広島工業大学紀要研究編
第 ₄₇ 巻（₂₀₁₃）133 – 137

論

文

快適環境構築のための室内空間モニタリングシステムに関する研究
長坂康史*・秦祐輔**（平成₂₄年₁₀月₃₁日受付）

A study on a room space monitoring systemfor creating a comfortable environment
Yasushi NAGASAKA and Yusuke HATA
(Received Oct. 31, 2012)

Abstract
A lot of network technologies are developed to create a better life. The smart house is one of good
examples. A control of power supply is well performed in such a house. It is very important to control
it, but cannot create a comfortable environment. We, therefore, developed a room space monitoring
system with using SunSPOT device to sense temperature and humidity and embedded computer todisplay measurement data. We developed the room space monitoring system and also focused on battery life of the sensor and proposed a control method to make it longer. The proposed method results
6.5％ longer of a battery life at the maximum.
Key Words: room space monitoring system, smart house, battery life
他に複数データを組み合わせて，コンテキストアウェアネ

₁ ．はじめにスを実現する。取得したデータは，Web ページや組込みネットワーク技術の発展により，人と人，人とモノ，モ機器を用いて可視化する。また，無線センサネットワーク

ノとモノがネットワークによって繋がるユビキタスネット

デバイスは人にも取り付けるため，バッテリー駆動型を選ワーク社会が提唱された。そして，住宅内の家電製品など択しており，駆動時間に限りがある。そこで，無線センサ［₁］によって繋がれることで，機器ネットワークデバイスの電波強度をノード間の距離に合わ同士で制御し合うことも可能になった。これらのことよせて適切な値に設定することで，バッテリーの節約を行り，消費電力の節約や快適な生活空間を提供することがでう。

がホームネットワーク

きるスマートハウスが近年注目を集めている。このスマー

₂ ．システム概要

トハウスは，室内に取り付けたセンサから収集したデータを基に，家電製品などの組込み機器を管理，制御する。ま₂.₁

システム構成た，モニタリングも行うことが多いが，これまでのモニタ

本研究の室内空間モニタリングシステムは，センシング

リングシステムは室内環境のデータのみを集めるものがほシステム，データサーバシステム，モニタリングシステム

とんどで，その環境に人がいることは考慮されていない。の ₃ つのシステムで構成される。本システムの構成図を図

そこで，本システムでは，室内環境と人の行動状態を組₁ に示す。センシングシステムでは，室内及び人に取り付み合わせて統合的に把握できる室内空間モニタリングシスけた無線センサネットワークデバイスを用いてデータ収集テムの開発を行った。室内及び人に取り付けた無線センサを行う。取得したデータは，ネットワークを介してデータネットワークデバイスから，データを取得し，生データのサーバシステムに格納される。格納されたデータは，モニ* 広島工業大学情報学部情報工学科** 広島工業大学工学系研究科情報システム科学専攻（現株式会社日立情報システムズ）─ 133 ─

長坂康史・秦祐輔

₃ ．室内空間モニタリングシステム
₃.₁

センシングシステム

本研究で開発したセンシングシステムは，室内環境の測定を行う室内環境センサ，人の行動状態を測定する行動状態センサの ₂ 種類のセンシングシステムで構成される。室内および人に取り付けた SunSPOT で取得したデータは，BaseStation に送られ，データサーバシステムにデータを格納する。また，SunSPOT はバッテリー駆動型であるため，駆動時間の問題がある。これを解決するために，デバイス間の距離に合った適切な電波強度の設定を行い消費電力の図₁節約を行う。

システム構成₃.₁.₁

室内環境センシング

室内に取り付けた SunSPOT から，温度，照度，湿度，タリングシステムにて Web ページや組込み機器上で可視化

₃ 軸加速度のデータの取得を行う。また，取得したデータを行い，室内空間や人の行動状態を把握する。

から，温度と湿度を組み合わせて不快指数を求める。
不快指数とは，蒸し暑さを表したものである。人が暑さ

₂.₂

使用機器感じるのは，ほとんど気温によって決まるが，その場の環センサデバイスには，Oracle 社の無線センサネットワー

境の不快感を抱くのは温度，湿度の ₂ つの状況によって異クデバイスである SunSPOT を用いる。この SunSPOT のセなる。この不快感は，不快指数 DI として表すことができ，ンサボードには，温度，照度， ₃ 軸加速度センサと ₈ 個の温度 T（℃），湿度 H（％）から式（₁）で求められる。

₃ 色 LED，タクトスイッチなどが搭載されている。また，

DI=0.81 T + 0.01H( 0.99T − 14.3) + 46.3

本システムでは湿度も測定するため，入出力インター（₁）

フェースに湿度センサを取り付けた。湿度センサを取り付

この不快指数の値が₇₀のとき，一般的に人間は快適と感けた SunSPOT を図 ₂ に示す。プロセッサボードには，IEEEじ，快適環境が実現されていると考えられる。この値より₈₀₂.₁₅.₄に準拠した無線ネットワークを搭載している。こ

低ければ寒いことで不快を感じ，高ければ暑いことで不快れは Zigbee と呼ばれ，低消費電力が特徴で，通信距離は数に感じることを示している。また，値が大きくなるほど高十メートル程度の規格である。また，SunSPOT は，自動的温多湿であることを示し，不快指数が₈₅以上になると ₉ 割にメッシュネットワークを形成し，無線通信を行う［₂］。の人が蒸し暑いと感じる環境であることを示す。これによデータ受信は，SunSPOT のセンサボードが搭載さていない

り，室内温度に対して快適な空間環境であるかを把握できBaseStation と呼ばれる機器で行う。

ると考える。

組込み機器にはアットマークテクノ社の組込み機器

₃.₁.₂

行動状態センシング

Armadillo-₄₄₀ を用いた。液晶付きの小型汎用 CPU ボード

SunSPOT を人の右側の腰に取り付け， ₃ 軸加速度センサで，タッチパネル液晶インターフェースを搭載しており，を用いて行動状態の識別を行う［₃］。腰に取り付けることに小型であることからハンディ端末として使用することも可

よって，生活面でも邪魔にならず，加速度を効率よく取得能である。OS には，組込み OS の一つである Microsoft 社できる。の Windows Embedded Compact ₇を導入した。この機器を

図 ₃ は，右腰に取り付けた ₃ 軸加速度センサを使い，（a）用いて，データサーバシステムにアクセスし，データの可視化を行う。

図₂

図₃SunSPOT
─ 134 ─₄ つの各状態の ₃ 軸加速度の値

快適環境構築のための室内空間モニタリングシステムに関する研究立っている，（b）うつ伏せ，（c）仰向き，（d）横になっていデバイス間の目標電波強度とした。例えば，図 ₄ からわかる状態の時に取得したデータをグラフに示したものである。

るように，₁₈ m の目標電波強度は，－₉ dB となる。

この図を見てわかるように，それぞれの状態は三軸の変次に，上記で求めたデバイス間の距離に合った目標電波化によって見分けることができると考えられる。そこで，強度に自動で設定できるよう，Type₁と Type₂の ₂ つの方（a）から（d）の各状態を識別する ₃ 軸の識別範囲を表 ₁ に法を提案し，開発を行った。
Type₁は，SunSPOT の最小電波強度 －₂₅ dB から最大電示す。
これらの条件から， ₃ 軸加速度センサで取得したデータ

波 強 度 －₃ dB ま で 一 段 階 ず つ 上 げ て い き，最 初 にで ₄ つの行動パターンを識別し，センサを取り付けた人のBaseStation にデータが届いた電波強度で設定を行うもので行動状態を把握することができる。

ある。

表₁状態x軸（a）－₀.₄～₀.₄（b）

₀.₇～（c）（d）

Type₂は，SunSPOT の電波強度最小値 -₂₅dB から最大電各状態の ₃ 軸加速度の識別範囲
y軸～－₀.₇－₀.₃～₀.₃～－₀.₆

波強度 －₃ dB まで一段階ずつ上げていき，BaseStation にz軸データを送る処理を₁₀回繰り返す。そして，BaseStation に－₀.₃～₀.₆

データが届いた電波強度のカウントを行い，受信率 ₉ 割か

－₀.₃～₀.₃－₀.₄～₀.₂－₀.₃～₀.₃－₀.₃～₀.₃

Type₁と Type₂のそれぞれの違いは，電波強度を設定す－₀.₃～₀.₃～－₀.₈ or ₀.₆～

るのにかかる時間と送受信の信頼性である。Type₁と Type₂

つその電波強度最小値で設定を行うものである。

は共に，₀.₃秒の間隔でデータを BaseStation へ送ってい₃.₁.₃

電波強度設定る。Type₁の設定時間は，最小約₀.₄秒であるのに対して，バッテリー駆動型の無線センサネットワークデバイス

Type₂では，約₅₈秒かかる。また，Type₁は，最初に受信しは，できるだけ長く駆動させる必要がある。SunSPOT は，た電波強度で設定を行うため，目標電波強度よりも低い電電波強度の指定をしない限り，最大電波強度で通信を行波強度で設定される可能性があるが，Type₂では，各電波う。そこで，SunSPOT の消費電力をなるべく抑えるため，強度で₁₀回ずつ送信するため，信頼性の高い電波強度に設デバイス間の距離に合った適切な電波強度を求めた。

定することができると考える。

SunSPOT は，－₃ ～－₁₃，－₁₅，－₁₇，－₁₉，－₂₂，

SunSPOT の電波強度データの送信は，dBsetsendThread－₂₅，－₃₀，－₃₁，－₃₂ dB の₁₉通りの電波強度の設定が行で行い，電波強度の設定は，dBsetrecvThread で行う。電える。これらの電波強度に設定した場合の通信距離を測定

波強度設定 Type₁の流れを図 ₅ に示す。
最初に BaseStation を起動して，port₆₁でプロトコルの設した。各電波強度の通信距離測定の結果を図 ₄ に示す。
測 定 結 果 よ り，－₃₀，－₃₁，－₃₂ dB で は 通 信 距 離定を行う（₁）。設定ができたら SunSPOT から送られてくが ₁ m 未満であることがわかった。そのため，SunSPOT の電波強度設定は－₂₅～－₃ dB の範囲で行う。そして，この各電波強度は，それぞれの電波強度で，平均受信率₉₀％以上である距離の閾値があり，それぞれの閾値を境に急激に平均受信率が低下していくことがわかった。そこで，デバイス間の距離に合った適切な電波強度は，平均受信率₉₀％を越え，かつその距離の電波強度の最小値であると考え，

図₄

図₅

各電波強度の通信距離測定結果
─ 135 ─電波強度設定 Type₁のシーケンス図長坂康史・秦

るデータに対して，受信待機状態に入る（₂）。

祐輔

運びも容易であり，室内に置いておいても邪魔にならな

BaseStation が 受 信 待 機 状 態 で あ る こ と を 確 認 し，い。現在は，簡単なデータの表示のみであるが，WindowsSunSPOT の タ ク ト ス イ ッ チ ₁ が 押 さ れ る と（₃），

Embedded Compact ₇を用いることで，Windows と同等な

dBsetsendThread と dBsetrecvThread が開始される（₄）

考え方でシステムの構築ができるほか，Armadillo-₄₄₀ から（₅）。

室内空間の管理を行うこともできるようになる。

dBsetsendThread は port₆₁でプロトコル設定を行う（₆）。

₄ ．性能評価

dBsetrecvThread も port₆₂でプロトコル設定を行う（₇）。
設定後，dBsetrecvThread は BaseStation から送られてくるバッテリー駆動型である SunSPOT の消費電力をなるべデータに対して受信待機する（₈）。dBsetsendThread は，く抑えるため，デバイス間の距離に合わせて適切な電波強－₂₅から－₃ dB の₁₉通りの電波強度を設定し（₉），順に度に設定できているか実環境で測定を行った。BaseStation

BaseStation へ broadcast で自身の電波強度データを送信すから SunSPOT の距離を ₁～₁₀ m まで ₁ m の間隔で，₁₀回る（₁₀）。BaseStation が SunSPOT の電波強度データを受ずつ各距離でどの電波強度が設定されたか測定を行った。

信すると，Port₆₂でプロトコル設定を行う（₁₁）。設定でき電波強度設定 Type₁の測定結果を図 ₇ ，電波強度設定 Type₂た ら 受 信 し た 電 波 強 度 デ ー タ を dBsetrecvThread への測定結果を図 ₈ に示す。

broadcast で送信する（₁₂）。受信に成功すれば，受信したType₁，Type₂ともに，目標電波強度または近似値に設定電波強度データでセンシングデータを送信する電波強度のされたことがわかる。 Type₁の場合は，目標電波強度の他設定を行う（₁₃）。以上でデバイス間に合った電波強度の設に最大で ₃ つの電波強度が設定されており，また，目標電定が完了する。

波強度よりも低い電波強度が設定されたことを確認した。
これは，デバイス間で安定して送受信が行えないことが想

₃.₂

モニタリングシステム

定されるが，設定時間最小約₀.₄秒で設定できるため移動体モニタリングシステムでは，データサーバシステムに格デバイスである行動状態センシングに最適と考える。Type₂納されたデータの可視化を行う。Web ページでは，室内空の場合は，目標電波強度の他に ₁ つの電波強度が設定さ間の情報を Open Flash Chart を用いて Flash ベースで表示れ，安定して送受信が行えると考えられる。よって，Type₂した。また，描画されたグラフにカーソルを合わせることは室内環境センシングに最適と考える。

で，生データを表示する工夫をした。図 ₆ にその Web ペー

この測定結果から，各距離で設定された電波強度と目標ジを示す。
行動状態ウィンドウでは，SunSPOT を取り付けた人の ₄つの行動状態をリアルタイムで把握することができる。また，立っている状態から，倒れた場合に警告ウィンドウを表示させた。これを利用することで，例えば地震が起こった場合などに，室内環境と人の行動状態とを同時に見ることで，室内の状況を統合的に把握することができるようになる。
また，組込み機器である Armadillo-₄₄₀ でもデータの表示を行った。これは，ハンディ端末であることから，持ち図₆

室内環境モニタリング Web ページ
─ 136 ─図₇

電波強度設定 Type₁の測定結果

図₈

電波強度設定 Type₂の測定結果

快適環境構築のための室内空間モニタリングシステムに関する研究
表₂駆動時間測定結果

₅ ．まとめ

電波強度

駆動時間

－₃ dB

₁₂時間₂₉分₄₆秒

本研究では，無線センサネットワークデバイスである－₁₃ dB

₁₂時間₅₂分 ₂ 秒

SunSPOT からデータ収集を行い，快適環境の構築を支援す－₂₅ dB

₁₃時間₁₈分₄₉秒るシステムに関する研究を行った。
室内環境センシングでは，取得したデータを可視化する

電波強度との差は，±₂ 段階と近い電波強度が設定され，だけでなく，複数データと組み合わせて，不快指数を求め駆動時間の増加が可能となった。

た。行動状態センシングでは，人の腰に SunSPOT を取り次に SunSPOT の駆動時間の測定を行った。電波強度は付け， ₃ 軸加速度センサから ₄ つの行動状態を識別するこ

最大の －₃ dB，本システムの中間電波強度にあたる －₁₃とができた。また，SunSPOT の消費電力を抑えるため，デdB，本システムの最小電波強度の －₂₅ dB で測定を行っバイス間の距離に合わせて適切な電波強度で通信が行えるた。表 ₂ に駆動時間の測定結果を示す。電波強度 －₂₅ dB

よう開発を行った。電波強度設定の測定結果より，目標電と最大電波強度である電波強度 －₃ dB の駆動時間を比較

波強度からの差は±₂ 段階となり，最大で₄₉分 ₃ 秒の駆動

すると，電波強度を低く設定することで₄₉分 ₃ 秒駆動時間時間の延長ができた。の延長ができることがわかる。

文

また，－₁₃ dB と －₂₅ dB の駆動時間を比較すると，₂₆

献分₄₇秒の差がある。このことから，－₁₃ dB から －₂₅ dB［ ₁ ］松浦，田頭，北須賀，中西，福田：「ホームネットまでは電波強度差が ₁₂ dB あり，₁ dB 下げていくにつれてワークのためのセンサ連携を支援するイベント型フ

約₁₃₃.₉₂秒ずつ延長できることがわかる。－₃ dB と －₁₃

レームワーク」，電子情報通信学会論文誌 B, Vol. J₉₂,dB の場合では，₂₂分₁₆秒の差があり，₁ dB 下げていくにNo. ₇（₂₀₀₉）.

つれて₁₃₃.₆秒ずつ延長できることがわかる。この ₁ dB ず

［ ₂ ］内藤，江原，森，小林：「SunSPOT を用いたフィール

つ下げていくことによる駆動時間の差は，₀.₃₂秒と小さドネットワークの試作」，電子情報通信学会技術研究

く，比例関係にあると考えられる。このことから，－₃ dB.
報告，₁₀₉（₂₀₄）, pp. ₇₃ – ₇₈（₂₀₀₉）から －₂₅ dB では ₁ dB 下げていくにつれて，平均₁₃₃.₇₇［ ₃ ］秦，長坂：「SunSPOT を用いた老人介護施設支援シス

秒ずつ長くなることがわかり，SunSPOT の駆動時間の予測

テム」，情報科学技術フォーラム講演論文集 ₉（₄）, pp.

が可能になった。

₄₁₅ – ₄₁₆（₂₀₁₀）.

─ 137 ─