知っておきたい無線の知識

無線とは・・・と行きたいところですが、難しい話よりも無線技術を使う上で、守らなければいけない決まりがありますので、まずはその点を理解するところから始めてみましょう。

無線技術を利用するには、法律が存在することを忘れてはいけません。

違法とは知らずに電波を使用した場合や、「ちょっと使うだけ」といえども、法律により罰せられますので、最低限の知識は備えておくのがいいでしょう。

電波法と技術適合（技適）について

無線技術を導入しようと思ったときに考慮しておきたいのが、「技術適合」です。

技術適合は、電波法に定められている条件をクリアしたものについてのみ、与えられる証明になります。電波法を遵守することはもちろんのこと、第三者機関による認定が必要になります。認証機関により認定されなかった場合は、販売時期をずらすなどして、十分な対策をして製品リリースする必要があります。

とはいえ、購入できるモジュールの多くは、これらの点をクリアしているものが多いので、安心して使用できます。

ということで、これから無線モジュールを使ってみようという方は、これからご紹介する無線モジュールおよび評価キットを使うことから始めて行きましょう。Wi-Fi/Bluetooth/Zigbee など色々なモジュールを紹介します。また、技適の認定を受けていない無線モジュールをやむなく使用する場合は、電波暗室など外部に電波が漏れない環境で動かす必要があります。これも非常に重要な点です。

ぴったりな無線方式

IoT機器で1番のKeyになるのが、センサーと並んで無線通信方式なのではないかと思います。

無線は、線をつながなくても通信できるため、様々な利用形態があります。IoT機器開発の現場でも、どの無線を利用するのかは、運用方法を含め重要な決め手になります。

ここでは、簡単に「無線」と「帯域」についておさらいしておきたいと思います。

帯域とは

無線に関わっていると、「帯域（たいいき）」という言葉が出てきます。英語で言うと「BandWidth」（バンド幅）も同義です。

これは、一つの特定周波数を中心に、どのくらいの幅が有効であるかを示す指標です。この幅が広いと、多くのデータを送受信できると考えてください。その代わり、使えるチャンネル数が減少します。逆に、この幅が非常に狭いと、多くのデータの送受信には向いていないが、チャンネル数がたくさんあると言えます。

ちょっと古い資料かもしれませんが、Wi-Fi のIEEE802.11b の場合、約22MHz の帯域幅を利用しています。2.4GHzに対して、22MHzはとても狭い幅（比率では、0.8％程度）です。2401MHzから2499MHzの幅で、中心周波数を少しづつずらしながら、14ch分の帯域幅を利用しています。

Wi-Fiに限らず、他の無線方式も、ほぼ同じような構成になっており、バンド幅が小さく細切れになっている代わりに、チャネル数が多いといった仕様になっています。また、2.4GHzは世界中で利用できるため、Bluetooth やZigbee、Thread、SmartMesh などの多くのプロトコルが存在します。

最近のIoT機器で、LPWA とかナローバンドとか聞いたことありませんか？これは、この帯域が狭いですよ！ということなのです。狭い分、送信する電力も小さくて済み、小さな細切れデータを送るのに向いていると言われています。LoRa とかSigFox とかNW-IoT などの規格があります。

IoT機器で活用されている無線技術

IoT機器の無線技術の代表的なものは何かと考えたところ、やはり身近な「スマートフォン」なのではないかと思います。電話機能としてのLTEや3G/4G回線を始め、Wi-Fi、Bluetooth など常に最新の規格が盛り込まれた製品が次から次へ投入されています。

もちろん、IoT機器でLTE回線を利用するシーンもだいぶ増えてきましたが、通信料と消費電力が気になるところです。IoT機器としては、なんといってもスマートフォンにデータを送りたい場合の方が、利用シーンも多いのではないでしょうか？

そうなると、有力なのがWi-Fi やBluetooth といった規格になります。この2つを持ち合わせていないスマートフォンを探すのが難しいくらい一般的になりました。なので、ここでは、W-Fi、Bluetooth など免許も不要な2.4GHz帯の無線技術について簡単に解説して行きます。

Wi-Fi

Wi-Fi は、2.4GHz を中心とした無線通信技術の代表的な方式です。帯域のところでも説明しましたが、2.4GHz 以外に、5GHz も含まれています。IEEEの標準化もされており、IEEE802.11.x として多くの系譜があります。デバイスの進化も著しく、伝送能力を落とすことなく省電力化にも力を入れており、各社から多くのラインアップが揃っています。

現在では、IEEE802.11b/g/n をサポートしており、接続性といった意味では、いちばん普及している規格をサポートしているので、非常に使いやすくなっています。かつては11Mbps といった通信速度から、最新の規格ではIEEE802.11axといった6Gbpsを超えるものまで出てきています。Wi-Fi は、PCやスマホに搭載されるのが一般化し、もはや完全にインフラとしての地位を築き上げました。

Bluetooth

Bluetooth は、Wi-Fi とおなじく2.4GHzを中心とした無線通信技術の代表的な方式です。

バージョンが上がるにつれ、使いやすさも向上してきました。Bluetooth4.0 と似た規格でBluetooth Low Energy (BLE) が登場し、対応したスマートフォンも一気に増えました。IoT機器の無線通信といえば、BLEと言えるくらい一般的になりました。

Bluetoothは、さまざまなパソコン周辺機器にも採用され、より多くの採用事例が豊富にある一方、うまく繋がらないといった相性があることも見受けられます。
また、BLEは、Andorid系の対応とiOS系の対応で若干異なることがわかっており、どちらかに対応しているとか、両方に対応しているとか、ソフトウェアにより対応機器が異なることもあります

Bluetooth は、簡単で使いやすい分、スマホのアプリはしっかり作らないといけない印象があります。Bluetoothもモジュールと評価キットが用意されています。評価キットから始めると、様々なプロトコルやBluetoothについて調査ができます。

Zigbee

Zigbee は、Wi-Fi/Bluetooth とおなじく2.4GHzを中心とした無線通信方式です。2003-4年ごろから登場しました。現在でも利用シーンは多く、スマホにデータを送受信しないシステムにとっては、有力な通信方式です。

ホームオートメーションの照明制御やスマートロックなどと非常に相性のよい無線規格で、昨年にはZigbeeハブを標準搭載したAIスピーカーも登場するなど、市場としても非常に活性化してきています。

Bluetooth やWi-Fi に比べて、転送速度は落ちるものの、軽量なデータ通信方式が根強い人気があります。最近では、メッシュ形状を構成できるものが登場しています。

Zigbeeは、業務用機器の無線ネットワークシステムとして広く採用されています。PC とは専用のモジュールを利用して使う方法が一般的で、スマホへの搭載は見送られています。一般的には、Gateway機器にWi-FiやEthernetと併用することで、Zigbeeネットワークの情報を外部のサービスに連携させる方式が採用されています。

Sub-GHz

Sub-Gは、その名の通り、1GHz以下の帯域で無線通信を行う通信方式で、920MHz帯を中心に、主に電力メータ向けや産業機器向けに使われています。

広帯域を利用しているWi-SUNや狭帯域（426/429MHz）と呼ばれる特定小電力無線というグループや、EnOceanといった（315/868/905MHz）といった帯域も含まれます。
国内では、ARIB STD-T108として標準化されており、電力メータやECHONET liteの規格として利用されています。2.4GHzと比べると通信速度は劣るものの、電波の飛距離があり、反射や回析現象にも強く、チャネル数も多く安定した利用環境を求める業務用などから支持を得られています。

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