報告

電力インフラに依存しない自立電源駆動式デジタルメディア
Independent Power Source Driven Digital Media that does not Depend on Power Infrastructure

鈴木 由信

SUZUKI Yushin

デジタルハリウッド大学 メディアサイエンス研究所 研究員
Digital Hollywood University, Media Science Laboratory, Researcher

電力インフラに依存しない自立電源によって駆動する軽量なデジタルメディアを開発し、メディアアートやファッションテックなどのデジタル表現の可能性を拡張する。システム軽量化の為、自立電源には小さなソーラーパネルでの少ない発電量による充電を可能にするエナジーハーベスト（環境発電）を実装し、より長い駆動時間を確保する為、待機電力を消費しない電子ペーパーや低電力で無線通信可能な Bluetooth Low Energy を使用する。
キーワード：デジタルアート、IoT、エナジーハーベスト、電子ペーパー、Bluetooth Low Energy

1. はじめに未来のエネルギーなんて、呼ばないでほしい。太陽が、動かしている」

デジタル表現はコンピュータによって電子的な計算を行う為、コというメッセージを発信した [2]。この事例では、可動性や軽量性がンセントに繋ぐ必要があったり、バッテリーの充電と交換のメンテナ求められない為、大型の発電・蓄電システムを利用することができンスのコストが必要だった。本研究では、デジタル表現を電力問題た。著者はこれまでにメディアアートの制作や IoT デバイス及びアプによって生じる制限から解放し、表現手法を拡張することを大きなリケーションを開発してきた。その中で、デジタルを用いた表現に目標とし、IoT 業界で、自己電源による運営への利用が期待されては電力が不可欠であり、それにより生じる制限を突破できないかといるエナジーハーベストの技術と、低消費電力で軽量なデジタル画考えた。そこで、IoT の普及により発展しているエナジーハーベスト像表示システムを組み合わせた、自立電源駆動式メディアを試作する。の技術を応用した自立電源で駆動する軽量でデジタル画像を表示可

2. エネルギーとメディアアート

ズと名付けた。

能なメディアの開発を開始し、一連のシリーズを「Dub Plate」シリー

今まで に も 自 立 電 源 によって 駆 動 するアートは 幾 つ かあっ た。

3. Dub Plate 概要「Little Sun」は光を作品に取り入れているアーティスト、オラファー・「Dub Plate」は，スマートフォンから転送された画像を表示するエリアソンとソーラーエンジニアのフレデリック・オッテセンによって設立されたプロジェクトである[1]

ことができる。IoT に代表される低消費電力で小型化された無線等。独自に開発した高効率で実用的且つデザイン性に優れた手のひらサイズのソーラーライトを共同の技術と小さなソーラーパネルなどから得た微量な電気でもバッテ開発した（図 1）。 この作品では、LED の光のみがアウトプットでリーに充電することができるエナジーハーベストを組み合わせた、充電を必要としないシステムで、新たなデジタル体験を生み出すこある為、小型軽量な電源システムでの駆動が可能である。とを目 指して い る。「Dub Plate」という 名 前 は、 画 像 をスマートフォンから複製（Dubbing）する為の盤（Plate）という意味だ。DubPlateはこれまでに2種類の表現方法により試作を行い、発表している。
次にその表現手法と展示概要を示す。

3.1 首下げ型ファッションアイテム Backstage Pass
首から下げる Backstage Pass タイプをファッションアイテム（図2）として制 作し、2019 年 10 ⽉ 12 ⽇（ 土 ）〜 11 ⽉ 25 ⽇（ 月 ）の蔦屋家電＋「Fashion tech week」にて展示を行った（図3）[3]。ファッションに馴染む IoT 機器としてファッションテックの可能性を模索した。

図 1：The Little Sun Foundation2012 年より、太陽光発電事業を手がける企業 XSOL は音楽家の坂本龍一をイメージキャラクターに起用し、オリジナルの CM 楽曲を坂本龍一が書き下ろした。CM 中では、坂本龍一が太陽光パネルの前に並んだアナログシンセサイザーなど、複数の電子楽器を演奏した。この演奏で使用される全ての電力が太陽光発電でまかなわれており、「もう、©︎2020 Digital Hollywood University

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4. システム概要
4.1 自立電源活動システムの開発「Dub Plate」は、自立電源で活動をする小型軽量のディスプレイを実装するために、小型のソーラーパネルによる発電と、そこから得られる小さな電力を充電するエネルギーハーベストを発電システ
ムに採用し、低電力でスマートフォンと通信するための Bluetooth
Low Energy と低電力で画像を表示するための電子ペーパーを用いることで、低電力なシステムを構築した（図 5）。

図 2：着用イメージ

図 5：システム概要図
Waveshare 社はコンシューマー向けに電子ペーパーと専用のマイコンモジュール Universal e-Paper Raw Panel Driver Board を販売している [4]。Universal e-Paper Raw Panel Driver Boardは、Bluetooth Low Energy を内蔵する低コストで低消費電力な SoC のマイクロコントローラである ESP32 を搭載していることから Dub
Plate のコアモジュールとして使用することにした。また、バッテリーには 3.7V400mA リチウムイオンポリマーバッテリーを使用した。
充放電モジュールには、Pesky Products 社のエネルギーハーベス
トモジュール BQ25504 Solar Cell LiPo Charger [5] を使 用した。
また、センサー等の拡張性を考慮して、5V への昇圧コンバータを搭載した（図 6）。
図 3：蔦屋家電＋「Fashion tech week」での展示風景
Universal e-Paper Raw Panel
Driver Board

昇圧
回路

3.2 壁貼り型デジタルキャンバス Flierステッカーの様に壁に貼ったり、宙に浮かせて設置することが可能で、街や自然などの景色の中にスマートフォンから画像を転送しインストールすることができる。2019 年 12 ⽉にデジタルハリウッド
大学メディアライブラリーにて展示を行い、フィジカルとデジタルのハイブリッドな体験を生み出すことを試みた。

BQ25504 Solar Cell LiPo
Charger

3.7V 400mA
リチウムイオン
ポリマーバッテリー

図 6：メイン基盤システム構成
ソーラーモジュールには、後述するケースのデザインとの融和性と充 放 電 モジュール の 入 力 電 圧 を考 慮し、YOLK 社 のソー ラ ー モ
ジュールシリーズ か ら、 最 大 出 力 電 圧 5V の YKSM_20mm-8mm5V-5mA [6] を採用し、フロント基盤に配置した。また、画像切り替
えや削除の為に、ボタンを３つ配置した（図 7）。

YKSM_20mm-8mm-5V-5mA

図 7：フロント基盤システム構成
図 4：メディアライブラリー展示風景©︎2020 Digital Hollywood University

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表示装置には、Universal e-Paper Raw Panel Driver Board との相性と首下げ型ファッションアイテムとしてのサイズ感を考慮し、Waveshare 社の 4.2inch E-Ink raw display [7] を使用した（図 8）。
4.2inch E-Ink raw displayの解像度は300pix×400pixで、カラーはモノクロである。

Waveshare
4.2inch E-Ink raw display

図 11：アプリ UI

図 8：電子ペーパー5. サイズ・重量

これらを後述するケースに収めるため、オリジナル基盤を設計し、本システムでは、ID カードほどのサイズで 52g のシステムを構築各モジュールを実装した（図 9）（図 10）。

することができた（図 12）。ファッションアイテムとして首から下げる際には、なるべく身体に負荷がかからないサイズと重量にすることが望まれる。サイズに関しては、利用用途により選択肢を増やしていきたい。重量に関しては、軽ければ軽いほど快適な使用感や展示の応用性を得られる為、更なる軽量化を行いたい。また、テグスなどの視認性が低い糸を使用して天吊りした、宙に浮いた様な演出
では糸の耐荷重が弱い為、軽量なシステムにする必要がある。本システムではテグスの耐荷重に耐えられる重量に収まっている。今後
は更なる表現力の拡張の為、様々な画面サイズや、それに比例して必要になる発電・蓄電量の大きさを考慮したシステムに挑戦したい。

図 9：メイン基盤回路図

図 10：フロント基盤回路図

4.2 画像転送アプリケーション
Waveshare 社 が 配 布 して い る Universal e-Paper Raw Panel

図 12：寸法

Driver Board 向けの Android アプリ [8] をベースに、画像の切り抜き機能の追加や不要な機能を省いた、オリジナルのスマートホンア

6. 発電・消費電力実験

プリケーションを開発した（図 11）。Dub Plate に転送する画像は、
電 子ペ ー パ ー の 使 用 に 準じて、300pix × 400pix の モノクロ に 変

本稿では、Dub Plate の自立電源活動性能を検証するために、ソー換する必要がある為、スマートホンに保存された画像をリサイズし、ラーパネルの発電効率と、エネルギーハーベストモジュールの充電モノクロの画像を生成する機能を備えている。モノクロ画像生成のア効率とコアモジュールの電力消費率の関係について、次の実験を行い、ルゴリズムは、白黒の２値化とディザリングの２種類から選択可能で理論値との比較実験を行った。
ソーラーパネルの発電効率に関する実験方法は、本システムを用ある。画像をバイナリデータとして、Bluetooth Low Energy で通いて、6 つのシチュエーションで、ソーラーパネルの出力の電圧と電信した Dub Plate に転送可能である。

流を測定した（図 13）（表 1）。

©︎2020 Digital Hollywood University98

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表 3：消費電力計算式図 13：発電実験

ソーラー発電能力(mWh)

ソーラー電圧 * ソーラー平均
電流 * 時間

11.88

電池の入力電流(mAh)

ソーラー平均電流 *（ソーラー電圧 / 充電電圧）*（コントロー
ラ効率 * 充電効率）2.330307692

1 時間で充電される
電荷 (C)

電池の入力電流/1000*3600

8.389107692

電池容量 (C)

電池容量 /1000*3600

1440

満充電までの時間 (h)

電池容量 /1 時間で充電される
電荷

171.651152

ESP32 が 1 時間分動作するのに必要な電荷 (C)ESP32 平均消費電流 /1000* 11.52
想定 ESP32 駆動時間

ESP32 が 1 時間分の動作で電池から消費する電荷 (C)ESP32 が 1 時間分動作するのに必要な電荷 /（ 放電電圧 /ESP32 動作電圧）/（ 放電効率* 変圧効率）

満充電された電池でESP32 を動作できる
時間 (h)

電池容量 /ESP32 が 1 時間分の 113.5227273
動作で電池から消費する電荷

ESP32 が 1 時間分動作するのに必要な充電時間 (h)満充電までの時間 / 満充電され 1.51204218
た電池で ESP32 を運用できる時間

1 時間の充電でESP32 が実動作する
時間 (h)(min)(sec)

1 時間で充電される電荷/（ ESP32 平均消費電流/1000*36000）/（ 放電電圧
/ESP32 動作電圧）/（ 放電効率 * 変圧効率）*36000

表 1：ソーラーパネル発電実験結果
実験場所

ソーラー出力電圧

ソーラー出力電流

屋外明るい日向

3.68V

3.34mA

屋外暗い日向3.7V

2.65mA屋外影

3.52V

0.34mA

屋内日向

3.488V0.16mA

屋内蛍光灯

1.36V

0mA

屋内明るい LED 照明

2.946V0.07mA

12.68468468

144.3321206

表 4：充電時間に対する動作時間の予測と結果
予想動作時間(sec)
216.4981809

実測動作時間(min)

1.5

予想動作時間(min)
3.608303015

1:30

充電時間(h)次に，エナジーハーベストモジュールが放電ロックをかけるまで

1

2.405535343

144.3321206

0.5

1.202767672

72.16606029

0.25

0.601383836

36.08303015

使用したバッテリーに対して，「屋外明るい日向」において得られた

7. 本システムの表現性

ソーラーパネルの電圧と平均電流値の安定化電源から、エネルギー

7.1 画像表示
本システムでは、モノクロ、300pix × 400pix の解像度の電子ペー

ハーベストモジュール経由で、バッテリーに１時間充電を行い、そのパーを使用した。人物写真は、人物を認識することができた。また、後コアモジュールの駆動時間を測定した。
利用している各モジュールの電力とそれぞれの効率（表 2）を基に、QRコードをスマホで読み取ることができた。文字は英数字において、理論上の消費電力の計算式（表 3）から得られた算出結果とコアモ

17 ポイント以上のサイズを認識することができた（図 14）（表 15）。

ジュールの駆動実験での駆動時間を比較した（表 4）。
表 2：利用モジュールの電力と効率
ソーラー電圧 (V)3.6

ソーラー平均電流 (mAh)3.3

充電電圧 (V)

3.9

コントローラ効率

0.9

電池容量 (mAh)

400

充電効率

0.85

放電電圧 (V)

3.7

放電効率

0.9

変圧効率

0.9

ESP32 動作電圧 (V)3.3

ESP32 平均消費電流 (mAh)64

想定 ESP32 駆動時間 (sec/h)180

図 14：画像表示例©︎2020 Digital Hollywood University

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[7] WAVESHARE:“ 400x300, 4.2inch E-Ink raw display”
https://www.waveshare.com/4.2inch-e-paper.htm（参照2020年9月18日）．
[ 8 ] W A V E S H A R E :“ F i l e : E - P a p e r E S P 3 2 D r i v e r B o a r dCode.7z” https://www.waveshare.com/wiki/File:E-Paper_ESP32_Driver_Board_Code.7z（参照 2020 年 9 月 18 日）.

図 15：フォントサイズテスト表示

7.2 インタラクション
本システムでは、Bluetooth Low Energy を利用して、スマートフォンから Dub Plate へ画像を転送することができた。オリジナルアプ
リではスマートフォン内に保存された画像を利用でき、その場で撮影した写真を送ることも可能である。

7.3 運用性
本システムでは、屋外に設置した状態で、満充電時から１時間に１回スマートフォンから画像を転送し、3 日間充電を切らすことなく駆動させることを確認できた。利用用途に応じ、実験結果を基にバッテリーの容量やソーラーパネルの発電量を変えることで、電力系統のメンテナンスを必要としないシステムを構築できる。

8. おわりに
本稿では、試作した自立電源駆動可能なデジタルメディアのシステム概要と実験結果をまとめた。環境エネルギーから得られた電力で自立的に駆動し続けるシステムは、デジタル表現の手法を拡張するメディアとして期待できる。今後は、機能面の向上や軽量化と共に、表現手法についても研究を進めたい。

参考文献[1] L.S.Foundation:“ Little Sun Foundation HP” https://littlesunfoundation.org（参照2020年9月18日）．
[2] 株 式 会 社 エ クソル :“ 坂 本 龍 一 氏 起 用 新 C M 展 開 のご 案 内 ”
h t t p s : / / w w w. x s o l . c o . j p / i m p o r t / n e w s / f i l e s / 2 0 1 4 / 0 7 /press_20140710_newcm.pdf（参照2020年9月18日）．
[3] 蔦 屋 家 電 ＋ :“ テ クノロ ジ ー を " 身 に 着 け る " 高 揚 感 を 体 感する『 F a s h i o n t e c h w e e k 』を 1 0 / 1 2（ 土 ）か ら 開 催！”
https://store.tsite.jp/tsutayaelectricsplus-futako/news/
magazine/10199-1315301008.html（参照2020年9月18日）．
[ 4 ] WAVESHARE: “Universal e-Paper Raw Panel Driver
Board, ESP8266 WiFi Wireless”https://www.waveshare.com/
e-paper-esp8266-driver-board.htm（参照2020年9月18日）．
[5] tindie:“ BQ25504 Solar Cell LiPo Charger”https://www.
tindie.com/products/onehorse/bq25504-solar-cell-lipocharger（参照2020年9月18日）．
[6] YOLK:“YKSM_20mm-8mm-5V-5mA_”http://yolkstation.
com/product/5-yksm_20mm-8mm-5v-5ma-2（参照2020年9月18日）．

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