2021 年 2 月 12 日 I 類 コンピュータサイエンスプログラム 卒業研究最終発表会

電子ペーパーを用いた自立駆動可能な掲示板システムの開発
I 科 コンピュータサイエンスコース 学籍番号:1311046 成見研究室 小汲剛瑠

はじめに

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3.3 手回し発電機を用いた部屋入口の掲示板 [3]Wägemann らは部屋の入口のディスプレイ掲示板を電

近年，紙等のアナログ媒体が主体であった広告，看板，掲示板等が電子化されデジタルなものに移行しつつある． 力的に自立させるために，電子ペーパーを使った．ディスLED は屋外でも視認性が良い一方，１ピクセルあたりの プレイに電源の配線をしなくてよく，WiFi を使って掲示物理的大きさのため解像度を高めることが難しい．液晶

内容をダウンロードする方式も本研究と同じであるが，近ディスプレイは色表現性が高く，解像度も高いが，その一くに来て充電するまで掲示内容が更新されたか分からな方で屋外での視認性には優れていない．そして，LED，液いため，ソーラーパネルを使って屋内でも使えるようにす

晶ともに電源を必要とするため固定化された用途にしかるところが本研究と異なる．

使われていない．

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そこで電子ペーパーに着目した．電子ペーパーは紙のような屋外視認性と解像度を有し，消費電力が極めて少な開発したシステム

4.1 概要

いため，電源周りを最小にすることで外部電源を必要と
図 1 は開発したシステムの全体像を示している．シスしない自立した駆動が可能となる．一方で，色表現性や応答性に劣り，大型化しにくいといった欠点を抱えている． テムは，掲示物を表示するための複数の電子ペーパーデバイス，電力的に自立駆動するためのソーラーパネルとバッテリー，全体を制御するためのマイコンで構成され目的

2る．インターネット上の Web サイト内に格納された画像
本研究では電子ペーパーとタイルドディスプレイ方式

ファイルを無線 LAN によってマイコンが読み込み，シリを組み合わせ，紙のように使える自立駆動可能な表示機

アル通信によって電子ペーパーに表示する．その際複数のの開発と評価を目的とする．色表現性や応答性は画像をディスプレイへの切り分けはマイコン上で行う．

あまり使われない掲示物に限定することでそれほど問題

図 2 は試作機の写真である．電子ペーパーはタイルドにならない．また，大型化しにくい欠点は複数のディスプディスプレイ構成にして全体としての画面サイズを大きレイを組み合わせることで解消する．

くしており，試作機では 3 画面用いている．ソーラーパネ
ルは屋内照明でも自立駆動出来るようにするため，消費3

既存技術・研究3.1

大型電子ペーパーサイネージ

電力の割に大きめのパネルを使っている．

ディスプレイを低コストで大型化する技術としてタイルドディスプレイがよく用いられている. 凸版印刷では大型の電子ペーパーを用いた省電力なデジタルサイネージとして駅などでの商用化に成功している [1]. しかし, タイルドディスプレイ方式は使っているものの電力的に自立して稼働しているわけではない.

3.2

スマートバス停

電子ペーパー, ソーラーパネルと LPWA(Low Power Wide

図 1: 開発したシステムの構成図

Area の略称. 低消費電力で遠距離での通信を可能にする通信方式.) の 3 つの技術を利用することで自律的に駆動し，外部電源が不要なバス停である [2]. 本研究の目的と近いが, 少し離れた場所からでも確認できるポスターのような4.2 マイコン
電子ペーパーの制御やネットワークを介したやり取りな掲示物を想定しており, 大型化を目指している点が異なる． どは SparkFun ESP32 Thing Plus というマイコンを使用し1

ンパー SP1 をショートすることで 19.2 kbps の設定で通信させている．この場合 1 枚の電子ペーパーパネルの画像データを送るだけで 50 秒以上を必要とする．

5 評価実験
5.1 表示速度
実際に 60 分間動作させつづけた際にかかった時間を測定した．今回は 10 分間同じ画像を表示したら再度 Webサーバーに画像を取りに行くようになっているが，サーバーからの取得や画像書き換えに合計約 110 秒かかって

図 2: 試作機の全体写真 取り直し

いて約 15%の時間は画像が表示されない．もっと頻繁にている．ESP32 と呼ばれる低電力な SoC を搭載している．

Dual Core CPU, WiFi, Bluetooth などのコントローラー, 磁

画像を書き換える用途には向かないが，時々書き換える用途であれば問題ないと考えられる．web から取得する時間を含めたハードウェアシリアルで通信している電子ペー

気センサー, 温度センサー, シリアル通信用 UART などがパー 1 枚当たりに占める時間は 10 秒前後である一方，ソ搭載されている．コンパクトでディープスリープモードがフトウェアシリアルを使った通信の部分で約 65 秒と半分あることも特徴である．電源としては，MicroUSB コネク以上を占める．

タから電源供給するか，外部から 3.3V を供給する．様々な会社から ESP32 搭載のボードが発売されている．

5.2 消費電力
図 3 は消費電力とバッテリー残量の時間経過を示してい4.3 電子ペーパー

る．DeepSleep モードを実装することで，待機時の消費電7.5 インチの大きさを持ち，640x384 ピクセルの解像度 力は 15mA 程度になり，屋内でもソーラーパネルによるを持つ．電子ペーパーパネル自体は，白・黒・赤の 3 色し 充電の方が平均した消費電力よりも大きいことが分かる．
か表示出来ないが，与える画像フォーマットは 16 色のビットマップ形式である．制御用の基板が付属しており，シリアル通信によって制御することが出来る．シリアル通信の速度は標準で 115 kbps だが，制御基板上のジャンパーをショートすることで 19.2 kbps に落とすことも出来る．

4.4 充電コントローラー
リチウムイオン電池への充電や放電のコントロールのために，Battery Babysitter と呼ばれるコントローラーを使

図 3: 消費電力とバッテリー残量用した．外部電源として太陽電池を接続すると，光が当たっている時にはバッテリーに充電することが出来る．ま6 まとめた，バッテリーからはマイコンや 3 枚の電子ペーパーに3.3V 電源を供給する．充電量や消費電流量などは充電コ

本研究では電子ペーパーを複数枚使って大型化し，ソーントローラーのシリアルポート経由でモニターすることラーパネルにより自立駆動できる掲示板システムを試作が出来る．

した．今後は高速化や低電力化，より大型化するなどの改良が望まれる．

4.5 シリアル通信

参考文献

試作機ではディスプレイが 3 枚あるため，三つのシリアル通信を行う必要がある．ただし，開発段階においては，マイコンボードへの書き込みや状態をモニターするために Windows などの端末と接続する必要があり，そのためにシリアルポートを一つ必要とする．しかし ESP32 は三つの UART しか搭載していない．このためソフトウェアシリアルによる通信を一部使用している．ただしソフトウェアシリアルを用いた場合は，電子ペーパーの標準の通信速度である 115 kbps では不安定であったため，ジャ2[1] 檀上英利. ”電子ペーパーを用いた大型サイネージの開発.” 研究報告デジタ
ルドキュメント (DD) 2009.8 (2009): 1-5. (アクセス日 2021 年 1 月 23 日)[2] みちのりホールディングス（会津バス）など会津若松市内で国内初となる次世代スマートバス停の実証実験を開始. https://www.michinori.co.jp/pdf/20180213_PR.pdf (アクセス日 2021 年 1 月 23 日)[3] P. Wägemann, F. Harbecke, B. Heinloth, H. Hofmeier, and W. SchröderPreikschat, “An Energy-Neutral, WiFi-Connected Room Display with HandCrank-Based Energy Harvesting”, Idea proposal awarded for 2nd placeat FAU Ideenwettbewerb 2019, https://www.fau.de/2019/05/news/
kluge-ideen-aus-dem-maschinenraum-der-fau/ (アクセス日 2021 年
1 月 23 日)