屋外LoRaWANゲートウェイ設計の安全認証 – IP規格を超えて

LoRaWANネットワークを構築する際には、考慮すべき点がいくつかあります。まず重要なのは、屋外機器認証によって証明されたネットワークサーバーの信頼性です。このような品質保証認証は、安全なLoRaWANゲートウェイを選択する際に役立ちます。LoRaWANゲートウェイは、複数回の設置に耐え、リアルタイムのアラートを送信し、さまざまな種類のセンサー、ルーター、またはデバイスと互換性がある必要があります。さらに、安全認証を受けた製品は、過酷な環境でも動作するように、堅牢なアンテナを備えている必要があります。また、ネットワークサーバーが複数のゲートウェイに接続できることを確認する必要があります。これは、特に公共部門にとって非常に重要です。これらの機能を備えていない場合、クラウドへの接続やデータの保存に失敗する可能性があります。

2つ目の考慮事項は処理利得です。処理利得とは、コードシーケンスチップレートとデータ信号のビットレートの比率です。高品質の信号であれば、受信機は低信号環境下でも元の低データレート信号を復元できます。さらに、LoRa Allianceの屋外ゲートウェイ認証は、Wi-FiやBluetoothよりも優れた処理利得を提供します。これにより、ネットワークサーバーはより少ない電力で動作し、同じ信号データレートとリンクバジェットを維持できます。そのため、屋外LoRaWANゲートウェイの設計には細心の注意を払う必要があります。

屋外用具の安全性を確保するには？

信頼性の高いLoRaWANネットワークは、高いセキュリティを備えている必要があります。エンドツーエンド暗号化を提供し、メッセージの送受信ができることが求められます。また、信頼性の高いLoRaWANゲートウェイは、さまざまなタイプのアプリケーションをサポートできます。LoRaWAN規格のネットワークは、24時間で数百万のメッセージを処理できます。送受信できるメッセージ数は、ネットワークに設置されているゲートウェイの数によって異なりますが、LoRaの物理層により、データ量に関わらずアプリケーションサーバーがスムーズに動作し続けることが保証されます。屋外機器認証を取得したデバイスが200台、IP規格認証を取得したゲートウェイが1台ある場合、それぞれが1日に数十万のメッセージを処理でき、このデータトラフィックを完全に監視できます。

「IP67」などの保護等級は、機器の宣伝に安易に使われることがありますが、単に「IP67」などと謳うことと、真に屋外用機器であることの間には大きな違いがあります。「屋外用」という用語は、安全認証を受けた製品にのみ適用され、特別な屋外用機器認証を取得するまで、数々の重要な評価と試験を経ていなければ、製品の説明や販売促進にこの用語を使用することはできません。一部のサプライヤーは、屋外要件を満たす製品を設計する際の課題やコストを回避するため、曖昧な「IP等級」という用語を使用し、単に認められたIP等級に対応する機器であると謳うにとどめています。しかし、屋外での安全かつ確実な運用を保証するには、屋外認証を受けた機器のみが有効です。

アウトドア用品認証

侵入保護等級（IP等級）とは、機器が異物、粉塵、水の侵入に耐えられるかどうかを判定する標準化された試験です。一般的に、多くの機器メーカーがIP等級を設けており、これは単に機器が屋外での使用に適していることを示すものです。しかし、屋外環境では機器内部への粉塵や水の侵入を制限する必要があるとはいえ、侵入保護等級だけでは十分とは言えません。

ゲートウェイなどの情報技術機器の屋外設置に関する完全な要件は、国際安全規格IEC 60950-22「情報技術機器の安全性－屋外設置機器」に詳細に記載されています。

この国際安全規格は、米国、カナダ、ヨーロッパではそれぞれUL 60950-22、CSA No. 60950-22、EN 60950-22として採用されているほか、世界各国の国内規格にも採用されています。IEC 60950-22では、屋外に展開する際に機器の安全性と信頼性を確保するために必要な製品設計（屋外LoRaWANゲートウェイ設計など）、重要な評価、および試験要件（極端な温度への耐性、ゲートウェイの安全性、セキュアなネットワーク、制御パネルへのリモートアクセスなど）が詳細に規定されています。この安全規格は、屋外展開用機器を安全認証製品として世界中で販売する場合に必須となります。

（なお、IEC 60950-22は、第3版の採択に伴い、基本安全規格であるIEC 62368-1「オーディオ／ビデオ、情報通信技術機器－第1部：安全要求事項」に統合される予定です。）

アウトドア認証要件

LoRaWANクラスのゲートウェイなどの屋外機器は、少なくとも10年間、故障や劣化なく現場で動作することを保証するために、満たさなければならない多くの仕様があります。IEC 60950-22の第8項「屋外筐体の構造要件」では、有害な影響を回避するために必要な設計および試験要件が詳細に規定されています。

例えば、LoRaWAN規格は、センサーやその他のデバイスと互換性がある必要があります。必要なセンサーとスムーズに接続し、ネットワーク障害のリスクを排除するためには、周波数は30GHz以上である必要があります。IEC 60950-22認証やその他の侵入保護等級の確認を受けたデバイスは、WiFiネットワークに接続し、ネットワークとの安定した接続を維持できる必要があります。適切な設計と重要な評価により、LoRa Allianceネットワークがダウンした場合でも、LoRaWAN接続を介してデータに管理者がアクセスできます。デバイスがIP等級以外の侵入保護等級の確認を受けている場合、主電源が失われた場合でも、信号は安定し、拡張性があります。

紫外線保護

日光に晒されたプラスチック製品がどうなるかは、誰もが一度は目にしたことがあるでしょう。保護添加剤が適切に配合されていないポリマー素材は、日光によって時間とともに劣化します。この劣化は、極端な場合には製品を使い物にならなくしてしまうだけでなく、製品の安全機構にも微妙な影響を与える可能性があります。

IEC 60950-22のセクション8.2「紫外線耐性」および付属書C「紫外線照射試験」に詳述されているように、屋外認証機器の筐体の露出部分を構成するプラスチックは、特別な紫外線暴露耐性試験に合格する必要があります。これらの試験により、プラスチックが、一般的な耐用年数に相当する太陽光暴露後も、引張強度、曲げ強度、衝撃強度、および難燃性を維持していることが保証されます。この評価は、高温環境下におけるIoTデバイスの信頼性に関して、特別な意味を持ちます。

UL 746Cに詳述されている耐紫外線性に関する要件および試験手順は、一般的に受け入れられています。UL 746C（f1）の安全規格評価を受けたベース樹脂は、一般的に屋外での使用に適しているとみなされます。

最後に、筐体を構成する露出したプラスチック部品はすべてUV耐性を持つ必要があることに注意することが重要です。これには筐体本体だけでなく、コネクタ、ケーブルグロメット、スイッチ、通気口などの小さな部品も含まれます。デバイスの最小部品が耐熱性を持たない場合でも、大きな違いが生じるからです。小さな亀裂や隙間から水や汚染物質が侵入し、消費電力や接点信号機能に影響を与えることは、誰もが経験済みです。そのため、UV耐性や世界的に認められたその他の認証を取得したデバイスを選ぶことが、お客様にとって最善策となります。

ガスケットの耐久性

ガスケットは筐体の侵入防止において重要な役割を果たします。したがって、屋外環境におけるガスケットの寿命は、機器の販売促進だけでなく、機器の安全性を確保し、屋外機器認証取得のための試験に合格するためにも重要な考慮事項となります。

IEC 60950-22のセクション8.5「ガスケット」および関連する附属書D「ガスケット試験」では、ガスケットの特殊な経年劣化試験および強度試験について詳述しています。これらの試験により、筐体ガスケットが一般的な使用期間後も引張強度と圧縮弾性特性を維持することが保証されます。

UL 50Eに詳述されているガスケットの経年劣化に関する要件と試験手順は、一般的に受け入れられています。UL 50Eの安全規格認定を受けたガスケットは、一般的に屋外での使用に適していることが保証されており、スマート農業、畜産、スマートシティ制御に最適です。

防食

屋外環境では腐食がはるかに速い速度で進行し、筐体の完全性だけでなく、機器の避雷・安全接地などの重要な電気接続部の完全性も損なう可能性があります。そのため、センサーを購入・選定する際には、耐腐食性に注意を払う必要があります。これは、塩分の影響が大きい沿岸地域では特に重要ですが、汚染物質と湿気が組み合わさって腐食が著しく加速する多くの都市環境でも同様に重要です。

製品の長寿命かつトラブルのない運用を確保するためには、特別な材料選定とコーティングが必要です。IEC 60950-22 セクション 8.3「耐食性」および付属書 A「水飽和二酸化硫黄雰囲気」の詳細な試験が必要となる場合があります。

168時間の塩水噴霧試験と、水飽和二酸化硫黄を豊富に含む雰囲気下での120時間の試験サイクルからなるこれらの過酷な試験は、特定の材料選定および仕様が定められていない限り実施しなければならない。エンドユーザーへの具体的な設置手順も必要となる場合がある。

保護等級

もちろん、機器の信頼性と安全性を維持するためには、水、塵、または固体異物の侵入を制御する必要があります。安全性の高い機器は、屋外センサーの動作能力と拡散係数が世界標準認証によって検証されるなど、一連の試験を受けなければなりません。

固体物体に対する保護は基本安全規格で規定されているが、IEC 60950-22の9.1項「湿気からの保護」および9.3項「粉塵からの保護」は、それぞれ水および粉塵に対する最低限の侵入保護要件を規定している。

屋外設計に必要な最低限のIP等級は、粉塵や飛沫水から保護された筐体（IP54）ですが、繊細な電気部品を収容する屋外筐体は、防塵性を備え、通常の圧力の噴流水、高圧の噴流水、または一時的な浸水から保護されるように設計されるのが一般的であり、それぞれIP65、IP66、またはIP67のIPコードが用いられます。

筐体の侵入性試験は一般的にIEC 60529に準拠して実施されますが、NEMAタイプ3、4、または6（それぞれIPコードIP54、IP56、およびIP67にほぼ相当）に対するUL 50Eによる認証も認められています。

筐体の耐衝撃性

筐体の耐衝撃性は、世界市場に出回っているセンサーやその他の機器の信頼性やサポートレベルに大きな影響を与える可能性があります。ポリマー材料は、機械的性能に関して温度の影響を受けやすい場合があります。特に、屋外機器が遭遇する低温環境では、耐衝撃性が低下する可能性があります。

IEC 60950-22の「筐体の機械的強度」の項では、筐体の衝撃試験は機器の規定された最低動作温度で実施する必要があると規定されています。さらに、筐体の侵入保護等級（IP等級）が損なわれていないことを確認するために、追加の評価基準が適用されます。

その他の考慮事項

屋外機器に求められる上記の基本的な要件に加え、屋外製品には考慮すべき設計上の事項がいくつかあります。LoRaWANネットワークを安全に運用するには、信頼性の高いLoRa Allianceネットワークサーバーが必要です。ネットワークサーバーが信頼性が高く、必要なトラフィックを送信できることを保証するには、いつでも連絡できるゲートウェイプロバイダーからのサポートが必要です。そのため、広く知られているLoRa Alliance組織のメンバーである、信頼できるメーカーを選ぶことが非常に重要です。ゲートウェイはネットワーク全体を管理し、1つのLoRaWANネットワーク内のすべてのセンサーとの通信を可能にするため、信頼性の高いゲートウェイを持つことが不可欠です。

ソーラーロード

屋外機器は、直射日光や温度変化の影響により、筐体内部の温度上昇が起こりやすい。機器の信頼性を確保するためには、この追加的な熱負荷を製品設計の初期段階から考慮する必要がある。安全認証で特に要求されているわけではないが、製品が規定の最高周囲温度より10℃高い温度まで安全かつ確実に動作することを想定しておくのが賢明である。

サージ保護

屋外機器の設置では、落雷などの気象現象により、より高いレベルのサージ電流にさらされる可能性があります。そのため、屋外機器の電気インターフェースには、機器に内蔵または外部から追加する、より高度な保護対策が必要です。

IEC 60950-22には特別な要件は規定されていませんが、ガイダンスとして、IEC 62305-1「雷保護」や米国防火協会（NFPA）780「雷保護システムの設置に関する規格」などの特定の保護規格を参照することをお勧めします。

植物と動物

IEC 60950-22では、該当する場合、屋外機器の設計について、植物の成長や害虫の影響を評価することを義務付けています。これは、LoRaWANセンサーやその他のデバイスを圃場の真ん中に設置することが多い農業関連企業にとって特に重要です。センサーに害虫対策が施されていない場合、故障やコスト損失につながる可能性があります。そのため、データと設置した技術を保護するために、特にLoRaWANデバイスをそのような場所に設置する予定がある場合は、植物や動物による被害を防ぐ機能を備えたセンサーとゲートウェイを最初から選択する必要があります。

マーキングの堅牢性

原則として、選択したデバイスが認証済みで市場要件に準拠していることを確認するには、デバイスの背面にある情報を読むだけで済みます。LoRa Allianceのメンバーはすべて、必要な認証マークをデバイスに表示しており、これらのマークは極端な温度やその他の気象条件にも耐えるため、必要なときにいつでもこの情報にアクセスできます。機器には、過酷な屋外環境に長年さらされても判読可能な状態を保つ必要がある重要な安全情報がラベルまたはその他の方法で表示されています。センサーやソリューションにこれらのマークがない場合は、認証を再度確認する必要があります。

TEKTELICはどのような安全認証を取得していますか？

LoRa Allianceのメンバーであり、世界中で高い評価を得ているTEKTELIC Communicationsは、技術標準、拡散係数、信頼性に細心の注意を払っています。当社は、大量のデータを処理でき、低消費電力で、セキュアなLoRaWANネットワークサーバーに基づいて動作するセンサー、ソリューション、ゲートウェイを製造しています。

屋外での使用を想定して販売されているTEKTELIC製ゲートウェイはすべて、IP67規格に準拠しているだけでなく、IEC 60950-22に準拠した厳格な認証プロセスも経ており、UL 60950-22、CSA No. 60950-22、およびEN 60950-22で要求される特定の逸脱事項もすべてクリアしています。例えば、 TEKTELIC KONA Mega Ex GatewayはATEX/Zone II認証を取得しており、IP67規格に準拠しています。このゲートウェイは、アンテナあたり最大14 dBmの送信電力と堅牢なキャリアグレードの筐体を備えているため、屋外展開に最適な製品です。

別のLoRaWANゲートウェイであるTEKTELIC KONA Mega IoT Gatewayも、数々の認証を取得しています。このデバイスは、北米仕様、欧州連合仕様、APAC仕様、およびIP67規格に準拠しています。このLoRaWANゲートウェイは、同時送信チャネルが2つあるため、送信チャネルが1つの類似技術と比較して、はるかに高速にデータを送受信できます。

LoRaWAN技術とIoTベースのゲートウェイは、多くの業界にとって最も信頼性が高くシンプルなソリューションになりつつあります。TEKTELICのようなLoRa Alliance認定の信頼できるプロバイダーを選べば、認証済みの製品を購入できることを確信できます。TEKTELICサポートチームにご連絡いただければ、お客様のニーズに合ったゲートウェイ選びをお手伝いいたします。