広島工業大学紀要教育編
第 20 巻（2021）7-16

論文

IoT を用いた 高大連携 による初歩的な環境計測
田中 武＊・岡光序治＊・川本啓正＊＊・岩崎

向井直樹＊＊・黒田 京子＊＊＊・宮本緑＊＊＊＊・濵元

洋子＊＊＊

優一＊＊＊＊（令和2年10月31日受付）

Preliminary environmental measurementby high school-university cooperation using IoT
Takeshi TANAKA, Nobuharu OKAMITSU, Yoshimasa KAWAMOTO, Naoki IWASAKI,
Kyoko KURODA, Yoko MIYAMOTO, Midori MUKAI and Yuichi HAMAMOTO（Received Oct. 31, 2020）

Abstract
Using the Sigfox network and the Internet, we created an IoT device equipped withtemperature, humidity, and barometric pressure sensors that are related to the environment.
We acquired environment-related data from IoT devices and displayed it on the Web using
ThinSpeak. Furthermore, the data was processed using Matlab / Simulink, and the data suchas discomfort coefficient and heat coefficient could be redisplayed using ThingSpeak. In thisresearch, the IoT device was installed in a high school as part of a high school-university
collaboration research, and data was successfully acquired without going through the network in
the high school. Furthermore, we were able to display the results on the PCs and smartphones of
all concerned parties. In the future, I would like to aim to build an education system that uses alarge amount of data obtained from sensors.
Key Words: IoT（Internet of Things）,Sigfox, LPWA（Low Power Wide Area）,Matlab/simulink,ThingSpeak

１

Society 5.0 で実現する社会は、IoT（Internet of Things）

はじめにで全ての人とモノがつながり、様々な知識や情報が共有され、これまでの情報社会（Society 4.0）では知識や情報が共今までにない新たな価値を生み出すことで、これらの課題有されず、分野横断的な連携が不十分であるという問題がや困難を克服します。また、人工知能（AI）により、必ありました。人が行う能力に限界があるため、あふれる情要な情報が必要な時に提供されるようになり、ロボットや報から必要な情報を見つけて分析する作業が負担であった

自動走行車などの技術で、少子高齢化、地方の過疎化、貧り、年齢や障害などによる労働や行動範囲に制約がありま富の格差などの課題が克服されます。社会の変革（イノベーした。また、少子高齢化や地方の過疎化などの課題に対しション）を通じて、これまでの閉塞感を打破し、希望の持て様々な制約があり、十分に対応することが困難でした。１）

てる社会、世代を超えて互いに尊重し合あえる社会、一人＊

広島工業大学工学部電子情報工学科
広島県立呉三津田高等学校＊＊＊
広島県立広島皆実高等学校＊＊＊＊
広島県立熊野高等学校
＊＊―7―

田中

武・岡光序治・川本啓正・岩崎直樹・黒田京子・宮本洋子・向井緑・濵元優一る。また、接続手段としては、上述の携帯電話システムの他、広域なエリアを効率的にカバー可能な衛星通信や、近距離で超高速な通信を実現する無線通信技術など、アプリケーションによって様々な接続手段から適切なものを利用することが重要である。特に、産業用途など、デバイスや回線あたりに通信容量は小さいが大量接続をサポートすることが求められる通信用途・ニーズにおいては、低コストであることや、センサー機器に組み込み長期間使えるような低消費電力などの要件に対応する必要がある。2 ）こうした要件に特化して現在開発・提供等が進んでいる
Fig. 1Society 5.0 で実現する社会のが LPWA（Low Power Wide Area）と呼ばれるコンセ

1）プトである。LPWA の通信速度は数 kbps から数百 kbps
一人が快適で活躍できる社会となります。

程度と携帯電話システムと比較して低速なものの、一般的

１）

Society 5.0 は、サイバー空間（仮想空間）とフィジカルな電池で数年から数十年にわたって運用可能な省電力性空間（現実空間）を高度に融合させたシステムにより実現や、数㎞から数十㎞もの通信が可能な広域性を有していします。これまでの情報社会（Society 4.0）では、人がサる。既にフランスなどでは Sigfox 社により全土に LPWA

イバー空間に存在するクラウドサービス（データベース）のネットワークが構築され、米国などでも LoRa 規格によにインターネットを経由してアクセスして、情報やデータる LPWA の導入が始まっている 2 ）。
また、本学では Sigfox のアンテナを設置し、Sigfox ネッを入手し、分析を行ってきました。1 ）Society 5.0 では、フィジカル空間のセンサーからの膨大トワークを用いて、IoT 機器を付加した水道メータのデーな情報がサイバー空間に集積されます。サイバー空間では、タをインターネット経由で取得することを実現し、そのシこのビッグデータを人工知能（AI）が解析し、その解析ステムを用いた Sigfox の初歩的な教育システムを構築し結果がフィジカル空間の人間に様々な形でフィードバックた 3, 4 ）。

されます。今までの情報社会では、人間が情報を解析する

さらに、Sigfox を用いた IoT 機器を製作し、その機器ことで価値が生まれてきました。Society 5.0 では、膨大なから発信されるデータを ThinSpeak で受信し、Matlab/ビッグデータを人間の能力を超えた AI が解析し、その結Simulink で演算し、その結果を ThingSpeak を経由して、果がロボットなどを通して人間にフィードバックされるこ

HomePage で公開する。また、必要であれば、Twitter をとで、これまでには出来なかった新たな価値が産業や社会用いて、データを送信する。さらに、社会にこの装置をにもたらされることになります。

実装し、得られたデータから考察した。また、京セラコ1）

ミュニケーションシステム株式会社（KCCS）が提供する
Sigfox サービスに関して、パートナープログラムとは、販売、ソリューションの提案活動、デバイスやアプリケーション提供などのビジネス展開をお考えのパートナー向けのプ
ログラムです。 広島工業大学は、インテグレーションパートナーになりました。5 ）本研究では、Sigfox を用いた IoT 機器を、高大連携の研究の一環として高校に設置し、高校内のネットワークを介さず、データの取得、さらに関係各位のパソコンやスマートフォンへの表示を試みた。
Fig. 2

また、それらの応用について検討した。

Society 5.0 のしくみ 1）

IoT 時代においては、多様なアプリケーションの通信ニーズに対応することが求められる。例えば、遠隔手術のように高精細な映像が必要な用途では高速接続性が求められ、環境モニタリングやスマートメーターのように多数のIoT 端末から情報を収集する用途では収容性が求められ―8―

IoT を用いた 高大連携 による初歩的な環境計測

Fig. 3

2

KCCS の HP に掲載されている広島工業大学のマーク

Sigfoxを用いたIoT機器の製作
Arduino Uno Rev3 に、Sigfox Shield for Arduino V2Sを差し込み、IoT 機器を作成した（Fig. 3 参照）
Fig. 5

本研究に用いた Arduino のスケッチ例

次に、人感センサーと、部屋の照度の目安を得るために、CdS を、IoT 機器（Fig.4 参照）に組み込み、測定した。

３

Fig. 4ThingSpeakを用いたデータ処理

Sigfox を用いた IoT 機器

IoT 機器内のセンサーは、温湿度・気圧センサ（BOSCHBME-280）を用いた。そのセンサーの仕様

Fig.6

は、6）

IoT 機器、ThingSpeak、Matlab/Simulink の概要 7）

ThingSpeak の デ ー タ 処 理 は、Analytics、 お よ び、

動作温度範囲：－ 40 〜＋ 85℃（定格）・湿度：0〜100％（相対湿度）

Actions で 構 成 さ れ る。 こ こ で は Analytics と し て は、

・気圧：300〜1100hPa

MATLAB Analysis, Actions としては、TimeControl を用・温度精度：±1℃（0〜65℃）いた。

・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。
追加したセンサーは、人感センサーと、照度を測定するために CdS を用いた。
Arduino IDE を用いて、Arduino

UNO Rev3 にスケッチを入れた。

―9―

田中

Fig. 7

武・岡光序治・川本啓正・岩崎直樹・黒田京子・宮本洋子・向井

緑・濵元優一4

実際の測定例4-1

広島県立呉三津田高等学校

Fig. 10

広島県立呉三津田高等学校の気温

Fig. 11

広島県立呉三津田高等学校の湿度

Fig. 12広島県立呉三津田高等学校の気圧

ThingSpeak のチャネル設定例

Fig. 8

MATLAB Analysis の例

Fig. 9TimeControl の例― 10 ―

IoT を用いた 高大連携 による初歩的な環境計測の熱環境、③気温の 3 つを取り入れた指標です。9）WBGT は、 乾 球 温 度（Ta、 ℃）、 相 対 湿 度（H、 ％）、全天日射量（kW/㎡）、平均風速（WS、m/s）及び、それらの組み合わせを用いた以下の式（2）により求める。10）
WBGT＝0.735×Ta＋0.0374×H＋0.00292×Ta×H＋7.619
×SR - 4.557×SR2 - 0.0572×WS - 4.064

⑵なお、平成 24 年度までの計算手法は、以下のとおり。
2010 年観測データから求めた回帰式（3）を用いる。
Tg＝Ta―0.17＋0.029×SR - 0.48×WS1/2 - 1.27×10 -5×SR2⑶
Fig. 13

ここで、Tg：黒球温度（℃）、Ta：乾球温度（℃）、SR：

広島県立呉三津田高等学校の人感センサー

全天日射量（W/㎡）、WS：風速（m/s）
暑さ指数（WBGT）は、熱中症の発生と密接に関係し
11）
これは、「気温」と「暑さ指数（WBGT）」でています。

比較すると明瞭です（図 1-8、図 1-9）。

暑さ指数（WBGT）と熱中症による救急搬送人員数との相関をみると、日最高気温の上昇に対しては必ずしも単調ではない（Fig. 15）ですが、日最高暑さ指数（WBGT）の上昇に対してはほぼ単調に増加している（Fig. 16）ことがわかります。
また、Fig. 16 からは、日最高暑さ指数（WBGT）が 28℃（北海道では 26℃）を超えるあたりから急激に熱中症による搬送人員数が増加することも読み取ることができます。
Fig. 14広島県立呉三津田高等学校の照度（a.u.）

気温、湿度、気圧、人感、および照度を測定することができた。

夏には、熱中症が起こりやすいため、以上から得られたデータと、一般的な気象データを用いて、不快係数や、暑さ指数を計算で求めることにした。
人間が生活するうえで不快を感じるような体感を，気温と湿度で表した指数。風速が含まれていないため，体感とは一致しないことがある。気温を T ℃，相対湿度を H ％とすると不快指数＝0.81×T＋0.01×H（0.99×T－14.3）＋46.3

⑴

Fig. 15

日最高気温別熱中症搬送人員数（人 /10 万人 / 日）で計算される。不快を感じる値は人種などにより違いがあるが，日本人は 77 になると 65％の人が不快を感じ，85 では 93％の人が不快を感じるといわれている。一方，アメリカ人は 80 以
上でほぼ 100％の人が不快を感じるといわれる。8）
暑 さ 指 数（WBGT（ 湿 球 黒 球 温 度 ）：Wet Bulb GlobeTemperature）は、熱中症を予防することを目的として1954 年にアメリカで提案された指標です。 単位は気温と同じ摂氏度（℃）で示されますが、その値は気温とは異なります。暑さ指数（WBGT）は人体と外気との熱のやりとり（熱収支）に着目した指標で、人体の熱収支に与える影響の大きい①湿度、②日射・輻射（ふくしゃ）など周辺

Fig. 16― 11 ―

日最高 WBGT 別熱中症搬送人員数（人 /10 万人 / 日）田中武・岡光序治・川本啓正・岩崎直樹・黒田京子・宮本洋子・向井

暑さ指数（WBGT）に応じた熱中症の予防について検討した。

4-2

緑・濵元優一広島県立広島皆実高等学校

このように、熱中症に対する暑熱環境の評価として、暑さ指数（WBGT）が有効ですが、この暑さ指数（WBGT）を用いた活動の指針を日本スポーツ協会（「熱中症予防運動指針」）と日本生気象学会（「日常生活における熱中症予防指針」）を作成しており、表 1 に示されているとおり、暑さ指数（WBGT）の段階に応じた熱中症予防のための行動の目安とすることが推奨されています。他に、市民マラソンにおける指針については、Hughson（カナダ）による指針が提案され、アメリカやカナダで用いられています。
熱中症を予防するためには、ひとりひとりがこの指針を参考に、自らの体調を考慮しながら行動する事が重要ですが、同時に、イベントの主催者や施設管理者等も、参加者の特Fig. 17

広島県立広島皆実高等学校の気温

Fig. 18

広島県立広島皆実高等学校の湿度

Fig. 19

広島県立広島皆実高等学校の気圧性やこの指針を踏まえた上でイベントや施設の運営を行うことも必要です。

表 1 に示されているように、暑さ指数（WBGT）が 3℃上昇するとランクが 1 つ厳しくなりますので、少しでも暑さ指数（WBGT）の低い環境を保つことが重要です。
表1

暑さ指数に応じた注意事項等― 12 ―

IoT を用いた 高大連携 による初歩的な環境計測

島のデータの利用を試みた。

Fig. 20

Fig. 21

広島県立広島皆実高等学校の人感センサー

Fig. 23

OpenWeatherMap の広島近郊

Fig. 24OpenWeatherMap の広島の気温

Fig.25OpenWeatherMap の広島の湿度

広島県立広島皆実高等学校の照度（a.u.）以上の気温、湿度、気圧、人感、および、照度のデータが得られた。その中で、気温と湿度を用いて、不快係数を算出した。その結果を Fig. 22 に示す。

Fig. 22

広島県立広島皆実高等学校の不快指数

暑さ係数を求めるために、初歩的な近似として、近くの気象データの利用と、全天日射量を、雲量の割合で計算する、すなわち、全天日射量＝ 1kW/㎡ x 雲量（％）/100 と仮定して行った。
広島県立広島皆実高校では、OpenWeatherMap12）の 広― 13 ―

田中

Fig. 26

Fig 27

武・岡光序治・川本啓正・岩崎直樹・黒田京子・宮本洋子・向井緑・濵元優一

OpenWeatherMap の広島の気圧

Fig. 29

広島県立広島皆実高等学校の WBGTOpenWeatherMap の広島の雲量（％）

Fig. 30

広島県立広島皆実高等学校の位置

4-3

広島県立熊野高等学校

広島県立熊野高等学校に Sigfox の IoT 装置を設置するために Sigfox の coverage13）を調べた。（Fig. 31 参照）

Fig. 28OpenWeatherMap の広島の風速

広島県立広島皆実高等学校の環境データ（Fig. 19 から Fig.22） と、OpenWeatherMap の 広 島 の デ ー タ（Fig.
24 から Fig. 27）を用いて、広島県立広島皆実高等学校のWBGT を算出した。（Fig. 29 参照）

Fig. 31

熊野高校付近の Sigfox の coverage13）● は、熊野高校の位置

広島県立熊野高等学校は、Sigfox の圏内と圏外の中間地点であった。

― 14 ―

IoT を用いた 高大連携 による初歩的な環境計測

広島県立熊野高等学校の 1Fと4F に Sigfox IoTを設置し、IoT からのデータの受信状態を調べた。その結果、4F に設置
した IoT からのデータは受信できたが、1F からのデータは受信（Fig.
できなかった。そこで、
Sigfox の Access Station Micro14）
32 参照）を熊野高等学校に設置し、IoT からのデータの受信状態の改善を試みた。

Fig. 35

広島県立熊野高校の気圧

Fig. 32 広島県立熊野高校に設置した Sigfox の Access Station Micro14）

基地局設備

基地局本体

サイズ

本体：186 × 159 × 108㎜

質量450g受信感度-132dBm

想定設置場所

屋内

Sigfox の Access Station Micro の設置後、1F からのデー
タの受信可能になった。（Fig.33 から Fig. 35 参照）

Fig. 33

Fig. 36

広島県立熊野高校の不快係数

Fig. 37

広島県立熊野高校の暑さ係数

広島県立熊野高校の気温

5

まとめ
Sigfox ネットワークとインターネットを利用して、環境にかかわる、温度、湿度、気圧センサー等を搭載する IoT
機器を、広島県立呉三津田高等学校、広島県立広島皆実高等学校、および、広島県立熊野高等学校に設置した。設置
した IoT 機器からの環境関連データを取得し、ThinSpeak
Fig. 34を使用して Web 上に表示した。さらに、そのデータを広島県立熊野高校の湿度― 15 ―

田中

武・岡光序治・川本啓正・岩崎直樹・黒田京子・宮本洋子・向井Matlab / Simulink を用いて処理し、不快係数、暑さ係数⑶

緑・濵元優一田中武他、“Sigfox ネットワークを用いた IoT 機器と等のデータを ThingSpeak を用いて再表示も可能にした。の通信システムの構築と教育への応用”、広島工業大

このシステムは、高等学校内の既存のネットワークシステ

学紀要教育編第 17 巻（2018）59-63.

ムとは、独立に設置でき、高等学校内の環境関連のデータ⑷

Ryota Matsuda, et al., “CONSTRUCTION OFを取得し、パソコンやスマートフォンを通じて関係者が入

COMMUNICATION SYSTEM IoT EQUIPMENT USING

手可能になった。今後は、これらのデータのデータベース

SIGFOX NETWORK AND ITS APPLICATION TOの構築や大量のデータを AI 等を活用して有効に活用し、

EDUCATION”, , Int. J. Industry 4.0, iss.1, pp.11-14

高校、大学等の教育機関に、ビッグデータ、AI、IT 等を（2018），ISSN 2543-8582.

有効り利用できる教育体制の構築を目指していきたいと思⑸

https://www.kccs-iot.jp/partner/integration/

います。

⑹

https://ae-bst.resource.bosch.com/media/_tech/謝

media/datasheets/BST-BME280-DS002.pdf

辞本研究を実施するにあたり、協力して頂いた広島県立呉⑺https://thingspeak.com/pages/commercial_learn_more⑻

ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典ブリタニカ国三津田高等学校（校長大林 秀則）、広島県立広島皆実高等際大百科事典

学校（校長平田 浩一）、および広島県立熊野高等学校（校⑼http://www.wbgt.env.go.jp/wbgt.php

長中原 朝男）に謝意を表します。

⑽

https://www.jma.go.jp/jma/kishou/shingikai/kentoukai/

文⑴nettyusyou/part1/part1_shiryo1-3-1.pdf

献⑾https://www8.cao.go.jp/cstp/society5_0/

https://www.pref.ishikawa.lg.jp/kenkou/necchuushou/documents/heatillness_guideline_full_1.pdf⑿

https://openweathermap.org/

http://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/⒀

https://www.kccs-iot.jp/area/

whitepaper/ja/h29/html/nc133220.html⒁

https://www.kccs.co.jp/news/release/2019/0130/⑵ 「平成 29 年度情報通信白書」（総務省）― 16 ―