四国電力，四国総合研究所
研究期報１１１ (2019年12月)
１０－１５

超低消費電力フィールドモニタリングシステムの開発㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 土木技術部

キーワード：

フィールドモニタリング
無線通信式
超低消費電力Key Words：

中西藤本美一知規

Field Monitoring
WirelessUltra-low Power

Development of the ultra-low power wireless field monitoring system.

Shikoku Research Institute, Inc., Electronics Technology Department
Yoshikazu Nakanishi
Shikoku Research Institute, Inc., Civil Engineering Department
Tomoki Fujimoto

Abstract

Current our society doesn’t equip enough field monitoring capability mainly due to high device cost and highelectric power consumption. Ultra low electric power consumption and reasonable cost field monitoring systems are
essential to protect our society from unprecedented natural disasters such as large scale inundation due totorrential rain along with huge typhoon.
We have been developing ultra-low power and reasonable cost wireless field monitoring platform technology
which is called openATOMS.
based on openATOMS.

In this article, we show newly developed water level wireless monitoring system

It equips ultrasound water level sensor, rainfall sensor and high-resolution still image

camera, and it operates at least five years with internal battery.

－ 10 －

超低消電力フィールドモニタリングシステムの開発

１．はじめにり，NICE32 単体の待機電流は定期動作に必要な近年，従来の想定を超えた規模の自然災害が多内蔵 RTC を動作させた状態で 7μA 程度と低く，発する中，多くの場所で水位や地すべりの常時モ各種センサを接続した場合もその電源供給を厳ニタリングシステムの整備が喫緊の課題となっ密に管理することで 10μA 以下となっている。ているが，既存のモニタリングシステムは非常に外部記憶装置として，最大 32GB の microSD メ

高価であること，コストの掛かるインターネットモリを搭載可能で，動作パラメータの設定や IoTクラウドサービスの利用が前提となっているも無線通信では伝送できない大量のデータの保存のが殆どであること，ならびに，センサ部の消費もできるようになっている。

電力が大きく商用電源が必要となる場合が多い

通信方式は 2.4GHz_ZigBee，920MHz_MultiHop，ことなどが課題となり，地域住民の期待通りには920MHz_LPWA(LoRa)から用途に応じて選択でき，導入が進んでいない。

通信方式が変わってもそのプロトコルの違いは

著者らは, システム開発コストおよびデバイ接続ドライバソフトウェアが吸収し，アプリケースコストを大きく低減すると共に，クラウドサーションソフトウェアからはほぼ共通の API で通ビスに依存しないフィールドモニタリングシス信可能となっている。

テム構築用共通プラットフォーム技術である

また，基本ソフトウェアとして，極低消費電力

openATOMS の開発，ならびに，それを活用した超動作をサポートする独自開発の S.OS_32 を搭載

低消費電力フィールドモニタリングシステムのしている。S.OS_32 では極低消費電力で動作する

1)2)3)4)

MCU 内蔵 RTC による間欠動作が可能で，待機時に開発を進めている。

本稿では開発した超低消費電力フィールドモ

は MCU のクロックを停止する他，接続されたセンニタリングシステムの概要，ならびに，その具体サへの電源供給をミリ秒単位で制御することに的な実装例として無線通信式水位モニタリングより消費電力を低減している。

システムについて報告する。
２．openATOMS の概要
openATOMS は，①IoT 無線通信機能と LTE 通信機能ならびにエッジクラウド機能を搭載したデータ収集ユニット，および，②IoT 無線通信機能を搭載したセンサユニットで構成されており，１台の①に最大 100 台程度の②を IoT 無線通信で接続可能となっている。
センサユニットは，独自開発の超低消費電力マイコン基板である NICE32，および，市販の各種センサで構成される。各種センサを NICE32 へ接続する方法として，アナログ電圧，UART 通信，I2C 通信，SPI 通信，1Wire 通信，および，パル

図-１ NICE32 電子回路基板

ス入力に対応しており，市販の殆どのセンサを接続可能である。

２．２ センサについてセンサ類の選定は常に難しい問題である。性能，

２．１ NICE32 についてコスト，消費電力を調査し，目的別に最適と思わ

NICE32 はセンサユニットのコアデバイスとしれるセンサを選定し，その接続ドライバソフトウて独自開発したもので，低消費電力で処理性能のェアを開発しなければならない。必要になってか高い最新設計の MCU を中心に，各種センサを接続ら探していたのでは間に合わないため，定期的にするための複数の IO 回路を搭載している。回路

市販センサの状況を調査し，使えそうなセンサを設計では徹底した低消費電力化対策を施してあ事前評価すると共に接続ドライバソフトウェア－ 11 －

超低消電力フィールドモニタリングシステムの開発を開発し，必要な時は直ぐに使えるように準備す装例について報告する。openATOMS を利用するこるという地道な作業を 10 年以上継続してきた。とで，開発期間は１ヶ月程度と当社における従来センサユニットは現時点で，超音波水位センサ，降雨量センサ，気温・湿度センサ，マルチポインのシステム開発期間の 1/5 以下とすることができた。（人件費換算で 10 百万円→2 百万円）

ト温度センサ，放射温度センサ，日射センサ，照度センサ，CO2 濃度センサ，傾斜センサ，地すべ

３．１ 基本仕様

りセンサ，振動センサ，騒音センサ，塵埃センサ，[水位センサユニットの仕様]

人検知センサ，静止画像カメラ等に対応している。

・水位計測範囲

選定基準は必要十分な性能を有しかつ安価であ・降雨量計測範囲：～100mm/hr

ることで，騒音センサなどは 300 円の MEMS マイ・画像解像度：1600×1200 pixel

クとソフトウェアによる信号処理を組み合わせ・無線通信距離：20mW 出力て実現している。

：0.5～10m

最大 5km 程度

250mW 出力 最大 15km 程度

静止画像カメラは 1600×1200 の高画質タイプ・電池寿命を選定しており，JPEG 圧縮後のデータサイズが：3～5 年（画像撮影頻度による）

100KB 以上となるため，無線送信はせず NICE32・重量： 2kgに搭載されている microSD メモリに保存する仕・動作可能温度： -20～60℃様とした。１撮影当たりの所要時間は microSD メ[データ収集ユニットの仕様]

モリへの保存時間を含めて３秒以下で電流消費

・インターネット接続

量は 330mA・sec であり，単三型 Li 乾電池×２本・センサユニット接続数：16で３万枚程度の撮影が可能である。画像を無線伝・データ蓄積および参照：内蔵クラウドサーバ送できないカメラの価値に疑問を抱かれるかも・消費電力：11W

しれないが，センサと連動した撮影画像を回収で・動作可能温度： 0～40℃

きれば災害の発生状況の分析等に有効であるこ・LTE 通信費: 900 円/月

：LTE モバイル回線とは容易に想像できるであろう。
水位計測は現場設置の容易な超音波距離計測
２．３ データ収集ユニットについて方式とし，降雨量計測は転倒升方式とした。超音データ収集ユニットは IoT 無線ネットワーク

波水位センサの部品コストは 9,300 円，降雨センとインターネット間のゲートウェイとしての機サは 19,000 円，静止画像カメラは 3,000 円程度

能と計測データを蓄積・処理するエッジクラウド

で，さらに防水加工などの追加コストが掛かり，サーバとしての機能を搭載している。コンピュー

これらはセンサユニットの製造コストのうちかタ基板には安価なオープンソースハードウェアなりの部分を占めている。

である BeagleBone とオープンソースソフトウェ

カメラを使用せず，10 分間隔で水位計測を行アである Linux を採用し，様々なフィールドモニった場合のセンサユニットの平均消費電力はタリングに柔軟に対応できる独自開発のソフト

0.7mW 程度と小さいため，その電源はコスト，信ウェア(ATOMS エンジン)を搭載している。ATOMS

頼性およびメンテナンス性を考慮し，単三型 Liエンジンは移植性を考慮して Java 言語で記述し乾電池を６本内蔵し５年間電池交換なしで使用ており，使用するコンピュータハードウェアを変できる設計とした。 Li 乾電池は自己放電率が更してもほぼ無修正で動作する。

１%/年未満と極めて小さく，また，-40～60℃の温度帯で安定して使用可能であることから，現時３．水位モニタリングシステムとしての実装例

点では他の如何なる電源方式よりも信頼性が優

センサユニットには様々なセンサを搭載できれており，かつ，安価である。

るが，ここでは超音波水位センサ，降雨センサお一方，無線中継局は常時 100mW 程度の電力を消よび静止画像カメラを搭載した，920MHz_LPWA 無費するため乾電池電源での動作は現実的ではな

線通信式水位モニタリングシステムとしての実

く，商用電源を確保できない場合は A4 サイズ程－ 12 －超低消電力フィールドモニタリングシステムの開発

度の太陽電池と Li-ion 蓄電池を組み合わせる方ングシステムが容易に構築可能である。

式が最良の選択肢である。
データ収集ユニットの消費電力は 11W 程度と３．２ センサユニットの外観大きいため，商用電源が必要である。

図－３に降雨センサを除くセンサユニットの静止画像は予め NICE32 に設定した撮影時間帯外観を示す。ユニット本体は簡易防水構造の ABSで，水位計測と連動して撮影されるようになって樹脂ケース内に NICE32 電子回路基板と電池ボッいる。また，水位計測の時間間隔は水位の変化率

クス(単三×６本)を収容している。NICE32 およに応じて自動調整できるようにもなっている。

び電源は-20～60℃で安定動作するため，特別なNICE32 には 16GB の microSD メモリを搭載しており，10 万枚程度の静止画像を保存できるが，耐環境対策は不要で，屋外の直射日光下に暴露設置可能である。

１撮影当たり 330mA・sec の電流消費量があるた

本体左側の塩ビパイプの下側先端に超音波水め，３万枚の撮影を行うと電池寿命が 2/3 程度位センサを接続している。右側の塩ビパイプの中(５年→３年)となる。には，920MHz_LPWA 無線通信モジュールとアンテ河川の急激な増水や斜面の崩壊をセンサで検ナを収容している。センサモジュール，通信モジ知しても，センサ情報だけではその現象の原因をュールを接続するケーブル長は最大５m となって解析し，今後の予防手段を講じるには不十分であいる。安価で耐候性に優れる塩ビパイプを利用することが多い。センサの計測値に大きな変動があることで防水構造を安価に実現している。ただし，った時の静止画像が記録できていれば，それらの超音波水位センサは音速補正用の温度センサを作業の迅速化と高精度化に役立つものと思われ内蔵しているため，直射日光を当てないように日る。

よけを設置することが望ましい。
本体下のカメラモジュールも簡易防水構造となっているが，レンズの汚損を防止するため，現場設置時には雨よけを取り付けることが望ましい。カメラモジュールと NICE32 間は４Mbps の高速通信を行っており接続ケーブルの最大長は70cm と短いが，別途長距離通信用のドライバモジュールを使用すれば 10m 程度まで延長可能である。カメラは撮影角 52°のピンホールレンズを搭載しているが，M12 マウント方式の任意の撮影角のレンズに交換可能である。

図-２ カメラ画像サンプル
IoT 無線通信方式には 920MHz_LPWA(LoRa)を採用しており，電波利用料の不要な 20mW 出力タイプでも，見通しを確保できれば５km 程度の通信距離があり，市街地でも１km 程度の通信は可能である。また，400 円/年の電波利用料の納付が必要になる 250mW 出力タイプを使用すれば，３～15km の通信距離があり，より広範囲のモニタリングが可能である。更には，太陽電池電源の無線中継局を設置することにより４ホップ程度の無線中継が可能となるため，大規模な水位モニタリ－ 13 －

図-３ センサユニットの外観

超低消電力フィールドモニタリングシステムの開発

３．３ フィールド試験ている。データ収集ユニットにはコンパクトなク

図-４にフィールド試験におけるセンサユニッ

ラウドサーバ機能が搭載されており，インターネトの設置状況を示す。超音波水位センサモジュー

ット経由で PC，スマホなどの WEB ブラウザを接ルはその下方の障害物を避けて設置する必要が続し，現在水位の参照や過去の水位変動グラフをある。また，無線通信モジュールはできるだけ高表示することができるようになっている。また，所に設置することが望ましい。本体ボックスはメスマホからの簡単な操作で，任意の水位でメールンテナンスのためアクセスが容易な設置方法と通報するように設定することもでき，近隣住民のする必要がある。

安全を守る街角水位計として必要十分な機能をセンサユニットの設置とメンテナンスは簡単搭載している。

ではない場合が多いため，コンパクトかつ軽量で，内蔵電池電源で長期間動作可能であることのメリットは非常に大きい。また，優れたパッケージ
ングは設置作業の省力化とメンテナンス性の向上に大きく寄与するため、様々な現場での利用を想定したデザインとする必要がある。

図-５

データ収集ユニットの設置状況

４．まとめ
本報告では，openATOMS の概要ならびにそれをベースに開発したフィールドモニタリングシス
テムの一例として「無線通信式水位モニタリングシステム」を紹介した。コスト低減対策としては，
openATOMS という共通プラットフォーム技術の利用により開発コストを抑制するとともに，性能とコストのバランスに優れたセンサを選択することで，既存の製品に対して 50%以上の低コスト化を実現している。また，センサユニットの低消費電力化対策としては，低消費電力で高性能な32bitMCU の採用ならびに LPWA 無線通信技術の採用というハードウェア面の工夫に加えて，低消費電力動作を実現する独自開発の基本ソフトウェ
アと，センサへの電源供給制御を厳密に行うとい
図-４ センサユニットの設置状況

うソフトウェア面の工夫により，内蔵乾電池電源で５年間の連続動作を実現している。

データ収集ユニットはセンサユニットの設置開発した無線通信式水位モニタリングシステ

場所から１km 程離れた商用電源の確保できる場

ムは，現在フィールド試験により実環境下での実所に設置しており，台風に伴う豪雨時にも安定し用性検証を継続して実施しており，今後いくつかて水位計測データの受信が行えることを確認しの改良を加えた後に製品化の予定である。本シス－ 14 －

超低消電力フィールドモニタリングシステムの開発

テムが地域社会の安全安心の向上に多少なりとも貢献できれば幸いである。
［謝辞］
本研究は，四国電力㈱新規事業部殿より委託を受け実施したものである。
最後に，無線通信式水位モニタリングシステムの開発ならびにフィールド試験に多大なるご協力を頂いた, 香川高等専門学校,高松琴平電気鉄道㈱，四国旅客鉄道㈱の関係各位に深く感謝いたします。
[参考文献]
1)中西美一：openATOMS を活用した各種フィール
ドモニタリングシステムの開発と運用，電気学会全国大会論文集（C 部門），20112)中西美一：高性能かつ安価な農業用環境モニタリングシステム（HaPPiMinder）の開発，電気学会全国大会論文集（C 部門），20133)中西美一：次世代 openATOMS の開発について,
四国電力・四国総合研究所研究期報 No.107 ,20174)天野雄一郎他：無線式振動モニタリングシステ
ム SwingMinder の開発,四国電力・四国総合研
究所研究期報 No.109 , 2018

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