが搭載されている分大きさ(85mm×56mm)も消費電力も大きくなります。

一方、検知・制御機能が中心のシンプルな開発にはサイズ(45mm×18mm)も消費電力も少ないArduinoの方が適している場合がありますので、用途によって使い分けましょう。

・大きいが複雑なことが出来るRaspberry Pi(ラズベリーパイ)

・小さくてシンプルなArduino(アルドゥイーノ)

どのRaspberry Pi(ラズベリーパイ)を選んだらいいの?

Raspberry Piにはいくつか種類がありますが、色々なIoTデバイスを製作するのであれば最新のRaspberry Pi 4で必要な環境が揃うでしょう。

メモリ容量によって価格は異なりますが、Raspberry Pi 3との価格差はわずかです。

小さいサイズにしたい・複雑なプログラミングは不要・省電力にしたい場合には、Raspberry Pi Zeroやマイコンから選ぶとよいでしょう。

Raspberry Pi(ラズベリーパイ)4 model Bのインターフェイス

1.RAM(2/4/8GBから選択可)
2.CPU(quad-core Cortex-A72 1.5GHz)
3.Micro SD(側面にスロットあり)
4.DSI(ディスプレイ)
5.USB-C(電源)
6.Micro HDMI(4K出力対応)
7.CSI(カメラ)
8.4-Pole 3.5mm(音声&映像)
9.USB2.0/3.0
10.Gigabit Ethernet
11.GPIO
12.Bluetooth5.0/IEEE 802.11bgnac(2.4GHz/5.0GHz)

開発に必要な通信や入出力のインターフェイスがしっかり搭載されている上に、イギリスのラズベリー財団が「教育用」に開発しているため大変安価(4GB\6,875 2021年1月現在)で入手できます。

Raspberry Pi (ラズベリーパイ)購入方法の注意点

Raspberry Piは単体の基板です。

OSすらSDカードのフォーマッターとともにダウンロードしてインストールが必要です。

電源・ケーブル、micro SDカード、ジャンピングワイヤ・ブレッドボード、ハンダごてなどは別途購入します。

ケーブルや電源アダプターは、コネクターヘッドの大きさ・差込口の形状・5V3Aなど確認が必要な上に相性の良し悪しもあるため、電子工作初心者の方は電源やケーブル類のキットで購入する方が簡単かもしれません。

Raspberry Pi(ラズベリーパイ)のIoT事例と自作開発のポイント

おすすめの参考書籍

ラズベリーパイの電子工作に関する書籍や動画では、様々なIoT製作が紹介されています。

音楽プレイヤー・スマートスピーカー・防犯カメラ・モバイルルーター、驚いたことに携帯電話まで製作されています。

ラズベリーパイの開発が取り組みやすいのはこのような情報量が多いことも理由の一つですが、新しい情報は専門誌を参考にするのもおすすめです。

ラズパイマガジン2020年12月号
出版社|日経BP
発売日|2020/11/11
電子書籍|\2,453
単行本|\2,453
12月号はセンサー350種!の特性や価格の一覧表付きです。

Raspberry Pi(ラズベリーパイ)のIoT制作のポイント

1.データを取得できるセンサーの選定

2.通信方法を決める。有線でつなげない場合は、Bluetooth・Wifiなど適したものを選ぶ

3.データを集積するサーバー(PC)・クラウドなどを決める

4.グラフ化する・現場にモニター表示するなど、データの可視化の方法やツールを決める

その他に、ラズベリーパイでセキュリティカメラを製作する際には、不審者を判別して警報を鳴らすことも考えられます。そのような場合は、以下の点も考えてみましょう

5.画像情報を取得した場合にAI解析が必要か

6.アクチュエーターの制御が必要か

※アクチュエーター:温度センサーが暑さを感知するとモーターでファンを回転させる場合の「モーター」のような制御されるものを指します

産業現場にRaspberry Pi(ラズベリーパイ)が使われる理由

ラズベリーパイを使ったIoTの開発事例が産業分野で増えている理由は3つあります。

・導入コストが安い
・OSがLinuxベースで扱いやすい
・古い機械のデータが取得しやすいGPIOインターフェイスがある

自社でラズベリーパイによるIoT開発を考える場合は、開発工程の他にセキュリティについての対策も充分に考える必要があります。

ラズベリーパイ中小企業の工場でのIoT事例

産業分野でラズベリーパイを活用した事例を、先ほどのポイントに照らし合わせながら見てみましょう。

自動車の金型生産工場で機械の稼働状況と各工程の作業時間を把握するためにIoT化に取り組んだ実例です。

①センサーの選定→工場設備に付随している信号灯に「光センサー」を取り付ける
②通信方法→センサーから受け取った情報を「無線」で送信する
③データ管理は?→「社内サーバー」へ蓄積する
④可視化する方法→「パソコンでデータ分析」する

参考:経済産業省 中小ものづくり企業IoT等活用事例集 株式会社米谷製作所

まとめ:Raspberry Pi(ラズベリーパイ)ラズパイとIoT開発の基礎知識

IoTデバイスの発達は、センシングや通信技術、クラウド・Big Data・AI・機械学習など様々な技術の向上や低価格化が関係している。

Raspberry Piで気になるところから深堀してIoTスキルを磨きましょう。

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この記事があなたのITエンジニア人生の助けになれば幸いです

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