ゼロエナジーゲートウェイ〜太陽光発電駆動の IoT ゲートウェイでインフラ監視の導入を容易化〜
久保依田
高度経済成長期に建設された橋梁などのインフラ構造物の老朽化が進み、継続的な監視とメンテナンスが必要と

祐樹
淳

橋爪洋

択可能である。どのタイプもIP65の防塵、防滴仕様であり、-20〜60℃の動作温度範囲を実現している。

なるが、人手による点検コストの増大や専門知識をもつ技術者不足が課題となっている。また、地球温暖化による気候変動リスクが高まり、集中豪雨などの大規模な自然災害に備えた防災や減災の対策が必要となる。このため、人手不足解消や検査精度向上の観点からセンサー技術や無線ネットワーク技術を用いたモニタリングシステムが注目されている。
OKIではこれまでも、省電力の920MHz帯マルチホップ無線技術とセンサーデータの分析技術を組み合わせた電池駆動の無線加速度センサーユニットを商品化し、インフラ構造物の劣化状況を監視するモニタリングシステムの開発に取り組んできた。また、近年増加している集中豪雨による河川氾濫に対して、高精度な超音波水位計や水圧図 1 ZE-GW の外観（左：ゲートウェイ単体型、中：超音波水位計付、右：水圧式水位計付）

式水位計と太陽光発電機能を備えた危機管理型水位計を販売している。

表1

ZE-GW の諸元

モニタリングシステムでは、各センサーで計測したデータをインターネット経由でクラウドやサーバーに送信するゲートウェイが必要となる。しかし、従来のゲートウェイは

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商用電源を必要とし、現場に設置する際の電源の配線工事に多大な費用と期間を要していた。
そこで、OKIは、電源工事、通信配線工事が不要で設置
容 易 性 に 優 れ た「 ゼロエ ナジ ー ゲ ートウェイ 」（以下、ZE-GW）を開発した。本製品は、920MHz帯マルチホップ無線「SmartHop ® ＊１）」とLTEによる無線通信機能を備えたIoTゲートウェイであり、太陽光発電駆動に対応することにより、屋外での設置容易性を実現した。
本稿ではZ E-G Wで開発した省電力技術と、Z E-G Wを௙ᵝ0+]ᖏ࣐ࣝࢳ࣍ࢵࣉ↓⥺/7(&DW㟁※ኴ㝧ගⓎ㟁㥑ື⪏㐃⥆୙᪥↷㐃⥆୙᪥↷᪥㛫ືస㹼Υࠊ㹼㸣5+‵ᗘ⠊ᅖ㜵Ỉ࣭㜵ሻ,3ᑍἲ: [ ' [ + PP⿦⨨┘ど⿦⨨ෆࡢᗘࠊ‵ᗘ┘どࣂࢵࢸ࣮ࣜ㟁ᅽ┘ど用いたインフラモニタリングの事例を紹介する。
ZE-GWを利用したモニタリングシステムの構成を図2にセンサーユニットがある。無線加速度センサーユニットはZE-GWの外観を図1にZE-GWの諸元を表1に示す。図1

インフラ構造物に設置し、対象の固有振動数や傾斜のデーに示すとおり、ZE-GWは、ゲートウェイ単体型に加えて、河タを収集可能な電池駆動の装置である。ZE-GWと無線加川監視で多数実績のある超音波水位計機能、並びに水圧速度センサーユニットは、920M H z帯マルチホップ無線式水位計機能を一体化したタイプがあり、用途に応じて選「SmartHop」により、互いに中継して無線伝送可能なため、＊1）SmartHopは、沖電気工業株式会社の登録商標です。

58示す。Z E-G Wに接続可能なセンサーとして、無線加速度ZE-GW を利用したモニタリングシステム

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2021 年 5 月／第 237 号 Vol.88 No.1

広範囲のモニタリングシステムを柔軟に構築可能である。と呼ばれる省電力技術1）が使われている。スリープルーター

各センサーのデータは920MHz帯マルチホップ無線で親機

技術は、大半の時間をスリープモードで維持し、間欠的にアとなるZE-GWに集約され、LTE経由でクラウドへ送信されクティブ状態になったタイミングで、送受信する技術である。

る。クラウド上で、センサーデータの分析機能や結果に応本モジュールでは標準技術に加え、独自のスリープタイミンじた警報を送出する仕組みを構築することにより、橋や道路グ制御技術により、低遅延化と低消費電力化を実現していなどの社会インフラの管理者に必要な情報を提供する。

る。
また、「SmartHop」モジュールを使ったセンサー同士であ従来のゲートウェイは、小型パソコン相当の装置を利用れば、容易にネットワーク構築することができ、かつ機器認証することが多く、消費電力は数Wとなり、太陽光発電で動や暗号化通信などのセキュリティ機能もモジュールレベルで作させる場合には、大型の太陽光パネルと容量が大きく重提供しているため、安全にシステム拡張が可能である。

量のある蓄電池を利用する必要があった。一方ZE-GWは、（2）
エナジーハーベスティング技術

優れた省電力性能によって、165x150mmサイズの小型のZE-GWは太陽光発電を利用しているが、太陽光発電は天太陽光パネルで、二次電池も含めて一体型の筐体に収まっ候によって発電量が左右されるため、雨天が続きシステム停ている。このサイズでも動作時間は、通常の用途で9日間止となるリスクがある。また、二次電池の特性として、曇天時の連続不日照動作が可能である。これにより、屋外でも場の小さい電流では充電効率が下がるという問題もある。

所を問わず、容易に設置が可能となった。さらに、センサー

ZE-GWではこの問題に対して、小さい電流でも高効率で充を一体型としたZE-GWでは、より設置コストを削減可能で電可能なキャパシターと、大容量の二次電池の二つを組み合ある。これらZE-GWの特徴により、インフラモニタリングソわることで解決している。図3のように晴天時は充電電流がリューションの導入コスト低減が見込める。

高いため直接二次電池に充電し、曇天時の充電電流が小さい時は、いったんキャパシターを充電した後に、キャパシターから二次電池に充電することで、電池に対しての十分な充電

宏宗守

岼島岳峖

電流を確保することで充電効率を高めている。図4に屋外で取得したZ E-G Wの充電電流と電池電圧のデータを示す。
2021年1月22日〜25日の期間は十分な日照を得られず、充ୱର‫ܗ‬௔ԽഀਭҒ‫෉ܯ‬

電電流が平均10mA以下と小さいため直接二次電池には充電できないが、キャパシターを用いた充電により、その期間でも電池電圧は上昇し、充電効率を高めていることが分かる。

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図3

高効率充電制御3180160

ZE-GW の省電力技術
次にZE-GWを支える三つの低消費電力技術を述べる。
（1）「 SmartHop」
ZE-GWでは、センサーデータを収集するための通信として

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2.8120
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2.780
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40
2.5
20
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1/21

1/22

「SmartHop」を利用している。
「SmartHop」は920MHz帯無線を利用した無線モジュールであり、スリープルーター技術

2.9

140

ZE-GW のモニタリングシステム構成
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図2൅ుྖ

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図41/23

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1/24

1/25

2.4
1/26

充電電流と電池電圧の実証データ

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河川水位と橋脚傾斜を測定し、Z E-G Wはそれらを1時間（3）LTE通信制御
ZE-GWは、屋外からインターネット接続するためにLTEごとにLTEでモニタリングシステムに送信する。河川水位モジュールを搭載しているが、LTEモジュールは消費電力が一定以上上昇すると警戒状態となり、測定頻度を2分ごが高く、小型太陽光パネルでは常時LTEモジュールを動かとに短縮し、LTE通信制御機能によってモニタリングシステすことは難しい。そのためクラウドへ通信が必要な時のみムへの送信遅延も短縮される。モニタリングシステムでは、LTEモジュールの電源をいれるように適切に制御する必要各橋脚の水位や傾斜の状況がグラフ表示で可視化され、がある。図5にLTE通信制御による省電力化の仕組みを図

警戒状態になるとアラートメールを送信して管理者に通知示する。Z E-G Wは各種センサーから収集したデータを可能である。

ZE-GWでバッファし、一定量蓄積してからLTEモジュールを駆動し、まとめて通信することでLTE通信時間を短縮し電力消費を低減している。そのためZE-GWのバッファによൊ࿿崣嵛崝り遅延が発生し、センサーが送信した緊急データ通知が遅れる恐れがある。そこで、ZE-GWはLTE通信のバッファ制御を外部からの通信によって制御可能なインターフェイスを用意している。つまり、センサーが緊急データを送信する
場合は、緊急のセンシングデータ送信と同時に、ZE-GWの=(*:தఠణ਷ਜ਼ੑહ岷୤਷ఏ

バッファ制御を解除するような制御データを送信する。そうすることで、ZE-GWは一時的に消費電力が増加するが、低遅延でクラウドへの通信を可能とし、緊急時の低遅延なデータ送信にも対応している。
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図6崗嵑崎崱

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鉄道橋脚の傾斜・水位モニタリング=(*:峑崣嵛崝嵤崯嵤崧峼໮஋峁峐ଛਦ峃峵岽峒峑/7(மਢৎ৑峼ਈ৵৲（2）高速道路橋の床版モニタリング（事例2）
道路橋の床版や桁のモニタリングに、加速度センサーを使用した振動周波数解析を用いる取組みがある2）。床版の図5

LTE 通信制御による省電力化

劣化やコンクリート中の鋼材の腐食などで剛性が劣化すると、振動周波数が変化することが報告され、その変化をZE-GW を用いたインフラモニタリング事例
ZE-GWの長所が生かされるインフラモニタリング事例を以下に示す。

加速度センサーでモニタリングしている。道路橋モニタリン
グ で も 、設 置 時 の 電 源 敷 設 工 事 は 課 題 に 挙 げ ら れ 、
ZE-GWを使うことでこの課題に対応可能である。図7はモニタリングシステムの可視化画面であり、道路橋に設置したセンサーを地図上から選択し、指定期間のスペクトログ（１）鉄道橋脚の傾斜・水位モニタリング
（事例1）

60

ラムを確認でき長期にわたる周波数の変動を確認可能で

図6に鉄道橋脚の傾斜モニタリングの実証実験の写真ある。道路橋モニタリングの実証では、測定期間中に台風を示す。橋脚に超音波水位計付きZE-GWと傾斜センサーによる停電が発生し、商用電源を用いたゲートウェイではを設置している。鉄道橋では、梅雨時や台風などの増水時データの欠損が発生した。一方、ZE-GWは停電期間中もに水流が増すと、橋脚付近の河床が掘られる洗堀が発生

携帯回線は接続可能であったため、継続的なデータ収集し、橋脚の傾斜、倒壊といった災害につながる恐れがある。

が可能であった。このため、地震や台風などの災害時に、従来は、河川水位の監視として量水標と呼ばれる橋桁か道路橋の損傷具合の即時把握にも有効である。道路橋のら水面までの距離を示す指標を目視観測することで運転モニタリングには、加速度センサー以外に、腐食センサー、を規制していた。ZE-GWを用いると、増水して危険な現地歪（ひずみ）センサーを用いた事例もあり、Z E−G Wは多確認をすることなく、リアルタイムに水位や傾斜を監視可種のセンサーを組み合わせたモニタリングにも対応可能能である。鉄道橋脚の傾きモニタリングでは、10分ごとにである。

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いく予定である。また、ユースケースの拡大に向けて、風崡嵂崗崰嵕崘嵑嵈

向・風速・雨量などの電池駆動可能なセンサーを拡充し、監崼嵤崗ఢణਯ૮଍ਸச২崣嵛崝嵤

視精度の向上のために、センサーとサーバー間で連携した高度なモニタリングシステムの実現を目指す。

崚嵤崰崎崏崌図7

道路橋モニタリング◆◆1）久保祐樹、柳原健太郎、野崎正典：無線センサネットワー
クの 省 電 力 化 技 術 、O K Iテクニカルレビュー 第 2 1 4 号 、Vol.76、No.1、pp.32-35、2009年4月
2）野崎正典、柳原健太郎、福井潔：無線加速度センサーを（3）法面傾斜モニタリング（事例3）
図8は豪雨による地すべりにより崩壊した法面（のりめん）用いた橋梁モニタリングシステムの実証実験、
OKIテクニカルレビュー第229号、Vol.84、No.1、pp.12-15、2017年5月に傾斜センサーを設置した事例である。そうした現場に
Z E-G Wと傾斜センサーを設置し、法面の変化をいち早く検知することにより、安全に避難誘導を行うことが減災の

久保祐樹:Yuki Kubo. イノベーション推進センター ネット

助けとなる。この現場ではカメラによる監視も行っていた

ワーク技術研究開発部

が、夜間は撮影が難しく、夜間でも対応可能な傾斜センサー

橋爪洋:Hiroshi Hashizume. ソリューションシステム事業によるモニタリングを行った。法面では、監視対象が面的に

本部 IoTプラットフォーム事業部 スマートコミュニケーション

広い範囲となるが、傾斜情報のような小さいサイズのデー

システム部

タで あ れ ば 数 十 か 所 の 同 時 測 定 が 可 能 で あり、

依田淳:Atsushi Yoda. 静岡沖電気株式会社 技術部「SmartHop」のマルチホップ通信を利用して、センサーを多数設置することでより広範囲な法面の状況把握が可能となる。

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図8

法面傾斜モニタリング

将来展望
ZE-GWの三つの事例を紹介したが、インフラモニタリン
グでは、センサーデータだけでなく画像による現場の状況確認の要望がある。イメージセンサーは他のセンサーに比べて消費電力が大きく、災害対策に用いるには夜間撮影が必要になるなどの技術課題がある。これら課題に対して、高感度なイメージセンサーの採用や、低消費電力な画像圧縮技術を備えたカメラセンサー付きZE-GWを開発してO K I テクニカルレビュー
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