IoTシステム構築を柔軟にする「Clotho」、「Renesas Synergy™ プラットフォーム」採用により 開発効率が劇的に向上

事例紹介:Renesas Synergy

ビジネスや社会の在り方そのものを根底から変えることが確実で、世界中の企業が期待を寄せるIoT(Internet of Things)。既に多くの用途で実用化が始まっており、同時にたくさんの標準規格が活発に議論されています。現状では、機器のハードウエア設計者やソフトウエア設計者はさまざまなプロトコルや分野ごとの標準規格と向き合わなければなりません。

こうした状況の中、組み込みソフトウエア開発ベンダーのグレープシステムは、IoT向けソフトウエア・フレームワーク「Clotho(クロト)」を開発しました。このフレームワークを使えば、IoTシステムの柔軟性を高め、取得したデータの加工や、サービスの追加などを簡単に実現できるといいます。今回は、Clothoの開発・販売元であるグレープシステムの今敷隆氏(取締役 新事業推進統括部長)と磯部耕次郎氏(営業部 マネージャー)、Clothoの評価ボードに組み込み機器向け統合プラットフォーム「Renesas Synergy™」を提供するルネサス エレクトロニクスの漆間耕治氏(グローバル・セールス・マーケティング本部 日系戦略・マーケティング部 エキスパート)に、IoT市場の現状や、Clothoを採用するメリット、Renesas Synergy™を採用した理由などについて話を聞きました。

株式会社グレープシステム 今敷氏

株式会社グレープシステム
取締役 新事業推進統括部長
今敷 隆 氏

株式会社グレープシステム 今敷氏

株式会社グレープシステム
営業部 マネージャー
磯部 耕次郎 氏

株式会社グレープシステム 今敷氏

ルネサス エレクトロニクス株式会社
グローバル・セールス・マーケティング本部
日系戦略・マーケティング部 エキスパート
漆間 耕治 氏

事例の詳細

ー Clothoを開発した背景と理由を知りたい。

今敷: IoTシステムはすでに、さまざまな用途で実用化されています。その用途としては、一般住宅向けや工場の生産設備向け、環境センシング向けなどが挙げられるでしょう。しかし、いずれのIoTシステムも、分野ごとの独立案件として閉じている。これが問題なのです。運用を始めたときは、これらのデータを集めれば十分だと考えていても、あとからこのデータもあのデータも使いたいという要望が出てきます。現状のIoTシステムでは、これに対応するのが困難です。

さらに大変なのは、フィールドで稼働中の分野が異なるIoTシステムを統合するケースです。例えば、ある地域のエネルギー管理システムを構築する場合、一般家庭だけでなく工場やビルなどの電力使用状況を把握した方が、より省エネ効果を高められるのは間違いありません [図1]。しかし、各分野のIoTシステムはデータ・フォーマットが違えば、通信プロトコルも違う。システムの統合は極めて困難です。

Clothoを使えば柔軟性が高まる

図1 Clothoを使えば柔軟性が高まる

左図は、現状のIoTシステム。分野/案件ごとに独立した固定のサービスを提供している。右図はClothoを使用した場合のIoTシステム。
現状のサービスはそのままに、さまざまな処理/サービスの追加や、分野/案件をまたがるデータの利用が可能になる。

ー 現状のIoTシステムでも、ソフトウエアの工夫などで対応できないのか。

今敷: 簡単にはできないと思います。現行のIoTシステムは、それぞれ自分達が決めた通信プロトコルやデータ形式しか処理できない、あるいは、囲い込みのため意図的に処理をしないシステムがほとんどです。そのため、現行のIoTシステムで処理するためには、データ収集を担当するホーム・ゲートウエイやFAゲートウエイといったエンド側機器が、対象のIoTシステムの通信プロトコルやデータ形式に合わせて、データを上げる必要があります。しかし、エンド側機器は、演算リソースやメモリ容量などが限られており、さまざまなデータ・フォーマットや通信プロトコルに対応する余地はありません。

ー 「Clotho」開発のキッカケは何か。

今敷: 「Clotho」開発のキッカケは、上記現状から、当社(グレープシステム)で代理店販売を始めたIoT向けの通信プロトコル「MQTT」や家電向けの通信プロトコル「ECHONETLite™」を用い、リソースが限られた既存の組込み機器からでも簡単にクラウドにデータを上げ、上げたデータを異なる分野で横断的に活用するIoTソリューションを提供できないかということです。

ただ、IoTの世界では、さまざまな標準化が行われていますし、当社のような小さな会社が独自の標準を打ち立てても付いて来てもらえません。そこで、どの標準規格に合わせるかより、むしろ、いろいろな標準や形式のデータがあることを前提に、今あるエンド側機器のデータをそのままクラウドに上げ、あとは、クラウド側で頑張ることで、それらのデータをうまく活用したIoTシステムはできないかと考えました。特に、電力自由化が話題になっておりましたので、まずは、ホーム分野向けにスマートメーターや家電の情報の有効活用のため、「Clotho for Echonet-Lite」を考えました。

また、展示会や個別に、「FA分野でも、IoT化が進んではきているが、標準化には時間がかかり、浸透するまででもさまざまなFAプロトコルで管理されたFA機器のデータをIoTで有効活用したい」とか、「自動車の車載情報のIoT化を行おうとしているが、最初に決めたデータ形式がその後の機能追加で変更になる可能性も考えられ、その場合、車載機器側での対応は難しい」などのご相談をいただきました。

このことから、ホーム分野だけでなく、さまざまな分野でのIoT化において、エンド側機器の対応を最小限とし、さまざまな形式の既存データをIoTでの有効活用を目指す「Clotho」の考え方は間違っていないと確信しました。

ー 「Clotho」という言葉の意味は。

磯部: Clothoは、ギリシャ神話に登場する女神の名前です。その名は、「紡ぐ者」を意味します。現状のIoTサービスは、分野や案件ごとに固定のサービスに「ものをつなぐ」存在にすぎません。しかし、Clothoを利用すれば、さまざまな「もの」から得られる情報を「紡ぐ」ことで、多種多様な加工処理やサービス提供が可能になるわけです。

MQTTを有効に活用する

ー Clothoでは、エンド側機器の演算リソース/メモリ容量が限られているという問題をどのように解決したのか。

今敷: ご説明したとおり、エンド側機器で、IoTシステム側のデータ形式に合わせるのではなく、エンド側機器で管理されたデータ形式のままで、クラウド側に上げる方式にすることで、エンド側機器の処理を少なくします。

また、「MQTT」と呼ぶIoT/M2M向けメッセージ配信プロトコルを活用することで必要なリソースを最小限とし、かつ、クラウドでのデータ処理の追加を容易とする形にしました [図2]。MQTTは、米IBM社と伊Eurotech社が開発したもので、「軽量」であることが特徴です。

現在、多くの企業がIoTシステムでも利用しているプロトコルはHTTPです。送るデータはXMLなどを用いてASCIIで記述しています。クラウド側のサービスではHTTPやXML等が普及していますので、互換性の観点で考えれば至極当然の流れと言えるでしょう。しかしこの結果として、例えば、たった4バイトの温度データを送信するのに、ASCII形式のHTTPヘッダと温度データをXMLなどで記述することで、送信データが数百~千バイトにも達する状況が発生しています。

これを何とかしないといけない。そこでMQTTを採用しました。MQTTであれば、ヘッダ部は最小2バイトで済みます。送信したいデータは、その後ろにペイロードとして付けて、エンド側装置で管理しているデータ形式のままクラウドにアップ可能です(詳細は別掲記事「Clothoの仕組み」を参照)。

図2 Clothoを使った場合のシステム構成

MQTTプロトコルを利用し、「パブリッシュ/サブスクライブ」と呼ぶ方式でメッセージを送受信する。
ゲートウエイ機器(パブリッシャ)と、MQTTブローカ(サーバ)、サブスクライバなどから構成される。

ー さまざまな通信プロトコルに対応するには、どうすればいいのか。

今敷: エンド側のゲートウエイは、エンド側装置で管理しているデータ形式のままで、ヘッダだけMQTTヘッダに付替えてクラウドに上げる役割に徹します。そして、さまざまなIoT向け通信プロトコル/データ形式への対応は、クラウド側が担うのです。実際には、クラウド側のデータ変換/各種IoT処理プログラムがブローカ(MQTTブローカ)経由でエンド側機器データ形式のデータを受け取り、機能する通信プロトコル/データ形式に変換して再配信します。こうすることで、ホーム・ネットワークであれば、米Google社の「Thread」や米Apple社の「HomeKit」などともデータ交換が可能になります。

ー 製品としては、どのようなものがあるのか。

今敷: 現在、第一弾の製品として、スマートメーターなどの家庭内の機器で取得した情報を有効活用する用途に向けたECHONETLite™機器向けフレームワーク「Clotho for Echonet-Lite」を用意しています。

ー フレームワークであるClothoは、クラウド側のブローカと、エンド側のゲートウエイに適用する必要があるのか。

磯部: その通りです。Clothoを普及させるには、エンド側機器だけでなく、クラウド側機器のメーカーへの売り込みも必要不可欠です。そのため、エンド側機器とクラウド側サービス提供メーカーの両面からアプローチをしています。その中には採用を本格的に検討してもらっているメーカーもあります。このほか、両者を含んだIoTシステム全体を提供しているシステム・インテグレータ(SI)の中にも、Clothoに興味を持っている企業があるようです。

1~2週間の作業が1~2日に

ー 評価ボードには、ルネサス エレクトロニクスの組み込み機器向け統合プラットフォーム「Renesas Synergy™」を採用している。採用した理由は何か。

磯部: 当社(グレープシステム)は、ルネサス エレクトロニクスのパートナー企業です。「Renesas Synergy™」には、日本代理店として当社が代理販売しております米Express Logic社のリアルタイムOS「ThreadX®」、TCP/IPスタック「NetX™」、ファイルシステム「FileX™」、GUIソフトウエア「GUIX™」などが搭載され、さらに、同じく当社が代理販売しております米Cypherbridge Systems社のMQTTクライアントソフトウエア「μMQTT」がVSA(Verified Software Add-ons)としてサポートされています [図3]。

従って、採用のきっかけとしては、パートナー企業であるルネサスさんのプラットフォームという点と、当社が取り扱っている使い慣れたソフトウエアが搭載されている点がまずあったことは事実です。

しかしながら、何よりも大きな理由は、「Renesas Synergy™」が、さまざまなIoTシステムを実現するのに必要なさまざまな汎用的なインターフェースを備え、かつ、リアルタイムOSやTCP/IPスタックなど基本的なソフトウエアがインテグレートされた状態で動作保証され、さらにIoT向けのプロトコル・スタックであるMQTTまでVSAとして、すぐに動作可能な形で供給されているため、IoT向けプラットフォームとして、さまざまなIoT機器メーカー様に今後採用される可能性が高いと考えられるところです。

Renesas Synergy™の構成

図3 Renesas Synergy™の構成

「Renesas Synergy™ ソフトウエア」、「Renesas Synergy™ マイクロコントローラ(マイコン)」、「開発環境(ツール&キット)」、
「Renesas Synergy™ ギャラリー」、「Renesas Synergy™ ソリューション」という5つの要素からなる。

※ 本記事の内容はインタビュー当時の情報です。Renesas Synergy™ ソフトウェアの最新情報はこちらをご確認ください。

漆間: VSAとは、当社(ルネサス)のパートナー企業が提供する動作検証済みのアドオン・ソフトウエアです(詳細は別掲記事「組み込みプラットフォーム「Renesas Synergy™」とは」を参照)。ちなみに、当社が提供するアドオン・ソフトウエアはQSA(Qualified Software Add-ons)と呼びます。

今敷: この「検証済み」という点がとても大きいです。移植作業の必要がなく、構成定義をしてビルドするだけで、そのまま動作するというのは、非常に魅力的です。これは、当社のようなソフトウエアベンダーだけでなく、本プラットフォームを採用される最終IoT機器メーカー様にとっても同じですので、IoT機器メーカー様にとって大きな魅力があると思います。

ー ほかの組み込みマイコンを使った場合は、どの程度の労力が必要になるのか。

今敷: 実際に、ほかの組み込みマイコンも検討し、開発作業にも実際に着手しました。OSを載せて、TCP/IPやMQTTのプロコトル・スタックなどを搭載し、それらをつなぎ込むインターフェースを開発する。結構、この作業は大変です。例えば、あるプロトコル・スタックをつなぎ込むインターフェースの開発には1~2週間かかってしまいます。一方、Renesas Synergy™を使えば1~2日で済む。この差は歴然です。

ー Renesas Synergy™のコスト面での評価はどうか。

今敷: 初期費用は、数百万~数千万円少なくて済むと思います。ほかの組み込みマイコンであれば、OS、TCP/IP、MQTTプロトコル・スタックなどのソフトウエアをすべて個別に購入し、かつ、それらの移植作業費用が必要となります。それに対し、「Renesas Synergy™」の場合は、プラットフォームとして基本的なソフトウエアは含まれており、かつ、上記のとおり、その移植作業がほとんどありません。この点は魅力ですね。

ー Renesas Synergy™にさらに望むとすれば?

今敷: 外部インターフェースをさらに充実させてほしいです。特に無線通信機能のサポートに期待しています。

漆間: もちろんです。現在サポートしているものに加えて、今後もさらなる充実を図っていきます。

ー Renesas Synergy™は、Clothoの評価ボードのどの部分に使われているのでしょうか。

漆間: 温度データを収集してクラウド側にアップする用途で、当社のRenesas Synergy™ マイクロコントローラ「S7G2」を搭載したボードを採用いただいています [図4]。S7G2は、現在のラインナップの中では最も高性能な製品です。Cortex®-M4コアを搭載しており、クロック周波数は240MHzと高く、TFT液晶パネル用ドライバも搭載しています。

Clothoのデモ

図4 Clothoのデモ

グレープシステムが開発したClothoのデモ・システムである。温度データを検出するボードに、ルネサス エレクトロニクスのRenesas Synergy™ マイクロコントローラ「S7G2」が搭載されている。

Clothoの仕組み

Clothoでは、SNSサービス「Facebook」などで使われているMQTTプロトコルを用い、「パブリッシュ/サブスクライブ」と呼ばれる方式でメッセージを送受信しています。

送信側の「パブリッシャ」と、受信側の「サブスクライバ」の間に、メッセージを仲介する「ブローカ」と呼ぶサーバを置きます。パブリッシャは、センサーなどで検出したデータにトピック名を割り当てて、メッセージとしてブローカにアップします。そしてブローカは、そのトピック名の取得を指定しているサブスクライバに対してメッセージを送るという仕組みです。こうすることで、必要なデータをサブスクライバに送り届けることが可能になります。

新しいトピックを作成できるのは、パブリッシャだけではありません。ブローカに接続されたアプリケーションも、トピックを作成してメッセージをアップできます。例えば、温度センサーの測定データを元に、平均値などを算出して、新しいトピックとしてアップすることが可能です。

Clothoのデモ

Clothoでは、MQTTによるIoTシステムの実現を容易にするため、トピック管理機能と、データ変換機能を提供しています。新しいトピックを作成する際は、そのトピックにアップするデータの概要やデータ形式情報などと共に、このトピック管理機能にその旨を申請します。すると、トピック管理機能は申請された新しいトピック情報を、トピック一覧トピックにアップして公開します。サブスクライバは、このトピック一覧トピックを確認することで、どのようなデータを入手できるかを把握できるのです。

データ変換機能は、データ変換定義に従い、あるトピックのデータを変換して、変換後のデータを別のトピックにパブリッシュする機能を提供しています。例えば、このデータ変換機能を用いて、エンド側装置のバイナリ形式データを、JAVA処理プログラムで処理しやすいJSON形式などに変換します。これにより、元データをさまざまな処理アプリケーションで処理することを可能にしています。しかも、データ変換定義もMQTTメッセージを使って変更することができるため、データ変換方法も簡単に変更可能です。

組み込み機器向け統合プラットフォーム「Renesas Synergy™」とは

Renesas Synergy™は、組み込みシステム開発に向けた業界で初めてのソフトウェア・ハードウェアの統合プラットフォームです。ソリューションギャラリーでは、ルネサスおよびパートナー企業が提供するRenesas Synergy™ プラットフォームに対応したすべてのソフトウェア、ハードウェア、キット、ツール、およびサービスを豊富に取り揃えています。

Renesas Synergy™ ソフトウエアのコアを成すのは、「Renesas Synergy™ Software Package(SSP)」と呼ぶソフトウエア群です。リアルタイムOS「ThreadX®」、ファイルシステム、アプリケーション・フレームワーク、機能ライブラリ、HALドライバ、BSPなどが含まれます。このほかアドオン・ソフトウエアとして、ルネサス自身が提供しSSPと同様に動作保証する「QSA(Qualified Software Add-ons)」と、同社のパートナー企業が本プラットフォーム向けに供給する「VSA(Verified Software Add-ons)」もあります。今回採用いただいたきっかけとなりました、MQTTプロトコルもVSA「SDKPac for Synergy」(米Cypherbridge Systems社製)にてサポートされています。組み込み機器メーカーは、これらを入手いただき実装するだけでよく、基本的な検証作業は不要になります。

プラットフォームを構成する要素として専用に開発されたマイコンは「S1」「S3」「S5」「S7」の4つのシリーズで、いずれも英Arm社のCortex®-Mコアを搭載しています。