情報系のべんきょう

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第5章 IoTデバイス

5-1 IoTデバイス

IoTデバイスの役割は,機器やセンサをネットワークに接続し,機器やセンサからのデータを収集したり,機器の遠隔操作を可能にすることである.

IoTデバイスは組み込み型と独立型に分けられる.

(1)組み込み型

IoTアプリケーションのみを装備するIoTデバイスである.監視,制御対象の機器にネットワーク接続機能を実装し,IoTサーバにデータを送信したり制御データを受信したりする.

組み込み型の事例は,スマートフォンWebカメラ,ネットワーク機能内蔵の複写機,自販機,ATM,スマートメータ,情報家電機器などがある.

(2)独立型

センサ,アクチュエータなどのデバイスをアプリケーションに合わせて選択,接続する.もしくは,IoTエリアネットワークを介してセンサ,アクチュエータとデータを授受する.

ラック構造の産業用パソコン,工場などで使用されるプログラマブルコントローラやプロセスコントロールシステムもIoTアプリケーション,IoTサービスプラットフォームを装備した場合は独立型に相当する.


5-2 センサの基礎

p189 センサに利用される物理的効果

センサは,様々な物理的効果を利用して検出対象の情報を収集し,最終的には電気信号に変換して符号化しサーバに送る.検出対象によっては,他の物理量に変換した後,さらに電気信号に変換するものもある.

機械量

回転を検出するセンサでは,回転軸に歯車を取り付け,歯車の回転によって生じる磁界変化を磁気センサで検出する磁気式回転センサがよく用いられている.MEMS加速度センサでは,加速度で生じる慣性力を電極の変異に変換して静電容量変化として検出する.

フォトダイオードは,光を半導体に照射したときの光起電力効果を光電流と言う形で出力する.ピエゾ抵抗式の圧力センサや加速度センサでは,圧力や加速度の印加により薄膜構造のダイヤフラムや梁に生じる応力変化をピエゾ抵抗効果により抵抗値変化に変換し,電気信号に変換する.

人の動きなど温度の時間的な変化として焦電効果により電圧信号に変換する焦電式センサ,温度差をゼーベック効果により起電力として電圧信号に変換する熱電対やそれを複数直列接続したサーモパイルなどがある.また抵抗値の温度によって変化することを利用して温度の検出を行うサーミスタや,半導体のpn接合の温度依存性を利用して温度を検出するIC温度センサなどもよく利用される.

磁気

コイルを用いて磁界の時間的変化を電磁誘導の法則により起電力に変換して検出する電磁ピックアップ,ホール効果を利用して磁界に比例した電圧信号を得るホール素子,磁気抵抗効果による抵抗値変化を利用して磁界の向きを提出する強磁性MR素子等がある.

電気

角速度検出用振動ジャイロや共振形センサでは可動部分を駆動して変位させる必要があり,圧電逆効果や静電力を利用したアクチュエータが内蔵されており,ここでも物理効果は利用される.検出素子を自己診断するために,アクチュエータを内蔵したセンサがあり,空調,プロセス産業,機械産業,自動車,農業の分野で使われている.

p191 センサの選び方

・測定範囲,測定精度,応答性(周波数範囲)を設定する.

・設置環境条件(場所,耐候性,振動,衝撃など),測定期間(短期/長期使用)を設定する.

・電源供給,通信手段を設定する.

・センサの価格(設置,範囲,調整など),入手性,保守サービスを検討する.

p192 センサの特性例

0入力に対して,0でない出力値をオフセットという.

センサ出力は測定対象の信号に対して直線的とは限らない.測温抵抗体は2次曲線,サーミスタの半導体は対数となる.

振動などを計測する場合は,振動周波数が高くなるとセンサが応答できずにある周波数から感度が落ちてくる.ゲインが-3db(70%)に落ちた時の周波数をカットオフ周波数という.センサには,マス・スプリング系センサのように共進周波数で表しているものもある.

入出力特性の仕様値は通常,入力に対する出力の比率である感度と,入力がゼロであるときの出力であるオフセットを用いる.


5-3 各種センサ

p194 光センサ

光センサは,光を検出して電気信号に変換するセンサである.波長が下限360~400nmから上限760~830nmの領域が可視光であり,それより短い波長の光が紫外線,長い波長の光が赤外線である.

半導体(CdS,Si,GaAsなど)に光を照射すると電流が流れやすくなったり(光導電効果),pn接合で電圧や電流が発生(光起電力効果)したりする現象を利用した素子が光センサである.

光センサは,光が直進するという光線としての性質を利用して反射光を測定することにより,距離測定や形状測定に用いられる.また,光の波としての性質を用いて,光の干渉による波長レベルの精密な距離測定にも産業用で使われている.

光センサは,可視光以外にも赤外線や紫外線を検出できるものがある.赤外線センサは,赤外線LEDと組み合わせてその間や前を通るものを検知したり,家電製品のリモコンに用いられる.人体からは遠赤外線(体温に相当)が出ているので,これを測定することで人体検知や非接触式の体温測定が可能である.

紫外線センサは,太陽光に含まれる紫外線量を測定し,紫外線による日焼けや肌への影響を調べるのに用いられている.

カラーセンサは,明るさだけでなく色を識別できる.

p197 温度/湿度センサ

温度センサは,気温,体温,装置の温度,機械,ICの発熱などの測定に多く使用されている.温度センサには,サーミスタ,熱電対,白金測温体,半導体温度センサなどの素子が使われている.

湿度センサは,空気中の飽和水蒸気量に対する水蒸気量の割合を測定するセンサである.多孔性セラミックスの表面に,多孔性電極膜を整形したもの,高分子に炭素粉末など分散させたものがあり,湿度に対し抵抗が変化する湿度センサとして,前者は電子レンジに,後者はエアコンなどに使われる.

p198 ひずみセンサ

物体にかかる力を測定するために用いられ,力による微小な変形(ひずみ)を検出する.ひずみゲージとも呼ばれる.

p199 圧力センサ

液体や気体の圧力を測定するセンサで,金属製のほかに半導体製造技術を用いて作成されるセンサが多く使用される.そのほかにも,気圧や水圧の測定,自動車では吸気装置の管内圧力測定,家庭では血圧計などにも使われている.

光ファイバを用いた圧力センサでは,医療において血管内の圧力測定に用いられる.

p200 加速度センサ

おもりを板ばねで支えた構造を持ち,運動や動的な力を測定する.

自動車のエアバッグシステムにおいて,大きな加速度がかかる衝突検知用センサとして広く普及している.感度の高い加速度センサは,地震センサ,傾斜センサ,ゲーム機のコントローラにも使用されている.ジャイロセンサと組み合わせて,自動車のナビゲーションシステムや航空機,ロケットの慣性航法にも使用されている.

p201 ジャイロセンサ

角速度を測定する.

船や航空機,ロケットの自律航法に使用されている.加速度センサと組み合わせて,トンネル内のカーナビ,デジタルカメラやビデオカメラの手ぶれ防止,ロボットやドローンの姿勢制御にも用いられる.

p202 GNSS(Global Navigation Satellite System)

GPS(Global Positioning System)はGNSSの一種であり,地球の周りを回っているGPS用の人工衛星を利用して現在位置を測定するシステムで,スマホの地図上の位置表示や自動車のナビゲーションシステム,地形の精密測量,船舶や航空機の航行に広く利用されている.

GPSによる測位は4つ以上のGPS用の人工衛星の信号を受けることにより高精度に行うことができる.GPS人工衛星には極めて正確な時計が搭載されており,スマホなどに搭載されているGPS受信機が衛星から受けた信号の時刻を知ることにより,衛星までの距離が正確に計算される.

p203 超音波センサ

超音波は.音波に比べて波長が短く直進性が良いので,対象物から反射して戻ってくるまでの時間を測定することで,対象物までの距離を測ることが可能である.

空中用超音波センサは,超音波の発信と受信が可能な圧電素子を用いており,超音波パルスを発射して物体から反射されて戻ってくるまでの時間を測定することにより,物体までの距離を求める.駐車に使われるバックソナーやロボットの障害物検知センサなどに用いられる.

水中では音波は減衰が小さいため,水中測定の有効な手段となり,魚群探知機や水中探査装置,水中ロボットに利用される.

医療分野では超音波診断装置に応用されているが,これは人体の臓器の超音波に対する音響特性の違いによる販社を利用している.

超音波ドップラー血流計は血液中を流れる赤血球で反射される超音波の周波数が元の周波数と異なるというドップラー効果を用いており,体外から血流を測定できるので,動脈硬化の診断などに用いられている.

金属などの個体では,超音波探傷装置として内部の傷の非破壊検査に使われている.

p204 磁気センサ

一般的な磁気測定,電流の非接触測定,モータの回転制御,車輪の回転速度測定などに使われている.

磁気センサの中でも,ホール効果を用いたホール素子がある.ホール素子は,磁気測定,電気自動車のモータに流れる電流を図る非接触測定,ブラシレスDCモータの回転制御などに用いられている.自動車では,ABSやTCSなどの制御にも使われている.

ホール素子のほかにもMR素子があり,ホール素子に比べて約1000倍の感度がある.

p208 ウェアラブル生体センサ

人体に装着した小型センサにより,心電,心拍,血圧,血流,血中飽和酸素濃度,体温,湿度,加速度などの身体に関する情報をえるものである.健康管理や運動のモニタなどに使われる.測定された信号はBluetoothなどでスマホなどの情報収集機器に送信される.

主に以下のようなものがある.

(1)心電計

心臓の動きにより,体表面に現れる電位差を測定する.

(2)脈拍計

LED光を皮膚内の血管に照射し,反射光の変化により脈拍を測定する.

(3)パルスオキシメータ

光センサが内蔵されたクリップで指先を挟み,透過光を測定することで,ヘモグロビンは酸素と結合している割合を測定し,血中酸素飽和度を求める.

(4)血圧計

(5)加速度計

上下左右前後の加速度を測定できる3軸加速度センサを体に装着することにより歩数や運動を同時に測定でき,活動量計と呼ばれる機能を実現できる.心拍センサや血圧計の一体化,転倒検出,GPS機能を組み合わせ,高齢者見守り用に利用が高まっている.


5-4 アクチュエータ

p210 アクチュエータ

アクチュエータは,電気や磁気,油圧,空気圧などのパワーを用いて機械を動かすものである.電気エネルギーを回転運動や直進運動に変換するモータや,直進運動アクチュエータとしてソレノイドアクチュエータ,油圧アクチュエータ,空気圧アクチュエータ,圧電アクチュエータ,磁歪アクチュエータなどがある.

p210 DCモータ/ブラシレスDCモータ

直流電圧が印加されて回転するモータであり,モータの中で最も多く使われる.これは,DCモータが大きな起動トルク,入力電圧の変化に対して直線的に回転スピードが変化する特性,入力電流に対する出力トルクの直線性,出力効率の高さ,低価格,などの特徴を持つためである.

ブラシなど機械的接点を持つため,騒音,電気ノイズ,寿命などが問題である.

ブラシレスDCモータはDCモータの欠点を解決する.ブラシが不要となり,騒音や電気ノイズが発生しない信頼性の高いモータとなり,産業機器や情報機器,家電製品などに幅広く利用されている.

p211 ステッピングモータ

モータ軸が時計の秒針のように一定の角度ずつ動く.この角度はモータ内部の機械的な構造により決められるため,高精度な位置決めが可能となる.制御方法も,直接コンピュータのデジタル信号を使って回転位置を決めるので,簡単である.

p210 ソレノイドアクチュエータ

電磁石のコイルの内部に稼働鉄心が収められた構造をしており,コイルに電流を流すことにより電磁石の力で稼働鉄心を直線的に動かすアクチュエータである.

産業用機器,民生機器,事務機器,家電機器,自動販売機などに広く用いられている.可動鉄心の動きは微小な直進運動だが,電磁力が強く応答スピードも速いので電磁弁として油,水,空気などの物体を流したり止めたり流れの方向を切り替えるのに用いられる.電磁弁は油圧アクチュエータや空気圧アクチュエータの制御自動車用燃料噴射装置の制御などに使われている.


5-5 センサの信号処理

p214 センサの構成

センサは汎用センサ部とインテリジェント化センサ部に分けられる.

汎用センサ部の検出素子で変換された電気信号は,通常は微小電圧なので信号前処理回路で増幅する必要がある.

インテリジェント化センサ部では,汎用センサ部の出力のアナログ電圧をA/D変換してデジタル化されてマイコンに入る.マイコンでは,測定レンジの設定,ノイズや応答に対するフィルタリング,演算機能,オフセット補正,製造によるばらつき補正,較正機能などが実行される.出力回路では,外部にアナログ信号を有線伝送したり,UARTやPWMなどの通信方式のデジタル信号として有線伝送したり,無線通信回路によりIoTエリアネットワークに無線伝送を行うセンサとすることもできる.

電源としては,有線の商用電源,アルカリ乾電池などの一次電池リチウムイオン電池などの二次電池に加えて,太陽光や振動などの周囲の環境から微小なエネルギーを収集するエナジーハーベスティング技術の活用も可能である.

p215 信号前処理回路

センサ素子出力信号を増幅または修正し,読み取り可能なアナログ測定信号とする回路で,OPアンプと呼ばれるアナログICを用いて設計される.

p216 A/D変換

センサからのアナログ電圧をデジタル量に変換するのがA/D変換回路である.2重積分回路がよく使われる.

A/D変換器の性能は以下で示される.

・分解能:アナログ値をデジタル化したときの最小アナログ量

・精度:アナログ量とデジタル量の理論値に対して,実際に得られる数値の誤差

・変換時間:A/D変換のスタート命令からデジタル量が決定されるまでの時間

・サンプリング周波数:1秒間にA/D変換する回数

p216 信号処理

A/D変換回路で取り込まれたセンサのデジタル量はFPGAや組み込み型のマイコン内の1データとして扱われる.

p217 出力回路

信号処理部で演算されたデジタル量をアナログ出力,シリアル出力,パルス幅変調出力に変換する.また,無線通信回路を介してネットワークに接続する.

p219 電源回路部・エナジーハーベスティング

IoTデバイスではワイヤレス通信になるため,設置環境やモバイル化によっては外部より安定な電源供給を受電できない場合,エナジーハーベスティングが必須となる.

外部から電力が供給できない場合は,バッテリーを用いてIoTデバイスを動作させる必要があるが,バッテリは寿命があるため交換にはコストがかかる.IoTデバイスを屋外に設置する場合は,動力源として太陽光発電を利用することがある.最近では振動,温度差,室内光,電波などの周辺環境から微弱なエネルギーを集めて発電し,それを電源として利用するエナジーハーベスティングが注目を集めている.エナジーハーベスティングは屋内外問わず利用ができるが,現在はエナジーハーベスティングで得られる電力は微小であるため,IoTデバイス全体を安定的に動作させる事は難しく,主にセンサモジュールを駆動させるために利用されている.また蓄電池と合わせて利用されることも一般的である.

エナジーハーベスティングの代表的な発電方式としては,熱エネルギーを利用する熱発電方式と振動エネルギーを利用する振動発電方式がある.


5-6 画像センサ

p221 画像センサ

画像センサとは,対象物を2次元平面の画像として捉えるもので,代表的なものにCCDカメラやCMOSカメラがある.

それらのカメラは,レンズを介してCCDなどの撮像素子面に対象物を投影する.撮像素子面にはフォトダイオードなどの光電変換素子がXY平面上に配列されており,その一つ一つが画素となる.画素ごとに撮影された像の明暗に応じた電荷量に変換(光電変換)される.その後,与えられた電荷量を順次読み出し構成することで画像を取り出す.このように,カメラは対象物を標本化,量子化してデジタル画像として出力する.

以上の処理を一定周期で行うことで,動画像として撮影することができる.

撮像素子は2次元に配列されているものが一般的だが,1次元に配列されているラインセンサもあり,スキャナなどに利用されている.ラインセンサの場合は,対象物が移動するか,センサが移動するかで2次元画像を構成する.

画像の解像限界は,撮像素子の画素数で決まる.画素数が多いほど滑らかな画像が得られる.同一素子で画素数が多いということは,その分画素サイズが小さくなる.これは受光面積が小さいことを意味するので,感度が低下することになる.よって,最近の素子にはマイクロレンズアレイが画素ごとに配置され,集光率を向上させている.

カラー画像を得るためには,カラーフィルタを介して光をRGBまたはCMYに色分解してから撮像素子に投影する.感度を上げたい場合は,大きな画素の素子を使うのがよい.

p222 レンズの焦点距離F値

レンズの代表的な仕様に,焦点距離F値がある.

レンズの絞りを最大まで開いたときの明るさを,そのレンズのF値といい,レンズの能力を示している.明るいレンズほど解像力があるが,焦点からずれたときのボケが大きくなる.

焦点距離 lと撮像素子サイズ Mに対して,撮影画角 \theta

 \hspace{2cm} \theta = 2 \times \arctan ( \dfrac{M}{2} \times \dfrac{1}{l} )

である.

一方でF値は,レンズ口径を Dとすると

 \hspace{2cm} F = l \times D

で求まる.

p223 画像処理

画像処理とは,画像データをコンピュータによって処理し,変形,着色,合成などの加工を行うことであり,画像の特徴の抽出,計測,分類なども含まれる.

p224 画像計測

一番単純な例は,撮影した対象物のエッジからエッジまでの画素数をカウントすることで,相対的な大きさを測れる.撮影距離やカメラ仕様などの光学条件が明確であれば画素サイズがわかり,実際の寸法が測定できる.

画像認識は,対象物の色や幾何学的特徴,HOG特徴,高次局所自己相関特徴などの特徴量を利用したり,パターンマッチングや統計的識別法,ニューラルネットワークなどの機械学習手法などを用いて行われる.


5-7 MEMS

p226 MEMS

MEMS(Micro Electro Mechanical System)とは,微小電子機械システムと呼ばれ,マイクロマシニングという半導体製造技術を使って製作されるチップを指す.圧力センサや加速度センサのうち,スマホなどに採用されている小型センサの多くはMEMSである.

MEMSでは,小型で大量に,性能の優れたセンサデバイスが製造できる.さらに,センサ回路や駆動回路,信号処理回路,インターフェイス回路などを集積化できるメリットがあるため,最近のタブレット端末やスマホなどに大量に使われている.

p226 MEMSの分類

MEMSが半導体と異なるのは機械構造体を所有するところだが,機械構造体の製造方法によって大きく2つに分類される.1つは表面マイクロマシニングを用いた表面マイクロマシン,もう1つはバルクマイクロマシニングを用いたバルクマイクロマシンである.

表面マイクロマシンは集積化MEMSに向いた製造方法である.

バルクマイクロマシンは精度の高い加工ができるが,センサ回路や周辺回路を集積化できる表面マイクロマシンの方がIoT向け用途としては主流である.


参考

IoT技術テキスト第3版

【MCPC】第6回IoTシステム技術検定のうろ覚え過去問

https://www.gg-sikau.com/?p=325

IoTシステム技術検定中級 テキスト第2版抜粋 音声読み上げ用

https://qiita.com/sxnxhxrxkx/items/bda596a4a6abc2504385#%E7%AC%AC1%E7%AB%A0-iot%E6%A6%82%E8%A6%81

難なく MCPC IoTシステム技術検定試験(中級) に合格したい

https://cutnpaste.hatenablog.com/entry/2017/12/03/193809