ラズベリーパイが誇る圧倒的なコストパフォーマンス、そしてラズベリーパイ上で使えるオープンソースソフトウェアと世界中のエキスパートユーザー達がインターネット上で発信する驚異の技術ナレッジベース。ラズベリーパイプラットフォーム上で日々生まれる最先端IoT工学技術を製造現場でいち早く展開したいという声で生まれたのが、ヨーロッパ生まれの産業用ラズベリーパイです。
プラットフォームとしてのラズベリーパイ
ラズベリーパイは商業的にも最も成功した手のひらサイズのコンピュータ。全世界で累計2000万台、日本国内では年間80万台が販売されており、例えば国内のPLC出荷台数約60万台を大きく凌ぎます。教育やホビー用のイメージもありますが、実際は製造現場や他の産業用用途でも幅広く使われています。(2019年時点)
ラズベリーパイの特徴は、ARMベースの圧倒的なコストパフォーマンスを誇るハードウェア、オープンソース(無償)のLinux OS(Raspbian)、そしてなによりLinux上で動かせる様々なオープンソースソフトウェアが利用できることです。大学や企業の研究開発部門では、OpenCV(画像処理)、Scipy(科学計算)、Tensorflow(機械学習)、ROS(ロボット制御)などのオープンソースソフトウェアが第一線の工学研究の主要ツールとして活躍していますが、同じツールやその上で開発されたプログラムをラズベリーパイ上でそのまま動かすことができます。世界中のラズベリーパイユーザーからの貴重な技術情報がインターネットで日々発信されていることも、最先端の工学技術を手軽に実現するIoTプラットフォームとしてラズベリーパイが他の追従を許さない理由の一つでしょう。
Compute Module 3+
なぜ産業用ラズベリーパイなのか？
ラズベリーパイの持つ圧倒的なコストパフォーマンスと知的資産をそのまま利用できる産業用グレードのデバイスを開発して欲しい、そのような声に応えて開発されたのがヨーロッパ生まれの産業用ラズベリーパイです。通販で5000～10000円で買えるラズベリーパイは裸の基板でかつUSBケーブル給電という構成ですので、現場に設置するには心許ないです。実際、我々のパイロットプロジェクトでも市販のラズベリーパイを現場に置くことはありますが、熱暴走等で止まってしまうため連続稼働前提で使うことはできません。ハーティングの産業用ラズベリーパイは、100%ラズベリーパイとの互換性を確保しながら、信頼性、耐環境性能、長期運用、各種産業用規格取得といった製造現場で求められる要求を満たした産業用グレードの製品です。
2種類の産業用ラズベリーパイ
ハーティングでは２種類の産業用ラズベリーパイをラインアップしています。プラスチック筐体のRevPiシリーズはすでに2016年の発売から、国内だけでも1000台以上が製造現場で稼働しています。（2019年時点）
低コストながら、製造ラインやマシンの制御盤にDINレールで簡単に取り付けられるコンピュータとしてトレサビデータ収集、PLCとの連携、デジタルサイネージ（大型スクリーンでの情報表示）などの用途に最適です。電源はDC24V、外部インターフェースとしてUSB、microHDMIを備えています。ストレージは最大32GBまで選択できます。LANポートx2, RS-485インターフェースを備えたRevPi Connectも選べます。さらにDIO(デジタル入出力)、AIO(アナログ入出力)のモジュールと連結させることにより、24Vの制御入出力を扱うことも可能です。
金属筐体のMICA-Rシリーズは、国内鉄道車両等で実績の豊富なハーティング独自のDebianOSベース製品MICAの派生モデルとして、RaspberryPi Compute module 3+を実装しました。2022年7月にはCompute Module 4を搭載した上位後継機種のMICA-R4シリーズをリリースしました。
卓越した放熱特性により過酷な環境下での連続運用が可能です。またIP65モデルは完全防水仕様ですので、屋外を含む過酷環境下でも制御盤なしでそのまま設置することができます。
MICA-R/R4シリーズの最大の特徴は、筐体の左半分にカスタムボードを実装できることです。製造現場のIoTでは、様々なセンサ、アクチュエータ、外部システムとの接続が求められます。MICA-R/R4シリーズは、それらのインターフェースを備えたカスタムボード作成することで、理想的なオールインワンIoTゲートウェイ或いはオープンコントローラを実現できます。すでにハーティングでは様々カスタムボードを提供しておりますが、お客様のご要望に応じたカスタムボードの追加開発も低コストで対応できます。
理想的なエッジコンピュータ
産業用ラズベリーパイは、エッジコンピュータとして理想的なプラットフォームです。実際多くの生産技術エンジニアが、エッジコンピュータのプラットフォームとして従来のWindowsベースのFAコンピュータから産業用ラズベリーパイへ乗り換えています。半減するコストも大きな理由ですが、例えばオープンソースのNode REDを使えば複雑なデータ変換をグラフィカルなチャート上で設計・開発できますし、ソフトウェアPLC CODESYSⓇを使えばEthernet/IPやEtherCATによるPLCとの連携も自由自在です。また、MICA-Rでは左側のカスタムボードに好きなインターフェースを開発できますので、4-20mAやIO-LinkといったWindows PCでは扱えない信号ラインを直接接続できます。是非エッジコンピューティングのアプリケーション事例もご参照ください。
高性能マイコンSTM32とラズパイ
ラズベリーパイと並びIoT技術の主役であるArduinoや STM32のようなヨーロッパ生まれの数百円の汎用マイコンチップを使えば、センサやアクチュエータを自在、高速に駆動できます。近年のマイコンはそのプログラム開発環境が劇的にユーザーフレンドリになっており、小中学生の電子工作やロボット競技でも汎用マイコンが活躍しています。
産業用ラズベリーパイMICA-R4には、高性能マイコンSTM32F4シリーズを実装したカスタムボードがラインアップされています。入出力制御はSTM32、その後の情報処理はラズパイという役割分担を実現することにより、産業用ラズベリーパイが適用できるアプリケーションが一気に広がりました。
例えばこれまでPLCとFAパソコンを搭載していたAGV(自動搬送ロボット)も、MICA-R4ですべての制御系を完結できるだけでなく、ラズパイがサポートするROS(Robot Operating System)などの最新の工学系オープンソースソフトウェア資産をフル活用することができます。
MEMSセンサによる計測革命
MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）とは、チップにセンシングのための機械部品を集積化したセンサ内蔵ICチップで、センサの低価格化・小型化に大きく貢献しています。ToF(光距離計)や温湿度といった一般的なMEMSセンサはよく知られていますが、近年ドップラセンサ（精密速度計測）や空気中の有害物質を測るガスセンサなど、産業用用途にも活用できる革新的MEMSセンサが登場しています。MEMSセンサは低電圧出力やSPI、I2C通信などが標準的なインターフェースとなっており、上述のSTM32などのマイコンで直接駆動することができます。例えば2万Hzまで計測できるMEMS加速度計チップを実装したMEMS加速度センサ sMICA-ACCは、変換器なしに直接MICA-R4 SENSORに接続できます。MEMSセンサと高性能マイコンSTM32, 産業用ラズベリーパイの組合せることにより、IoT高度計測システムを圧倒的な低コストで実現できる時代が来ています。