【初心者向け】LoRa/Sigfoxモジュール入門：省電力で広範囲通信を実現するLPWAの世界 📡

はじめに：IoTとLPWAの広がり

近年、IoT (Internet of Things) という言葉を耳にする機会が非常に増えました。身の回りのあらゆるモノがインターネットに接続され、データを収集・活用することで、私たちの生活やビジネスはより便利で効率的になりつつあります。スマートホーム、スマートシティ、産業IoT (IIoT) など、その応用範囲は多岐にわたります 🏠🏢🏭。

このIoTを実現する上で、センサーデバイスからデータを収集し、クラウドへ送信するための無線通信技術が不可欠です。しかし、従来のWi-Fiや携帯電話ネットワーク (LTE/5G) は、消費電力が大きかったり、通信コストが高かったり、設置場所によっては電波が届きにくかったりと、全てのIoTデバイスに適しているわけではありません。特に、広範囲に散らばった多数のセンサーから、少ないデータを低頻度で収集したい場合、これらの技術はオーバースペックになりがちです 🤔。

そこで登場したのが、LPWA (Low Power Wide Area) と呼ばれる新しい無線通信技術群です。LPWAは、その名の通り「低消費電力」で「広範囲」の通信を実現することに特化しており、IoTデバイスの通信課題を解決する切り札として大きな注目を集めています 🌍🔋。

LPWAにはいくつかの規格が存在しますが、その中でも代表的なものがLoRa (LoRaWAN) とSigfox です。本記事では、これらLoRaとSigfoxモジュールの基本的な知識について、初心者の方にも分かりやすく、順序立てて丁寧に解説していきます。この記事を読めば、LoRaとSigfoxがどのような技術で、どんな特徴があり、どのように活用できるのか、基本的な理解を深めることができるでしょう。さあ、LPWAの世界へ一緒に足を踏み入れてみましょう！🚀

LPWAとは何か？その特徴を理解しよう

まず、LoRaとSigfoxを理解する上で欠かせないLPWAの基本的な特徴を見ていきましょう。LPWAは、IoTデバイスの多様な要求に応えるために設計された無線通信技術の総称であり、主に以下の3つの大きな特徴を持っています。

これらの特徴から、LPWAは以下のような用途で特に強みを発揮します。

• スマートメーター（水道、ガス、電気の自動検針）
• 環境モニタリング（温度、湿度、CO2濃度、水位など）
• 農業IoT（土壌センサー、家畜の追跡）
• インフラ監視（橋梁、トンネルの状態監視）
• スマートパーキング（駐車場の空き状況検知）
• 物流・資産追跡（コンテナ、パレットの位置情報管理）
• 防災・見守り（高齢者や子供の位置情報、緊急通報）

LPWAには、免許が必要な周波数帯（セルラー系LPWA: NB-IoT, LTE-Mなど）と、免許が不要な周波数帯（非セルラー系LPWA: LoRa, Sigfox, Wi-SUNなど）を利用するものがあります。LoRaとSigfoxは後者の非セルラー系LPWAに分類されます。

LoRa / LoRaWAN の世界 📡

まずは、LPWAの代表格の一つであるLoRaについて詳しく見ていきましょう。

LoRaとは？

LoRa (Long Range) は、Semtech社が開発した無線通信の物理層 (変調方式) の技術です。スペクトラム拡散技術の一種であるチャープ・スペクトラム拡散 (CSS: Chirp Spread Spectrum) を利用している点が最大の特徴です。

CSSは、信号を広帯域に拡散させることで、ノイズや干渉に強く、低い信号電力でも長距離の通信を可能にします。また、周波数が時間とともに変化する「チャープ信号」を用いることで、受信側での同期が容易になり、感度を高めることができます。これにより、LoRaは優れた長距離通信性能と耐干渉性を実現しています。

日本では、主に920MHz帯 (ISMバンド) という免許不要の周波数帯が利用されています。

LoRaとLoRaWANの違い

よく混同されがちですが、LoRaとLoRaWANは異なるものを指します。

• LoRa: Semtech社が開発した物理層 (変調方式) の技術。無線チップに実装されています。
• LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): LoRa変調技術をベースとした、通信プロトコル (MAC層以上) の仕様です。LoRa Allianceという非営利団体によって標準化が進められています。デバイスの認証、データの暗号化、ネットワーク管理、通信手順などを定めています。

簡単に言えば、「LoRa」という高性能な無線通信手段を使って、「LoRaWAN」というルールに従ってネットワークを構築・運用する、という関係性です。LoRaWANネットワークは、一般的に以下の要素で構成されます。

• エンドデバイス (End Device): センサーなどを搭載し、LoRa/LoRaWANモジュールを通じてデータを送信する端末。
• ゲートウェイ (Gateway): エンドデバイスからのLoRa無線信号を受信し、IPネットワーク (インターネットなど) を介してネットワークサーバーに転送する中継装置。
• ネットワークサーバー (Network Server): ゲートウェイからのデータを集約し、重複排除やデバイス管理、MACコマンドの制御などを行うサーバー。
• アプリケーションサーバー (Application Server): ネットワークサーバーから受け取ったデータを処理・可視化したり、他のシステムと連携したりするサーバー。

LoRa/LoRaWANのメリット・デメリット

LoRa/LoRaWANの主な用途例

上記のメリット・デメリットを踏まえ、LoRa/LoRaWANは以下のような多様な分野で活用されています。

• スマートシティ: 環境センサー (大気質、騒音)、街灯制御、ゴミ箱の満杯検知、スマートパーキングなど。
• スマート農業: 土壌水分・温度センサー、ビニールハウス環境監視、家畜の位置追跡・健康管理 (牛など)。
• スマートメーター: 水道・ガス・電気メーターの遠隔自動検針。検針員の訪問が不要になり、コスト削減と効率化に貢献。
• インフラ監視: 橋梁、トンネル、道路、線路などの状態監視、傾き検知、ひび割れ検知。災害予防や早期発見に役立つ。
• 物流・資産管理: パレット、コンテナ、輸送車両の位置追跡、温度管理。サプライチェーンの可視化。
• 防災・減災: 河川の水位監視、土砂崩れ検知、避難所の状況把握、緊急通報ボタン。
• 見守りサービス: 高齢者や子供の位置情報把握、活動量計。

代表的なLoRaモジュール

市場には様々なベンダーからLoRa/LoRaWAN対応モジュールが提供されています。代表的なものとしては以下のようなものがあります。

• Semtech製チップ搭載モジュール: SX127xシリーズ (LoRaのみ) や SX126xシリーズ (LoRa/LoRaWAN) を搭載したモジュールが多数存在します。HopeRF (RFM95Wなど)、Murata (Type ABZなど)、Microchip (RN2903, RN2483など) といったメーカーがモジュールを製造しています。
• ESP32 + LoRa: ESP32マイクロコントローラとLoRaチップ (SX1276など) を組み合わせた開発ボード (TTGO LoRa32, Heltec WiFi LoRa 32など) も人気があります。Wi-FiやBluetoothも搭載しているため、柔軟な開発が可能です。
• Arduino向けLoRaシールド/モジュール: Arduino UnoやMKRシリーズなどに接続してLoRa通信機能を追加できるシールドやモジュールも豊富です (Dragino LoRa Shieldなど)。

これらのモジュールは、UARTやSPIといったインターフェースを通じてマイクロコントローラと接続し、ATコマンドやライブラリを使って制御するのが一般的です。

参考リンク: LoRa Alliance https://lora-alliance.org/

Sigfox の世界 📡

次に、もう一つの代表的なLPWA規格であるSigfoxについて見ていきましょう。

Sigfoxとは？

Sigfox は、フランスのSigfox社 (現在はUnaBiz社が事業継承) が提唱・展開するLPWA技術およびそのグローバルネットワークサービスです。LoRaとは異なり、Sigfoxは技術仕様からネットワークインフラ、クラウドサービスまでを一貫して提供するビジネスモデルを特徴としています。

Sigfoxの無線通信には、UNB (Ultra Narrow Band) という非常に狭い帯域幅 (100Hz程度) を用いる独自の方式が採用されています。これにより、受信機の感度を高め、ノイズの影響を低減し、低消費電力での長距離通信を実現しています。また、非常にシンプルな通信プロトコルを採用することで、デバイス側の実装を簡素化し、コストを抑えることにも貢献しています。

使用する周波数帯はLoRaと同様に免許不要のISMバンドで、日本では920MHz帯が利用されます。

Sigfoxの最大の特徴は、グローバルなローミングに対応した単一のネットワークを、サービス事業者 (Sigfox Operator) が各国で展開している点です。ユーザーは、Sigfox Operatorと契約し、サービスエリア内であれば、自前でゲートウェイやサーバーを構築することなく、すぐにSigfoxネットワークを利用開始できます。これにより、特にグローバル展開を考える場合に導入が容易になります 🌐。

Sigfoxのメリット・デメリット

Sigfoxの主な用途例

Sigfoxはその特性から、特に以下のような「超低消費電力」「超低コスト」「少量のデータ送信」が求められる用途に適しています。

• 資産追跡 (Asset Tracking): 輸送用コンテナ、パレット、レンタル機材、盗難防止タグなど、頻繁な電池交換が難しく、位置情報などの少量データをたまに送信するだけでよいもの。グローバルローミングが活きる分野。
• スマートメーター: 特に設置数が膨大で、コストと消費電力の要求が厳しい場合に採用されることがあります。
• 簡易なセンサー監視: 設備の稼働状況 (ON/OFF)、ドアの開閉検知、ボタン通知 (例: トイレの清掃・補充リクエスト) など、状態変化やイベント通知が主体の用途。
• 農業分野: 広大な農場での簡易な環境センサーや家畜の追跡 (ただし、データ量制限に注意)。
• ユーティリティ監視: マンホールの状態監視、消火器の圧力監視など。

LoRaと比較すると、よりシンプルなデータ送信や、グローバルな追跡用途での採用が目立ちます。

代表的なSigfoxモジュール

Sigfoxモジュールも様々なベンダーから提供されています。

• Wisol製モジュール: WSSFMシリーズなどが有名で、多くのSigfox開発キットで採用されています。
• Murata製モジュール: LoRaWANとのデュアルモードモジュールなども提供しています。
• STMicroelectronics製チップ搭載モジュール: S2-LPチップなどを搭載したモジュールがあります。
• 開発ボード: Arduino MKR FOX 1200 や、各種マイコンボード向けのSigfox拡張ボード (シールド) なども存在します。Sens’it のようなSigfoxネットワーク接続機能と各種センサーを内蔵したデバイスもあります。

Sigfoxモジュールも、UARTインターフェースを通じてATコマンドで制御するタイプが一般的です。

参考リンク: UnaBiz (Sigfox事業継承会社) https://www.unabiz.com/
参考リンク: 京セラコミュニケーションシステム (日本のSigfox Operator) https://www.kccs.co.jp/sigfox/

LoRa vs Sigfox：どちらを選ぶべきか？ 🤔

LoRa (LoRaWAN) と Sigfox は、どちらも優れたLPWA技術ですが、それぞれに特徴があり、得意な分野が異なります。どちらを選択するかは、実現したいアプリケーションの要件によって慎重に検討する必要があります。以下に主な比較項目をまとめます。

選択のポイント💡

• データ量や通信頻度が多い場合: LoRaWANの方が適しています (Sigfoxの制限に注意)。
• 双方向通信やサーバーからの制御が必要な場合: LoRaWANの方が柔軟に対応できます。
• プライベートネットワークを構築したい場合: LoRaWANを選択する必要があります。
• とにかく低消費電力・低コストデバイスを重視する場合: Sigfoxが有力な候補になります (ただしデータ量・回数制限内で)。
• ネットワーク構築の手間を省き、すぐに利用開始したい場合: Sigfoxの公衆サービスが便利です (エリア内であれば)。
• グローバルでシームレスな展開が必要な場合: Sigfoxのグローバルローミングが強みを発揮します。
• 技術のオープン性やベンダー選択の自由度を重視する場合: LoRaWANの方がエコシステムが広く、選択肢が多いです。

どちらか一方が絶対的に優れているわけではなく、用途に応じて最適な技術を選択することが重要です。場合によっては、他のLPWA技術 (NB-IoT, LTE-M, Wi-SUNなど) や、Bluetooth LE, Wi-Fi HaLow™ といった他の無線技術との比較検討も必要になるでしょう。

LoRa/Sigfoxモジュールを使った開発の始め方 (超入門) 🛠️

ここでは、LoRa/Sigfoxモジュールを使った開発の簡単な流れと、Python (MicroPython) を使ったデータ送信のサンプルコードイメージを紹介します。

準備するもの

• マイクロコントローラ搭載ボード: ESP32, Raspberry Pi Pico, Arduino MKRシリーズなど、プログラミング可能なボード。
• LoRa/Sigfoxモジュール: 使用したい規格に対応したモジュール。マイコンボードに搭載済みのものや、別途接続するものがあります。アンテナも忘れずに！📡
• センサー (任意): 温度センサー、GPSモジュール、ボタンスイッチなど、取得したいデータに応じたセンサー。
• 接続用ケーブル: ブレッドボードやジャンパーワイヤーなど。
• PC: 開発環境 (Arduino IDE, Thonny, VS Code + PlatformIOなど) をインストールしたPC。
• LoRaWANゲートウェイ/ネットワークサーバー or Sigfoxクラウドのアカウント:
  • LoRaWANの場合:
    • プライベート構築: Raspberry Pi + LoRa HATなどで自作GW、ChirpStackなどのオープンソースNetwork Server。
    • 公衆サービス利用: The Things Network (TTN), SORACOM Air for LoRaWAN など。
  • Sigfoxの場合: Sigfoxクラウド (Sigfox Backend) のアカウントとデバイス登録が必要です (通常、モジュール購入時やサービス契約時に手続き)。

接続 (例: ESP32 と UART接続モジュール)

モジュールとマイクロコントローラの接続は、使用するモジュールやボードによって異なりますが、UART (シリアル通信) を使う場合が多いです。

1. モジュールの電源 (VCC, GND) をESP32の対応するピン (例: 3.3V, GND) に接続します。
2. モジュールのUART TX (送信) ピンをESP32のUART RX (受信) ピンに接続します。
3. モジュールのUART RX (受信) ピンをESP32のUART TX (送信) ピンに接続します。
4. (必要であれば) モジュールのリセットピンやその他の制御ピンをESP32のGPIOピンに接続します。

⚠️ 必ずモジュールとマイコンボードの電圧レベル (3.3V/5V) を合わせるように注意してください。異なる場合はレベルシフタが必要です。接続方法はモジュールのデータシートをよく確認しましょう。

プログラミング (MicroPythonでの簡単なデータ送信例)

ここでは、ATコマンドで制御するUART接続のLoRa/Sigfoxモジュールを想定し、MicroPythonで簡単なデータを送信するコードのイメージを示します。（実際には、使用するモジュールやライブラリによってコードは異なります。）

LoRaWAN (ATコマンド例):

# MicroPython on ESP32
import time
from machine import UART, Pin

# UARTの設定 (ピン番号は環境に合わせて変更)
# UART(2) は ESP32 のデフォルト UART2 (TX=17, RX=16) を使う例
uart = UART(2, baudrate=9600, tx=17, rx=16)
uart.init(9600, bits=8, parity=None, stop=1, timeout=1000) # モジュールに合わせた設定

# LoRaWANモジュールの初期化と設定 (ATコマンドはモジュールにより異なる)
def send_at_command(cmd, wait_response=True, timeout=2000):
    print(f"Sending: {cmd}")
    uart.write(cmd + '\r\n') # コマンド送信 (+CRLF)
    time.sleep_ms(100) # 少し待つ
    response = b""
    if wait_response:
        start_time = time.ticks_ms()
        while time.ticks_diff(time.ticks_ms(), start_time) < timeout:
            if uart.any():
                response += uart.read()
            if b'OK' in response or b'ERROR' in response: # 応答の終わりを示す文字列 (例)
                break
            time.sleep_ms(10)
        print(f"Response: {response.decode(errors='ignore')}")
    return response

# --- LoRaWAN設定 ---
# デバイスEUI, アプリケーションEUI, アプリケーションキーを設定 (OTAAの場合)
# send_at_command('AT+DEVEUI=YOUR_DEV_EUI')
# send_at_command('AT+APPEUI=YOUR_APP_EUI')
# send_at_command('AT+APPKEY=YOUR_APP_KEY')

# ネットワークに参加 (Join)
# response = send_at_command('AT+JOIN', wait_response=True, timeout=10000) # Joinには時間がかかることがある
# if b'OK' not in response: # Join成功か確認 (モジュールによる)
#     print("Join failed!")
#     # エラー処理 ...
# else:
#     print("Join successful!")

# --- データ送信 ---
def send_lorawan_data(payload_hex):
    # ペイロードを16進数文字列で指定
    cmd = f'AT+SEND={payload_hex}' # 送信コマンド (モジュールによる)
    response = send_at_command(cmd, wait_response=True, timeout=5000)
    if b'OK' in response: # 送信成功か確認 (モジュールによる)
        print("Data sent successfully!")
    else:
        print("Data send failed!")

# 例: 温度センサーデータを読み取り、16進数に変換して送信
try:
    # ここでセンサー読み取り処理 (例: temp = read_temperature())
    temp = 25.5 # ダミーデータ
    # ペイロード作成 (例: 温度を2バイトで表現)
    # 25.5 * 10 = 255 -> 0x00FF
    temp_int = int(temp * 10)
    payload = temp_int.to_bytes(2, 'big') # 2バイトのバイト列に変換
    payload_hex = payload.hex() # 16進数文字列に変換 (例: '00ff')

    print(f"Payload (hex): {payload_hex}")
    send_lorawan_data(payload_hex)

except Exception as e:
    print(f"An error occurred: {e}")

# 注意: 実際のコードは使用するモジュールのATコマンド仕様書や
#       提供されるライブラリに従って記述する必要があります。
#       また、エラーハンドリングや省電力化のためのスリープ処理なども重要です。
      

Sigfox (ATコマンド例):

# MicroPython on ESP32 (Sigfox部分のイメージ)
import time
from machine import UART, Pin

# UART設定 (LoRaWANの例と同様)
uart = UART(2, baudrate=9600, tx=17, rx=16)
uart.init(9600, bits=8, parity=None, stop=1, timeout=1000)

def send_at_command_sigfox(cmd, wait_response=True, timeout=5000):
    # send_at_command関数はLoRaWANの例と同様と仮定
    print(f"Sending: {cmd}")
    uart.write(cmd + '\r\n')
    time.sleep_ms(100)
    response = b""
    # ... (応答受信処理はLoRaWANの例と同様) ...
    print(f"Response: {response.decode(errors='ignore')}")
    return response

# --- Sigfox データ送信 ---
def send_sigfox_data(payload_hex):
    # ペイロードは最大12バイト (24 hex chars)
    if len(payload_hex) > 24:
        print("Error: Payload size exceeds 12 bytes for Sigfox.")
        return

    # Sigfox送信コマンド (モジュールによる典型的な例)
    # AT$SF=ペイロード[,応答要求フラグ]
    cmd = f'AT$SF={payload_hex}' # 応答不要の場合
    # cmd = f'AT$SF={payload_hex},1' # ダウンリンク応答を期待する場合 (1日4回まで)

    response = send_at_command_sigfox(cmd, wait_response=True, timeout=10000) # Sigfox送信は時間がかかる場合がある

    if b'OK' in response: # 送信成功か確認 (モジュールによる)
        print("Sigfox message sent successfully!")
        # ダウンリンク応答を期待した場合、ここで応答データをパースする処理が必要
        # 例: レスポンス内に "RX=..." のような形式で含まれる場合がある
    else:
        print("Sigfox message send failed!")

# 例: 簡単なステータス (1バイト) を送信
try:
    status = 0x01 # 例: デバイスがアクティブであることを示す
    payload_hex = f'{status:02x}' # 1バイトを2桁の16進数文字列に変換 (例: '01')

    print(f"Payload (hex): {payload_hex}")
    send_sigfox_data(payload_hex)

except Exception as e:
    print(f"An error occurred: {e}")

# 注意: SigfoxモジュールのATコマンドも製品によって異なります。
#       必ずデータシートを確認してください。
#       Sigfoxでは特にデータサイズ (最大12バイト) と送信回数 (最大140回/日) の
#       制限を厳守する必要があります。
      

これらのコードはあくまでイメージです。実際の開発では、

• 使用するモジュール固有のATコマンド仕様を確認する。
• より堅牢なエラーハンドリングを実装する。
• データフォーマット (エンディアン、符号など) をサーバー側と合わせる。
• 低消費電力化のため、送信後にマイコンやモジュールをスリープさせる処理を入れる。
• (LoRaWANの場合) Join処理の実装、ネットワークサーバー/アプリケーションサーバーでのデータ受信・デコード設定。
• (Sigfoxの場合) Sigfox Backendでのデバイス登録、Callback設定 (受信データを外部サービスに転送する設定)。

など、多くの考慮事項があります。最初は、開発ボードメーカーやモジュールベンダーが提供しているサンプルコードやライブラリを参考に進めるのが良いでしょう。

注意点と考慮事項 ⚠️

LoRa/Sigfoxモジュールを利用する際には、以下の点に注意が必要です。

まとめ：LPWAが切り拓く未来 ✨

本記事では、LPWAの代表的な技術であるLoRa/LoRaWANとSigfoxについて、その基本的な仕組み、特徴、メリット・デメリット、選び方、開発の初歩、注意点などを解説してきました。

LoRaとSigfoxは、「低消費電力」と「広範囲通信」というユニークな特徴を活かし、これまで技術的・コスト的に困難だった様々な分野でのIoT活用を可能にしました。スマートシティの実現、農業や産業の効率化、インフラの維持管理、人々の安全・安心な暮らしのサポートなど、その可能性は無限に広がっています。

それぞれの技術には一長一短があり、どちらが優れているという単純な比較はできません。重要なのは、解決したい課題やアプリケーションの要件を明確にし、それに最も適した技術を選択することです。

LoRa/Sigfoxモジュールの価格も手頃になり、開発ボードやライブラリも充実してきており、個人や小規模なチームでもLPWAを使った開発に挑戦しやすくなっています。この記事が、皆さんがLoRa/Sigfoxの世界に興味を持ち、IoT開発への第一歩を踏み出すきっかけとなれば幸いです 😊。

ぜひ、これらの技術を活用して、新しいアイデアを実現してみてください！ 🚀