はじめに

当社では、これまで LoRaWAN を中心としたLPWANビジネスを展開してきましたが、LTE-M（LTE Cat.M1） に関するお問い合わせも数多くいただいてきました。

• 「設置場所にLoRaWANゲートウェイを置けない」
• 「広域に点在するデバイスから、ピンポイントでデータを取りたい」
• 「双方向の制御を、もう少しレスポンス良くやりたい」

こうしたご要件にお応えするために、ここしばらく、当社オリジナルのIoTデバイスシリーズ 「ELmote®（エルモーテ）」 の新ラインナップとして、LTE-Mモデル の開発を進めてきました。

仕様検討、回路設計、基板発注を経て、ようやく 試作基板が手元に届き、実際に組み上げて動作検証することができましたので、現時点の様子をご紹介します。

ELmote®シリーズ LTE-Mモデルとは

ELmote®は、当社のオリジナルIoTデバイスシリーズの総称です。今回ご紹介するのは、その中でも 完全にゼロから設計 した LTE-Mモデル で、次の要素から構成されています。

最初に用意した拡張基板は、RS485インタフェースボード です。当社の主力ユースケースであるRS485/Modbusセンサーをそのままぶら下げられるようにしています。今後、用途に応じて拡張基板のラインナップを増やしていく予定です。

なぜESP32なのか？

LTE-M デバイスをはじめとした組み込み系機器の領域では、プロフェッショナル用途として STM32系MCU を採用するケースが多いです。当社でも、お客様案件では当然STM32系を選択肢に入れています。

しかし、ELmote®シリーズのLTE-Mモデルでは 意図的にESP32 を搭載しています。

理由は、後述する 「半完成品としての提供」 という活用方針にあります。Arduino IDEやESP-IDFが整備されたESP32は、ファームウェア開発の敷居がぐっと下がり、ご自身でLTE-Mデバイスを作りたい方 にとって扱いやすいプラットフォームだからです。

動作検証してみた

試作基板を組み上げ、以下の流れで一通りの動作を確認しました。

1. ケースへの組み込み

まずは、メイン基板＋RS485拡張基板＋12Ah組電池を 防水ケースに組み込み。サイズ感、ケーブルグランドからの引き出し、アンテナの取り回しなど、設計通りに収まることを確認しました。

実機を組んでみると、図面では見えなかった改善点が必ず出てきますね。ここで何点か、製品版に向けた 筐体側の改善ポイント が抽出できました。

2. RS485/Modbusセンサーとの接続

最初の拡張基板である RS485インタフェースボード に、当社で取り扱いのあるRS485/Modbusセンサーを接続。 （以前のブログでご紹介したような）距離センサーを使い、レジスタからの値読み出しまで確認しました。

3. Soracom plan-X3 + MQTTでクラウドへ

通信回線は Soracom plan-X3 のSIMを使用しています。LTE-Mの 省電力性 を活かしつつ、必要なときに必要なだけ通信する構成です。

今回の動作シナリオは以下の通り：

[ELmote® LTE-Mモデル (ESP32 + LTE-Mモジュール)]
    ↓ 定期インタバル（120秒）でwake-up
    ├─ RS485でセンサーから値を取得
    ├─ MQTT publish（センサー値・電池電圧・基板温度など）
    └─ publish直後、数秒間だけ subscribe（設定値変更の受け取り待ち）
    ↓↑ LTE-M / Soracom plan-X3
[MQTTブローカー]
    ↑↓
[スマホアプリ（テスト用の独自アプリ）]

ポイントは、 publish直後に数秒だけsubscribeする という挙動です。

LTE-Mデバイスは電池駆動が前提のため、常時subscribeしていると電池がもちません。そこで「データを送った直後だけ、サーバー側からの設定変更コマンドを受け取れる時間を開ける」という、いわゆる window制御 を実装しています。

4. スマホアプリでの可視化と設定変更

最後に、可視化と双方向制御の検証です。テスト用に作った独自スマホアプリで、デバイスからpublishされたデータをリアルタイム表示し、サンプリング間隔の変更コマンドを送り込みます。

実機のIMEI、最新の受信時刻、距離・センサー温度・基板温度・電池電圧が一目で確認できます。下部のサンプリング間隔スライダーで値を変更し「送信」すると、次回のwindow期間中にデバイス側がその値を受信し、以降のインタバルに反映される——という仕組みです。

定期publish、windowedなsubscribe、設定値の永続化まで、一連の流れが 狙い通り動作 することが確認できました。

なぜ自前のLTE-Mデバイスを作るのか

ここまで読むと「LoRaWANもLTE-Mも、既製品ならいくらでもあるよね？」と思われるかもしれません。実際、その通りです。

中国などで製造される大量生産品には、コスト面では全く敵いません。当社も、既製品で済む案件には、迷わず既製品をご提案します。

それでも自前のLTE-Mデバイスを作る理由は、次の 2つの活用 を見据えているからです。

1. 特殊案件への対応

既製品は、汎用的な用途に合わせて設計されています。そのため、

• 「このセンサーと、この通信間隔と、こんな振る舞いをしつつ、省電力モードで動かしたい」
• 「ハード側で◯◯の制御も同時にやりたい」
• 「クラウド側のプロトコルが特殊で、既製品ファームでは対応できない」

といった 少しトリッキーな要件 が出てくると、既製品では手が出せなくなります。

ELmote®シリーズのLTE-Mモデルは、回路・筐体・ファームすべてを自社でコントロール できるので、こうした特殊案件にもきめ細かく対応できます。これは、当社がやってきた 受託開発との相性が非常に良い 領域です。

2. 半完成品としての提供

もう一つは、 「LTE-Mデバイスを自分で作ってみたい」 という方への半完成品の提供です。

LTE-Mは魅力的な通信技術ですが、ゼロから自作するのは結構ハードルが高いです。

• 電源回路・組電池まわりの設計
• LTE-Mモジュールの組み込みと法的認証
• 防水筐体・ケーブルグランド・アンテナの選定
• 省電力で動くファームウェア基盤

このあたりを 一通り完成させた状態 でお渡しできれば、開発者の方は 自分が本当にやりたいアプリケーションロジック に集中できます。

ESP32を選択しているのは、まさにこの 「触りやすさ」 のためです。

試作で見えた、製品化に向けた課題

評価基板を実際にいじってみると、机上では見えてこないことが必ず出てきます。今回も、

• スイッチボタン類の配置と種類
• 拡張基板コネクタの仕様と組み立て性
• ネジ位置やサイズ

など、製品版に向けて改善すべき項目をしっかり抽出 することができました。

逆に言うと、ここまで「動くもの」を作って初めて、 製品としての完成度を上げるための議論ができる わけです。

今後のスケジュール

ELmote®シリーズのLTE-Mモデルは、今年度内のなるべく早い段階で製品版リリース を目指して、現在改良を進めています。

• 試作基板で得られた知見を反映した改版設計
• 拡張基板のラインナップ拡充（RS485以外のインタフェース）
• ファームウェアテンプレートの整備（半完成品提供のための土台）
  

まとめ

今回は、当社オリジナルのIoTデバイスシリーズ 「ELmote®」 のLTE-Mモデル試作機について、現時点の動作検証の様子と、製品化の狙いをご紹介しました。

「こんな用途でLTE-Mを使いたいんだけど、既製品では難しそう」
「自分でLTE-Mデバイスを作ってみたいが、ゼロから始めるのはハードルが高い」

そんなご相談がございましたら、ぜひお気軽にお問い合わせください。ELmote®シリーズの活用も含めて、最適な構成をご一緒に考えます。

製品版のリリース時には、改めて本ブログでお知らせいたします。続報をお楽しみに！

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