広島工業大学紀要教育編
第 23 巻（2024）9-16

論文

Sigfox ネットワークを用いた IoT 機器の開発と教育・研究への応用田中

武＊・山内将行＊（令和 ５ 年11月24日受付）

Development of IoT devices using Sigfox network and application to education and researchTakeshi TANAKA, Masayuki YAMAUCHI（Received November 24, 2023）

Abstract
We develop the measuring system of carbon dioxide（CO２）concentrations 140 times a day
in habitable spaces using Sigfox along with temperature, humidity, and atmospheric pressure
measurements. In order to apply the education and research, we report the major device
development process. we design and fabricate a printed circuit board to integrate the sensor withan Arduino processor. Using the developed sensor, we estimate that if one adult male performs lightwork for １ h in a typical living room［3.17m（width 3.17m）
×7.4m（length 7.4m）
×2.6m（height 2.6m）=volume 61.4m３］, the carbon dioxide CO２ concentration will increase by approximately 200 ppm. In
the future, the developed sensor could be used for detailed human behavior studies in the context ofCO２ concentrations.
Key Words: carbon dioxide sensor, internet of things, sigfox性を調査する。

１ ．はじめに３ ）レーザー加工によりプリント基板を作製し、基板にCO２センサー実装する。

情報化社会（Society 4.0）では知識や情報の交流が未だ進んでおらず、学際的な連携不足による課題が生じていま４ ）Arduino UNO, Sigfox shield for Arduino, および作す。Society 5.0では、あらゆる人やモノが IoT（Internet成したプリント基板を組み込む。

of Things）でつながり、さまざまな知識や情報が共有さ５ ）Sigfox 通信を利用して IoT システムの動作の確認れます。

をする。

このような背景から、私たちは Sigfox ネットワークと６ ）最後に、センサー設置場所近傍の気象情報と比較検インターネットを利用して、温度、湿度、気圧などのセン討する。

サーを搭載し、さまざまな物理データを計測する IoT デ

２ ．CO２の特性バイスを開発しました［１-５］。

二酸化炭素の性質は NIST Webbook［６］に掲載されておここでは、教育・研究に応用するために、CO２センサーの主要なデバイス開発フロー（下記に示す）を報告する。

り、その内容の一部を以下に示します。

１ ）Gaussian プログラムを用いて CO２の特性を求める。
２ ）有機物の影響を受けにくい光学式 CO２センサーの特●Formula: CO２＊

広島工業大学工学部電子情報工学科― 9 ―田中武・山内将行●Molecular weight: 44.0095●IUPAC Standard InChI: １S/CO２/c２-１-３ Copy
●IUPAC Standard InChIKey: CURLTUGMZLYLDIUHFFFAOYSA-N Copy
●CAS Registry Number: 124-38-９
CO２の化学構造を図 １ に示します。

図３

図１

 obaXterm［８］を利用して九州大学情報基盤研究開発センM
ター研究用計算機システムに接続

MobaXterm を使用して九州大学情報基盤研究開発セン

CO2の化学構造

タ ー 研 究 用 計 算 機 シ ス テ ム に 接 続 し（ 図 3 参 照 ）、次に、九州大学の大型計算機にインストールされたGaussian プログラムと Gaussian 入力ファイルを用いてGaussian プログラムを用いて、CO２ の特性を計算しましCO２を計算しました（図 ２ 参照）。結果を図 ４ に示します。

た。まず、Gaussian プログラムのデータセットの １ つとしてプログラム Avogadro［7］を使用して、入力ファイル（図 ２ を参照）を作成しました。

図４

 aussian プログラムで計算されたデータを用いた CO2の化
G学結合の構造図

３ ．Sigfox を用いた IoT 機器のための CO２モジュー
ルの製作
3. 1

IoT 機器作成に用いた部品

3. 1. １

図２

CO２センサーモジュールの概要

Gaussian 入力ファイル

図５

CO2センサーモジュール（MH-Z19C）の写真

CO２ センサーモジュールとして、MH-Z19C NDIR 赤外線 ガ ス モ ジ ュ ー ル（Zhengzhou Winsen Electronics
Technology Co., Ltd., Zhengzhou, China）（図 ５ を参照）を用いた。このセンサーは、一般的なタイプの小型セン― 10 ―

Sigfox ネットワークを用いた IoT 機器の開発と教育・研究への応用

サーで、非分散型赤外線（NDIR）原理を使用して空気中次 に、 プ リ ン ト 基 板 の 加 工 に 用 い ら れ た LPKFの CO２ の存在を検出し、良好な選択性、非酸素依存性、ProtoLaser U４（LPKF Laser & Electronics SE, Garbsen,［９］Germany）について説明する。この装置には UV レーザーおよび非依存性を備え、長寿命です 。
CO２センサーモジュールの主要なパラメータと CO２センが搭載されており、このレーザーは高いビーム品質と吸収サーモジュールの検出範囲と精度をそれぞれ表 １ と表 ２ に特性を備え、さまざまなタスクに適している。また、UV示します。

レーザーの特定の波長により、さまざまな材料を構造化し、彫刻し、穴あけし、パネルを剥離することができる。

表１

さらにこのレーザーシステムは低出力範囲でも安定していCO2センサーモジュールの主要なパラメータるため、最小限の熱入力で薄層や有機層を加工するのにも使用できることが報告されている［10］。また、ProtoLaser
U４ の仕様を表 ３ に示す。
設計されたレイアウト図に基づき、LPKF ProtoLaser
U４ を用いて、銅箔で覆われているプリント基板をレーザー加工した。（図 ７ 参照）
表３

表２

LPKF ProtoLaser U4 の仕様

CO2センサーモジュールの検出範囲と精度

次に、プリント基板のレーザー加工に用いた、LPKF
ProtoLaser U４ の写真を図 ７ に示す。
3. 1. ２CO２センサーモジュール用プリント基板の作製

CO２センサーモジュール用プリント基板を作製するために、 レ ー ザ ー 加 工 装 置 付 属 の Computer Aided Design（CAD）ソフトウェアである LPKF CircuitPro［10］を用いて、設計した。（図 ６ 参照）

図７

図６CAD で設計した回路レイアウト図［11］ リント基板のレーザー加工装置（The LPKF ProtoLaser
プU4、本体（左）、レーザー加工中（右上（全体像）、右下（加［11］工部分の拡大））

プリント基板上の銅箔のレーザー加工の概要［10］を図 ８― 11 ―

田中武・山内将行に示す。入射レーザー光は、次の ３ つの方法で材料と相互作用します。
・透過 - 材料を通過するレーザー光の一部
・反射 - 材料によって反射されるレーザー光の一部
・吸収 - ターゲット材料に影響を与えるレーザー光
レーザーは、材料に触れずにエネルギーを材料に伝達します。吸収されたエネルギーにより、ターゲット材料内の電子が励起されます。これには次の ３ つの異なる効果があります。
・化学結合は入力エネルギーによって切断されます。
・エネルギーの入力により材料が溶けます。
・高パルスエネルギーは材料を蒸発させます。
以上から、レーザー光を用いて、プリント基板上の銅箔図10の加工することができる。

Sigfox を用いた IoT 機器（部品）。
左から、Arduino UNO, Sigfox shield for Arduino, 作製したプリント基板、および、CO2センサーモジュール。

IoT 機器内のセンサーは、Sigfox shield for Arduino 内にある。温湿度・気圧センサ（BOSCH BME-280）を用いた。そのセンサーの仕様［12］は、動作温度範囲：－40～＋85℃（定格）・湿度： ０ ～100％（相対湿度）
・気圧：300～1100hPa・温度精度：± １ ℃（ ０ ～65℃）・湿度精度： ± ３ %RH（25 ℃、 絶 対 精 度 の 公 差 ）・ 気 圧 精 度：±1.0hPa（ ０ ～65℃、絶対精度）である。

図８

3. 2

レーザ加工のモデル図［10］Sigfox を用いた IoT 機器を構成する部品を、図10に示

実際に LPKF ProtoLaser U４ を用いて加工されたプリ

3. 1. ３す。構成する部品を、差し込むだけで組み上げることができた。完成品を図11に示す。

ント基板を図 ９ に示す。

図９

IoT 機器の組み立てと、プログラムの書き込み加工されたプリント基板［11］CO２ セ ン サ ー モ ジ ュ ー ル 用 Sigfox shield for

図11

Arduino の概要

Sigfox を用いた IoT 機器（完成品）

Arduino IDE を用いて、Sigfox を用いた IoT 機器内のArduino UNO Rev３ にスケッチを書き込んだ。（書き込んだスケッチを、図12に示す。）― 12 ―

Sigfox ネットワークを用いた IoT 機器の開発と教育・研究への応用

図14

backend.sigfox.com の ID771E42の callback の例

５ ．ThingSpeak を用いたデータ処理
ThingSpeak の デ ー タ 処 理 は、Analytics， お よ び、Actions で 構 成 さ れ る。Analytics と し て は、MATLAB
図12

本研究に用いた Arduino のスケッチの例

Analysis，MATLAB visualizations，Plugins が あ る。
Actions と し て は、ThingTweet，TimeControl，React,

４ ．CO２モジュールを持つ IoT 機器のための Sigfox

TalkBack，ThingHTTP があり、その概要を図15に示す。の設定
現在の設定では、sigfox の ID

771E42で、送信されて［13］いるデータを読み込むことができる（図13参照）。

図15

IoT 機器、ThingSpeak，Matlab/Simulink の概要［14］ThingSpeak 内に、チャネルを作り、チャネルセッティ
図13

ングを行う（図16参照）。

backend.sigfox.com の ID771E42 のデータの一部

毎回、backend.sigfox.com にアクセスし、送信されたデータを読み、それらを処理することは煩雑になる。
Sigfox には、callback（図14参照）という機能があり、この 機 能 を 用 い て、ThingSpeak に デ ー タ を 転 送 し、ThingSpeak 内でデータを処理し、表示することを試みる。

― 13 ―

田中武・山内将行

図16

図18

Sigfox を用いた CO2センサーを有する IoT 機器からの湿度

図19

Sigfox を用いた CO2センサーを有する IoT 機器からの温度

図20 igfox を用いた CO2センサーを有する IoT 機器からの CO2
S
濃度ThingSpeak のチャネル設定例

以上の設定を行うと、温度（図17参照）、湿度（図18参照）、気圧（図19参照）、および CO２濃度（図20参照）のグラフを入手できる。
さらに、これらのデータを公開すると、https://thingspeak.com/channels/1933180にアクセスすると、同様なグラフを入手できる。
（現在は、非公開中）

図17

Sigfox を用いた CO2センサーを有する IoT 機器からの温度上で述べたように、広島工業大学工学部電子情報工学科
新 １ 号館607号室（N１-607）に在室している人間は １ 時間あたり0.02m３ の CO２ を放出します。N１-607の体積は、幅3.17m × 長 さ 7.4m × 高 さ 2.6m=61m３ と な り、327ppm（=0.02m３/61m３）増加するはずです。ただし、18：00から 20：00 ま で の 電 流 増 加 は 約 140ppm/h で す（ 図 20）。
CO２濃度が予想よりも低いのは、人間の CO２排出量の精度とセンサーの位置が高いためである可能性があります。さら に、 人 体 で は １ 日 あ た り １ kg の CO２ が 生 成 さ れ ます［14］。 １ kg の CO２の体積は約0.5m３、または １ 時間あたり約0.02m３ です。厚生労働省によれば、「換気の悪い密閉空― 14 ―

Sigfox ネットワークを用いた IoT 機器の開発と教育・研究への応用間」を改善するために必要な換気量として、 １ 人当たり １時間あたり30立方メートルは一定の合理性があるとされています。この値は、 １ 人 １ 時間あたりの CO２生成と換気の比率が0.02/30=0.000666と666ppm であり、この値が妥当であることを示唆しています［15］。
今後は人間の CO２排出量やセンサーの設置高さ、室内位置なども考慮する必要がある。

６ ．地域の気象データの活用（OpenWeatherMapの利用）による天気のデータ収集

図23

廿日市市の気圧OpenWeatherMap を利用して、大学の近くの廿日市市の、気温（図21）、湿度（図22）、気圧（図23）、雲の割合（図24）、および風速（図25）を示す。

図24

図21

廿日市市の雲の割合

廿日市市の気温図25

廿日市市の風速以上より、OpenWeatherMap を用いることにより、地図22

廿日市市の湿度域の気象データを容易に収集でき、開発した IoT 機器の実測データと比較できることが明らかになった。

7 ．まとめ
私たちは Sigfox ネットワークとインターネットを利用して、温度、湿度、気圧などのセンサーを搭載し、さまざまな物理データを計測する IoT デバイスを開発してきました。
ここでは、教育・研究に応用するために、CO２センサーの主要なデバイス開発フロー（下記に示す）
１ ）Gaussian プログラムを用いて CO２の特性を求める。
― 15 ―

田中武・山内将行

４ ）N . O k a m i t s u , K . M i y a z o n o , T . T a n a k a ,２ ）有機物の影響を受けにくい光学式 CO２センサーの特性

Electrotechnica & Electronica（ Е + Е ）, 55（９-12）,を調査する。

2020, 99-104, ISSN: 0861-4717（Print）, 2603-5421

３ ）レ ーザー加工によりプリント基板を作製し、基板に（Online）

CO２センサー実装する。

５ ）T. Tanaka, M. Yamauchi, K. Kakugawa, T. Uchida, S.

４ ）Arduino UNO, Sigfox shield for Arduino, および作成

Ishihara, K. Ishihara, Electrotechnica & Electronica

したプリント基板を組み込む。

（ Е + Е ）, 57（１-２）, 2022, 24-30, ISSN: 0861-4717

５ ）Sigfox 通信を利用して IoT システムの動作の確認を（Print）, 2603-5421（Online）

する。

６ ）https://www.winsen-sensor.com/d/files/infrared-gas-

６ ）最後に、センサー設置場所近傍の気象情報と比較検討

sensor/mh-z19c-pins-type-co２-manual-ver１_０.pdf

する７ ）https://avogadro.cc/を報告した。

８ ）https://mobaxterm.mobatek.net/

謝辞９ ）https://www.winsen-sensor.com/d/files/infrared-gassensor/mh-z19c-pins-type-co２-manual-ver１_０.pdf

本研究を実施するにあたり、協力して頂いた広島工業大学大学院工学系研究科電気電子工学専攻
増本佐々木優一君、10）h ttps://www.lpkf.com/fileadmin/mediafiles/user_
upload/products/pdf/DQ/DQ_TechGuide_EN.pdf

諒太君をはじめ院生・学生、および、また、本研究の一部は九州大学情報基盤研究開発センター研究用計算機

11）S. Tada, T. Tanaka, R. Masumoto, M. Yamauchi, K.
Kakugawa, S. Ishihara, and K. Vutova, “Developmentシステムの一般利用を利用したことに謝意を表します。

of CO２ sensors for an IoT system by using Sigfox,”

文献Industry 4.0, Dec. 2023,（now printing）

１ ）R. Matsuda, H. Suizu, K. Hiyama, K. Kai, I. Yamasaki,12）h ttps://www.bosch-sensortec.com/products/environmental-sensors/humidity-sensors-bme280/

K. Oda, N. Okamitsu, K. Eto, T. Tanaka, Industry 4.0,13）h ttps://backend.sigfox.com/device/7806530/

３（2018）,Issue １, pg（s）11-14

messages２ ）T . Tanaka, N. Okamitsu, T. Hamada, K. Nishino,
Electrotechnica & Electronica55（ Е + Е ）,（３-４）,14）https://www.man-es.com/discover/decarbonization-

2020, 35-40, ISSN: 0861-4717（Print）, 2603-5421

glossary---man-energy-solutions/carbon-dioxide-(co（Online）２)---decarbonization-glossary-man-energy-solutions３ ）T. Tanaka, N. Okamitsu, K. Nishino, Electrotechnica15）h t t p s : / / w w w . m h l w . g o . j p / c o n t e n t / 1 0 9 0 0 0 0 0 /& Electronica（Е + Е）, 55（５-８）, 2020, 94-98, ISSN:
0861-4717（Print）, 2603-5421（Online）― 16 ―

000616069.pdf