目

自律型IoTセンサリングシステムによる，屋内外不均一環境場のリアルタイム評価とその応用に関する研究•背景と目的•WITS (Wired IoT System)の概要，構成•計測及び制御に係る規格の構築

Study on real time evaluation of indoor and outdoor nonuniform
environmental field and its application using autonomous IoT sensing system•システム（ソフト）構成•フィールドにおけるシステムの実証試験

大成建設設計本部
環境シミュレーショングループ
小林 光

東北大学 大学院工学研究科
都市・建築学専攻 准教授•まとめ1

東北大学 都市・建築学 Laboratory of Building Environmental Engineering
Department of Architecture and Building Science， Tohoku University

Department of Architecture and Building Science， Tohoku University

背景と目的

温度，湿度 etc.

本研究は，独自に構築したIoTセンサリングシステムを用いた，建築内外の不均一環境の計測とリアルタイム評価の実現，及び，環境の管理・制御等の応用の可能性の検討を目的とした。

ex. WBGT②データ収集①センシング⑤制御，アクション③複合条件生成
④判定，トリガー

物理量

筆者らは，計測と制御のプラットフォームとなるIoT技術を中核としたセンサリングシステムを企画した。建築環境に関する研究，実務の経験に基づき，IoT技術によって多種の計測を統合して，計測＋評価＋制御を飛躍的に簡単化，便利化，効率化する事を意図した。

物理量

制御対象
在・不在，開閉等

条件：時間etc.

在・不在 etc.

本研究では，このシステムを強化し，運用できるセンサ・制御群を開発。建築環境の多種・多点計測を実施し，建築環境分野での簡易なIoT技術利用の可能性を検討した結果を報告する。
Department of Architecture and Building Science， Tohoku University2

東北大学 都市・建築学 Laboratory of Building Environmental Engineering

背景と目的東北大学 都市・建築学 Laboratory of Building Environmental Engineering次3

記録・見える化

判定

見える化

制御・お知らせ制御等を行う際の条件として，温度，湿度等の環境パラメータ，在不在その他の運用系パラメータなど複数のパラメータを“複合した条件”を利用したい場合は多い。
しかし①多種のセンシング，②データ収集，③複合条件の計算，④判定，⑤制御系，は別々のプラットホームにあって統合されておらず案外簡単ではない。
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東北大学 都市・建築学 Laboratory of Building Environmental Engineering
Department of Architecture and Building Science， Tohoku University

WITS の概要

背景と目的

WITSは電源供給を伴う有線を基本とする。無線化は必要最小限として，有線式で得られるメリットを最大化しながら，従来に比べて飛躍的に手軽で“総合的に簡単である”ことを方針とする。

②データ収集①センシング⑤制御，アクション③複合条件生成
④判定，トリガー

物理量

WITSを統括するサーバ
物理量⾃在にセンサ基板、制御基板を付替え可能

制御対象
在・不在，開閉等

条件：時間etc.

記録・見える化T

見える化筆者らは単純で簡単に使える IoTシステム WITS(Wired IoT System)を開発。
本研究ではWITSをベースに運用できるセンサ群，制御群(発停， 点灯etc.)を開発し，不均一な建築環境の多種・多点計測を実施し，更に評価や制御を試行することで建築分野での簡単な IoT利用の可能性を検討することを目指した。

GW

Department of Architecture and Building Science， Tohoku University

T

SW Lamp

T

Power

Data

Data

…

C…

node

Power

接続ケーブルnode

汎用ｺﾈｸﾀ

汎用ｺﾈｸﾀWITS：基本的に有線で構築するシステム
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Department of Architecture and Building Science， Tohoku University

WITS の構成
有線で親機と子機を結ぶラインを基幹として子機にセンサ類を接続。
情報は親機からLTE回線でサーバに送り，サーバで記録・処理。
有線で給電するためノイズに強くランプや小型ファン等も駆動可能。

SensorT

nodePower
DC

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Sensor
H … E

WITS 規格の構築
ＷＩＴＳ規格概要(ハード仕様)
Wired IoT Systemは，有線でIoTデバイスを接続する為の仕様

温度センサ

照度センサ

リレー

通信仕様

P2PのRS-422 半２重通信

通信速度

115.2kbps と 921.6kbpsに対応する。

通信距離

無給電でトータル８００mまで（ケーブルのインピーダンスによる）

電源電圧

9V〜24V GWには24Vを供給

ＷＩＴＳデータフレーム
STX(1Byte)SOH（1Byte)

サーバ

０X０１

LENGTH(1Byte)COMMAND(1Byte)NodeID(1Byte)DATA(1-200Byte)

０X０２

０X１０

SOH：
STX：
LENGTH：COMMAND ：NodeID：DATAETXSUMLTE回線
Data
ユーザPC
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Department of Architecture and Building Science， Tohoku University

DLE（１Byte)

Start of Heading
Start of Text
COMMAND〜DATAの最後までのByte数
制御コマンド接続時にGWから指定されるデバイス番号で，接続後はこのNodeIDで指定される。
： DATE設定，数値，日時など。
： End of Text
： １６Bitチェックサムで，先頭のSOHからETXまでの総和

ETX(1Byte)

SUM(2Byte)

０X０３

DLE〜ETXまでの総和

オンサイトのワイヤードシステムを成立させる各種規格・規約の設定が必要になる。
Sensor親機（ゲートウェイ）

Power
Data

子機（ノード）

Power
Data

SensorT H … E子機（ノード） 7GW
東北大学 都市・建築学 Laboratory of Building Environmental Engineering
Department of Architecture and Building Science， Tohoku University

LTE・インターネット

Power
DCT

nodePower
Data

T T

nodePower
Data

SW Lamp
…

C…

node8

WITS 規格の構築

新たなセンサ，リレー等の追加

ＷＩＴＳコマンドＷＩＴＳサポートタイプ

コマンド名

通信方向説明Device確認

WGW → Device
Device→Device

Device確認を受信したDeviceは，後続Deviceの有無を通知する。
Device確認を受信し，後続の新しいDeviceが存在する場合はACKを返す。
新しいDeviceから，DevideIDとサポートする機能，通信速度を返信する。

Device確認
応答

Device→WGW
Device→Device

COMMAND NodeID
０X１０

Data部

０X００ －－DeviceID，
ACK：ありVenderID
０X００ NAK：なし
Device
ESC：切断返信情報
０X０１
Device０X００〜OXFF
設定情報

０X１１0GPIO出力１０：Low

１：High16 〔…〕〔…〕

1GPIO出力２０：Low

１：High17 〔…〕〔…〕

2GPIO出力３０：Low

１：High18 〔…〕〔…〕

3GPIO出力４０：Low

１：High

19 温度

4Byte温度×100℃符号付整数

4

GPIO入力１０：Low

１：High

20 湿度

4Byte湿度×100％符号付整数

5

GPIO入力２０：Low

１：High

21 気圧

4Byte

6GPIO入力３０：Low

１：High22 〔…〕〔…〕

１：High23 〔…〕

Device追加

WGW → Device
Device→Device

０x２０

Device追加
応答Device→WGW
Device→Device

０X０１ ACK/〜OXFF NACK

7GPIO入力４０：Low

０x２１－8Analog出力１4Byte

24 〔…〕

Device出力

WGW → Device
Device→Device

Device出力指示

０X３０

０X０１
０X００〜OXFF

Device
指示情報

9Analog出力２4Byte

25 〔…〕

10 Analog出力３4Byte

26 〔…〕

Device出力
応答

Device→WGW
Device→Device

Device出力レスポンス

０X３１

０X０１ ACK/〜OXFF NACK－

11 Analog出力４4Byte

27 〔…〕

12 Analog入力１4Byte

28 〔…〕〔…〕

Device入力

WGW → Device
Device→Device

Device入力指示

０X４０

０X０１
０X００〜OXFF

Device
指示情報

13 Analog入力２4Byte

29 〔…〕〔…〕

Device入力
応答

Device→WGW
Device→Device

データ
情報

14 Analog入力３4Byte

30 〔…〕〔…〕

０X４１

０X０１ ACK/〜OXFF NACK

15 Analog入力４4Byte

31 〔…〕〔…〕

NodeID
VendorID：デバイス上で設定されたID：製造者のID 0X00000000〜0xFFFFFEFFまでは，WITSから発行されたもの，0xFFFFFF00〜0xFFFFFFFFまでは，試験及び研究開発用：製造者にて１モデルに，１IDを割り振る。

DeviceID

Device入力レスポンス

GPIO（デジタル）：General Purpose Input/Output

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WITSシステム（ソフト）の強化
WEB画面によるデータ表示例

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実フィールドにおけるシステムの実証試験

測定データ複数による計算，条件による制御機能を追加

Ｎ研究所（宮城県）

オンサイトのワイヤードシステム
SensorSensorT H … EGW

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接続するセンサや情報の種別を予め設定しておくことで，センサ類の接続時にはその種別を判断。設定不要。

計測値による装置制御(発停)条件設定

サーバは情報記録と処理，簡易な制御指令等を行う。
計測値を用いた複合的判断，簡易な制御やアラートの発信などを可能とするプログラムを構築。

東北大学 都市・建築学 Laboratory of Building Environmental Engineering〔…〕〔…〕
新たなセンサ，〔…〕
リレー，電圧入〔…〕力などを追加〔…〕LTE・インターネット

Power
DCT

node

Power
Data

T T

node

PowerData

システムの検証を兼ね，2つのフィールドで温湿度他の測定にWITSを使用した

SW Lamp…

C…

Ｋハウス（宮城県）

node11東北大学 都市・建築学 Laboratory of Building Environmental Engineering
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12Kハウスにおける測定と簡易制御
温度，湿度，照度，日射量の測定を試行し，これら測定値を条件とした屋根散水を試行。

Kハウスにおける測定と簡易制御

散水ポンプを測定値を条件に発停

2019/9/17 温度

2019/9/17 湿度

天井近傍

45

中間高さ

85

40

机上面高75簡易制御による屋根散水試験

65

湿度（％）

温度（℃）

屋外
353055
45

天井近傍

35

中間高さ

2025

机上面高

15

15

25

0:00

3:00

6:00

9:00

12:00

15:00

18:00

21:00

0:00

3:00

6:00

時刻

9:00

12:00

15:00

18:00

21:00

時刻

Ｋハウスにおける測定結果一例

サーバに蓄積したデータをダウンロードしてグラフ化。サーバにプログラムを組めば，画面上でのグラフ表示も可能になる。

日射量測定（電圧入力）

通風管付き温度測定

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まとめ•今回の助成により，初めて多数ノードを製作するとともに，判定と制御用のプログラムをサーバ上に構築し，2カ所でフィールドテストを実施した。
•多種のセンサ，簡易な制御などを行うIoTシステムのフレームワークと一定の実証までを実現。現場にサーバを置かずに極めて簡易な計測と制御の利便性を確認した。

ご清聴ありがとうございました•一方，多数ノードをシリースにする計測制御ラインの構築については，装置開発的な難しさも把握された。
•今後，本研究の成果として，WITS規格及び知見を公開することを計画する。
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