Raspberry Piで変わるプロトタイプ開発の方法

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何か新しい機器を作る際に、仕様通りに動くのか、必要な性能は満たしているのかなど、プロトタイプを製作して確認を行うのが通常だ。それはIoTのデバイスであっても同様だ。センシング、ネットワーク機能を備え、耐久性も求められる。新しいソリューションでもあるIoTデバイスでは、プロトタイプ開発は必須といえる。しかし、プロトタイプ開発はいま大きな転換点にある。

小型化、低価格によるプロトタイプ開発の限界

かつて、CPUが8ビットや16ビットが主流だったころ。プロトタイプを製作する場合、汎用基板や各種の部品を購入してハンダ付けを行い製作をしていた。当時はCPUのクロックスピードも遅かったので、手配線で配線しても暴走するようなことはなく、手作りでプロトタイプを作って動作を確認し、それを元に量産用の基板を設計していたのである。

ところが、IoTデバイスのように、センサー機能やネットを介しての通信機能を備えるとなると、8ビットや16ビットでは足らず、32ビットのCPUが要求されてくる。そうなると、端子の間隔は極小になるばかりか内部に設けられている場合もあり、手でのハンダ付けは物理的にできない。さらにそこへ別の部品も取り付けるとなると、手作りでのプロトタイプの製作はもはや不可能だ。ならばと新たにプロトタイプ用の基板を設計して製作するわけだが、コストが飛躍的に上がってしまう。結果としてコストを下げるために、安く作れる海外へ製作を依頼することとなる。

しかし、プロトタイプの製作技術はそのまま量産品製作にもつながる技術である。プロトタイプの製作を海外に依頼してしまった結果、もはやメイドインジャパンの基板はなくなってしまったのである。プロトタイプの現場における普遍の問題である。

産業用ワンボードマイコンではできないRaspberry Piによるプロトタイプ開発とは?

このように、プロトタイプを新たに作ることが年々困難になっていった。作れないとなると、ひと通りの機能を備えた汎用的なワンボードマイコンの要求が高まることになる。それに何らかのOSを入れてさまざまな機器をつないでいけば、プロトタイプを作ることができるからだ。

産業用汎用ワンボードマイコン自体は、8ビットのCPUが主流であったころにも存在はしていた。手作りでもプロトタイプが製作可能だった時代にはそれほど需要は伸びなかった。しかし現在のように、プロトタイプが簡単には製作できなくなった現在では、産業用汎用ワンボードマイコンのシェアが急激に伸びつつある。少量多品種のものであればそのままリリースすることも可能で、時代の流れに合致してきたのである。

ところが、産業用汎用マイコンボードはオープンソースなハードウエアではない。何かの動作を確認したいと思っても、情報はどこにも公開されておらず、実際につないで確認しなければわからない。何か新しいものを取り付けようとしても、仕様はブラックボックス化され、メーカーと守秘協定を結ばなければ開示されないという状況だ。またOSも専用のものが使用されていることが多い。これでは開発スピードが遅く、実際に使えるか使えないかわかるのは半年や1年先。うまく動かなければそれまでのコストが無駄になり、仮に動いたとしても時代遅れになっている可能性があった。

このような状況で注目を集めたのがRaspberry Piである。Raspberry Piは小型で低価格でありながら、micro-SDをストレージとしており、オープンソースのOSであるLinuxをはじめ、各種のOSを使用することが可能だ。CPUのパワーもIoT用デバイスとしては十分なものを備えている。さらにオープンソースハードウエアであるため世界中のさまざまな人が使い、その情報を共有している。何かやろうと思った際にできるかできないかわからない場合であっても、世界中にある情報からその可能性を調べることは容易だ。多くの企業の開発者はこの特徴に注目し、Raspberry Piでプロトタイプ開発に取り組むようになった。しかし、ここで新たな問題が生じてくる。

産業用に耐える拡張性・堅牢性・安定性が必要

Raspberry Piは、そもそもプログラミング教育用に作られたものであるため、産業用に耐えうるさまざまな機能が実装されていない。基板がむき出しの状態で供給されるので、サージ、静電気対策が施されていない。内部電源やクロックを持たず、突然の電源停止によるOSクラッシュの危険性があり、タイマー処理もできない。こういったさまざまな機能の不足から、高い性能を持ちながら産業用としてそのまま使用することはできないと判断されてしまうことが多かった。

これらの問題の解決策としてRaspberry Pi搭載IoTゲートウェイが製品化されている。この製品は独自電源回路かRaspberry Piピンヘッダ経由で5Vを安定供給。ボタン電池駆動のRTCを搭載することにより、オフラインでのリアルタイム管理が可能になっている。また、金属筐体によるケーシングとグランド処理により、サージ、静電気耐性がフィールド機器並みに強化、GPIOポートのノイズが数十mVレベルに低減されている。さらに大容量のコンデンサによる電源断対策が施され、OSを安全にシャットダウンすることができるのである。Raspberry Piだけでは足りなかった産業用に耐える拡張性・堅牢性・安定性を備えることで、プロトタイプ開発者の希望を叶えるソリューションがこうしてすでに提供されている。

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