P-13：教育現場において有用な小型測定機器の開発
須藤雄志 1、東郷翔帆 1、田中利佳 1、中村真帆 1、藤原博伸 2、稲崎弘次 3、岩崎洋 4、川原庸照 4、土器屋由紀子 4、鴨川仁 4
1.東京学芸大学、2.私立女子聖学院高等学校、3.東山技研、4.NPO 富士山測候所を活用する会
1． はじめに
近年、様々な災害が多発し地球環境の問題というのは人類における永年の課題である。そこで、学校教育の現場でのそれらの課題に対する教育は、最重要事項であるといえる。学生が意欲的に自らそれらを学ぶには、まず興味を引くことが大事であり、そのためには観察や観測といった実体験が必須である。教育現場において、実際に観察や計測を行う機会は、時間や経費の問題を考慮すると十分に行えておらず、計測機器を正しく操作し、計測を正しく行える力を養うことが必要である。
観測機器としては、物理量を継続的に観測するための自動デジタル記録計であるデータロガーと呼ばれるものがある。これは必須の装置であるといえるが、市販のデータロガーでは機能がブラックボ
ックス化されておりデータ処理がしづらく、さらに処理過程の複雑さゆえに消費電力があがり、屋外の長期観測には不向きであるという難点がある。他にパソコンを用いた記録計は、グラフ化などを合わせて行えるという点があり有用であるのだが、OS 自体が不安定な動作をするので長期無人観測は不向きであり、消費電力も大きい。また、教育現場において観測用にパソコン 1 台を保有するということは、経費の面を考慮しても不向きであるといえる。したがって、(1)生徒や学生が扱いやすく、(2)様々な観測に汎用性があり、(3)長期観測が可能であり、(4)悪い観測条件に耐えることができ(安定した観測)、(5)教育現場で扱えるように安価である、という 5 つの条件を満たすような小型観測機器の開発は非常に有用であるといえる。
本研究では、実験的に作成したデータロガーを用いて、通年のデータを用いることにより本装置を評価し、学校教育において有用な小型観測機器を開発することを最終成果物とする。
本稿では、鴨川らが行った初期データの研究（鴨川ら，2012）に対して、2012-2013 に富士山山頂で行った実験的な観測のデータと、本装置の設計について報告する。
2． 観測方法
2．1．小型観測装置の設計
図 1 は今回作成したデータロガーのシステム・ブロック図である。図 2 及び図 3 は制作した回路図である。
本研究で開発する小型観測機器は、低消費電力における測定を目指すためにプログラマブル IC である PIC(Peripheral Interface Controller )マイコンを用いて設計を行った。PIC マイコンを用いることで、計測装置をできるだけ省電力モードで作動させるように設計しており、太陽電池などを接続することによる充電も可能であり、商用電源や大型バッテリーがなくとも長期間観測が可能である。本装置には、1.2V の二次電池 4 本をバッテリーとして使用する。屋外ないしはそれに近い環境に設置する場
合、バッテリーの低温化により出力効率が低下する恐れがある。しかし、近年では一般消費者用製品でも-20 度まで動作可能なほど二次電池の機能が向上しているため、将来的にはこれらの問題は大きく改善されるだろう。プログラマブルは組み込み機械や衛星などでも使われる高級 IC などが各種存在するが、本制作で取り扱う PIC そのものは価格も数百円であり、内蔵するプログラムの言語も汎用性のある C 言語ベースであるため無料のコンパイラもあり、一般消費者もネットから簡単に手に入れやすく取り扱いやすい。
現段階での設計では、4 チャンネル分の測定ができるようにしてあり、測定したデータは SD カードに記録される。SD カードは SDHC フォーマットには対応していないが、FAT16(File Allocation Table)といわれるフォーマットで、2GB までの記録ができる。1 分サンプリングの場合であると 1 日 40kB 程度であり、2GB の容量の SD カードであれば、1 年間の記録は十二分に行うことができる。データの記録は、日時と 4 チャンネル分の電圧値が記録され、テキストデータとして書き込まれる。サンプリングは52

10 分、1 分の切り替えができるような設計になっており、本実験では 10 分サンプリングに設定した。
なお、消費電力は運用時0.4Wである。書き込まれる日時の時刻管理は、実装しているRTC(リアルタイムクロック)により行う。精度は、動作温度範囲が、周波数偏差がであり、これは月差 1 分に相当する。また、GPS と組み合わせ時刻同期を行うことにより、精度向上も図ることができる。

図 1．データロガーのシステム・ブロック図

図 2．ロガー回路図(システム部)
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図 3．ロガー回路図(電源部)(a) 外観(b) 本体内部
図 4．作成したデータロガー

2．2．観測場所
富士山測候所は山頂の剣ヶ峰に建設され、標高 3776 メートルに位置する日本最標高にある気象観測所である。冬季期間は閉鎖され、夏季期間のみ科学的観測がなされ、そこでは最先端の科学計測のみならず教育実習プログラムも行われている(土器屋，佐々木，2012)。
作成したデータロガーを設置したのは、測候所 3 号庁舎屋内である。太陽パネルは、図 5 のように 3号庁舎の西向きの窓からの日光を取り入れることができるように、また富士山山頂は厳しい気象環境であり、落雷を避けるために屋内に設置した。夜間時は仮想的なセンサーとして利用した。なお、その時の消費電力は 0.23W 程度である。また、この太陽パネルは、軟らかく軽量なソーラーパネルである米グローバル・ソーラー・エナジー社の PowerFLEX というものである。

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図 5．太陽パネルの設置。 本実験では上段の 2 枚をデータロガーに接続した。

3． 観測結果
本測定機器を 2102 年 9 月 2 日に設置してからの、取得したデータを報告する。
作成したデータロガーでは、4 チャンネル分のデータを取得できるので、次のように接続しデータを取得した。Ch0 と Ch3 には 2 枚の太陽パネルの電圧の出力、Ch1 には内部バッテリーの出力、Ch2には 3 号庁舎内の温度が出力されるように接続した。
図 6、図 7 は 4 チャンネル分の取得したデータの測定結果である。1.2V の二次電池 4 本で約 1 カ月運用することができた。なお、取得したデータの値は、同時に測定を行った市販のデータロガーで校正を行った。

図 6．測定結果 Ch0、Ch1、Ch3

図 7．測定結果 Ch2

内部バッテリーの電圧の値は、6V を超えているのが分かるが、昼に仮想センサーである太陽パネルが充電機能として働いており、用意した二次電池の 4.8V という値を超えている。一方、夜間時は仮想センサーとして電力を消費しているために徐々に値が低くなっていることが分かる。

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4． まとめ
本研究においての目標である、学校教育のための小型観測機器の開発のための実験的な観測として、約 1 ヵ月間安定的な運用を行うことができた。今後は、長期的な観測という課題が残る。今回は太陽パネルをデータロガーに接続し夜間は仮想的なセンサーとして利用したが、長期観測となるとやはりできるだけ消費電力を抑えたいものである。太陽パネルを昼の充電のみに使用することでより長期的な観測が可能になる。
毎年実験的に観測を行い、改良を重ねることで学校教育の場で実用できる有用な小型観測機器の開発を実現することができる。
参考文献
土器屋由紀子，佐々木一哉(編著)．（2012）よみがえる富士山測候所 2005-2011．成文堂
稲崎弘次
鴨川仁, 藤原博伸, 稲崎弘次, 織原義明, 岩崎洋, 川原庸照, 鈴木優子, 大洞恒星, 土器屋由紀子.
(2012)小型化した環境データ記録システムの製作. 東京学芸大学環境教育研究センター 研究報
告 環境教育学研究 第 22 号. 3-10.
東郷翔帆, 須藤雄志, 田中利佳, 中村真帆, 藤原博伸, 稲崎弘次, 岩崎洋, 川原庸照, 土器屋由紀子, 鴨川仁. (2014) 2012-2013 に行った富士山山頂越冬用気象環境データ記録の動作結果. 第7 回
NPO 成果報告会予稿集.
*連絡先：東郷 翔帆(Shoho TOGO)、f117126w@st.u-gakugei.ac.jp

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