佐藤工業技報
No. 482023

室内温熱環境のリアルタイムモニタリングシステムの開発

Development of the real time monitoring system of indoor thermal environment

菊田 道宣*，福田 安志**キーワード
センサーキットユニット，ローカルサーバー，Web プログラム，ワイヤレス，グローブ温度研

究概要

室内温熱環境を対象として，計測+通信機能を持つセンサーキットユニットとローカルサーバーから成るモニタリングシステムを開発した。センサーキットユニットは，市販の環境センサーを利用した 2 種類と，基盤から製作し，グローブ温度が測定できる 2 種類，計 4 種類である。これらからのデータは，ワイヤレス通信によってローカルサーバーに集約し，リアルタイムでの確認，分析することができるようにした。これらの機能は Web プログラムとしており，ブラウザーがあれば操作ができる。全体として可搬型の小さい機器のセットであり，センサーキットユニットの追加，撤去が容易であることから，室内温熱環境の実測に非常に有効である。

ABSTRACTAn indoor thermal environment monitoring systemhave been developed consisting of sensor kit units withmeasurement and communication functions and local server. There are four types of sensor kit units, two of which use
commercially available environmental sensors and two that can be fabricated from a base and can also measure glove
temperature. Datum of the sensor kit units can be collected on a local server via wireless communication and can bechecked and analyzed in real time. These functions are implemented as web programs and can be operated using abrowser. This monitoring system is extremely effective for measuring indoor thermal environments because it is asmall, portable set of equipment, and sensor kit units can be easily added and removed.

1 はじめにところで，温湿度等については，環境センサーと称する

室内温熱環境の評価や制御においては，空気温度や湿度，表面温度等の物理量の測定が不可欠である。これらの物理半導体センサーを用いた小型計測器が販売されるようになっている(写真－1) 1,2)。非常に小型であることから，事務室等に多数設置しても違和感が少ない。これにワイヤレス量は，通常，空間的に分布を持つため，なるべく多くのセによる通信環境を組み合わせることで，ローカルサーバーンサー・測定機器を分散配置する必要がある。また，室内に各機器のデータを一括して集約することができ，リアルの熱環境は，気象条件や建物の熱容量の影響によって時間タイムでのモニタリングにも対応できる。このような観点とともに変化することが普通で，瞬時の状態把握では不十から，計測+通信機能を持つセンサーキットユニットと分であり，数日から数週間の連続的な測定が望まれる。

ローカルサーバーから成るモニタリングシステムを開発

現在，室内温熱環境の測定では，対象とする物理量に応することとした。

じて様々な機器を使用し，各機器にデータを記録することが一般的である。そこでは，測定終了後に，各機器のデータを回収し，その後に書式を揃えて処理などの作業があり，測定点数が多くなるほど，煩雑さが増す。もう一つの問題
は，測定中のリアルタイムでのデータ確認は難しく，測定終了後に確認することになることである。室内温熱環境の(1)オムロン2JCIE-BU

制御に利用するためには，リアルタイムで過去を含むデー

写真－1

タの確認・検討が必要である。
* 技術センター 建築研究部，** スマートマシン株式会社
74(2)リコー D101

市販の環境センサー(文献 1,2)より引用)

本モニタリングシステムの特長をまとめると以下のよ

通信に要する電力も小さく，電池駆動のセンサーの省電力うになる。にも寄与する。

1) 多数のセンサーキットユニットからのデータをワイヤ(5) アプリケーションソフトウェアレスでローカルサーバーに集約する。

リアルタイムでの測定値の確認や，測定データを一括し2) リアルタイムでデータの確認，評価ができる。て取り扱うための分析ソフトウェアは，一般的な PC やタ

3) 全体として可搬型で小さい機器のセットである。

ブレット端末で操作できるように，Web プログラムとして4) センサーキットユニットの追加，撤去が容易である。

実装する。CPU や画面サイズの制限，ネットワーク設定や5) 新たなセンサーキットユニットの追加も可能である。

特定のソフトウェア利用等による制約を，できる限り排除

可搬型であり，センサーの増減が容易なことは，室内温する。

熱環境の実測に非常に有効であり，既存建物の省エネ診断(6) サーバーの機能等に活用しやすい。

サーバーには，測定データの保存，リアルタイム表示，データ分析を実現するため，MQTT サーバー，データベー

2 システム要件の整理

スサーバー，WEB サーバーの3つの機能を搭載する。
MQTT サーバーは，センサーキットユニットから送られモニタリングシステムの開発に当たり，システム要件をてくる測定データを受信し，それらのデータをデータベー以下のように設定した。

スサーバーと WEB サーバーに転送する(MQTT における

(1) 測定項目

MQTT Broker)。

測定項目は，室内温熱環境を対象として，温度，湿度はデータベースサーバーは，MQTT サーバーから転送され必須とし，他は用いる環境センサーに依ることとする。開るデータをデータ分析に適した形式に変換した上でスト発途中で，放射環境の把握の重要性を再認識し，グローブレージに保存する。また，データ分析の際には，様々な条温度を加えることとした。対応できる環境センサーは見当件に応じてデータ抽出が可能となる高度な検索機能を提たらなかったことから，センサー部まで含めて製作するこ供する。ととした。

WEB サーバーは，アプリケーションソフトウェアと連(2) 測定の間隔携してリアルタイムでの測定値の確認やデータ分析の機室内温熱環境を対象としているので，測定間隔(記録間能を実現する。WEB サーバー単体の機能としては，データ隔)は10分を標準とし，短くても数分で良いこととする。

ベースに対するデータ検索やアプリケーションソフトウ(3) ワイヤレス通信

ェアの起動である。

多数のセンサーとサーバー間で確実にデータ通信を行なうワイヤレスネットワークを構築する無線方式として，
Wi-Fi(IEEE 802.11)を採用する。他の無線方式に比較して，Wi-Fi は汎用性が高くかつ導入コストが安い。また，ひと3 センサーキットユニット開発したセンサーキットユニットの一覧を表－1に示す。

つのアンテナの通信エリアは100m 程度であるが，市販の写真－1のオムロンの環境センサーを利用したのが SKU-A

リピーター製品を追加することで通信範囲を拡張するこタイプ，リコーの環境センサーを用いたのが太陽電池駆動とが容易である。さらに，インターネットとの親和性も高型である。SKU-B タイプ，C タイプは，乾電池駆動でグロー

く，遠隔地からのリモート観測などにも対応することがでブ温度測定のために基盤から製作した。

きる。
(4) データの通信・収集

3.1

気温・湿度等の測定データは，数項目の小さなサイズのオムロンの USB タイプの環境センサーを利用するに当データであるので，小データのやり取りに適しているたって必要となる，給電とサーバーとの通信機能等を担うMQTT (Message Queue Telemetry Transport)3)を使って通信することとする。MQTT は HTTP 等に比べて軽量であり，表－1

SKU-A タイプ

機器をラズベリーパイで製作した。この機器の機能は，設定された時間間隔で環境センサーを起動し，データをサーセンサーキットユニットの一覧

75

バーに送信することである。これと環境センサーを組合せたものが SKU-A タイプである。外観を写真－2に示す。センサー突起部を含めて100mm 程度であり，手のひらに収まるサイズである。
このセンサーは，温度，湿度以外に，照度，大気圧，騒音，加速度，VOC 相当値など，多くの項目が測定できることが特長である。全体として USB 端子へ給電する必要があり，実測ではそこがデメリットである反面，AC アダプ
ターを使用すれば電池切れを心配する必要が無い。

3.2

写真－2

センサーキットユニット SKU-A

SKU-B タイプ

電池駆動型のセンサーキットユニットとして，プリント基盤にセンサーやマイクロコントローラーを組み込んだ
SKU-B タイプを開発した(写真－3)。SKU-B タイプは，量産化を前提としたプロトタイプであり全て手作りである。
基盤の大きさは70mm×35mm，単3乾電池2本ほどの大きさである。参考文献3)を参照して，ピンポン球を用いたグローブ温度を測定できるようにした。そのため，高さが175mm 程度の突起部を持つ。測定項目は，グローブ温度の他に，温度，湿度，照度，大気圧である。
マイクロコントローラーの耐電圧の関係で，一般の乾電

写真－3

SKU-B

写真－4

写真－5

太陽電池搭載型センサーとブリッジ機

SKU-C

池(一次電池)は使用できず，充電型の二次電池を用いる必要がある。データの通信間隔を10分とした場合，単4電池3本では1週間強，単3電池3本では3週間ほど測定できる。自身の電圧も記録できる。

3.3

SKU-C タイプSKU-C タイプは量産化を目指して開発したもので，回路図から金型を起こして製作した(写真－4)。基本的にはSKU-B タイプと同じ構成であるが，プリント基盤が62mm×33mm と小型化したこと，単4の一次電池2本で動作するようにしたこと，全体的に強度を高めていること等の改良を加えている。一次電池を用いることで測定可能期間は延びて，データの通信間隔を10分として30日程度の測定が可能となっている。

3.4

太陽電池搭載型

リコーの環境センサーは，小型で太陽電池を搭載しており，電源不要であることが特長である。日中数時間，蛍光灯の照明下に置くことで，翌日まで途切れることなく測定

写真－6

できたので，一般的な建物の使用条件下では，電池切れとなることは無いと考えられる。測定項目は，温度，湿度，照度，大気圧であり，自身の電圧も記録している。

小型のローカルサーバーにブリッジ機を置いて，ローカルサーバーと送受信させることになる。なお，ブリッジ機には USB 端子への給電が必要である。

環境センサーからのデータ送信は Bluetooth で5分毎に行なわれる。したがって，環境センサーからのデータを4 ローカルサーバーとアプリケーションソフトウェ

Bluetooth で受信し，Wi-Fi でサーバーへ送信するブリッジア機を，ラズベリーパイで製作した。環境センサーとブリッジ機を写真－5に示す。使い方としては，1台のブリッジ機

ローカルサーバーはラズベリーパイで製作し，自身がに8個までのセンサーを登録できるので，複数の環境セン

Wi-Fi のアクセスポイントとなるタイプと，通信範囲を拡サーを設置し，それらから Bluetooth で通信できるところ張できるよう外部のルータ，アクセスポイントに接続して使用するタイプの二種類を開発した。外観を写真－6に示76す。小型で容易に移動・移設ができる。
アプリケーションソフトウェアは Web プログラムとして実装しており，ブラウザーがあれば利用できる。サーバーと連携して次のような機能を実現している。
(1) リアルタイム処理
・ センサーキットユニットの一覧表示
・ センサーキットユニットの測定値のグラフ，テーブル表示(1) 折れ線表示

・ 表示データの CSV ファイル出力・ センサーキットユニットの設定管理(記録間隔，位置座標，コメント等)(2) オンデマンド処理(データ分析)
・ データベースからデータの抽出(期間，座標等)
・ 抽出したデータのグラフ化(図－1)・ 抽出したデータの CSV ファイル出力・ データベースの管理(削除，バックアップ等)(2) ヒートマップ表示

5 グローブ温度の比較

図－1

抽出データのグラフ表示の例

使用例としてグローブ温度の計測結果を示す。グローブ
温度は，正確には径150mm のつや消し黒色塗装の銅球による温度なので，ピンポン球を用いた温度とは差があることが想定される。そこで，SKU-B，C タイプと150mm 球とでグローブ温度を比較することとした。測定は，使用頻度の少ない実験室において今年の6/14～7/18に掛けて行なった。
測定の様子を写真－7に示す。150mm グローブ球の中に

写真－7

グローブ温度比較のための測定の様子

Pt100測温抵抗体を設置し，1分間隔でグローブ温度を記録した。SKU-B タイプは3個，SKU-C タイプは7個使用し，記録間隔は10分間とした。SKU の記録時刻を基準に，その前後の時刻の150mm グローブ温度の値と比較した。
比較結果として SKU-C タイプ2個の結果を図－2に示す。
SKU-C02によるグローブ温度は，ややばらつきが見られるものの，150mm グローブ温度によく対応しており，偏りもほぼ無い。相関係数も0.99超えと非常に高い。SKU-C06のグローブ温度は，相関係数が0.99超えとなっているものの，図－2

グローブ温度の比較結果全体的に150mm グローブ温度よりも1.5℃程度高くなっていた。他の SKU も相関係数は同程度であり，偏差は SKU-全体として可搬型の小型の機器のセットであり，センC06よりは小さかった。それぞれの回帰式を用いて補正すサーキットユニットの追加，撤去が容易であることから，ることで，室内温熱環境の計測には十分実用になると判断

室内温熱環境の実測に非常に有効である。今後もモニタリできる。

ングシステムの整備を継続し，既存建物の省エネ診断や建築設備の簡易的な制御などに活用する予定である。

6 まとめ
参考文献

室内温熱環境を対象として，計測+通信機能を持つセンサーキットユニットとローカルサーバーから成るモニタリングシステムを開発した。センサーキットユニットは，市販の環境センサーを利用した2種類と，基盤から製作しグローブ温度も測定できる2種類，計4種類である。これらから，ワイヤレス通信によってローカルサーバーにデータを集約し，リアルタイムで確認，分析することができる。
これらは Web プログラムとして実装しており，ブラウザーがあれば操作可能である。

771) オムロン 環境センサー https://components.omron.com/jpja/products/sensors/iot_sensors/environment-sensors2) リコー EH 環境センサー https://industry.ricoh.com/dyesensitized-solar-cell/sensor3) http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1os.pdf.
4) 富樫英介：室内温熱環境の廉価な無線計測記録装置の開発，日本建築学会技術報告集，第 28 巻第 68 号，pp.267272，2022.2