Raspberry Pi やマイコンで温度計を作る~IoT演習の事例紹介~
杉山 耕一朗 (松江高専 情報工学科)
2020/10/20＠ITPASS セミナー

地球惑星科学(気象学)と情報技術
1. 紙と鉛筆・数式変形から計算機・数値計算へ (1940年代〜)‒‒

電子計算機の黎明期より (ENIAC, 気象庁 IBM704)
天気予報で数値計算が実用的になるのは 1990 年代.

2. 細分化・専門化・情報爆発への対応 (1980年代〜)‒ 複雑なモデル, 膨大な数値データ・観測データ‒ 情報の流通，加工，掌握が科学においても大きな役割• 情報化時代の科学（V. Bush, 1945）

3. 誰でも手軽に観測できる時代 (2000 年代〜)

‒ マイコン・センサーの低価格化・高性能化‒ 「20世紀 技術は身を亡ぼす (メーカにかなわない)」→ 「21世紀 技術は身を助く (素人でも戦える)」‒ 世間的な IoT や AI の進展 (2010 年代〜)
• ネットワークの低コスト化

IoT 前夜京都都市気象観測

百葉箱（アナログ, デジタル）
50〜100 万円(http://www.gaia.h.kyoto-u.ac.jp/~minchika/obs_kyoto/)

サーミスタ温度計

手製の観測機器(京大・酒井研究室)< 1 万円(2000 年代後半)

PIC 利用IoT 前夜

サーミスタ温度計

百葉箱（アナログ, デジタル）
50万円〜
NW 化

VPN

手製の観測機器(京大・酒井研究室)< 1 万円(2000 年代後半)

PIC 利用ネットワーク接続：数万円
観測機器：1 万円(杉山ほかの 2010 年時点での取り組み)

IoT と地球惑星科学• 時代認識：誰でも手軽に観測できる時代‒ マイコン・センサーの低価格化・高性能化‒ ネットワーク化のコストの大幅な低減 (例: 数百円/月のSIM, 無線LAN一般化)

百葉箱（アナログ, デジタル）
数十万円? 百万円?
大規模な設備を 1 つ設置

IoT 化した観測機器~ 1 万円
お小遣いで観測できる機器をたくさん設置できる

IoT 機器を活用すると面白い観測ができそうだ!
演習カリキュラムを通してノウハウ獲得を!

シングルボードコンピュータ• Raspberry Pi‒ Linux (Debian) 動く‒ 5,000 円程度• Jetson Nano (NVIDIA)‒ GPGPU 付き.
‒ ディープラーニング向け‒ 10,000 円程度

マイコン (省電力・低機能)• PIC, ESP32, … (数百円)• 開発キット ( < 2,000円)

WiFi 込み

センサー• 安い• 多種多様高専の IoT 演習
情報⼯学科授業科⽬系統図（令和2年度）
基礎

１
２

数学1・2

ソフトウェア

物理１・２

コンピュータリテラ
シ １・２ (2)テクニカルR&W
(1)

数学３・４

物理３・４

物理５・６

プログラミン
グ基礎（1）

応⽤数学
１・２ (4)４応⽤物理
１・２ (4)コンピュータリ
テラシ

OSSリテラシ
１（2）物理OSSリテラシ
２（1）3Dモデリングゲームプログラ
ミング (2)

画像処理
基礎離散数学 (2)

応⽤数学３
(2)

メディア情報⼯学 (2)数学
基礎情報理論(2)

情報理論

Ruby

プログラミング
⾔語３・４ (2)組込システム(2)

⾔語理論 (2)ソフトウェア⼯学 (2)

コンパイラ

分析・設計

NW プログラ
ミング

OS基礎

OSSリテラシ
３（2）

Java

計算機構造

情報ネットワークシステム(2)基礎オペレー
ティングシステム (2)ゲーム・戦略メディア

基礎計算機⼯学(1)

WWW

プログラミング
⾔語1・2 (2)

C

パタン
マイニング

直流回路

マイコン
arduino交流回路

アルゴリズム論(2)3次元動作解析

情報⼯学創造演習１（1)

基礎電気回路１・２ (2)

プログラミン
グ３・ ４ (2)

画像解析

総合
基礎情報処
理 (1)

数値計算

数学７

ハードウェア

情報⼯学基礎演習 (1)

プログラミン
グ１・２ (2)３５

ネットワーク

ロボット制御数学５・６

2020.09.30IoT+Ruby

データベース技術 (2)ネットワーク管理 １(2)

Webシステム(2)ネットワーク管理 ２ (2)

計算機⼯学 (2)

基礎電気回路３(１)ダイオード

基礎電⼦回路１・２ (2)

トランジスタ

ゲート回路

論理回路 １・２ (2)論理回路設計
マイコン

ネット
技術

情報セキュ
リティ（1)23

ふるさと産
業学 (1)
校外実習(1)

基礎電磁気学演習 (1)
FPGA

地域産業とエンジニア
(1)
地域イン
ターンシッ
プ (1)

計算機

回路理論 (2)

4

法と倫理
(2)
グループ創造⼯学 (2)次世代ネット
ワーク技術(2)SQL,Web

情報⼯学創造演習 ２（1)

1

電気・電⼦卒業
研究(12)

⼀般教養科⽬

専⾨選択科⽬( )は単位数

実験内容

5

高専での IoT 教育• 4 年生開講科目：OSS リテラシ 3 (2016年〜)‒ 2 コマ x 15 回

• Linux で IoT サーバ・クライアントシステムの構築‒ 校内環境の見える化の実践

データ蓄積

データ送信 (http) 1分毎
IP, ホスト名, 観測データ
データベースNW
統計処理
ラズパイ++ センサ
センサ
ラズパイ
10 秒毎に取得& 60 秒平均

8/7

8/8

可視化

夏季休暇 (空調なし)

8/9

8/10

8/11

8/12

8/13

8/14

8/15

東向きの部屋

授業期間 (空調あり)

高専での IoT 教育• 5 年生開講科目：組込システム (2020年〜)‒ 2 コマ x 15 回

• IoT システムのエッヂの置換‒ Raspberry Pi → マイコン

データ蓄積

データ送信 (http) 1分毎
IP, ホスト名, 観測データ
データベースNW
統計処理
ラズパイ++センサ
センサ
ESP32
10 秒毎に取得
withmruby/c& 60 秒平均

8/7

8/8

可視化

夏季休暇 (空調なし)

8/98/108/118/128/13

8/148/15

東向きの部屋

授業期間 (空調あり)

http://www.gfd-dennou.org/arch/iotex/

IoT演習の活用：教室環境の見える化• 準リアルタイムなデータ表示 (https://www.epi.it.matsue-ct.jp/)‒ 10 分おきに校内地図上にデータが色と数字で表示．1 枚の画面で全体的な温度分布や個々の教室のデータを把握可能.
‒ 各種統計量・環境指数を時系列グラフとして表示可能.

2017/03

IoT演習の活用：教室環境の見える化• 準リアルタイムなデータ表示 (https://www.epi.it.matsue-ct.jp/)‒ 10 分おきに校内地図上にデータが色と数字で表示．1 枚の画面で全体的な温度分布や個々の教室のデータを把握可能.
‒ 各種統計量・環境指数を時系列グラフとして表示可能.
夏季休暇 (空調なし)

8/7

8/8

8/9

8/10

8/11

8/12

8/13

8/148/15

東向きの部屋授業期間 (空調あり)

2017/03緑線のみ東向きの教室. 残りは南向きの教室.

IoT演習の活用：CPSサーバ室監視IoT演習が実施できた要因 (1)• IoTはハードウェアからソフトウェアまでの知識・技術が必要だが，ハードウェア/回路は技術職員さんにお願いできる作ってもらった基板の例 (ラズパイ)

作ってもらった基板の例 (マイコン)

作ってもらった治具• 酒井式ラディエーションシールド作成用

IoT演習が実施できた要因 (2)• Ruby City Matsue‒ 地元コミュニティ & 自治体のバックアップ• 授業・コンテスト指導・技術指導・卒論指導への協力• mruby/c への注目度高い．外部リソースを使い易い

まとめ• シングルボードコンピュータやマイコンなどを用いて，ネットワーク 接続した温度計といった IoT デバイスを「簡単」かつ「安価」に作成することができるようになってきた.
• IoT デバイスを活用することで, 今まで観測が難しかった様々な場所での環境情報を簡便かつ一元的に収集して分析することや,大規模な観測網を安価に構築することが可能となる．
• IoT デバイスは地球惑星科学分野において魅力的な観測ツールたりうると考え, 学生演習のカリキュラム作成を通して IoT デバイス構築のノウハウを蓄積している．
• 演習資料は Web にまとめているので，良ければ活用して欲しい. http://www.gfd-dennou.org/arch/iotex/