スマート家電開発を成功させるには？

スマート家電開発は「ユーザー体験」の設計から始まる

スマート家電の開発を行う上では、「機能の詰め込み」に終始してしまうことがあります。しかし、製品単体の機能のみに目を向けるのではなく、ユーザー体験（UX）を起点としたサービス設計を行っていくことが、開発成功につながる第1歩であるといえます。そこでここでは、スマート家電の企画について考える際に押さえておきたいポイントについてまとめています。

どのような価値をネットワーク経由で提供するか

スマート家電の企画を行う上で非常に重要なのは、インターネットに家電を接続して、具体的にどのような価値をユーザーに提供するのかという点をはっきりと定義することです。スマート家電に求められているのは単に遠隔操作ができることではありません。ネットワークにつながることにより、下記のようにさまざまな価値の提供が可能になります。

たとえばスマートエアコンの場合、「離れた場所から電源を入れる」ことそのものが目的ではなく、「暑い夏の日、帰宅前に部屋を適温にする」「在宅状況に応じて無駄な運転を減らす」といったものを提供することが目的です。

このように、スマート家電の企画について考える段階では、「誰が、どの場面で、何を不便に感じているのか」「その不便をどのように減らしていくのか」を具体的に定義します。そして、「遠隔操作のみで十分か」「自動化すべきなのか」「通知は必要か」について検討し、操作を増やしすぎない設計にすることが求められます。

ハードウェア単体ではなく、アプリやクラウドを含めたサービス設計

スマート家電の価値は、ハードウェアとしての機器そのもののみで完結するわけではありません。機器本体は、あくまで「データを収集し、物理的なアクションを起こす」ための端末であり、それを支えているスマートフォンアプリやクラウドシステムと一体になったサービス設計を行うことが大切です。

デザイナーとエンジニアがチームの垣根を越え、ユーザーが持つニーズを満たすUI/UXデザインを構築することが、製品価値の向上に直結するといえます。たとえば、アプリの初期設定（ペアリング）について複雑な操作が必要であれば、ユーザーはその時点で離脱します。

そのため、Wi-Fi設定を簡略化する、直感的な操作パネルの設計を行う、クラウドを介してタイムリーにプッシュ通知を行うといったように、ユーザーが製品を箱から出して使い続けるまでの全てのプロセスを、ひとつのサービスとして設計・検証することが大切です。

スマート家電に不可欠な通信技術とセキュリティ

スマート家電をインターネットや他の機器と接続を行うには、適切な通信規格の選定に加えて、強固なセキュリティ対策、さらに日本の法規制への対応が欠かせません。ここでは、製品の安全と信頼性の根幹を担う、通信技術とセキュリティについてまとめました。

Wi-Fi、Bluetoothなど最適な通信規格の選定

通信規格は、「何を、どこで、どの頻度で、どの程度のデータ量を送るか」により選択します。全ての製品にWi-Fiが最も適しているとは限らず、用途に合わせて複数の通信方式を組み合わせるケースも見られます。それぞれの通信規格の特徴を把握した上で、選定を行うことが求められます。

上記の通り、現在はさまざまな通信規格が用いられています。

たとえば多くの人に馴染みがあると考えられるWi-Fiはクラウドやアプリとの連携に多く使用されていますが、消費電力が大きいことから電源供給が必須となります。また、スマートロックや小型のセンサーなど電池駆動による長時間の動作が求められる機器であれば、消費電力が少ないBluetooth Low Energy（BLE）が向いています。ZigbeeやThreadは、照明やセンサーなど多数の低消費電力で動作する機器を扱うスマートホームに適していますが、ハブやルーター、エコシステムとの互換性を設計に含めて考える必要があります。

通信規格の選定を行う際には、通信速度だけで考えるのではなく、消費電力や到達距離、同時接続数、応答速度、初期設定の手間、障害時の挙動、コストなどを比較することがポイントとなります。

サイバー攻撃を防ぐためのIoTセキュリティ対策

スマート家電などの各種IoT機器は、不用意にネットワークに直接接続させるとサイバー攻撃の標的となるリスクが増してしまいます。家庭用のWi-Fiルーターを経由してマルウェアに感染し、DDoS攻撃の踏み台にされる、カメラの映像などの情報が流出してしまうといった危険性もゼロではありません。

このような状況を防ぐには、出荷時のデフォルトパスワードを廃止して個別パスワードの割り当てを行う、通信内容のエンドツーエンド暗号化、定期的なファームウェアのOTA（Over The Air）アップデート機能を搭載するなどの対策が必要となります。また家電は非常に長い期間使われることもあるように、製品寿命が長い点も特徴のひとつです。この点から、長期にわたる脆弱性情報の収集や修正プログラムの提供方法、サポートが終了した際の取り扱い、利用者への周知方法まで決めておくことが求められます。

スマート家電は非常に便利で快適な生活を実現するためのツールではあるものの、セキュリティに不安を感じるような製品である場合、ユーザーから選ばれるのは難しくなってしまうため、十分な対策を行うことが必要です。

技適マーク（技術基準適合証明）の取得と法規制対応

日本国内においてWi-FiやBluetoothなどの電波を発する機器を販売・使用する場合には、電波法に基づく「技術基準適合証明（技適）」を取得することが法律で義務付けられています。スマート家電などIoT機器にはこの「技適マーク」を表示する必要があり、もし技適を取得していない場合には電波法違反として処罰の対象となります。大手のECサイトなどにおいても、技適マークのない無線機器の販売は厳しく制限されています。

しかし自社で通信モジュールの新規設計を行う場合には高額な試験費用と期間が必要となります。そのため、すでに技適マークを取得済みの「認証済み通信モジュール」を製品に組み込む、という手法をとることによって、開発にかかるコストとリードタイムを大幅に削減できます。

さらに、家電として販売を行う場合には「電気用品安全法（PSE：Product Safety of Electrical Appliance & Materials）」へ対応することも重要です。経済産業省では、一般家庭や商店、事務所などにおいて使用される電気製品のうち、政令で定められたものを「電気用品」として、技術基準に適合していることを示すための「PSEマーク」の表示を求めています。特に障害発生のおそれがあるとされる「特定電気用品」については、登録検査機関での検査が義務付けられています。

このように、スマート家電の開発においては技適の取得やPSEへの対応などについても設計初期から整理しておくことが大切です。

スマート家電特有のハードウェア設計の課題

既存の白物家電に対し、単に通信モジュールを後付けするだけでは、スマート家電のハードウェア開発は成功しません。開発プロジェクトを成功につなげるには、ノイズや発熱、省電力化といったように、従来の家電とは異なるさまざまな課題を解決していく必要があります。また、見える場所に置くことになる製品は特に、デザイン性も重視される、という点もポイントになってきます。

通信モジュール搭載によるノイズ・発熱対策

家電にWi-FiやBluetoothなどの通信モジュールを組み込む際には、「電磁ノイズ」と「発熱」が技術的な壁となります。電源回路におけるスイッチング動作に伴って発生するノイズや、モーター駆動部から発生するノイズが通信アンテナに干渉することによって、通信速度の低下や接続切れにつながります。さらに、通信モジュールそのものが高周波の電波を発しているため、他のマイコンやセンサーの動作に対して影響を与えるというリスクも考えられます。このような状況を防ぐために、基板上のアンテナ配置を最適化や、高周波ノイズ対策部品の使用といった対策が必要となります。

さらに、小型化された筐体内で通信モジュールやプロセッサがフル稼働すると排熱が追いつかず、熱暴走によるシステムダウンや筐体表面温度の上昇につながってしまうことから、放熱シートやヒートシンクなどを採用した、熱設計が欠かせません。

設置場所やインテリアに馴染むデザイン性

スマート家電は、リビングルームや寝室といったように、ユーザーが生活する空間に常に設置される前提の製品が多い点が特徴のひとつです。そのため、工業製品を思わせる無骨な見た目や、過度に存在感を主張するデザインはユーザーに敬遠されがちであることから、ケーブルの露出はできる限り抑え、インテリアのトーンに調和する、洗練されたデザインが求められます。

特に照明やスピーカー、空気清浄機、見守りカメラ、センサーなどは、生活動線の中に設置されることになるため、「生活空間に置き続けることができるか」という観点が重要です。製品の機能ももちろんですが、見た目や大きさ、色、質感、設置方法などがユーザに選ばれるかどうかに大きく関わってきます。

下記では、想定される設置環境と求められる要件に加え、設計上での工夫についてまとめています。

「美しい」「洗練されている」「可愛らしい」といった、プラスの印象を与えるデザインを持つことに加えて、設置や清掃、フィルター交換、充電、配線、修理のしやすさといった部分についても検討することで、よりユーザーから選ばれやすくなることが期待できます。

また最近のスマート家電では、多くの製品においてアプリを使用した操作ができるようになっています。ただしアプリでの操作が可能だからといって物理ボタンをなくすのではなく、緊急時やアプリを使用していない高齢者、来訪者も使用できるように物理操作を残す設計についても検討することが必要です。

省電力化と安定稼働の両立

バッテリーで駆動するセンサー類やスマートリモコンでは、「いかに電池交換や充電の頻度を下げるか」が顧客満足度に直結するため非常に重要なポイントであるといえます。たとえば、通信を行っている時以外はシステムをスリープ状態に移行させることで、不要な消費電力をできる限り抑えるといった制御が必要になります。すぐに電池交換が必要になってしまう製品や、充電を頻繁に行わなければならない製品の場合には、たとえ一度購入してもらえたとしても満足度が低くなってしまい、買い替えのきっかけになることも考えられます。

また常に給電される大型の家電の場合も、待機電力の削減が求められます。そのため、「ユーザーの操作に即座に反応すること」「徹底した省電力化」という相反する要件のトレードオフについて、ハードウェア回路とソフトウェア制御の両面からアプローチを行っていくことが、安定した稼働を支える鍵であるといえます。

ソフトウェア・アプリ開発とクラウド連携

スマート家電におけるユーザー体験は、アプリやクラウドの設計品質に大きく左右されます。もし洗練されたハードウェアを提供できたとしても、ソフトウェアや専用アプリ、クラウドインフラの設計品質が低いと、ユーザー体験の質が著しく損なわれてしまうことになります。

そこでここでは、専用アプリのUI/UX設計やクラウドインフラ、スマートスピーカー（音声アシスタント）や外部APIとの連携といった点についてまとめています。

直感的で使いやすい専用アプリのUI/UX設計

スマート家電の主な操作インターフェースとなるのが、スマートフォンアプリです。そのため、提供されるアプリは年齢層やITリテラシーを問わず、誰もが迷わず操作できる直感的なUI（ユーザーインターフェース）であることが求められます。初回設定や日常操作、異常の通知、履歴確認などさまざまな場面ごとに、利用者が迷わず操作できる設計が必要となります。

たとえば初回設定で行うWi-Fi接続（ペアリング）でつまずいてしまうユーザーが多いため、接続手順を解説したアニメーションを提供したり、失敗してしまった場合にユーザー自身で対応ができるように具体的な解決策を提示したりするなどの工夫が求められます。

また高齢者や初めてスマート家電を使用する人向けに大きな文字や音声案内、簡易モードを用意することに加えて、物理ボタンを用意するといった対策も有効であると考えられます。

ユーザーデータを蓄積・分析するクラウドインフラ

膨大な数のスマート家電から送信される、ステータスデータやセンサー情報をリアルタイムで処理するには、堅牢で拡張可能なクラウドインフラの構築が必要です。たとえば、AWS（Amazon Web Services）やGCP（Google Cloud Platform）が提供するIoT向けのマネージドサービスの活用により、デバイスとの安全な双方向通信に加え、大容量データを蓄積するための基盤を素早く構築することが可能となります。

また、近年では端末自体がその場で学習や判断を行う「DLoT（分散型IoT）」やエッジAIに関する技術の進展も見られ、ネットワークへの負荷を軽減しつつスマート家電の応答速度を高めるためのアーキテクチャの導入も進められています。

スマートスピーカー（音声アシスタント）や外部APIとの連携

スマートスピーカー（音声アシスタント）との連携を行うことで、「電気をつけて」「テレビを消して」「エアコンを26度に設定して」といったようにさまざまな操作を行えるようになりますので、スマート家電の利便性を飛躍的に高められます。たとえば料理中や荷物を持っており手が塞がっているときや、リモコンが遠くにありすぐに取りに行けない場合などにも家電の操作ができるというのは非常に便利です。このように、「声で家電を操作できる」という体験は、スマート家電市場にはなくてはならない要件であるといえます。

これらを実現するには、それぞれのプラットフォームが提供している外部API仕様や、認証プロセスに準拠したクラウド側の開発環境整備が求められます。また、たとえば気象データAPIとの連携によって雨が降り出す前に窓を閉めるように通知を行う、他社製のデバイスとシームレスに連携するなど、外部システムとの連携を前提としたソフトウェア設計を行うことが、ビジネスの拡張性につながっていくと考えられます。

試作・評価から量産へのステップ

試作や評価から量産のステップに移行する際、研究室レベルで作ったプロトタイプが動いたとしても、そのまま製品化できる、というわけではありません。スマート家電開発においては、「PoC（概念実証）」から「量産」に移行するプロセスで大きな壁が存在しているといえます。

PoC（概念実証）による動作確認と課題抽出

スマート家電開発の初期段階においては、アイデアが技術的に実現可能なのか、さらにビジネスとしての価値があるかを検証するための「PoC（Proof of Concept：概念実証）」が行われます。ここでは、汎用の開発ボードや3Dプリンターで作成した簡易的な筐体を使用することによって、最低限のコア機能が想定通りに動作するかという点の確認を行います。

このPoCでは、通信モジュールの応答遅延や意図しない条件においてセンサーの誤作動が発生するなど、机上の設計図のみではわからなかった、実環境ならではの課題を早期に洗い出すことが大切です。

また、PoCで良好な結果が出たとしても、限定された環境や手作業による調整が前提になっているケースもあります。そのため、製品化においては多様な住宅環境や家族構成、通信環境、気温や湿度、設置場所、長期の使用を想定した検証を行うことが必要になります。

通信の安定性やセキュリティの脆弱性テスト

PoCをクリアし、量産を見据えた専用基板（EVT：技術検証試作）の段階に進むと、過酷な条件下での厳格なテストが求められます。快適なオフィスや開発環境でのテストだけではなく、Wi-Fiの電波が微弱な環境や、多くのBluetoothが飛び交っているノイズ環境下でも通信が途切れず使用できるか、もし通信が途絶えた場合には自動で再接続処理が行われるなど、通信の安定性についてのテストが行われます。

それと同時に、セキュリティに関するテストも行われます。テストの例としては、サイバー攻撃を想定したペネトレーションテスト（侵入テスト）や、ファームウェアの脆弱性診断を行って第三者による不正アクセスやデバイスの乗っ取りを防ぐためのセキュリティ水準が担保されているか、といった点の検証を行っていきます。

このように、通信の安定性やセキュリティに関する検証を怠った場合、製品の発売後にトラブルが発生し、大規模なリコールなどに発展するリスクがあります。

量産を見据えた部品調達と品質管理体制

量産化の段階に移行する際には、プロトタイプと同じような高価な部品や手作業による組み込みプロセスを継続するのはコスト面から考えると非現実的であるといえます。そのため、量産のしやすさを考慮した設計への落とし込みが必要となります。ここでは、長期間安定して調達が可能な電子部品の選定や、自動実装機に対応した基板レイアウトの最適化、そして組み立て工程における人的ミスを防ぐ機構設計が必要になってきます。

さらに、工場出荷時の検品プロセスを自動化するテスト治具の開発、それぞれのデバイスに書き込むMACアドレスや暗号キーに対するセキュアな管理体制など、厳格な品質管理体制（QMS）の構築を行っていくことが、スマート家電の信頼性を担保することにつながっていきます。

スマート家電の開発支援先の種類と使い分け

スマート家電を開発する上では、ハードウェア、ソフトウェア、クラウド基盤といったように、多岐にわたる専門知識が求められます。自社のみで全ての技術に対応するのは極めて難しいため、開発支援を行っている外部のパートナーをうまく活用することが、スマート家電の開発プロジェクトを成功に繋げる重要なポイントであるといえます。

支援先ごとの得意分野

スマート家電の開発支援を行う企業は、大きく分けて以下のカテゴリに分けられます。それぞれ得意分野や役割が異なるため、まずは自社の課題を洗い出した上で、その課題に合った委託先を選定することが重要です。

工程別に、どの支援先に相談するか

スマート家電の開発を進める上では、開発のフェーズによって適切な相談先が変化します。

まず「企画・PoCフェーズ」では、「何を作るのか」「ユーザーにどのような価値を提供するのか」といった点を固めることが必要です。そのため、IoTを専門とするコンサルティング企業や、試作を得意とするデザインハウスなどに相談を行います。また、ソフトウェア面においては、UI/UXデザインやアジャイル開発を得意としている、アプリ開発ベンダーに相談します。

「設計・検証フェーズ」においては、ハードウェアとソフトウェアの連携が本格化するため、システム全体の設計に深い知見を持ったODM企業や、包括的にIoT開発支援を提供する企業との協業が有効であると考えられます。

「量産・保守フェーズ」では、厳しい品質基準を満たせるEMS企業や、自社工場を持っているODM企業に委託を行います。この時、小ロットにも対応ができるなど自由度の高いデバイス量産を行える企業や、導入後の修理対応（コールセンターなど）までトータルで対応が可能な企業を選ぶと非常に効率的であるといえます。

相談前にまとめておくと話が早い資料

外部の開発支援先に問い合わせを行う場合には、必要な情報を事前に整理しておくと、認識の齟齬がなくなるなどより精度の高いやりとりが可能になります。