農業分野 ICT システムの開発事業－広域ほ場モニタリングシステムの試作－

Development of ICT system for agricultural application－ Prototype of wide area field monitoring system －鈴木 翔一、佐藤 雄太 * 、山本 大康 * 、佐々木 憲昭 *（*株式会社ジョイ・ワールド・パシフィック）
スマート農業実現のため各種センサをほ場に設置し、データをクラウドに保存・スマートフォンで利用するシステムがあるが、インターネット回線費用が負担となっている。無線 LAN を活用する
場合、通信距離が約 100m と短く、広域ほ場には対応できていなかった。
省電力広域無線を使用し、温湿度をクラウドに保存、スマホでモニタリング可能なシステムを試作した。見通し距離で約 10km 通信可能と言われている中、地形の起伏や森林の影響もあり当研究所から最大 6.8km 地点まで無線通信が可能であることを確認した。
共同研究企業と試作機を開発し、実証試験を行った後、農業向け温湿度センサデバイス、鳥獣捕獲検知システムが製品化された。

図Sigfox を用いた製品化－1－

１． はじめにスマート農業実現のため各種センサをほ場に設置し、データをクラウドに保存・スマートフォンで利用するシステムがあるが、インターネット回線費用が負担となっている。無線 LAN を活用する
場合、通信距離が約 100m と短く、広域ほ場には対応できていなかった。
本研究開発では、近年登場した LPWA（省電力広域無線）技術を農業分野へ応用し、インターネット回線費用を抑えたシステムの試作を目指す。
２． 実験方法
２.１． 親機端末と子機端末の試作
省電力広域無線にはいくつか種類があるが、通信モジュールの入手性やプログラム開発のしやすさから、LoRa で無線通信を行い、温湿度を測定する端末を試作した。使用した無線通信モジュール
は Dragino 社製の LoRa Mini Dev-JP 1) を用いた。プログラム開発 2) には Arduino IDE を使用し、温湿度センサ（Aosong Guangzhou Electronics 社製 DHT11）の値を IoT プラットフォームであるThingSpeak へ送信した。
親機端末には Dragino 社製の LoRa ゲートウェイ LG01-P-JP 1) を使用した。子機端末から送られてくるデータを社内の無線 LAN を使用してインターネットに接続可能なように設定し、ThingSpeakへデータ中継するプログラムを作成した。

２.２． 子機端末の消費電流測定
試作した子機端末にデジタルマルチメータ（岩崎通信機株式会社、VOAC7411）を電流計として接続し、アイドル時と無線通信時の消費電流を測定した。無線通信時の電流測定は送信データ量を増やし、測定可能な時間を長くして測定した。無線通信時間は計測プログラムを組込み、データを12Byte 送信するのに要する時間を測定した。比較対象として省電力広域無線の Sigfox 3) についても測定した。
２.３． 通信距離実験
LoRa は通信距離が最大約 10km と長いため、通信距離の測定には GPS を用い、親機と子機の座標間の距離を測定することとした。親機は防水ではないため、当研究所 2F の室内窓際に設置した。
子機端末には㈱秋月電子通商社製の GPS 受信キット（AE-GYSFDMAXB）を接続し、5 秒間隔でデータ送信を行うプログラムを作成した。距離の測定には GoogleEarth を用い、受信した GPS データをkml ファイルへと変換した後、インポートした。親機の位置座標は、まず子機を親機と同じ場所に設置し、GPS が安定するのを待ち、得られた座標を親機の位置座標として使用した。
３． 実験結果
３.１． 親機端末と子機端末の試作
試作した子機端末の外観を図１に示す。IoT プラットフォーム ThingSpeak にアップロードされたデータをブラウザで表示した画面を図２に示す。

－2－

図１

試作した温湿度センサ LoRa 子機端末

図２ ThingSpeak グラフ表示
３.２． 子機端末の消費電力測定
省電力広域無線の LoRa と Sigfox のアイドル時と無線通信時の消費電流、データ 12Byte を無線送信する際の送信時間などを表１に示す。Sigfox は Arduino UNO と組み合わせて使用するため、アイドル時の消費電流が LoRa よりも大きかった。また、データ送信に際し、Sigfox は冗長性確保のためファームウェア上で 3 回の送信を行うため送信時間が約 15 秒と長くなっている。

動作電圧

表１ 子機端末の消費電流、Sigfox との比較
子機端末
Sigfox Shield for
LoRa Mini Dev-JP
Arduino5V
5V

アイドル時の消費電流

23mA

49mA

無線通信時の消費電流

135mA

114mA

無線送信時間
サイズ[mm]42ms

14,911ms

59x41x10

76x54x24(アンテナや突起は含まず)－3－

３.３． 通信距離実験
GoogleEarth 上に通信可能だった場所にマーカーを記した実験結果を図３に示す。赤線の円は親機から 10km のエリアを示している。親機から約 1km までは受信感度が良かったが、その先は長い下り坂となっており、直線的に見通せず、通信ができなかった。水田の多い開けた場所では通信可能な場所もあった。当研究所の東西には林が広がり、障害物となっているためか林が開けている方向のみ遠くまで受信可能で、最大で 6.8km 地点での通信が可能であった。

←親機設置場所
図３ 通信距離試験結果
４． まとめ
省電力広域無線の 1 つである LoRa を用いて温湿度を測定するシステムの試作を行った。インターネット経由でモニタリングするため、親機側に 1 つインターネット回線が必要なだけで、子機それぞれにインターネット回線が必要な IoT システムと比較すると、インターネット回線費用が安価に運用可能である。Sigfox と比較すると LoRa は自由に親機を設置できるため Sigfox エリア外でも運用可能であるが、初期費用が高くなってしまうことが分かった。また、電池で駆動させようとした場合、開発用ボードでは常時点灯する LED があるため、通信モジュール単体で入手し、専用の基板を設計する必要がある。Sigfox では研究期間中に通信モジュール単体での販売がされておらず、試作開発に使用するにはハードルが高かった。しかし、Sigfox は既に基地局が整備されつつあり、エリア内で使用する場合は有利である。共同研究企業では Sigfox を採用し、農業向け温湿度センサデバイスや、鳥獣捕獲検知システムを製品化 4) した。
５． 参考文献
1) ㈱オープンウェーブ Lora ゲートウェイ／センサーノード
http://www.openwave.co.jp/lorawan/
2) LoRa IoT スターターキット スタートアップガイド
http://www.openwave.co.jp/wp-content/uploads/2018/03/67c50b7b95c7061fef609d29e6cddd8b.pdf
3) Sigfox，京セラコミュニケーションシステム株式会社
https://www.kccs-iot.jp/service/4) ㈱ジョイ・ワールド・パシッフィック Sigfox センサデバイス
https://www.j-world.co.jp/technology/Sigfox_aomori_jwp.html－4－