[論文レビュー] Cloud-Enabled IoT System for Real-Time Environmental Monitoring and Remote Device Control Using Firebase

Abdul Hasib, A. S. M. Ahsanul Sarkar Akib|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2026

IoT-based Smart Home Systems被引用数 0

ひとこと要約

クラウド対応のIoTシステムをFirebase Realtime DatabaseとESP32、DHT22、HC-SR04を用いて実現し、リアルタイムの環境モニタリングと双方向のリモートLED制御を可能にする。データ信頼性が高く、低遅延を達成。

ABSTRACT

The proliferation of Internet of Things (IoT) devices has created unprecedented opportunities for remote monitoring and control applications across various domains. Traditional monitoring systems often suffer from limitations in real-time data accessibility, remote controllability, and cloud integration. This paper presents a cloud-enabled IoT system that leverages Google's Firebase Realtime Database for synchronized environmental monitoring and device control. The system utilizes an ESP32 microcontroller to interface with a DHT22 temperature/humidity sensor and an HC-SR04 ultrasonic distance sensor, while enabling remote control of two LED indicators through a cloud-based interface. Real-time sensor data is transmitted to Firebase, providing a synchronized platform accessible from multiple devices simultaneously. Experimental results demonstrate reliable data transmission with 99.2\% success rate, real-time control latency under 1.5 seconds, and persistent data storage for historical analysis. The system architecture offers a scalable framework for various IoT applications, from smart home automation to industrial monitoring, with a total implementation cost of \$32.50. The integration of Firebase provides robust cloud capabilities without requiring complex server infrastructure, making advanced IoT applications accessible to developers and researchers with limited resources.

研究の動機と目的

• リアルタイム環境モニタリングとリモートデバイス制御のためのクラウド接続IoTアーキテクチャを実証する。
• 複数センサ（温度、湿度、距離）をFirebaseを介した双方向クラウド通信と統合する。
• データ信頼性、遅延、スケーラビリティを含むシステム性能をプロトタイプ規模および小規模展開で評価する。
• スマートホーム、産業モニタリング、教育用途に適したコスト効果が高くスケーラブルなフレームワークを提供する。

提案手法

• ESP32、DHT22、HC-SR04、および2つのLEDを統合した三層アーキテクチャ（デバイス、通信、アプリケーション）。
• 双方向データ同期とリモート制御を実現するFirebase Realtime Databaseとセキュリティルール。
• 温度/湿度には指数移動平均、距離にはメディアンフィルタを用いたセンサデータ処理。
• ファームウェアにはWi-Fi接続、Firebase認証、指数バックオフを伴うデータ整形・送信、タイムスタンプ検証を伴う制御コマンド処理を含む。
• ウェブインターフェースはリアルタイム監視、リモート制御トグル、履歴可視化、マルチユーザーアクセスを提供。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FirebaseベースのクラウドバックエンドはESP32ベースのマルチセンサIoTシステムにおける双方向のリアルタイム監視・制御をサポートできるか。
• RQ2 プロトタイプ規模の運用での信頼性、遅延、スループットといった性能特性はどうなるか。
• RQ3 プロトタイプ展開における遅延、複雑性、コストの観点で、他のクラウドソリューションと提案システムはどう比較されるか。
• RQ4 小規模から中規模の展開時に生じるFirebase統合IoTアプリケーションのスケーラビリティとセキュリティ上の考慮点は何か。

主な発見

Metric	Target	Achieved	Unit
Data Transmission Success	99.0	99.2	%
Control Command Latency	< 2.0	1.4	seconds
Sensor Update Frequency	1.0	1.0	Hz
Network Recovery Time	< 10	7.2	seconds
Power Consumption	< 200	168	mA
Temperature Accuracy	±0.5	±0.4	°C
Humidity Accuracy	±2	±1.8	%
Distance Accuracy	±3	±2.5	mm

• extensive testingにおけるデータ伝送信頼性は99.2%を達成。
• 制御コマンドの遅延は1.4秒（目標2.0秒未満）。
• センサ更新頻度は1.0 Hzを維持。
• 中断後のネットワーク回復時間の平均は7.2秒。
• 温度、湿度、距離の測定は述べられた精度目標を満たす（±0.4°C vs ±0.5°C、±1.8% vs ±2%、±2.5 mm vs ±3 mm）。
• システムは複数クライアントへのスケーラビリティと、控えめなストレージ容量（約45 MB）での14日間データ保持を実証。