ECHONET Lite時代を迎えたスマートハウス構築のためのホームネットワーク技術2013[ECHONET LiteからSEP2/OSGi/ZigBee/Z-Wave/Bluetooth/PLC/G.hnまで]

85,000円

執筆者: 

丹 康雄[著]

サイズ・判型: 

A4判

ページ数: 

240P

発売日: 

2012/09/13

本書は、2011年3月11日の東日本大震災の直後の2011年5月に、被災地の1日も早い復興を祈念して発行された「スマートハウス構築のためのホームネットワーク技術2011」の改訂増補版となっています。

この間、地球温暖化問題、エネルギー電力危機を背景に欧州、米国、日本を含むアジア等、世界のスマートグリッドは、急速に進展しました。
例えば、米国のNISTからスマートグリッドのバイブルとも言われる国際標準仕様「NIST2.0」完成(2012年2月)し、日本では、JSCAの「スマートハウス標準化検討委員会」において、スマートハウスの心臓部とも言われる、スマートメーター/HEMS用の標準インタフェースとして「ECHONET Lite」が策定され、公開(2011年12月22日)されました。
さらに「ECHONET Lite」の通信メディアについても、新しく「特定小電力無線(ZigBeeやSUN等)、無線LAN(Wi-Fi)、PLC(電力線通信)が推奨(2011年12月)されるなど、スマートハウスに関連する技術が次々に提供され始めています。
さらに、HEMSについてはECHONET Liteの搭載を前提に、政府も補助金を組んで後押しています。
そこで、このような新しい動向を盛り込んだ「ECHONET Lite時代を迎えたスマートハウス構築のためのホームネットワーク技術2013」を発刊することになりました。ご期待ください。
本書は、スマートグリッドシリーズ第14弾。

はじめに - 2013年版への追記
はじめに(2011年版)

第1章  スマートハウス構築のためのホームネットワークの基本構成とプロトコル
1.1  ホームネットワークとセンサーネットワークの違い
  1.1.1  ホームネットワーク:複合的なネットワークシステム
  1.1.2  センサーネットワーク:ホームネットワークのひとつのデバイス
1.2  ネットワークアーキテクチャとプロトコルスタック
  1.2.1  端末同士の通信の仕組み
  1.2.2  プロトコルとは?  インタフェースとは?  プロトコルスタックとは?
1.3  ネットワークアーキテクチャ:OSIの7レイヤモデルとTCP/IPの5レイヤモデル
  1.3.1  OSIの7レイヤモデルの構成
  1.3.2  TCP/IPの5レイヤモデルの構成
  1.3.3  TCP/IPプロトコルスタックの各レイヤの役割
    〔1〕ルータとブリッジの違い
    〔2〕TCP/IPプロトコルスタックとOSI 7レイヤモデルの関係
1.4  TCP/IP環境と組込み系ネットワークシステム
  1.4.1  ホームネットワークと組込み系ネットワークシステム
    〔1〕重要な組込み系におけるネットワークアーキテクチャ
    〔2〕「本体機能への要求」(4ビット)と「ネットワーク機能への要求」(32ビット)が逆転
  1.4.2  重要なホームネットワークの最適化
1.5  TCP/IP環境と組込み系ネットワークアーキテクチャの特徴
  1.5.1  TCP/IPネットワークアーキテクチャの特徴
  1.5.2  TCP/IPがホームネットワークに採用される背景
1.6  IEEE 1394プロトコルスタックと各レイヤの関係
  1.6.1  IEEE 1394とOSI 7レイヤの関係
  1.6.2  IP 1394レイヤの役割
1.7  デジタルビデオを接続する場合:IEEE 1394の例
  1.7.1  デジタルビデオの機能とファームウェア
  1.7.2  限られた資源を無駄なく実装する
1.8  組込み系はすべてIPで統一されるわけではない
  1.8.1  DLNA:開発効率の大幅な向上
  1.8.2  HDMIインタフェースの出現
1.9  アプリケーションごとに異なるプロトコルスタックの適用
  1.9.1  目的に応じたプロトコルスタック
  1.9.2  Bluetoothにみる「プロファイル」
1.10  組込み系のネットワークアーキテクチャの特徴
  1.10.1  目的に必要な最低限の機能だけをもつ
  1.10.2  重要となるTCP/IPとの整合性
  1.10.3  ネットワークの相互接続とゲートウェイの役割
  1.10.4  トンネリング:同じネットワークアーキテクチャのシステムの場合
  1.10.5  複数の下位レイヤを定義する方法
1.11  ホームネットワークシステムのハード(インフラ)とソフト(サービス)
  1.11.1  小規模の場合:ハードとソフトが一体となって目的を達成する
  1.11.2  全体を統制するコントローラの必要性とその問題点
    〔1〕スマートハウス環境での消費エネルギーの抑制
    〔2〕求められる全体を統制するホームサーバ
  1.11.3  ハード的な要素とソフト的な要素のバランス
    〔1〕投資に見合ったメリットはあるか
    〔2〕「ハード的な要素」と「ソフト的な要素」のバランス

第2章  ホームネットワークシステムの技術的な構成要素
=ホームネットワークアーキテクチャからOSGiまで=

2.1  ホームネットワークとは何か?
  2.1.1  重要なサービスのカテゴリー分け(分類)
    〔1〕ホームネットワークとは何か
    〔2〕運用上の課題とビジネスモデル
  2.1.2  ホームネットワークは「家庭生活を支援するICTシステム」
2.2  ホームネットワークのネットワークアーキテクチャ
  2.2.1  原点となった宅内フォーラムのアーキテクチャ
  2.2.2  宅内フォーラムのホームネットワークモデル
  2.2.3  ITU-Tによる国際標準アーキテクチャ「J.190勧告」
2.3  ホームネットワークのサービスアーキテクチャ(1):スタンドアロン型
  2.3.1  シンプルなスタンドアロン型アーキテクチャ
  2.3.2  ホームネットワークのコントローラが制御する対象
  2.3.3  重要な信頼性とセキュリティ対策
2.4  ホームネットワークのサービスアーキテクチャ(2):ASP型
  2.4.1  ASP(アプリケーションサービスプロバイダ)型とは?
  2.4.2  ASP型ホームネットワークのサービス
  2.4.3  ASP型ホームネットワークの課題
  2.4.4  ハードビジネスとソフトビジネスを独立して展開
2.5  ホームネットワークのサービスアーキテクチャ(3):プラットフォーム型
  2.5.1  プラットフォーム型とは?
  2.5.2  プラットフォーム(PF)事業者がホームゲートウェイを提供
  2.5.3  プラットフォーム(PF)事業者がSPにAPIを提供
  2.5.4  データベース(DB)を活用した高度なサービス
  2.5.5  家庭の主婦でもサービスの提供が可能に
2.6  ホームネットワークのネットワークインフラ技術
  2.6.1  重要な伝送メディアの開発
  2.6.2  ホームネットワークを実現する伝送メディアの種類
    〔1〕情報専用の配線
    〔2〕無線
    〔3〕電力線
    〔4〕アンテナ線
    〔5〕電話線
  2.6.3  有線・無線の伝送メディアの特徴
    〔1〕有線伝送メディアの特徴
    〔2〕無線伝送メディアの特徴
2.7  ホームネットワークでサービスを実現する技術
  2.7.1  重要となるホームゲートウェイ上のソフトウェア
  2.7.2  ソフトウェアの実行環境の性質
2.8  ホームゲートウェイを実現するOSGi
  2.8.1  ホームゲートウェイの構築を目指して開発されたOSGi
  2.8.2  効率の良いアプリケーション開発が可能
2.9  OSGiのライバルとなるか、Android/iOS
  2.9.1  実績豊富なOSGiとAndroid/iOSの登場
  2.9.2  OSGiによるホームICT基盤

第3章  国際標準「ECHONET」(エコーネット)によるホームネットワークの展開
3.1  ホームネットワークにおける共通化が必要な部分
  3.1.1  ECHONETで規定している範囲
  3.1.2  ECHONETの本体部分
3.2  家電機器のモデル化とネットワークインタフェース
  3.2.1  ECHONETのプログラミングモデルやデータ構造
  3.2.2  ECHONETにおけるオブジェクトの識別と温度センサークラスの例
  3.2.3  オブジェクトを対象とした操作に関する「基本API」を規定
3.3  ECHONETは仮想化されたネットワーク
  3.3.1  ECHONET:伝送メディアに依存しないネットワーク技術
  3.3.2  伝送メディアの非依存性を実現する技術
  3.3.3  具体的なECHONETアドレスの構成
  3.3.4  ECHONETの転機となったBluetoothとUDP/IPの導入
  3.3.5  UDP/IPの採用とカプセル化
3.4  次々に国際標準化を実現するECHONET
3.5  ECHONETによるシステムの構成
  3.5.1  ECHONETプロトコルスタックの実装
  3.5.2  ECHONETとIPの取り扱い
  3.5.3  ECHONETとUPnPの間のゲートウェイの定義
  3.5.4  VPN(仮想専用線)などで通信範囲を拡大
3.6  ECHONETオブジェクトにみる各種センサー
  3.6.1  ECHONETでセンサークラスを定義
  3.6.2  センサーの種類とそれぞれの役割
3.7  実際のECHONET対応温湿度センサーの実例
  3.7.1  センサー素子とミドルウェアアダプタの間に変換基板を追加
  3.7.2  ECHONETミドルウェアアダプタの役割
  3.7.3  1つのミドルウェアアダプタで複数のオブジェクトを生成
  3.7.4  標準化されたインタフェースを採用

第4章  HEMSの標準プロトコル「ECHONET Lite1.0」の策定と新しい展開
4.1  「ECHONET 4.0」と「ECHONET Lite1.0」の登場
  4.1.1  機器オブジェクト詳細規定は両者で共有
  4.1.2  ECHONET Liteにおける機器オブジェクトの追加
4.2  ECHONET Liteの意味合い
  4.2.1  上位レイヤでの規程
  4.2.2  下位レイヤ:重要なアドレス解決
  4.2.3  さらに必要となるアドレス解決
  4.2.4  非IP、IPの差異吸収を規格の外に
  4.2.5  ECHONET Lite規格は次世代ECHONET規格
4.3  ECHONET 4.0規格とその特徴
  4.3.1  IP対応と機器オブジェクトの増強
  4.3.2  ECHONETの中心はECHONET Liteへ移行
4.4  今後のECHONET準拠システムの開発
  4.4.1  経済産業省が後押しするECHONET Lite
  4.4.2  ECHONET Liteの扱いは特例的である
  4.4.3  ECHONET Liteで課題となる下位層(伝送メディア)の互換性
    〔1〕ECHONET Liteには伝送メディアの規程がない
    〔2〕ECHONET Liteの電文(メッセージ)
  4.4.4  標準的な実装方法が求められるECHONET Lite
  4.4.5  新世代ネットワーク推進フォーラムの対応
  4.4.6  ECHONET とECHONET Liteは別のプロトコル
4.5  ECHONETにおける機器オブジェクトの重要性
  4.5.1  太陽光発電の電力制御の例
4.6  ECHONET Liteのオブジェクトの全体的な構成

第5章  無線技術を用いたホームネットワークシステムの標準規格とその特徴
5.1  いろいろな無線技術の特徴と位置づけ
  5.1.1  ホームネットワークで使える電波(周波数帯)
  5.1.2  高い周波数と低い周波数の違い
    〔1〕高い周波数:直進性が強い性質
    〔2〕低い周波数:回り込む性質
  5.1.3  高い周波数ほど、情報の伝送容量が大きい
  5.1.4  電波の直進性と伝送容量のバランス
  5.1.5  2.4GHz帯の位置づけと課題
5.2  ホームネットワークに関連する無線伝送メディアの規格:6つのグループ
    〔1〕グループ1:WiMAX
    〔2〕グループ2:IEEE 802.11ファミリーの無線LAN
    〔3〕グループ3:ZigBee、Z-Wave
    〔4〕グループ4:Bluetooth
    〔5〕グループ5:IrDA
    〔6〕グループ6:無線HDMI、次世代高速無線LAN、無線USB
    〔7〕グループ7:NFC、Transfer Jet
5.3  7グループの無線伝送メディアの規格の特徴
  5.3.1  グループ1の特徴〔WiMAX〕
  5.3.2  グループ2の特徴〔無線LAN(Wi-Fi)〕
  5.3.3  グループ3の特徴〔ZigBeeやZ-Wave〕
  5.3.4  グループ4の特徴〔Bluetooth〕
  5.3.5  グループ5の特徴〔IrDA〕
  5.3.6  グループ6の特徴〔高速無線LAN向け規格群、無線HDMI向け規格群〕
  5.3.7  グループ7の特徴:NFCやTransfer Jet
    〔1〕NFCとTransfer Jetの違い
    〔2〕NFCはZigBeeに代わって利用できる可能性がある
5.4  ZigBee:スマートグリッド向けにZigBee IPを策定
  5.4.1  ネットワークレイヤ以上はZigBeeアライアンスが仕様化
  5.4.2  ZigBeeのプロトコルスタック
  5.4.3  スマートグリッドにおけるZigBeeの位置づけ
  5.4.4  SEP1.xとSEP 2.0はまったく異なるプロファイル
  5.4.5  ZigBee IPとSEP 2.0
  5.4.6  SEP 2.0とOpenHAN
  5.4.7  影響力の大きいZigBee:ヘルスケアやリモコンへも
  5.4.8  スマートメーター用の新標準規格「IEEE 802.15.4e/g」を策定
    〔1〕IEEE 802.15.4g(SUN)規格
    〔2〕IEEE 802.15.4e規格
5.5  Z-Wave:新しい920MHz帯対応のZ-Waveが日本市場へ登場
  5.5.1  ZigBeeと類似点の多いZ-Wave
  5.5.2  スマートグリッド分野へも用途を広げるZ-Wave
  5.5.3  Z-Waveのプロトコル:「Z-Wave」と「IP」のデュアルスタックが可能
  5.5.4  Z-Waveの課題と日本市場への期待
5.6  Bluetooth:新たに高速規格や低消費電力規格を策定
  5.6.1  妨害(ノイズ)に強い通信方式
  5.6.2  Bluetoothのネットワーク構成
  5.6.3  Bluetoothプロトコルスタックとプロファイル
  5.6.4  新規格:Bluetooth 3.0+HSとBluetooth 4.0で新展開
  5.6.5  Bluetoothの次の選択肢と課題
5.7  IEEE 802.11:スマートグリッド向けの取り組みを強化
  5.7.1  TCP/IPプロトコルスイートのための標準伝送メディア
  5.7.2  新しい無線LANファミリー「IEEE 802.11ah」規格の策定
  5.7.3  無線LANとWi-Fiアライアンスの役割

第6章  有線技術を用いたホームネットワークシステムの標準規格とその特徴
6.1  有線伝送技術を用いた各システムの特徴と位置づけ
  6.1.1  ホームネットワーク用の有線媒体の伝送メディア
  6.1.2  日本家屋の配線とケーブルの選択肢
  6.1.3  異なる伝送媒体を相互接続する中継機
  6.1.4  各種媒体が混在したホームネットワーク接続
    〔1〕有線インタフェースと無線インタフェース
    〔2〕異なるデータリンク層技術の相互接続
6.2  有線伝送技術を4グループに分類して整理
    〔1〕グループ1
    〔2〕グループ2
    〔3〕グループ3
    〔4〕グループ4
6.3  4グループの各有線系ホームネットワークの特徴
  6.3.1  グループ1:映像機器の接続を目的に超高速を安価に実現
  6.3.2  グループ2:Ethernetファミリー
  6.3.3  グループ3:とくに注目されるITU-T G.hn
  6.3.4  グループ4:低消費電力で低コストを目指すPLC
  6.3.5  存在感を増すEthernetファミリー
6.4  電力線通信(PLC)技術:高性能型PLCと低消費電力型PLC
  6.4.1  第1の見方:あまねく存在する既設媒体を活用する通信方式
  6.4.2  第2の見方:電源供給のついた通信方式
  6.4.3  第3の見方:通信も可能な電源回路
  6.4.4  高性能型PLCと低消費電力型PLCの比較
    〔1〕高性能型PLC:「UPA、HD-PLC、HomePlug」の3つの規格と課題
    〔2〕標準規格「IEEE 1901、ITU-T G.hn」の登場と統一の機運
    〔3〕低消費電力型PLC:「HomePlug GP、ITU-T G.hnem、G3-PLC」の登場
6.4.5  PLCの課題
    〔1〕3相交流の電圧の問題
    〔2〕携帯電話などの小型ACアダプタの問題
    〔3〕電力線は外部にもつながっているという問題
6.5  アンテナ線通信技術:MoCA、ITU-T G.hn、HomePNA
  6.5.1  アンテナ線通信技術の特徴
  6.5.2  アンテナ線通信技術の規格と課題
6.6  電話線通信技術:HomePNA、ITU-T G.hn
  6.6.1  HomePNA
  6.6.2  ITU-T G.hnへの期待
6.7  Ethernetファミリー:FastEthernetから10G Ethernetまで
  6.7.1  EthernetファミリーとUTPのカテゴリー分け
  6.7.2  Ethernetケーブルで端末に電力を供給(PoE)

第7章  スマートハウス「iHouse」におけるホームネットワークの構成例
7.1  スマートハウスにおけるシステムの構築(1):宅内機器の選択
  7.1.1  システム構築における機器の選択例
  7.1.2  住環境を自動的に整える機器
  7.1.3  機器を制御するための各種センサーの役割
    〔1〕エアコンの制御
    〔2〕カーテン・窓の制御:遮光性、遮熱性、遮像性
    〔3〕消費エネルギーの制御
  7.1.4  オーディオ/ビジュアル(Audio/Visual)分野の課題
7.2  スマートハウスにおけるシステムの構築(2):伝送メディアの選択
  7.2.1  無線伝送メディア:2.4GHz帯のBluetooth/無線LAN/ZigBee
    〔1〕Bluetooth
    〔2〕無線LAN
    〔3〕ZigBee
    〔4〕Wi-SUN、UHF帯ZigBee
  7.2.2  有線伝送メディア:PLC(電力線通信)/同軸ケーブル/UTPケーブル
    〔1〕PLC(電力線通信)
    〔2〕アンテナ用の同軸ケーブル
    〔3〕UTPケーブル:Ethernet
  7.2.3  「iHouse」システムの伝送メディア(1):有線はEthernet接続を基本
  7.2.4  「iHouse」システムの伝送メディア(2):無線はBluetoothと無線LANを併用
7.3  iHouseにおけるサービスの構築例
  7.3.1  サービスはASP型やFP型に移行
  7.3.2  OSGiゲートウェイの役割
  7.3.3  ECHONET-UPnPゲートウェイ
  7.3.4  無線LAN/Bluetoothのアクセスポイント
7.4  今後のユーザー向けサービスの開発の課題
  7.4.1  ASP型かPF型か
  7.4.2  アプリケーションバンドルと外部情報の関係
7.5  事例:スマートハウス「iHouse」の間取りと構成する機器
  7.5.1  iHouse躯体(建築物の構造体)と外観
    〔1〕iHouseの内壁はネジ留め式
    〔2〕iHouseの天井に点検口を設置
    〔3〕Blutooth接続されているECHONETエアコン
  7.5.2  iHouseの設備
    〔1〕電動窓と電動カーテン
    〔2〕電動オーニング(日よけ)
    〔3〕エアコンや家電製品
    〔4〕電源コンセント
  7.5.3  iHouseのセンサー類
    〔1〕人感センサー
    〔2〕温湿度センサーと照度センサー
    〔3〕屋外の風向風速計と照度計
    〔4〕屋外の日照計と温湿度計
  7.5.4  エネルギー関連設備
    〔1〕太陽電池パネル(2kW)
    〔2〕燃料電池と蓄電池

第8章  エネルギー管理のためのスマートメーターネットワークの構築と3つのパターン
8.1  家庭のスマートメーターと電力会社を結ぶネットワーク
8.2  スマートメーターネットワークの位置づけとその役割
  8.2.1  メーター(電力計)とスマートメーターの関係
  8.2.2  ホームネットワークシステムにスマートメーター機能を追加
8.3  スマートメーターネットワーク敷設の3つのパターン例
  8.3.1  スマートメーターネットワーク:敷設パターン(1)
  8.3.2  スマートメーターネットワーク:敷設パターン(2)
  8.3.3  スマートメーターネットワーク:敷設パターン(3)
8.4  スマートメーターネットワーク(AMI)への期待
8.5  日本のスマートハウスの方向性
  8.5.1  必要とされるスマートハウス用OSの開発
    〔1〕必要とされるスマートハウス用OSの開発
  8.5.2  現在のスマートハウス:HEMSの初歩的な機能をもつ住宅
    〔1〕短期に実現できるスマートハウス
    〔2〕現状におけるいろいろな制約
  8.5.3  将来を予測した戦略の必要性
    〔1〕時代の制約:携帯電話端末のコンピュータとしての能力の差
    〔2〕重要な戦略:将来ビジョンが描けているかどうか
8.6  HEMSの性質を左右する機能要素とその分類
  8.6.1  HEMSがもつ可能性のある5つの機能
  8.6.2  HEMSの管理対象に創エネ・蓄エネ機器の有無
  8.6.3  HEMSにおけるエネルギー需要制御の有無
  8.6.4  HEMSにおける能動的なエネルギー売買の有無
8.7  スマートハウス技術の標準化
  8.7.1  標準化団体の区別
    〔1〕デジュール標準
    〔2〕デファクト標準
    〔3〕フォーラム標準
  8.7.2  フォーラム(デファクト)標準とデジュール標準の併用
    〔1〕パターン(A)の場合
    〔2〕パターン(B)の場合
    〔3〕実際には両方のパターンが入り交っている
  8.7.3  各種標準化団体の活動範囲
    〔1〕全体の構成(アーキテクチャ)も含めた議論
    〔2〕運用規程を開発に関する議論
    〔3〕国際標準か、国や地域を限定した標準かの議論
  8.7.4  スマートハウスやスマートグリッドの国際標準化
    〔1〕IECの場合
    〔2〕ITU-Tの場合
    〔3〕ISOの場合
  8.7.5  注目される国外/国内の2つの標準化組織:SEP 2とJSCA
    〔1〕ZigBee AllianceのSEP 2
    〔2〕日本のJSCA(スマートコミュニティアライアンス)

索引