Azure IoT (モノのインターネット) とは

Azure モノのインターネット (IoT) は、Microsoft が管理するクラウド サービス、エッジ コンポーネント、SDK のコレクションであり、IoT デバイスを大規模に接続、監視、制御できます。 簡単に言えば、IoT ソリューションは、クラウド サービスと通信する IoT デバイスで構成されます。

IoT ソリューションを設計する際の重要な決定事項は、クラウドベースのソリューションとエッジ ベースのソリューションのどちらを使用するかです。

• クラウドベースのソリューションでは、IoT デバイスは、メッセージが処理および分析されるクラウドに直接接続します。 クラウドから直接デバイスを監視および制御します。
• エッジベースのソリューションでは、IoT デバイスは、メッセージを処理するエッジ環境に接続してから、ストレージと分析のためにクラウドに転送します。 通常は、エッジ ランタイム環境を介して、クラウドからデバイスを監視および制御します。 また、デバイスをエッジから直接監視および制御することもできます。

次のセクションでは、一般的なクラウドベースおよびエッジベースの IoT ソリューションのコンポーネントの概要を示します。 この記事では、デバイス、IoT クラウド サービス、エッジ ランタイム環境、その他のクラウド サービス、ソリューション全体の懸念事項など、コンポーネントの主要なグループについて説明します。 このセクションのその他の記事では、これらの各コンポーネントについて詳しく説明します。

クラウド ベースのソリューション

クラウド ベースのソリューション は、ビジネス ニーズに対応し、デバイスをクラウドに直接接続する、IoT デバイス、コンポーネント、サービスの統合されたセットです。 クラウドベースのソリューションの例として、分析と視覚化のためにセンサー データをクラウドに送信する配送トラックが含まれます。

クラウドベースのソリューションの構築には、IoT Hub、デバイス プロビジョニング サービス、Azure Digital Twins などのサービスを使用できます。

エッジ ベースのソリューション

エッジ ベースのソリューションは、ビジネス ニーズを満たし、デバイスを近くのエッジ サービスに接続する、IoT デバイス、コンポーネント、およびサービスの統合されたセットです。 エッジ ベースのソリューションの例として、産業用 IoT デバイスがオンプレミス サービスに接続する工場があります。次に示します。

• デバイスは、OPC UA などのローカル ネットワーク プロトコルを使用して通信します。
• セキュリティ上の問題は、デバイスをパブリック インターネットに直接接続してはならないことを意味します。

エッジベースのソリューションでは、分析や視覚化などのさらに処理を行うために、デバイスからクラウドにデータを転送できます。

エッジ ベースのソリューションの構築には、Azure IoT Operations または Azure IoT Edge を使用できます。 Azure IoT Operations は、クラウドとエッジのコンポーネントを統合するための Microsoft の適応型クラウド アプローチに従った新しいオファリングです。

デバイスと接続

クラウドベースとエッジベースの両方のソリューションには、ビジネス分析情報を導き出すデータを収集する デバイス があります。 次のセクションでは、IoT ソリューション内のデバイスと、それらがクラウドに接続する方法について説明します。

IoT デバイスカテゴリ

IoT デバイスを次のように分類すると便利です。

• デバイス カテゴリ 1: クラウドに直接接続するデバイス。 このカテゴリには、HTTP、MQTT、AMQP などの標準プロトコルを使用して IoT Hub などのクラウド サービスに接続するデバイスが含まれます。 これらのデバイスは、Azure IoT Operations などのエッジ ベースのソリューションには関係ありません。

• デバイス カテゴリ 2: エッジ ベースのプロキシまたはゲートウェイを介してクラウドに接続するデバイス。 このカテゴリの例には、次のようなデバイスが含まれます。

  • Azure IoT Operations の MQTT ブローカーを使用して、クラウドに間接的に接続します。
  • IoT Edge ゲートウェイを介して IoT Hub に間接的に接続します。

• デバイス カテゴリ 3: これらのデバイスは、デバイスが特定のプロトコルを使用できるようにするコネクタを介してエッジ ベースのランタイムに接続します。 たとえば、OPC UA サーバーとその接続されているデバイスは、OPC UA のコネクタを介して接続します。 これらのデバイスは、Azure IoT Hub などのクラウドベースのソリューションには関係ありません。

次の図は、クラウドベースソリューションのデバイス カテゴリとクラウド サービスの関係を示しています。

次の図は、デバイス カテゴリとエッジ ベースソリューションのエッジ ランタイムの関係を示しています。

わかりやすくするために、前の図では、クラウドまたはエッジのランタイムへのデータ フローのみが示されています。 多くのソリューションでは、クラウドまたはエッジ ランタイムがデバイスにコマンドを送信するコマンドと制御のシナリオが可能になります。 たとえば、クラウド サービスは、拡大するために ONVIF 準拠のカメラにコマンドを送信する場合があります。

IoT デバイス

カテゴリ 1 とカテゴリ 2 の IoT デバイスは、通常、データを収集するセンサーを備えた回路基板で構成されます。 カテゴリ 1 の IoT デバイスはインターネットに直接接続し、カテゴリ 2 のデバイスはクラウドへの接続のためにローカル ゲートウェイに依存します。 カテゴリ 1 と 2 の IoT デバイスの例を次に示します。

• リモート オイル ポンプの圧力センサー。
• 空調設備の温度センサーと湿度センサー。
• エレベーターの加速度計。
• 室内のプレゼンス センサー。

カテゴリ 3 のデバイスは、監視および制御する環境内の物理デバイスです。 これらのデバイスは、次の場合があります。

• ONVIF などの標準プロトコルを実装する製造元が提供する組み込みのファームウェアを用意します。
• OPC UA などの産業用プロトコルを実装する、資産がアタッチされたサーバーである。

カテゴリ 3 のデバイスの例を次に示します。

• ロボットアームとコンベヤベルト。
• 産業用 CNC 機械、旋盤、のこぎり、ドリル。
• 医療診断用イメージングマシン。
• セキュリティ ビデオ カメラ。
• プログラマブル ロジック コントローラー。

各種メーカーから提供されているさまざまなデバイスを使用して、ソリューションを構築することができます。 マイクロプロセッサ デバイスのプロトタイプの作成には、Raspberry Pi などのデバイスを使用できます。 Raspberry Pi では、さまざまな種類のセンサーを取り付けることができます。 マイクロコントローラー デバイスのプロトタイプを作成するには、ESPRESSIF ESP32、または IoT Hub への STMicroelectronics B-L475E-IOT01A 検出キットなどのデバイスを使用します。 これらのボードには、通常、温度センサーや加速度計センサーなどのセンサーが組み込まれています。

Microsoft では、オープンソースの Device SDK を提供しており、それらの SDK を使用して、お手持ちのデバイスで動作するアプリを作成することが可能です。

IoT ソリューション内のデバイスの詳細については、「IoT デバイス開発」を参照してください。

デバイスの接続性

通常、IoT デバイスは、接続されているセンサーからソリューション内のクラウド サービスにデータを送信します。 ただし、対応している通信の種類はそれだけではなく、たとえば、クラウド サービスからデバイスにコマンドを送信することもできます。 次に、device-to-cloud 通信と cloud-to-device 通信の例を示します。

• 移動式冷凍トラックから IoT ハブに 5 分おきに温度を送信する。
• クラウド サービスは、問題の診断に役立つセンサー データを送信する頻度を変更するコマンドをデバイスに送信します。

IoT Device SDK と IoT Hub は、デバイスからクラウドおよびクラウドからデバイスへの通信用に、HTTP、MQTT、AMQP などの一般的な通信プロトコルをサポートします。 一部のシナリオでは、IoT デバイスをクラウド サービスに接続するためのゲートウェイが必要になる場合があります。

IoT デバイスには、ブラウザーやモバイル アプリなどの他のクライアントとは異なる特性があります。 具体的には、IoT デバイスの特性は次のとおりです。

• 多くの場合、人間が操作することのない組み込みシステムです。
• 物理アクセスに大きなコストがかかる離れた場所にデプロイされている場合があります。
• ソリューション バックエンドからのみ到達可能です。
• 電力と処理のリソースが限られている場合があります。
• ネットワーク接続が断続的に切れたり、遅かったり、高コストである場合があります。
• 専用、カスタム、または業界固有のアプリケーション プロトコルを使用する必要がある場合があります。

デバイス SDK は、デバイスを安全に、かつ高い信頼性でクラウド サービスに接続するという課題の解決を支援します。

デバイスの接続とゲートウェイの詳細については、 IoT デバイスの接続とインフラストラクチャに関するページを参照してください。

エッジ ベースのソリューションでの接続

エッジベースのソリューションでは、IoT デバイスは、メッセージを処理するエッジ環境に接続してから、ストレージと分析のためにクラウドに転送します。 デバイスでは、次のようなネットワーク通信プロトコルと標準が使用される場合があります。

• 産業環境での OPC UA。
• ビデオ デバイスを管理および監視するための ONVIF。
• IoT デバイスの標準メッセージング プロトコルとしての MQTT。

前に示したエッジ ベースのソリューション図では、 南向きコネクタ は、デバイスがエッジ環境への接続に使用するプロトコルと標準を表しています。

デバイスから送信されたメッセージの処理の詳細については、「 IoT ソリューションでのメッセージ処理」を参照してください。

デバイスの比較

次の表は、デバイスと接続の現在のオプションをまとめたものです。

サービスおよびアプリケーション

クラウドベースのソリューションでは、IoT 固有のクラウド サービスによって、デバイスの接続、監視、制御を行うインフラストラクチャが提供されます。 エッジ ベースのソリューションでは、エッジ ランタイム環境は、デバイスの接続、監視、制御を行うサービスをホストします。 他のクラウド サービスは、ソリューションにストレージ、分析、視覚化などの汎用サービスを提供します。

IoT クラウド サービス

クラウドベースの IoT ソリューションでは、通常、IoT クラウド サービスは次のようになります。

• デバイスからセンサー データを大規模に受信し、そのデータを処理して格納する方法を決定します。
• クラウドから特定のデバイスにコマンドを送信します。
• デバイスをプロビジョニングし、自社のインフラストラクチャに接続できるデバイスを制御します。
• デバイスの状態を制御し、そのアクティビティを監視する。
• デバイスにインストールされたファームウェアを管理する。

たとえば、オイル ポンプ ステーションのリモート監視ソリューションでは、サービスはポンプからのセンサー データを使用して異常な動作を特定します。 異常を把握したクラウド サービスは、デバイスに対して自動的にコマンドを送信して是正措置を講じることができます。 このプロセスにより、デバイスとクラウドの間に自動フィードバック ループが導入され、ソリューションの効率性が大幅に向上します。

デバイスの管理と制御に関する主要な概念の詳細については、 IoT デバイスの管理と制御に関するページを参照してください。

Edge ランタイム

エッジ ベースの IoT ソリューションでは、通常、エッジ ランタイム環境でホストされるオンプレミス サービスは次のようになります。

• 南向きコネクタを使用してデバイスへの接続を管理する
• デバイスから大規模なデータを受信し、さらに処理するためにメッセージをルーティングする場所を決定します。
• クラウドから特定のデバイスにコマンドを転送します。
• ローカル メッセージ処理を実行する。 Azure IoT Operations では、この処理は上りコネクタで行われます

その他のクラウド サービス

クラウドベースとエッジベースの両方のソリューションでは、他のクラウド サービスを使用することでより多くの機能をソリューションに提供できます。 たとえば、次のトリガーを使用できます。

• 収集されたデータを格納する Azure Storage サービス。
• センサー データをリアルタイムで処理するための Azure Stream Analytics。
• デバイス イベントに応答する Azure Functions。
• Azure Logic Apps は、ビジネス プロセスを自動化します。
• Azure Machine Learning は、機械学習と AI モデルをソリューションに追加します。
• センサー データを格納および分析するための Microsoft Fabric。
• センサー データを視覚化する Microsoft Power BI。

詳細については、以下をご覧ください。

• IoT ソリューションを拡張する
• IoT データの分析と視覚化

IoT サービスの比較

次の表は、現在のサービスとエッジ アプリケーションのオプションをまとめたものです。

デプロイの比較

次の表は、現在のデプロイ オプションをまとめたものです。

ソリューション全体の懸念事項

すべての IoT ソリューションは、次のソリューション全体の懸念事項に対処する必要があります。

• デプロイと監視を含むソリューション管理
• 物理的なセキュリティ、認証、認可、暗号化を含むセキュリティ。
• ソリューション内のすべてのコンポーネントのスケーラビリティ、高可用性、ディザスター リカバリー。

ソリューション管理

アダプティブ クラウド アプローチでは、サイロ化されたチーム、分散サイト、および異種システムが、単一の運用、セキュリティ、アプリケーション、およびデータ モデルに統合されます。 このアプローチを使用すると、エッジベース、クラウドベース、およびハイブリッド IoT ソリューションを、同じクラウドと AI テクノロジを使用して管理および監視できます。

IoT Hub、IoT Central、IoT Edge に基づくソリューションでは、適応型クラウド アプローチに対する限定的なサポートが提供されます。 IoT Hub、IoT Central、IoT Edge インスタンス自体は Azure リソースですが、デバイス管理やデータ変換などの機能を、標準の Azure リソースとして管理できるリソースとしてネイティブに公開することはありません。

これに対し、Azure IoT Operations に基づくソリューションは、ソリューション内のすべてのコンポーネントに統合された管理エクスペリエンスを提供します。 Azure IoT Operations では、Azure Arc 対応サービスを使用して、クラウドベースのソリューションであるかのようにエッジ ベースのソリューションを管理および監視します。 たとえば、エッジで実行されているデバイスとデータ変換は、Azure のクラウド リソースとして公開されます。 このアプローチでは、標準の Azure テクノロジを使用して、エッジ ベースのソリューション全体を管理および監視できます。

セキュリティの比較

次の表は、現在のセキュリティ オプションをまとめたものです。

次のステップ

Azure IoT をさらに探索するために推奨される次のステップは以下のとおりです。

• IoT デバイス開発
• IoT ソリューションでのメッセージ処理
• IoT ソリューション を管理する
• Azure IoT サービスを選択する

Azure IoT アーキテクチャの詳細については、以下を参照してください。

• Azure IoT Hub のアーキテクチャのベスト プラクティス
• Azure アーキテクチャ センターの IoT アーキテクチャ