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あおいおいもり
2 years ago
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1 IoT 活用 - 1 -

2 目次 (1) 1-3 章は E-Learning 第 4 章組込ボードの基礎 4-1. IoTでよく使用される組込ボード Arduinoとは Arduino IDEのダウンロードとインストール Arduinoのメニュー画面 4-5. Arduinoのスケッチ例と動作検証 4-6. Arduinoとブレッドボードによる配線 4-7. ブレッドボードの通電箇所 4-8. Arduinoにおける回路設計 4-9. Arduinoにおけるオームの法則演習 1 Arduinoを使った電気回路の設計

3 目次 (2) 第 5 章 5-1. センサ組込ボードとセンサ環境センサ 5-3. 入力モジュール出力モジュール...37 演習 2 Arduinoとセンサを使った回路設計...39 第 6 章 IoTのセキュリティ 6-1. IoTデバイスを標的としたマルウェア 6-2. Miraiウィルス 6-3. IoTセキュリティガイドライン 6-4. IoTセキュリティガイドラインの目的 6-5. サービス提供者のための指針 6-6. 一般利用者のための指針

4 目次 (3) 第 7 章 IoTプラットフォームを使ったデータ通信 7-1. IoTプラットフォームの例 IoTプラットフォーム sakura.io sakura.ioの特徴さくらのLTE 通信モジュールさくらの通信モジュールの位置付け sakura.ioの物理的構成 IoTシステムの物理的構成 sakura.io 料金と通信ポイントポイント管理例ライブラリとマニュアルログインとプロジェクト基本的な考え方コード例

5 目次 (4) 第 7 章 IoTプラットフォームを使ったデータ通信連携サービス WebSocket データ形式 JSON 例 ( データが単数 ) JSON 例 ( データが複数 ) 連携サービスの作成 WebSocketのURLとToken JSON 例 ( データが単数 ) JSON 例 ( データが複数 ) 開発ツール Node-RED...78 演習 3 さくらLTEモジュールの回路設計と利活用...80 演習 4 総合演習

6 第 4 章組込ボードの基礎 - 6 -

7 4-1. IoT で使用される組込ボードの例 Arduino Raspberry Pi - 7 -

8 IoT で使用される組込ボードの例 ( 続き ) STM32 IchigoJam - 8 -

9 IoT で使用される組込ボードの例 ( 続き ) 単独で開発が可能な Raspberry Pi( 初期設定時のみに PC が必要 ) シングルボードコンピュータ PC OS:Linux(DebianベースのRasbianなど ) ディスプレイやキーボードをつないでPCと同じように開発様々なプログラミング言語が利用可 (C C++ Python Node.jsなど ) 良くも悪くもPCと同じ開発環境母艦 (PC) からプログラムを書き込むArduino ワンボードマイコン OS 非搭載 ( その分省電力 ) 母艦のPCにインストールした Arduino IDE からプログラムを書き込む C 言語風のArduino 言語を利用ライブラリを読み込めば簡単に実現ができる開発環境ヘッダーを意識せずにTCP/IP 通信が可能 - 9 -

10 4-2. Arduino (

11 Arduino( 続き ) アルドゥイーノ 2005 年に Massimo Banzi David Mellis( 当時はイタリアのIDIIの学生 ) David Cuartiellesによってプロジェクトスタート後にTom Igoeが加わる派生元 2003 年 IDII 修士論文プロジェクトWiring(Hernando Barragán) Arduinoの語られざる歴史より一枚のプリント基盤の上に電子部品と入出力がついたマイクロコンピュータ Processingベースの開発環境 (Javaアプリケーション) プログラミング言語 :C++ 風言語 (Arudino 言語とも呼ばれる元はWiring)

12 Arduino( 続き )

13 Arduino( 続き ) Arduino のプリント基板 Arduino の開発環境 (IDE)

14 Arduino( 続き ) IO デジタルIO 0~13 ( 最大負荷 40mA) アナログIO 0~5 ~のあるデジタルピンはPWM (Plus Width Modulation: パルス幅変調 ) が使えるピンを表す通常でPWM 出力が行える電源外部電源または USB 経由で供給 3.3V 出力 5V 出力 ( 最大負荷 50mA, 一部 150mA) ( 最大負荷 50mA) GND 電圧の基準 (0V) 電気が流れて帰ってくる場所のイメージ ( 下水 )

15 4-3. Arduino IDE のダウンロードとインストールインストール版 ZIP 版通常インストールや解凍をすればすぐに利用できるもし必要がある場合は PC のデバイスマネージャーから Arduino のデバイスを更新する

16 4-4. Arduino のメニュー画面プログラムのチェックボードへの書き込み新規作成開く保存シリアルモニタ値を表示する別ウィンドウ

17 4-5. Arduino のスケッチ例と動作検証メニュー [ ファイル ] [ スケッチ例 ] [Basics] [Blink] setup() 初期設定 loop() 繰返し処理ボード上の LED が点滅すれば OK

18 4-6. Arduino とブレッドボードによる配線 Arduino UNO ブレッドボード

19 4-7. ブレッドボードの通電箇所

20 ブレッドボードの通電箇所 ( 続き )

21 4-8. Arduino における回路設計 GND 330Ω 5V

22 再掲載電圧 ~ 電流 ~ 抵抗電圧 (E) 電気を押す力 ( 単位 :V) 電流 (I) 流れる電気の量 ( 単位 :A) 抵抗 (R) 電気の出力の穴の大きさ ( 単位 :Ω) 直列回路電流はどこも同じ値電圧の和 = 全体の電圧並列回路電流の和 = 全体の電流電圧はどこも同じ値電圧 ( 押す力 ) 抵抗 ( 穴の大きさ ) 電流 ( 流れ出る量 )

23 再掲載オームの法則電圧 (V)= 電流 (A) 抵抗 (Ω) 並列接続和一本道が長くなって渋滞するイメージ 2Ω+3Ω = 5Ω 2Ω 3Ω 並列接続和分の積 (or 公式 ) 一本道が二本道に増えるイメージ 2Ω 2Ω 3Ω 2Ω+3Ω 6Ω = 5Ω = 1.2Ω 3Ω 3 つ以上の並列がある場合は 2 つずつ順番に計算

24 再掲載並列接続における和分の積並列接続 3 つ以上を和分の積で計算するのは間違い 2Ω 3Ω 4Ω 間違い 2Ω 3Ω 4Ω 2Ω+3Ω+4Ω

25 再掲載並列接続における和分の積 ( 続き ) 並列接続まず一部分を和分の積で計算する 2Ω 3Ω 4Ω 2Ω 3Ω 2Ω+3Ω = 6Ω 5Ω = 1.2Ω

26 再掲載並列接続における和分の積 ( 続き ) 並列接続残りの部分を 2 回目の和分の積で計算する 1.2Ω 4Ω 1.2Ω 4Ω 1.2Ω+4Ω = 4.8Ω 5.2Ω = 0.92Ω

27 4-9. Arduino におけるオームの法則電圧 (V)= 電流 (I) 抵抗 (R) 1.8V 3.2V 合計 5V 330Ω 赤色 LED の最大順電流は 10~30mA 前後 ( ここでは 10mA を流すものとする )

28 演習 1 Arduino を使った電気回路の設計 LEDが点灯する回路スイッチでLEDをON OFFする回路スイッチを押したときにLEDをONする回路とプログラムアナログ出力によるLED 点灯応用編 :LEDの種類や個数を変更作成した回路の回路図を描き抵抗値を書き込む

29 第 5 章組込ボードとセンサ

30 5-1. センサ環境センサ入力モジュール出力モジュール次スライド以降はKumanのデータファイルよりの抜粋 Kumanのマニュアルは付属のCD-ROM 内にある

31 5-2. 環境センサ光センサ温湿度センサ

32 環境センサ ( 続き ) 温度センサ磁場センサ

33 環境センサ ( 続き ) 光遮断センサその他アナログ磁場センサアナログ温度センサ地磁気センサ超音波センサ赤外線センサなど

34 5-3. 入力モジュールジョイスティックロータリーエンコーダ

35 入力モジュール ( 続き ) 衝撃センサ傾斜スイッチ

36 入力モジュール ( 続き ) リードスイッチその他ボタンタッチセンサ水センサなど

37 5-4. 出力モジュールレーザ 7 色 LED

38 出力モジュール ( 続き ) RGB LED その他 LCD サーボモータなど

39 演習 2 Arduino とセンサを使った回路設計環境センサ 1 光センサの利用 2 光センサによるLED 点灯入力モジュール 3 傾斜スイッチの利用 4 ロータリーエンコーダによるLED 点灯出力モジュール 5 LCD 出力 6 応用編 : 各自で色々なセンサやモジュールを組合せて利用

40 第 6 章 IoT のセキュリティ

6-1. IoT デバイスを標的としたマルウェア IoT デバイスの普及に伴って Mirai ウィルスのような IoT デバイスを標的としたマルウェアが流行 NICT( 国立研究開発法人情報通信研究機構 ) が運用するサイバー攻撃観測網 (NICTER) が平成 29 年に観測したサイバー攻撃パケット

41 6-1. IoT デバイスを標的としたマルウェア IoT デバイスの普及に伴って Mirai ウィルスのような IoT デバイスを標的としたマルウェアが流行 NICT( 国立研究開発法人情報通信研究機構 ) が運用するサイバー攻撃観測網 (NICTER) が平成 29 年に観測したサイバー攻撃パケット 1,504 億パケットのうち半数以上が IoT 機器を狙ったものであるという結果が示されている情報通信白書平成 30 年版 ( 総務省 )

42 6-2. Mirai ウィルス Mirai ウィルス IoT デバイスに感染しボットネットを作るマルウェアボットネットから攻撃目標に対して DDoS 攻撃を行う 2016 年に Mirai ウィルスのボットネットが発見されるプロバイダや IT 企業, ジャーナリストなどへの大規模かつ破壊的な攻撃が観測された Mirai ウィルスの挙動対象外を除いて IP アドレスをランダムに走査脆弱性のある機器を調査 ( 工場出荷時デフォルト状態辞書攻撃など ) 感染したデバイスは C&C サーバ ( 指令 & 制御 ) から遠隔操作 DDoS 攻撃を実行 (UDP フラット攻撃 HTTP フラット攻撃 DNS フラット攻撃 ) 増殖を繰り返し感染を拡大

43 Mirai ウィルス ( 続き ) マルウェアコンピュータウィルスやワームトロイの木馬スパイウェアボットランサムウェアなどの悪意のあるソフトウェアのこと総合的な名称としてマルウェア (Malware) と呼ぶボット感染したコンピュータを外部から遠隔操作し不正アクセスの手足として利用し迷惑メールの送信や特定サイトへの攻撃などを行うプログラムボットネットボットに感染したコンピュータからなるネットワークはボットネットと呼ばれるボットネットのコンピュータは特定サイトの一斉攻撃 (DDos 攻撃 ) などに利用される

44 Mirai ウィルス ( 続き ) DDoS 攻撃 Distributed Denial of Service 攻撃の略ウィルスに感染して遠隔操作可能な複数の端末から一斉にDoS 攻撃 ( サービス拒否攻撃 ) を行う UDPフラット攻撃 HTTPフラット攻撃 DNSフラット攻撃など通信プロトコルの手続きのパケットを一斉に大量に送りつけることで相手が処理しきれなくなりサービスが停止してしまう

45 6-3. IoT セキュリティガイドライン経済産業省及び総務省が IoT 推進コンソーシアムングルループを開催 IoT を活用した革新的なビジネスモデルを創出国民が安全で安心して暮らせる社会を実現必要な取組等について検討 IoT セキュリティワーキ IoT セキュリティガイドライン ver1.0 が策定 ( 平成 28 年 7 月 5 日 )

46 6-4. IoT セキュリティガイドラインの目的本ガイドラインの目的は IoT 特有の性質とセキュリティ対策の必要性を踏まえて IoT 機器やシステムサービスについてその関係者がセキュリティ確保の観点から求められる基本的な取組をセキュリティバイデザインを基本原則としつつ明確化することによって産業界による積極的な開発等の取組を促すとともに利用者が安心して IoT 機器やシステムサービスを利用できる環境を生み出すことにつなげるものなお本ガイドラインの目的はサイバー攻撃などによる被害発生時における関係者間の法的責任の所在を一律に明らかにすることではなくむしろ関係者が取り組むべき IoT のセキュリティ対策の認識を促すとともにその認識のもと関係者間の相互の情報共有を促すための材料を提供することである本ガイドラインはその対象者に対し一律に具体的なセキュリティ対策の実施を求めるものではなく守るべきものやリスクの大きさ等を踏まえ役割立場に応じて適切なセキュリティ対策の検討が行われることを期待する IoT セキュリティガイドライン ver

47 方針 6-5. サービス提供者のための指針指針 IoT の性質を考慮した基本方針を定める主な要点経営者が IoT セキュリティにコミットする内部不正やミスに備える分析 IoT のリスクを認識する守るべきものを特定するつながることによるリスクを想定する設計構築接続運用保守守るべきものを守る設計を考えるネットワーク上での対策を考える安全安心な状態を維持し情報発信共有を行うつながる相手に迷惑をかけない設計をする不特定の相手とつなげられても安全安心を確保できる設計をする安全安心を実現する設計の評価検証を行う機能及び用途に応じて適切にネットワーク接続する初期設定に留意する認証機能を導入する出荷リリース後も安全安心な状態を維持する出荷リリース後も IoT リスクを把握し関係者に守ってもらいたいことを伝える IoT システムサービスにおける関係者の役割を認識する脆弱な機器を把握し適切に注意喚起を行う IoT セキュリティガイドライン ver1.0

48 6-6. 一般利用者のための指針問合せ窓口やサポートがない機器やサービスの購入利用を控える初期設定に気をつける使用しなくなった機器については電源を切る機器を手放す時はデータを消す IoT セキュリティガイドライン ver

49 第 7 章 IoT プラットフォームを使ったデータ通信

50 7-1. IoT プラットフォームの例 sakura.io IIJ IoT

51 IoT プラットフォームの例 ( 続き ) AWS IoT SORACOM IoT

52 7-2. IoT プラットフォーム sakura.io

53 7-3. sakura.io の特徴低価格 & セキュア ( 閉域網を使用 ) クラウド連携可能最低月額料金 64 円 ( 税込み )

54 7-4. さくらの LTE 通信モジュール sakura.io Web サイト

55 さくらの LTE 通信モジュール ( 続き ) sakura.io Web サイト

56 さくらの LTE 通信モジュール ( 続き ) sakura.io モジュール LTE 通信モジュール LTE カテゴリー 1( 低速小消費電力 IoT 向き ) 特徴 ( 製品データシートより抜粋 ) sakura.io に LTE 網を通じてダイレクトに接続するため, ゲートウェイ装置がいらないコマンドのみでデータの送受信ができ, ホスト MCU 側で通信プロトコルを実装する必要がないホスト MCU インタフェースは I2C,SPI, および UART から選択可能小型モジュール (46W 34D 3H) 内に LTE モデムや SIM など必要な機能をすべて内蔵待ち受け時の消費電力が低い日本国内工事設計認証および電気通信端末機器認証済み

57 7-5. さくらの通信モジュールの位置付けさくらの通信モジュール情報通信白書平成 29 年版 ( 総務省 )

58 さくらの通信モジュールの位置付け ( 続き ) さくらの通信モジュール情報通信白書平成 29 年版 ( 総務省 )

59 7-6. sakura.io の物理的構成インターネット LTE sakura.io プラットフォーム IoT デバイス + センサー

60 再掲載 7-7. IoT システムの物理的構成インターネット IoT プラットフォーム / サーバ WAN IoT ゲートウェイ IoT ネットワーク IoTデバイス IoTデバイス IoTデバイス IoTデバイス

61 再掲載 7-3. さくらの IoT Platform の特徴低価格 & セキュア ( 閉域網を使用 ) クラウド連携可能最低月額料金 64 円 ( 税込み )

62 7-8. sakura.io 料金と通信ポイント 1 ヶ月につき通信ポイントが 10,000pt 付与 100 回の通信ごとに 100pt 消費 (100 回未満は切り上げ ) 別途購入する場合は20,000pt/100 円都度消費ではなく月末に通信回数によってポイント引き落とし不足すればその分を精算 10,000pt = 10,000 回の通信 5 分に1 度の通信 1 時間で12 回 1 日 288 回 * 30 日で8,640 回 5 分に1 度の通信でも充分データを貯めて定期的に送信することも可能

63 7-9. ポイント管理例

64 7-10. ライブラリとマニュアルライブラリマニュアル

65 7-11. ログインとプロジェクトログイン

66 ログインとプロジェクト未設定のプロジェクトプロジェクト追加プロジェクト内容

67 7-12. 基本的な考え方さくら IoT のライブラリを通じてデータの送受信を行う Arduino 側に TCP/IP スタックは必要ない秘匿通信 WebSocket さくらの IoT ボード Incoming Outgoing サーバ

68 接続コード例 sakuraio.getconnectionstatus() データ送信キューに貯める sakuraio.enqueuetx() データ送信 sakuraio.send() データ受信 sakuraio.getrxqueuelength() ライブラリをインポートしスケッチ例 Standard を実行する

69 7-14. 連携サービス WebSocket コネクションを維持したままデータ送受信 Outgoing Webhook モジュールからデータ送信 Incoming Webhook モジュールへデータ送信 MQTT Client DataStore API AWS IoT Azure IoT Hub (α) 本演習では WebSocket と Incoming Webhook を行う

70 7-15. WebSocket 従来の http 等はコネクションレスの通信プロトコル WebScoket はコネクションを維持したまま通信可能なプロトコルさくらの IoT で最も簡単に扱える 10 秒に 1 度 keepalive を送信しコネクションを維持 (keepalive は課金されない ) PHPでWebSocketを扱うのは容易ただしコマンドを都度実行したり Webブラウザで読み込み続ける必要がある

71 7-16. データ形式データ形式はすべてJSON 送信できるデータ形式は決まっている int 型変数は符号あり32bit 整数のint32_tのみ同じく符号無しのint 型変数は uint32_tのみ floatやdoubleはそのままでよい参照 :

72 データの例 { } JSON 例 ( データが単数 ) "datetime": " T05:25: Z", "module": "************", モジュールシリアル "payload": { "channels": [ { "channel": 0, "type": 単独でも "f", channel[0] "value": , データの型データの値 datetime : T04:56: Z } ] }, "type": "channels"

73 payload 部分のみ JSON 例 ( データが複数 ) "payload": { "channels": [ { データ1 "channel": 0, "type": "f", "value": 47, "datetime": " T04:56: Z" }, ] }, { データ 2 "channel": 0, "type": "f", "value": 29 "datetime": " T04:56: Z" }

74 7-19. 連携サービスの作成 sakura.io にログインしコントロールパネルから作成

75 7-20. WebSocket の URL と Token コントロールパネルで確認可能外部からアクセスする際はここに表示される URL と Token が必要

76 7-21. JSON 例 ( データが単数 ) { "datetime": " T04:56: Z", "module": "************", "payload": { "channels": [ { "channel": 0, "type": "f", "value": , "datetime": " T04:56: Z" } } ] }, "type": "channels" data.payload.channels[0].value

77 7-22. JSON 例 ( データが複数 ) "payload": { "channels": [ { "channel": 0, "type": "f", "value": 47, }, { データ 1 data.payload.channels[0].value "datetime": " T04:56: Z" "channel": 1, データ2 "type": "f", "value": 29, "datetime": " T04:56: Z" data.payload.channels[1].value }, ] }

78 7-23. 開発ツール Node-RED Flow エディタを使ってプラグイン / モジュールであるノードを視覚的に接続しながら IoT デバイスとオンラインサービスをつなぐことができる開発ツール Node-RED

79 開発ツール Node-RED Flow エディタを使ってプラグイン / モジュールであるノードを視覚的に接続しながら IoT デバイスとオンラインサービスをつなぐことができる開発ツールパレットデプロイボタンシートコンソール

80 演習 3 さくら LTE モジュールの回路設計と利活用さくらの IoT コントロールパネルで確認 WebSocket を JavaScript で取得して表示 Node-RED を使ったデータ通信

81 演習 4 総合演習これまで学んだものに基づいて各自の IoT システムを構築必須 IoTデバイスに任意のセンサを利用する取得したセンサーの値をsakura.ioにアップロードする任意 A. センサを複数にする / センサにアクチュエータをつける B.sakura.ioに集めたデータをNode-Redを使って可視化する C.IoTデバイスへのフィードバック機能を任意につける D. その他

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<4D F736F F F696E74202D20496F54835A834C A B CC8A F8CF6955C94C A2E > IoT セキュリティガイドライン ( 案 ) 概要平成 28 年 IoT の新たなセキュリティ上の脅威 1 IoT ではこれまで接続されていなかった動やカメラなどの機器が WiFi や携帯電話網などを介してインターネットに接続されることにより新たな脅威が発しそれに対するセキュリティ対策が必要となった動へのハッキングよる遠隔操作携帯電話網経由で遠隔地からハッキング監視カメラの映像がインターネット上に公開