第一工科大学研究報告第36号（2024）pp.11-16

スマートホームにおける IoT デバイス管理の一考察
馬場 伸一
第一工科大学

情報・AI・データサイエンス学科（〒 899-4395 鹿児島県霧島市国分中央 1-10-2）

A study on IoT device management for smart homeenvironment
Shinichi Baba
Department of Information, Artificial Intelligence and Data Science, Daiichi Institute of Technology

Abstract : With Internet of Things (IoT), many innovative services have been created and are going to becreated. This benefit is not only for a big company but also for a home and a small office. A smart homewith IoT can provide a comfortable and efficient life of people. Currently, IoT platform is usually prepared
as a cloud service, which is not easy to configure for a home use and raises a security concern of uploading
local data. In this paper, we have demonstrated IoT server based on open source softwares aiming an usageof on-premise type for a home or a small office user to create a local IoT system effectively. As a popularmonitoring software is used as a core of the server, it shows good features of both IoT data processing andIoT device management.
Key words :Internet of Things (IoT), Smart home, Smart Office, IoT server, Monitoring software, Zabbix,MQTT
1. はじめにの恩恵を活用することで、より快適で、効率的なスマートデバイスに代表される ICT 技術の進環境を実現できる．例えば、日常の生活場面にお展により，各分野で利便性，生産性の向上が進んいて、これまでの家電製品のデジタル化、自動化でいる．このような ICT の拡がりは，人を対象により家事がより便利になり、効率向上が図られとしたサービスにだけでなく，モノを対象にしたてきたことを考えると、更にそれらが適応的に動サービスへも，モノのインターネット（Internet作し、相互に連携することを可能にする IoT のof Things，IoT）として，拡がりつつある．スマーもたらすメリットは大きいと考えられる．家電がトフォンやスマートウォッチがユーザの歩数や体ネットワークにつながり、連携したり遠隔から制温，運動量などを自動で測定・記録・蓄積し，分御できるシステムが開発されており、このような析し，対策を検討している．また，建設機械にセ機能をそなえた住まいはスマートホームと呼ばンサを取り付け，製造しているメーカーにおいてれ、注目されている．しかし、現在の IoT プラッ

お客様の使用現場での状態や稼働状況の情報を収

トフォーム [1][2] [3] は、クラウドサービスとし集し，把握，故障時の原因推定や修理対応の迅速て構築されているものが主流である．このため、化を実現する仕組みが実用化されている．IoT でスマートホーム、特に既存の施設に IoT システムは，このようなことがあらゆる領域で発生する．

を後付けするスマートホームの多くは、このクラそれは公共事業や大企業のような大規模な組織やウド型 IoT プラットフォームを利用し、センサ事業だけの話ではなく、家庭や小規模事業所もそが測定したデータを家庭内無線 LAN あるいは有第一工科大学研究報告第36号（2024）

線 LAN 経由でクラウドに送っている．クラウドンソース Zabbix は、データを収集し保存、グラフ上の IoT プラットフォームでは、収集したデー表示まで機能を備えているが、IoT デバイスを活タを解析してサービスを提供したり、利用者から用した監視システムとしても利用される。藤原、の操作をクラウドで中継して家庭内のセンサを操長尾 [5] は，学校内に設置されている温湿度・二作するなどを行う．IoT のコア機能を担うサーバ

酸化炭素 (CO2) 濃度を測定できる Raspberry Piとして、クラウドを用いることにより、センサのモジュールを用い、モジュール自体にエージェン設置と設定を容易にしたり、外部からの制御を容トをインストールしておき、このモジュールが収易にすることができる．一方で、家庭内で測定し集した温湿度・CO2 濃度のデータを学校サーバーた情報が全て家庭外のサーバに保存されるセキュに予めインストールした Zabbix サーバーに収集リティ上の懸念や、IoT デバイスの開発者が専用後、テキストファイルで保存し、そのデータをのクラウドを設けるため、異なる会社の製品間でWeb 上にグラフ化し、表示する IoT システムをの連携は限られるなどの課題もある．小規模事業構築している。また、統合管理・監視ソフトウェ所においても、これらの課題は同様である．そのアを IoT システムのコアとして使う場合の利点解決への指針を得るため、今回、スマートホームとして、本来の機能として IoT デバイスの稼働状

向けオンプレミス型の IoT サーバの設計・開発を

況の監視や異常検出を行うことができることも挙試みた．予算が限定的な家庭や小規模事業所（スげられる．つまり IoT デバイスの管理とデータ処モールオフィス）での導入を容易にするため、ソ理を 1 つのサーバで実現でき、システムとしてのフトウェアの使用料が不要なオープンソースで構信頼性向上が見込める．そこで、本稿では、使用築した．本稿では、その成果について、報告する．

するオープンソースとして Zabbix を選択し、ス

以下，第２章では IoT サーバへの要求条件とマートホームやスマートオフィスに適用可能なオIoT アーキテクチャについて述べ，第３章で，今ンプレミス型 IoT サーバ構築を試みる．

回構築したシステムと IoT サーバについて詳述

図 1 に、IoT システムの構成図を示す．ルータする．第４章では，実験の結果を示し、考察を行を介してインターネット接続を持つ LAN に IoT

い、最後に第５章でまとめる．

サーバを設置する．センサを備えたマイコン（セ2. IoT システムアーキテクチャ
本章では、 IoT サーバ設計の前提とした IoTサーバへの要求条件と IoT システムについて述
べる．

IoT サーバの機能は、例えば Guth ら [1] も論じているようにデータの収集・解析がコアとなる．
つまりデータベースがそのコアとなる．オープン
ソースのデータベースは多く開発されているが、データベースだけではデータの分析や可視化のためにプログラミングが必要となる．この点について、統合管理・監視ソフトウェアは、システムやネットワークの稼働状況を監視しつつ、異常を発見するために、データ分析や表示機能も備えたデータベースとなっており、優れている．例えば、統合管理ソフトウェアとして普及しているオープ

ンサマイコン）で構成された IoT デバイスは、同じ LAN に接続されたアクセスポイント（AP）と無線 LAN で接続されている．これにより、 IoTデバイスが測定したデータは、 AP を経由して、IoT サーバに伝送される．IoT サーバは、データを保存するとともに、必要に応じて分析し、結果に応じて必要な通知やサービスを行う．これは、ホームネットワークなどと同様で、かつ基本的な構成になる．家庭の場合、インターネットと接続するための光回線サービスが、家庭内に設置される Wi-Fi ルータに接続され、スマートフォンなどの端末は、Wi-Fi で Wi-Fi ルータに接続し、家庭内の他の機器や、インターネットのサイトに接続している．従って、Wi-Fi ルータが図 1 中のルー
タ＋ LAN の役割をしている．スモールオフィスや工場、農場なども同様の構成をとる場合が多い馬場：スマートホームにおけるIoTデバイス管理の一考察ため、このアーキテクチャで機能する IoT サーバ機能としてオープンソフトウェアの Mosquitto をが重要である．また、主にローカルに閉じているインストールした．IoT デバイスは、IoT サーバネットワーク内で機能する IoT システムであるたの Mosquitto が提供する MQTT ブローカ機能にめ、通信のセキュリティや IoT サーバのセキュリ測定したデータを送信し、 Zabbix がそのデータティについては、無線 LAN 部分の暗号化や IoTを Mosquitto から読取り受信することで、Zabbixサーバへの侵入防止など最低限の機能装備で良いが管理するデータベースにデータが格納されるとと考えられる．

ともに、その値が Zabbix ダッシュボードに表示

3. IoT サーバ及びシステム開発
IoT サーバは、ネットワーク機器の統合管理・監視で使用していた Zabbix で構築した．Zabbix
は家庭では使われていないが、統合管理・監視用のオープンソフトウェアとして普及しており、データの収集と保存、条件を設定することにより、データが異常値を示した場合の警報表示などの機能も持つ．さらにトリガによるスクリプトや外部サービスの起動などの機能も持ち、IoT用途にも拡張しやすい．例えば、IoT でよく使われる通信プロトコルの MQTT (Message Queuing

Telemetry Transport) もサポートされた． MQTTされる．ダッシュボードは、図 2 に示すような、システムの稼働状況を一覧できるように、表やグラフ、数値で表示する機能である．図 2 では、左サイドの中段に IoT デバイスが測定している照度 (Lux) が表示されている．また、Zabbix はデー
タ保存・読出しの管理に SQL データベースソフ
トを利用し、ダッシュボード表示のために Webサーバソフトを利用している．図 3 に開発した

IoT サーバの構成を、表 1 に IoT サーバに使用したアプリケーションソフトウェアのリストを示す．これらは全てオープンソースとして提供されている．

は軽量なプロトコルで、計算能力の低いマイコンでも処理が可能なため使用している．ただし、

MQTT は、 Publish-Subscribe タイプと呼ばれる通信プロトコルであり、送信者と受信者が直接データをやり取りせずに、間にブローカと呼ばれる機能を介してデータをやり取りする．Zabbix
は MQTT プロトコルに対応したが、受信者とし

図 2 IoT サーバ ダッシュボードての機能のみを装備し、ブローカ機能は備えていない．このため、IoT サーバには別途ブローカ

図 3 IoT サーバ 構成
表 1 IoT サーバ

図 1 スマートホームの IoT システムの基本構成

ソフトウェア構成

第一工科大学研究報告第36号（2024）

IoT デバイスは、図 4 に示すようにマイコンにイスで測定時のタイムスタンプを付して、データセンサを接続して構成されている．マイコンは、を送信することにより、データの正確な測定日時

M5Stack 社の ATOM S3 を使用した．これは、小が記録できる．

型で ESP32-S3 コントローラを搭載し、更に表示用液晶、Wi-Fi、加速度センサを備える．これに照度センサを接続した．測定された照度はマイコンから Wi-Fi 経由で、IoT サーバに転送される．
この IoT デバイスは、岩原らが IoT 実験のために開発したデバイスで、４日間連続しての照度データ送信の実績がある [6]．図 5 に豆苗の成長と照度の関係を測定した実験の様子と測定された照度データの例を示す．

図 6 IoT サーバに保存された照度データ（左列：タイムスタンプ、右列：照度）

図 4 IoT デバイスの構成（左：構成図、右：照度計を備えたマイコン外観）

図 7 照度データの可視化
図 5 IoT デ バ イ ス に よ る 照 度 測 定 実 験（左 照度測定の様子、右4 日間測定の照度データ［青線］）

以上のように、サーバやネットワークの状況を把握するためのオープンソースの統合監視ソフトを用いて、IoT サーバとして活用できることを示した．また、今後、確認すべき項目として、以下

4. 実験と考察が挙げられる．

構築した IoT サーバを含むシステムで、データ収集実験を実施した．実験により IoT デバイ○スが測定した照度データが、IoT サーバに伝送さフォンのような小さな画面しか持たない端末でもれ、図 2 で示されたようにダッシュボードに表示効果的に状況を表示できるダッシュボード機能のされると同時に、図 6 に示されるように Zabbix拡張が有効である．スマートフォンは、オフィスのデータベースに保存されることを確認した．

や家の中でも持ち回ることが多く、どこでもデー

Zabbix に保存されたデータは、その機能によりタを確認することができ、パーソナルなサービス

図 7 のように可視化するなどの加工が容易であの端末として重要である． Zabbix は、ダッシュる．なお、図 6 に示されているタイムスタンプは、ボードを Web ページとして表示することで、表Zabbix においてデータを読み取ったタイミング、示画面の大きさの違いにフレキシブルに対応してつまり記録時間である．読取りは、IoT デバイス

いるが、スマートフォン用の表示は対応していな

でのデータ測定、送信とは非同期に行っており、いため、小さな画面では、全体を表示すると文字

この記録時間は、照度データに測定した時のタイなどが小さくて見づらいし、通常サイズの表示をムスタンプとは数～数十秒ずれている．IoT デバ

行うと左右上下に動かしながら見なければならな

ホームやスモールオフィスでは、スマート馬場：スマートホームにおけるIoTデバイス管理の一考察

い．この点については、スマートフォンアプリで管理を提供できる．従って、データが受信されなの対応が考えられ、或いは、Web ページ表示でのくなった場合の原因究明や切り分けの支援や自動解決法でも、効率的にフレキシブルな対応が可能化が可能であり、回復までの時間短縮が可能になと考えられる．

る．これを 1 つのサーバで実現できることは、効率的であり、IoT システムとしての信頼性向上が○

今回は、データの収集・表示を実現したが、見込める．

IoT によるサービスの提供を考えると、データの高度な分析が必要になる．例えば、Beshley ら [8]○ 今回の設計で、セキュリティについては最低が行っているように AI による分析とサービスと限の対応としたが、各ソフトウェアは証明書認証の連携は重要と考える． Zabbix では、外部スクや暗号化などに対応する機能を備えており、家庭リプトの実行や、プラグインの開発により、そのやスモールオフィスの要求に応じたセキュリティ機能を拡張することができるので、複雑なデータ設計・設定が可能と考える．特に、今回想定して処理を行い有効なサービスを提供する AI プログいるシステムよりも外部、つまりインターネットラムを取り込み、または協調することが可能であ側から IoT サーバのダッシュボードの確認や、異る．AI プログラムの場合、常時学習しプログラ常時などの対応を行う場合、セキュリティの設計ム自身を更新するなど、データとの密な関係が重が大変重要となる．

要なため、それを効率的に実現するための適用方法はさらに研究が進められると考えられる．
○本 IoT サーバ構築で、オープンソースで IoTサーバに必要な部品となるプログラムが揃っていることは示された．しかし、複数のプログラムをそれぞれインストールし、それらを連携させる設定を行う必要があり、これらは IT 技術者のいない家庭やスモールオフィスで導入するには、簡単な作業ではない．これをパッケージ化し、ほぼ自動でインストールできる環境の提供が必要であり、さらにインストールや運用時のトラブルについての対応情報や、支援するコミュニティの構築も重要である．

5. さいごに家庭やスモールオフィスで安価・簡易に IoT システムを構築するための、オープンソースを用いたオンプレミス型 IoT サーバを設計、構築し、その動作を確認した．統合管理・監視ソフトウェ
アを IoT システムのコアとして選択することにより、IoT デバイスの管理とデータ処理の両方を実現でき、システムとしての信頼性向上が見込める．また、広く普及し、コミュニティが大きなオープンソースを選ぶことにより、関連情報が豊富で、ソフトウェアの使用料が不要な IoT サーバを実現することができ、これはスマートホームやスマートオフィスに有効と考える．
参考文献○IoT サーバに用いた Zabbix は、統合管理・[1] J. Guth, et al. ”A detailed analysis of IoT

監視ソフトウェアであり、本来の機能として IoT

platform architectures: concepts, similarities,デバイスの稼働状況の監視や異常検出を行うこand differences.” Internet of everything: algo-とができる． IoT デバイスがネットワーク管理

rithms, methodologies, technologies and per-で標準的な SNMP (Simple Network Management

spectivesm, 81-101, 2018

Protocol) による管理を実装していれば、詳細なデ[2] D. Happ, et al. Meeting IoT platform require-バイス監視・管理が可能であるし、そうでない場

ments with open pub/sub solutions. Annals of

合でも Ping 機能を用いた通信機能の監視や Web

Telecommunications, 72: 41-52, 2017

ページを用いた管理など、多様なデバイス監視・[3] S. Lucero, et al. ”IoT platforms:

en-第一工科大学研究報告

abling the Internet of Things.” White paper,cdn.ihs.com, 2016[4] 竹内 純人「OSS を活用したグラフィカルなセンサデータ監視システムの構築」電気通信大学紀要 31 巻第 1 号 pp.1-10，2019[5] 藤原 巧未，長尾 和彦「IoT デバイスの活用による教室環境の評価」FIT2022(第 21 回情報科学技術フォーラム)，2022[6] 岩原 巧暉，倉津 晃樹「デバイス連携制御機能を備える IoT プラットフォームの研究」
第一工科大学 卒業研究報告, 2024

[7] 鮫島 利希，茶円 優輝「IoT と Zabbix を活用した企業の生産性向上の研究」第一工科大学 卒業研究報告, 2024

[8] M. Beshley, Y. Shkoropad, J. Smettan, O.
Kochan and H. Beshley, ”AI-Based IoT System for Temperature Forecasting,” 2023 IEEE
5th International Conference on Advanced Information and Communication Technologies(AICT), pp. 92-96, 2023

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