立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第32号) 2023

［ 研究助成 (B) ]屋外作業員のための多方位からの紅斑紫外線リアルタイム計測用
IoT システムの実現
A Realization of an IoT system for real-time erythematic UV measurement frommultiple directions for outdoor workers
2211901

研究代表者

東京電機大学 大学院未来科学部
情報メディア学研究科

准教授

岩井将

行

共同研究者

大同大学

教

渡邊

慎一

建築学科学研究科

授り遠隔でユーザが紫外線を把握することができ[研 究 の 目 的]る。これらのシステムの評価実験を行い，紫外紫外線は長期間にわたってばく暴露することで皮膚がんや白内障，翼状片などの発症可能性線対策に寄与することが可能であることを確認した。

を増加させるため，特に屋外活動ではばく露量[研究の内容，成果]を適切に管理することが必要である。しかし日本における紫外線対策に対する意識は低く，紫外線対策に寄与するシステムも少ない。さらに

1 背景

紫外線対策に効果的な日焼け止めクリームは有紫外線は長期間にわたって暴露することで皮効活用されておらず，気象庁と国立環境研究所

膚がんや白内障，翼状片などの発症可能性を増が公開している紫外線情報も実際の実環境にお加させる[1]。わが国における年齢調整の罹患いて異なる可能性が考えられ，紫外線対策を行率と死亡率は緩やかに増加傾向にある[2]。工うことが難しい環境であることが推測される。

事現場の作業員や学校の部活動を行う学生など

そこで我々は紫外線対策に寄与するシステムと屋外での活動が日常的にある人は特に対策を講して屋外作業員や学校の部活動など日常的に屋じる必要がある。しかし後藤ら[3] の研究にお外で活動する人を監督するユーザに向けた，周いて大学生にアンケートを実施したところ，紫辺の紫外線情報に簡単に入手できるシステムの外線が人体に与える影響について知識が不十分開発を行った。本システムは広範囲に複数設置であることが分かった。また現状，工事現場に可能な多方位紫外線量を計測する装置と紫外線おいて熱中症対策を支援するシステムは多く存

情報を可視化するシステムで構成されている。

在するが紫外線対策に関するシステムは少ない。

多方位紫外線計測装置は GPS モジュールとこのことから日本における紫外線対策が進んでケースの 6 面に紫外線センサが取り付けられていないことが推察される。

おり，設置地点の情報 (緯度，経度) と 6 方位1. 1 紫外線ばく露リスク指標である UVIndexの紫外線量のデータが取得可能となっている。

[4] は WHO (世界保健機関) が定めた紫外線取得したデータは長距離無線通信である LoRaが人体に与える影響を指標化したものである。

通信を用いて遠隔にある受信機に送信する。受これは地上に到達する紫外線の波長ごとの強さ

信機側ではデータのグラフ化および地図上に設と，人体への影響度 (CIE 作用スペクトル) を置地点のマッピングを行う。これらの機能によ掛け合わせ，これを波長積分して求めた紅斑紫― 1 ―立石科学技術振興財団

外線量から 25 mW/m 2 で除し，0 から 11+ でムとして複数地点に設置可能な多方位紫外線計

指 標 化 し た も の で あ る。本 研 究 で は，こ の測装置とそれらのデータを可視化するシステム

UVIndex の推定を行う。

を開発した。

1. 2

紫外線対策方法とその課題

紫外線対策に有効な対策方法として日焼け止

2 関連研究

めクリームの使用と公開されている紫外線情報

紫外線を監視するシステムを本研究と比較すの入手が挙げられる。日焼け止めクリームは防る。Kim ら[7] の研究では，有害な環境要素御効果が高いものを使用したとしてもムラのあに関する情報 (粒子状物質，紫外線) を IoTる塗り方や汗でクリームが落ちてしまった場合，プラットフォームを利用して警告するシステム

正しく効果は発揮されない。よって日焼け止めを提案している。ユーザの位置と環境情報を測

クリームは生活シーンに合わせて選ぶ必要があ定 す る IoT ス マ ー ト デ バ イ ス を 用 い て 測 定る。

データを統合し，環境情報を共有する IoT プ

後藤ら[3] の研究において日焼け止めクリームの選び方に関するアンケートでは，約 47%

ラットフォームから環境情報をリアルタイムで表示を行う。

が「知らなかった」と回答しており，日焼け止Park ら[8] の研究では，一般の人々が UVめクリームに関する知識が不足していることも

関 連 情 報 に 簡 単 に ア ク セ ス で き る UVIndex

明らかになっており，うまく活用されていないセンサベースの携帯型測定装置を開発した。

ことが分かった。

開 発 し た デ バ イ ス は UVIndex セ ン サ，BLE

現在我々が入手できる紫外線情報として主に(Bluetooth Low Energy) モジュール，操作用

気象庁が公開している全国の UVIndex[5] とのマイクロコントローラユニット (MCU) か国立環境研究所が公開している観測局で測定しら構成される。取得した紫外線データは BLE

たビタミン D 生成・紅斑紫外線量[6] の 2 つ通信を介してスマートフォンで確認できる。
しかしこれらの紫外線測定は 1 方位のみの計がある。
しかし紫外線は天気のみならず，高度，周辺測にとどまっており，人体があらゆる方位からの建物の配置，地表面の種類による反射率の違紫外線をばく露することを考慮できていない。

いによる周辺環境の影響を受けるため，公開さ本研究では 6 方位紫外線計測を行うことで解決れている情報と自身の周辺紫外線量が必ずしもを図った。6 方位計測にすることで太陽光の向一致するとは限らない。よってこれらを利用しきに対応することが可能で，日中の計測においた紫外線量の把握は困難である。て常に最も高い紫外線量の方位を捉えることが

1. 3

できる。

目的と提案システム

我々は前節の課題に対して紫外線対策システ
3 多方位紫外線計測装置と可視化システム

ムには以下の要件が必要であると定義した。
1．紫外線計測装置を身近な位置に設置可能

我々 が 開 発 し た 多 方 位 紫 外 線 計 測 装 置

2．計測装置の紫外線データを遠隔把握可能(UV-LoRa) と可視化システム全体のシステム

紫外線の周辺環境の影響を考慮するにはなるべく計測したい地点の近くに設置することが望構成図を図 1 に示す。
3. 1

多方位紫外線計測装置のプロトタイプ開発

ましく，また紫外線対策を促すには屋外活動の初めに我々は複数地点に設置可能な多方位紫監督者が周辺紫外線量を正しく認識することが外線計測装置 (以下初期型 UV-LoRa) の開発必要だと考えたためこの 2 つを要件とした。そ[9] を 行 っ た。初 期 型 UV-LoRa で は 横 田 ら

こで我々はこれらを解決するために提案システ[10] の研究で提案された紫外線の 6 方位計測― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

表1

図1

予備実験の回帰分析結果

全体のシステム構成図

手法を取り入れ，紫外線の反射成分，太陽光のれぞれ回帰分析を行い決定係数を求めた。

向きを捉えられるようにした。計測装置と受信実験結果実験結果を表 1 に示す。現センサの機は LoRa 通信[11] でデータの送受信を行い，決定係数は平均 0.8730 となり，前センサの決安定して 400 m の通信が可能であることが分定係数の平均 0.7892 と比べ決定係数が高いこかった。また使用する紫外線センサは複数地点とが分かった。これは前述した分光感度特性がに設置する関係から低コスト化と小型化が必要影響しているものだと考えられる。よって紫外で あ っ た た め 安 価 な セ ン サ (Spark Fun

線センサを変更することで少しだけコストは高Electronics 社 の UV Light Sensor Breakout-くなるが，精度向上が図れる。

VEML 6075，$7.50，330 nm にピーク波長) を3. 3

UV-LoRa の構成用いて高精度センサ (Davis Instruments 社の3. 1，3. 2 節を踏まえ改善した UV-LoRa の構

Vantage Pro UV Sensor (6490)，$425.00) の成を図 2，外観を図 3 に示す。センシングマイ

UVIndex を推定することに取り組んだ。

コンで接続された各センサやモジュールのデー

荒川河川敷にて距離性能実験と紫外線センサタ取得を行い，各データを JSON 形式のデー比 較 実 験 を 実 施 し た と こ ろ，2 台 の 初 期 型
UV-LoRa から安定して 400 m の通信が可能であることが分かった。しかし初期型 UV-LoRa
は日が差している方位では推定が可能であるがそれ以外の方位では推定ができない結果となり十分な推定精度が得られなかった。
3. 2

UV-LoRa の推定精度改善

初期型 UV-LoRa の課題として UVIndex の推定精度の向上が必要であった。そこで我々は

図2

UV-LoRa の構成図

図3

UV-LoRa の外観

紫外線センサの中で比較的安価 ($24.00) でCIE 作用スペクトルに分光感度特性が近いセン
サ で あ る Mikro Elektronika 社 の UVBClick(以下現センサ) に取り替えることで改善ができるか予備実験を行い確認した。
予備実験 3 類の紫外線センサの同時計測を行い，測定値から回帰分析を行い精度向上が図れる の か 比 較 実 験 を し た。高 精 度 セ ン サ のUVIndex を目的変数，初期型のセンサ (以下前センサ) と現センサの値を説明変数としてそ― 3 ―立石科学技術振興財団

タ と し て ま と め LoRa 通 信 デ バ イ ス に 送 る。

3. 4

可視化システム

LoRa 通信デバイスは受け取ったデータをアン

可視化システムは Node-RED[12] を用いてテナを通じて LoRa 通信で受信機に送信する。

実装し，ライブラリは node-red-dashboard をセンシングマイコンに搭載されている 2 つのボ使用した。可視化システムはノート PC 上で立タンを押下することで位置情報 (緯度，経度)ち上げておき，LoRa 通信デバイスからシリアを取得する GPS モードと紫外線，温湿度セン

ル通信で受け取った JSON データを処理し，サのデータを周期的に取得して送信する紫外線

Web ブラウザ上で表示を行う。またデータはモードを切り替える。時刻，日付の初期化は同時にデータベース (MongoDB) に保存する。

GPS モード時の位置情報に含まれる。

可視化システム内の JSON データの処理の流れを図 4 に示す。

紫外線計測
M5StickC 側面の②ボタンを押すと 30 秒ごとに送信する

図4

可視化システム内のデータ処理フロー

計測ボタン (側面)図5

可視化システムの画面

まず JSON データはデータ内の各端末で割り振られている ID やデータの種類によって処理が分岐する。GPS データの場合，緯度，経度の情報を地図上にマッピングする。紫外線データの場合，各センサの補正式を用いて補正値を算出した後に，6 方位の紫外線データを時紫外線計測モードの画面 (start と表示)系列順にグラフ化する。また紫外線データの中正しく送信されているとノート PC の可視化画面以下の画面のようになる。

から最も大きな値を計算し，その値からあと何分で日焼けするかを計算する。またマッピング
されたアイコンをクリックした時にこれらの情報が表示できるようにした。実際に Web ブラウザ上で表示されている画面を図 5 に示す。
マッピングされたアイコンをクリックした時の画面を図 6 に示す。また地図には Open Street
Map[13] を使用した。今回はあと何分で日焼― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

けするかの指標として WHO が定義した肌にる動作検証実験では求めた補正式の係数，切片紅斑を生じさせる最少の紫外線量 (Minimalを可視化システムに反映させた。

Erythema Dose) [14] を用いた。日本人の多4. 2

動作検証実験

く が 分 類 さ れ る ス キ ン タ イ プ III で は，開発した UV-LoRa および可視化システムがUVIndex が 8 のときに 25 分後に炎症を起こす

正常に動作するか実環境において動作検証実験とされている。

を行った。実験方法装置の設置地点は図 7 であUVIndex と時間は反比例関係にあり，今回り，受信機は ID2 地点付近の室内に設置した。のシステムでの日焼けする時間の算出は 6 方位2023 年 1 月 7 日の 11: 30: 00〜17: 30: 00 の計測

紫外線量の中から最も高い値を用いて行ったを行い，以下の項目を確認した。

(時間=t[min])。

(機能 1) 受信機で想定数のデータが受信できたか

t=200/UVIndex
4(機能 2) 可視化システム上でのデータの欠損されていないか

システムの評価実験
我々が実装した UV-LoRa と可視化システム(機能 3) 可視化システムの Web ブラウザ上の画面の変化が実環境において正しく動作するか評価実験を行った。

機能 1，2 を確認するために可視化システムに入力されるデータとグラフ化，マッピングするノードに入力されるデータをそれぞれデータベースに保存する。また機能 3 では PC 画面の録画を行い，画面の変化を確認する。実験結果と考察動作検証実験の項目 1 の結果を表 2，項目 2 の結果を表 3，機能 3 の結果を図 8 に示す。
表 2 より 99％以上受信に成功したことが確認できた．一部受信できなかったのは建物によ

図64. 1る電波干渉によるものだと考えられる．表 3 よアイコンをクリックした時の画面り，可視化システム上でのデータの欠損はなかった。図 8 より，画面が変化していることが補正式算出実験

紫外線センサは個体差により若干の感度特性確認できたため，上記より可視化システムが正の違いがあるため，各センサごとに補正を行う。
実験方法現センサ 12 個と高精度センサの同時計 測 を 行 い，高 精 度 セ ン サ の 出 力 す る
UVIndex を目的変数として各現センサ値を説明変数として回帰分析を行い，求めた回帰式を補正式として可視化システムに反映させる。東京電機大学 5 号館 6 階ルーフガーデンで 2022
年 12 月 19 日の 9: 33: 00〜12: 02: 00 に計測を行った。実験結果回帰分析の結果，決定係数はどのセンサでも 0.9 以上であり，補正式の当てはまりの良さが高いことが確認できた。後述す― 5 ―(a) ID11 号館 6 階

図7(b) ID25 号館 6 階

動作検証実験の UV-LoRa を設置した様子(東京電機大学内ルーフガーデン)
表2

受信機での受信データ数

立石科学技術振興財団

表3

可視化システムの各ノードに入力されるデータ数
ID1ID2グラフ化ノード想定数 715720 グラフ化ノードの実際の数
715720 マッピングノードの想定数 715720 マッピングノードの実際の数 715720[参考文献][1]

環 境 省．紫 外 線 環 境 保 健 マ ニ ュ ア ル 2020．

https://www.env.go.jp/content/900410650.pdf.
[2]

国立研究開発法人国立がん研究センター．がん

種 別 統 計 情 報 皮 膚．https: //ganjoho. jp/reg_stat/statistics/stat/cancer/13_skin.html.
[3]

後藤知己，執行愛美，高倉愛海，戸高友美子．

紫外線障害に関する学生の認知度と教育の現状．熊
本大学教育学部紀要，Vol. 68, pp. 181-188, 122019．
[ 4 ] 気象庁．UV インデックスとは．https://www.
data.jma.go.jp/gmd/env/uvhp/3-50uvindex_manua
図8l.html.

6 時間経過後の可視化システムの画面[5]常に動作していることが分かった。また ID1と ID2 のグラフの 13 時以降の変化を見てみると急激に ID1 が減少していることが分かる。
こ れ は ID1 の 地 点 に お い て 太 陽 光 が 建 物 によって遮られたためである。これより同時刻でも周辺環境により紫外線量が異なることが確認[ 6 ] 国立環境研究所．ビタミン d 生成・紅斑紫外線量情報．https://db.cger.nies.go.jp/dataset/uv_vita
minD/ja/index.html.
[ 7 ] Hyeong-Seok Kim, Seung-Taek Oh, and JaeHyun Lim. Development of local area alert systemagain stparticulate matter sandultravioletraysbasedon open Io Tplatform with P2P. Peer-to-Peer Network ingand Applications, Vol. 11, pp. 1240-1251,できた。
5

気象庁．紫外線情報 (分布図)．https://www.

data.jma.go.jp/env/uvindex/.

2018.
[ 8 ] Dae-HwanPark, Seung-Taek Oh, and Jae-Hyun

まとめLim. Development of a UV Index Sensor-Based

本研究では，紫外線対策を促すことを目的として 6 方位紫外線計測装置である UV-LoRa と取得データを可視化するシステムを開発した。
UV-LoRa は複数地点に設置することが可能で，紫外線の計測データは LoRa 通信を用いて遠隔にある受信機に送信される。受信機上の可視化システムでは受信したデータから 6 方位紫外線量のグラフ化と設置地点のマッピングを行い，Web ブラウザ上で一覧できる。システム
評価実験より，2 地点に設置した UV-LoRa でシステムが正常に動作することが確認できた。
また計測を行った 2 地点では同じ時間帯であったが異なる UVIndex を示した。これは周辺の建物による影響だと考えられ，紫外線計測において複数地点に設置する重要性が確認できた。
これらの機能から紫外線対策に寄与することがPortable Measurement Device with the EUVB Ratioof Natural Light, Sensors, Vol. 19, No. 4, 2019.
[ 9 ] 島田友憲，岩井将行．LoRa 通信を用いた複数方位および複数地点による UVIndex の推定同時計
測システムの検討．研究報告ユビキタスコンピュー
ティングシステム (UBI)，Vol. 2022-UBI-73, No. 2,pp. 1-6, 2022．
[10] 横田知樹，近藤亮磨，渡邊慎一，森川博之，岩井将行．UV-Cube：屋外作業員のための紅斑紫外
線量 6 方向同時計測システム．情報処理学会論文誌，Vol. 59, No. 10, pp. 1794-1801, 2018．
[11]

Semtech 社．LoRa (PHY)．https://www.semtech.com/lora/what-is-lora.
[12]Open JS Foundation & Contributors. Node-red.

https://nodered.org.
[13] OpenStreetMap 財 団．著 作 権 と ラ イ セ ン ス．
https://www.openstreetmap.org/copyright/.
[14]

国 立 環 境 研 究 所．用 語 解 説．https: //db. cger.

nies. go. jp/dataset/uv_vitaminD/ja/glossary. html#glossary04.

可能であると。
[成果一覧]
論文誌
渡邊慎一，石井智也，石井仁，岩井将行― 6 ―Tateisi Science and Technology Foundation

論文題目：雪洞「かまくら」内の温熱・空気・紫外線

2023/03/01

環境の実測調査

6 ．Teto：エッジ AI カメラと振動デバイスを内蔵す

受付日：2022 年 6 月 4 日る歩行者向け安全 IoT ベストシステム 野田翔太

受理日：2022 年 11 月 9 日

郎・岩井将行 情報処理学会 第 77 回 ユビキタスコ

掲載巻号：「人間と生活環境」第 30 巻

第 1 号 (2023年 5 月発刊)

ン ピ ュ ー テ ィ ン グ シ ス テ ム 研 究 会 2023/02/28，2023/03/01
7 ．Node-RED と気圧センサを用いた高層ビルにおけ研究会論文発表一覧

る底面からの高さ推定による物品位置管理システム

1 ．島田友憲，渡邊慎一，岩井将行，“紫外線計測デバ

日髙継大・中村快・石出宗己・岩井将行 情報処理イス開発の小型化に向けた調査”，電子情報通信学会 ヒューマンプローブ研究会，9 月 28 日，2021，オンライン開催．

学会第 85 回全国大会 2023/03/02-04
8 ．RTK-GNSS と IMU センサを内蔵する自己位置推定を用いた水位計測用 IoT ノードの研究 飛塚大2 ．島田友憲，岩井将行，“LoRa 通信を用いた複数方

翔・岩井将行 日本地理学会 2023/03/25-27

位および複数地点による UV Index の推定同時計測

9 ．道路工事情報共有のための BLE ビーコン立て看板システムの検討”，電子情報通信学会 センサネットの検討 中村快，岩井将行 情報処理学会第 84 回全ワークとモバイルインテリジェンス研究会，3 月

国大会 オンライン開催 2022/03/03-05

7-8 日，2022，オンライン開催．
3 ．島田友憲，岩井将行，“LoRa 通信を用いた複数の[学生発表賞受賞]

多方位紫外線計測デバイスからのデータ収集とグラ10．位置情報及び高低差管理を目的とした GNSS 信号

フ化システム”，電子情報通信学会 ヒューマンプのブラウザ解析ツール 粂田 司，岩井将行 第 26 回
ヒューマンプローブ研究会 オンライン開催 2022/ローブ研究会，9 月 22 日，2022，
4 ．島田友憲，岩井将行，“LoRa 通信を用いた複数の02/28

多方位紫外線計測デバイスによる UV Index の推定

11．ハイブリッド発電型のフィールドセンサ杭システ

同時計測と紫外線危険度の可視化システム”，情報ム 立野倫太郎，岩井将行 情報処理学会 第 73 回ユ処理学会 コンシューマ・デバイス & システム研究

ビキタスコンピューティングシステム研究会

会，1 月 23-24 日，2023，南淡路．

(UBI) オンライン開催 2022/03/01

5 ．屋内の 3 次元モデルを用いた再構築可能なモバイ

12．環境センサを用いたデジタルツイン活用手法の提ル向けアイテム追跡システム 石出宗己・中村快・

案 ウラタ英寿，岩井将行 第 25 回ヒューマンプ

岩井将行 情報処理学会 第 77 回 ユビキタスコン

ローブ研究会 オンライン開催 2021/09/28

ピ ュ ー テ ィ ン グ シ ス テ ム 研 究 会 2023/02/28，― 7 ―