IoTセンサーとは？

まずはIoTやIoTセンサーの概要について説明します。

IoTとは

IoTとは「Internet of things」の略で、直訳すると「モノのインターネット」という意味になります。主にセンシング技術と通信技術を用いて、生産設備や家電製品などのモノをインターネット上で接続し、状況の監視や遠隔操作を行う技術の総称として使われています。

IoTによる設備状況のリアルタイム監視、遠隔による制御はもちろん、データを蓄積・分析した改善策の検討、さらにはAIと組み合わせることで生産工程の自動化、故障予知も行えるようになります。センシング技術やクラウド技術の進歩により、従来であればプラントや工場などで大規模な制御システムを構築しなければ実現できなかったものが、現在では商業施設やオフィスビル、家庭などでも容易に利用できるようになり、幅広く普及しています。

IoTセンサーとは

IoT化により設備の稼働状況や作業環境などを一元管理するには、対象物のアナログな状態を定量的に数値化し、それらの情報を通信デバイスに入力する必要があります。この際に使用されるものがIoTセンサーです。
IoTセンサーは測定対象の状態によって性質が変化する金属や半導体素子を利用して、アナログな情報を電気信号によりデジタル情報に変換する装置です。

IoTセンサーを利用すれば、温度、湿度、圧力、照度といった環境に関する情報や人の有無、設備の状態などあらゆる情報を数値データとして収集でき、ゲートウェイなどの通信機器からインターネットを通してクラウドで管理することができます。

さらに、複数のデータを組み合わせて、目標の値になるように遠隔から機械に信号を送ることで状態を制御することも可能となります。IoTセンサーにはさまざまな種類があり、それぞれの特徴や精度が異なるため、達成したい目的や課題に合わせて最適な組み合わせを検討する必要があります。

次項で、IoT化を検討する際に重要となるIoTセンサーの種類と特徴についてまとめていきます。

IoTセンサーの種類と特徴

IoT化の際に利用されることが多いセンサーには次のような種類があります。

人感センサー

人感センサーは、人の発する赤外線を検知して人の存在を判定できるセンサーです。
身近な例では商業施設などの自動ドアや玄関やトイレの自動照明、自動水洗式の蛇口、オフィスでの空室管理などに利用されています。

人感センサーを利用し、設備の動作を自動化することで、無人の部屋の空調を自動でオフにすることによる消費電力削減や、蛇口に直接手を触れないことによる衛生管理状態の向上などが実現できます。

開閉センサー

開閉センサーは、扉に設置した磁石の距離による磁力の変化を利用して扉や窓の開閉を検知するセンサーです。
主に自宅やオフィスの会議室のドア、窓などに利用されています。また、家庭やオフィスだけではなく、工場などの生産現場では機械を囲むフェンスのドアが開いている状態では設備を稼働させないなど、危険作業を防止するための安全インターロックとしても利用されます。

開閉センサーと人感センサーを組み合わせれば入退出管理、空室管理を自動化できます。

温度センサー

温度センサーは、温度による金属の抵抗値の変化を利用することにより、物体の温度を数値化できるセンサーです。測定したい対象物の性状によって接触式、非接触式などがあります。
家庭やオフィスでの大気中の温度測定、農業分野でのビニールハウスや室内、倉庫などの温度計測などさまざまな場所で利用されています。

温度センサーにより空調設備を制御することで、環境の温度を一定に保つことができます。

湿度センサー

湿度センサーは、湿度により静電容量が変化する素子を用いて湿度を数値化できるセンサーです。
電子部品の生産工程や半導体製造工程、倉庫など、湿度が製品の品質に悪影響を与える工場などで利用されています。

また、温度センサーと組み合わせて気温と湿度の関係から人が不快に感じる度合いを指標化した不快指数を算出し、空調設備の制御を行うなど事務所内の環境整備、作業場での熱中症予防にも活用されています。

画像センサー

画像センサーは、カメラで捉えた画像データをカメラ内部もしくは外部の装置により処理を行い、判定結果を出力するデバイス のことをいいます。画像センサーを利用すれば対象物の面積、長さ、輝度、色などさまざまな見た目に関する情報を数値化したり、瞬間的に不良製品を判定したりすることなどができます。

機械の製造メーカでの検査工程、製薬や食品工場での不純物判定、人の顔を判別する顔判定などさまざまな用途で利用されます。

圧力センサー

圧力センサーは、圧力により抵抗値が変化する半導体素子を用いて圧力を数値化できるセンサーです。
圧力センサーを利用すれば液体タンク、ガスタンク、配管内部の圧力を測定することができます。

主にコンプレッサーやポンプなどの吐出圧力制御や気圧の測定に利用されますが、圧力を管理することにより 液漏れやガス漏れを検知するなど、設備の故障や不具合の予防保全としても利用されています。

照度センサー

照度センサーは、光の強さにより流れる電流が変化する半導体素子を利用して照度を数値化できるセンサーです。

身近な例ではスマートフォンの画面やテレビの明るさ、植物の成長を促進するためのビニールハウスの照度調整や、周囲が暗くなってきた際に自動で照明を点灯させるなどの防犯対策、工場など人の働く環境の指標に利用されます。

CO2センサー

CO2センサーは、CO2の濃度による赤外線の吸収量の違いを利用して大気中のCO2濃度を数値化できるセンサーです。
一般的な空気中のCO2濃度と室内のCO2濃度との乖離を管理することで、適切な換気が行えているかを判断できます。また、一定値を下回った際にアラートなどで通知し、遠隔で換気制御するなども可能です。

主に商業施設などで感染症対策の一つとして利用されています。また、農業分野では植物の光合成を促進するためにビニールハウス内でCO2濃度を調整するためにも利用されています。

水位センサー

水位センサーは、水位の違いにより底面に発生する圧力の差や電極の静電容量の変化を検知して水の高さを数値化できるセンサーです。

工場や商業施設などでタンクの水位を制御する場合などに利用されます。また、降雨時に河川の水位を観測することで氾濫を事前に予測し対策を講じるなど、防災や減災にも利用されています。

電流センサー

電流センサーは、抵抗や磁場を用いて回路中の電流を数値化できるセンサーです。
機械設備の稼働状況、ポンプなどの回転機器での電動機負荷の監視や搬送コンベヤなどの詰まり検知用として利用されます。

また、電圧センサーと組み合わせて設備ごとの消費電力を測定し、モニタリングすることでエネルギー使用量を把握することができます。

においセンサー

においセンサーは、臭気の要因となる成分により抵抗値が変わる半導体素子を利用してにおいの度合いを数値化できるセンサーです。

主に空調設備の清浄度の判定や工場での周囲環境への悪臭対策、消臭効果を判定する際の指標として利用されます。また、臭気のある有毒ガスの検知などにも利用されています。

IoTセンサーの活用シーン

IoTセンサーは次のような場面で利用されています。

工場の温度・湿度、熱中症危険度

工場などの生産現場では、熱中症予防を目的として暑さ指数（WGBT）という指標が用いられています。これは人体の外気との熱のやり取りに着目した指標で、温度、湿度、日射量などにより判定されます。
温度センサーや湿度センサーを利用し、これらの指標を全体監視することで空調を最適な状態で制御し、熱中症を予防することができます。

また、最近ではリストバンドやヘルメットなどに温度センサーを搭載し、作業者の体温や心拍数などをリアルタイムに監視しながら適度な休憩を促すなどの熱中症予防に特化したウェアラブル端末も開発されています。

農場の温度管理

農業ではビニールハウス内の環境を一定範囲に制御し、安定した生産や品質を実現するために温度・湿度センサーが利用されています。
また、植物の成長を予測するために日射量を計測できる照度センサーや光合成を促進するためにCO2濃度を監視するCO2センサーなどが利用されています。これらのセンサーで収集したデータをPCの画面上で一元管理することで、少人数での遠隔監視を行うことが出来ます。

昨今ではこのようにIoTセンサーや機械を用いて環境を制御することにより、熟練生産者の勘と経験だけに依存しない 農業のことを「スマート農業」と呼び、農産物の安定供給や食料自給率の改善に向けた新たな技術として注目されています。

飲食店・食品店の温度管理

飲食店や食品店などでは、食品を安全に長期保管するためにシビアな温度、湿度管理が求められます。緻密な温度管理を行うために、高精度な温度センサーや湿度センサーを利用して冷凍機や空調設備を制御しています。
また、自動化することで繁忙時の人的ミスの削減や定期的な温度の記録などの業務負荷を低減させることができます。

温度管理以外にも、比較的人件費の占める割合が高い飲食店では、タブレットオーダーシステムや電子チップの埋め込まれたコースターによる顧客の飲み物の量の把握、配膳ロボットの導入など、さまざまなIoTセンサーによる業務効率化が行われています。

オフィス・屋内施設の環境改善

店舗やオフィスでは適切な換気を行う指標とするためのCO2センサー、空調機を制御するための温度・湿度センサー、入退室状況をリアルタイムで監視するための開閉センサーなどが用いられています。
また、複数のセンサーを組み合わせ、人の多い場所を検知し、集中的に空調を稼働させるなど複雑な制御方式も多く導入されています。

これらの技術は新型コロナウイルスやインフルエンザといった感染症対策の一環として今後もますます導入が進むと予想されます。

IoTセンサーの選び方

多くの方が、IoT化を進める際にIoTセンサーを選ぶことになると思いますが、その際に意識すべき点を述べておきます。

IoT化の目的を明確にする

まず、現状の課題を整理し、IoT化で何を解消したいのかを明確にすることがもっとも重要です。

課題が曖昧な状態でIoTセンサーを導入すると、データを取得したものの、どう活用すればよいのかがわからないという事態に陥ります。また、達成したい課題によって必要なIoTセンサーの精度や通信頻度、それにより構築すべき通信環境が変わり、必要な投資金額も変わります。

IoTセンサーを導入する前に、課題を明確にし、目的に対して過剰スペックにならないよう注意が必要です。

センサーの使用頻度を考える

解消したい課題が明確になれば、次に必要なデータ取得の頻度について検討します。

無線式センサーの場合、データ取得の頻度が秒単位なのか分単位なのかによって、電池交換の必要となる期間が大幅に変わり、運用方法に影響を与えます。
また、測定スパンが短い場合は、その分保存するデータ量も膨大となるので、記録媒体側の容量を大きくする必要があります。

これらを踏まえて、設定した課題を達成するためにどの程度のデータ取得頻度が必要かを検討する必要があります。

流通性や価格を調べる

IoTセンサーの使用頻度が決まれば、次にIoTセンサーの流通性や価格を調べます。

IoTセンサーは仮にセンサー本体が故障、または通信がうまくいかなかった場合にも容易に取り換えが可能なよう、できるだけ リーズナブルで市場流通量が多いものを選定する必要があります。
また、取得したデータをモニタリングするためのソフトウェアに関しても、新規開発を行うと膨大な費用と納期がかかるため、導入時はパッケージ化されたソフトウェアで効率的に始めることが重要です。

初期段階はできるだけ導入コストを抑え、効果が実証できれば広げていくという流れが一般的です。

回線と通信速度を確認する

IoTセンサーの使用頻度や仕様が決まれば、それらのデータを収集するのに必要な回線や通信速度を確認します。
また、通信方式によっても通信可能な距離や導入にかかるコストが変わるので注意が必要です。

例えば、近年では消費電力の低さ、電池の持ち、世界標準での製品の多さ、価格の安さという観点からBluetoothセンサーが幅広く使われています。ただし、Bluetoothセンサーには長距離での通信が難しいなどの欠点もあるため、それをどう補うかを検討する必要があります。

必要な通信速度によってはゲートウェイなどの中継機器の仕様も変わるため、専門知識のある企業に相談しながら、目的に合わせてどの程度の仕様が必要かを決める必要があります。

センサーの精度

最後に選択するセンサーにどの程度の精度が必要かを検討します。
センサーには必ず、±数%程度の許容測定誤差があり、それらをどの程度許容できるかを判断する必要があります。精密な制御が必要であれば許容測定誤差の小さいセンサーを選ぶ必要がありますが、その分コストが上がるため注意が必要です。

通常の温度制御であれば小数点以下の誤差は問題がないなど、解消したい課題に対し、過剰仕様とならないよう目的に合ったセンサー精度の選定が重要です。

IoTセンサー情報の可視化の際の留意点IoTセンサーを導入する際の注意点としてどう見える化（可視化）するか、という課題があります。複数のセンサーを利用する場合、センサーごとにデータ形式が違うことがあるため、一元管理できるようにするには「正規化」が必要となります。
例えば、日付情報の長さ、言語、データの順番などがセンサーごとに異なる場合は、それらを適切に処理するためのソフトウェアを中継させる必要があります。
また、データ形式が異なる場合は対応したものに変換する必要があります。複数のセンサーを利用してデータ収集を行う場合は、取得したデータをどのように正規化するのかをあらかじめ検討しておく必要があります。

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IoT化を失敗しないためには、 導入によって達成したい課題を明確にし、過剰仕様にならないよう注意しながら、適切な機器やパッケージ化されたソフトウェアを利用し、可能な限りコストを抑えながらスモールスタートさせることが重要です。

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