広島工業大学紀要教育編
第21巻（2022）9-18

論文

Sigfox, Matlab, および Thingspeak を用いた
IoT 装置の教育システム
田中武＊・濱田拓茉＊＊・槇原健人＊＊（令和 ３ 年11月 ５ 日受付）

Education system for IoT device using Sigfox, Matlab, and Thingspeak
Takeshi TANAKA, Takuma HAMADA and Kento MAKIHARA（Received November ３ , 2021）

Abstract
We installed a Sigfox antenna at Hiroshima Institute of Technology and used the Sigfox network
to acquire data from a water meter equipped with an IoT device via the Internet. In addition, theresults of the water meter revealed that it is possible to create an IoT-related system that combines
an environment sensor, ozone sensor, illuminance sensor, and GPS sensor in one procedure. Someof these studies were incorporated into the studies of students in the first half of the doctoral
program at the graduate school, and the research results were obtained, so it is considered that arudimentary educational system could be constructed.
Key Words: IoT (Internet of Things), Sigfox, water meters, ozone sensor, GPS, LPWA (Low Power
Wide Area)

狩猟社会（Society 1.0）、農耕社会（Society 2.0）、工業社

1． はじめに１-１会（Society 3.0）、情報社会（Society 4.0）に続く、新た1Society 5.0とは 、な社会を指すもので、第 ５ 期科学技術基本計画において我サイバー空間（仮想空間）とフィジカル空間（現実空間）を高度に融合させたシステムにより、経済発展と社会的課が国が目指すべき未来社会の姿として初めて提唱されました。（Fig. １ 参照）
これまでの情報社会（Society 4.0）では知識や情報が共題の解決を両立する、人間中心の社会（Society）であり、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ありました。人が行う能力に限界があるため、あふれる情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した。また、少子高齢化や地方の過疎化などの課題に対して様々な制約があり、十分に対応することが困難でした。
Society 5.0で 実 現 す る 社 会 は、IoT（Internet ofThings）で全ての人とモノがつながり、様々な知識や情Fig. １ 狩猟社会（Society 1.0）
、農耕社会（Society 2.0）
、工業社会報が共有され、今までにない新たな価値を生み出すことで、（Society 3.0）、情報社会（Society 4.0）から、新たな社会へ

これらの課題や困難を克服します。また、人工知能（AI）

＊＊＊

広島工業大学工学部電子情報工学科
広島工業大学大学院工学系研究科電気電子工学専攻
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田中

武・濱田拓茉・槇原健人

により、必要な情報が必要な時に提供されるようになり、科の授業の一つである電子工学実験 III において、ビットロボットや自動走行車などの技術で、少子高齢化、地方のマップ法の CAD により、MOS インバータ等の簡単な論過疎化、貧富の格差などの課題が克服されます。社会の変理回路のレイアウト設計、およびｐｎ接合ダイオードの製革（イノベーション）を通じて、これまでの閉塞感を打破作を体験し、その作製したｐｎ接合ダイオードの電流 - 電し、希望の持てる社会、世代を超えて互いに尊重し合あえ

圧特性、および容量―電圧特性等の基本的な電気的特性評る社会、一人一人が快適で活躍できる社会となります。

価等の実習内容を報告した3,4）。また、この集積回路教育システムを用いて、リングオシレータの設計および製作につ１-２Society 5.0で実現する社会

1

いて報告した 5。
大規模集積回路関連設計・プロセス工学教育支援システ
ムが、平成10年度に日本私立学校振興・共済事業団の「特色のある教育研究の推進」に採択され、本学電子工学科と電気工学科にワークステーション等が整備された。
シ ス テ ム LSI を 設 計・ 試 作、 設 計 し た 評 価 基 板 に 実装、動作確認を同時に e-learning 化することにより理解を深め、ものづくりと e-learning システムの両立する高度なシステムの構築するために、北九州学術研究都市の共同研究開発センター 6 で用いられている pMOS およびCMOSFET プロセスを、システム LSI 関連ものづくり教育に取り込むために初歩的なシステム LSI を作製した。 7
近年、インターネット技術や各種センサー・テクノロジー

Fig. ２ Society 5.0で実現する社会の進化等を背景に、パソコンやスマートフォンなど従来のこれまでの情報社会（Society 4.0）では知識や情報が共インターネット接続端末に加え、家電や自動車、ビルや工有されず、分野横断的な連携が不十分であるという問題が場など、世界中の様々なモノがインターネットへつながるありました。人が行う能力に限界があるため、あふれる情IoT 時代が到来している。8（Fig. ３参照）

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した。また、少子高齢化や地方の過疎化などの課題に対して様々な制約があり、十分に対応することが困難でした。
Society 5.0で実現する社会は、IoT（Internet of Things）
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、今までにない新たな価値を生み出すことで、これらの課題や困難を克服します。また、人工知能（AI）により、必要な情報が必要な時に提供されるようになり、ロボットや自動走行車などの技術で、少子高齢化、地方の過疎化、貧富の格差などの課題が克服されます。社会の変革（イノベーション）を通じて、これまでの閉塞感を打破し、希望の持てる社会、世代を超えて互いに尊重し合あえる社会、一人一人が快適で活躍できる社会となります。

Fig. ３ 世界の IoT デバイス数の推移及び予測

広島工業大学における、IT 化の一つの例を示す。工学部電子工学科（現電子情報工学科）内に、昭和61年の五日市キャンパス内の学科移転に伴い、クラス1000、10000のクリーンルームが設置され、 ５ 年間経過した後、クリーンルームの維持および管理について報告した。 2

その後、簡単な集積回路の設計およびプロセス工学教育のできる「集積回路教育実習システム」が平成元年度の文部省教育装置助成でクリーンルーム内に導入され、電子情報工学― 10 ―

Sigfox, Matlab, および Thingspeak を用いた IoT 装置の教育システム

２ ．Sigfox アンテナの設置について

IoT のための LPWA（Low Power Wide Area）の通信

広島工業大学内での Sigfox アンテナの設置場所についネットワークの一つとして、Sigfox があります。（Fig. ４て検討するために、大学マップ 2を Fig. 6 に示す。

参照）

Fig. ４ 各種ネットワークのご紹介

少量データは、センサー等に有効であり、低消費電力なので、電池で長期間動作させることができます。
Sigfox 社は、2009年設立され、本社はフランスにありま

Fig. ６ 広島工業大学のバーチャルキャンパス 9す。下記の特徴があります。
１ ） LPWA に特化したグローバル通信事業者

広島工業大学のバーチャルキャンパスの一番上のタワー２ ）	１ 国 １ 事業者と契約し、その事業者がネットワークを構築運用

デネブから三宅の森、Nexus21まで下り坂なので、Sigfoxのアンテナは、一番高い位置にある、第一駐車場の給水塔３ ）	たった12バイトのデータを送る UNB（ウルトラナローバンド）通信に設置した。給水塔の右端に sigfox のアンテナが見ることができる。（Fig. ７ 参照）

Sigfox ネットワークサービスの概要を Fig. ５ に示す。

Fig. ５ SIGFOX ネットワークサービス
Fig. ７ 給水塔の写真（給水塔の右端に sigfox のアンテナが見える。
）

Sigfox ネットワークサービスの特徴は、
１ ）超低消費電⼒（バッテリー・乾電池で数年間稼動）
２ ）低コスト（ １ 回線（デバイス）年額100円〜）
３ ）	簡便化（クイックスタート）・SIGFOX クラウドの提供
・SIM / ペアリング設定必要なし
４ ）グローバル展開である。
本研究では、本学内に Sigfox のアンテナの設置、Sigfoxネットワークを用いる IoT 機器を作製し、応用した。また、そのシステムを教育システムとして応用を試みた。
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武・濱田拓茉・槇原健人

Fig.10 使用した水道メータの写真

使用した水道メータの写真（Fig.10）を示す。電子式の水道メータで、このメータから出る信号を受けることにより、水道の利用料を測定することができる。

Fig. ８ Google マップで見た Sigfox のアンテナの位置

Google マップで、Sigfox のアンテナの位置を示す（Fig.
８ 参照）。現在、厳島の北東部や、広島の宇品港近辺で、Sigfox のアンテナを捕捉することができた。
３ ．Sigfox のエリア 3

Fig.11 電子カウンター（左）と sigfox のアンテナ（右）水道メータからの電気信号を Fig.11（左）の電子カウン
タで受信し、（右）の Sigfox のアンテナから電波を発信する

Fig. ９ Sigfox の日本のエリア
Fig.12 受信ログの例

Sigfox の日本のエリアを Fig. ９ に示す。北海道、関東、中京、京阪神、福岡地区がカバーされており、広島地区でFig.12 の受信ログの説明を行うと、は最初の sigfox のアンテナ設置になりました。

Sigfox Device は、４CE４FC です。Time は、1509525277です。Unix 時刻は1970年 １ 月 １ 日 ０ 時 ０ 分 ０ 秒を基点に４ ．Sigfox ネットワークを用いた IoT 機器の設置経過した時間を秒とμ秒（32ビット分 ６ 桁）表示するもの で す。1509525277を 変 換 す る と2017/11/01-17:34:48に

広島工業大学内に、Sigfox のアンテナを設置したので、なります。Snr 比は、43.84ｄ B です。Station、基地局のSigfox を用いる IoT 機器を付加した水道メータを設置し、番 号 は5861で す。Data は、015300000000000000000000でそのデータをインターネット経由で取得することを試みた。

す。メータの値は1916m３でした。水を流し、1923m３にすると、015300000000000000000007になり、この値の10進法が使用流量 m３になります。avgSnr は、42.62です。lat は― 12 ―

Sigfox, Matlab, および Thingspeak を用いた IoT 装置の教育システム

緯度、34.0度、lng は経度で132.0度です。Rssi は受信強度で -107.00dBm です。seqNumber は受信番号です。
以上により、IoT 機器を付加した水道メータとの Sigfox通信が可能になりました。
５ ）ThingSpeak

及び Matlab/Simulink を用いたデータ処理
今 年 の Electrotechnica ＆ ３ ・ ４ 月 号 の 表 紙 の 写 真に、Sigfox ＋ Arduino UNO、Arduino IDE、 お よ び、

Fig.15 ThingSpeak のチャネル設定例

Thingspeak ／ Matlab の構成が採用されました。（Fig.13
参照）６ ）Sigfox を用いた IoT 機器の製作
６ - １ 環境センサーの製作、および運用
環境センサーの製作の主要な手順は、
ａ）ハードウェアの構築
ｂ）Arduinoのスケッチの作成
ｃ）Sigfoxのcallbackの作成
ｄ）ThingSpeakのチャネル設定ｅ）環境センサーの運用で、構成される。
６ - １ -a ハードウェアの構築

Fig.13 Electrotechnica ＆ ３ ・ ４ 月号10）の表紙の写真

Arduino Uno Rev ３ に、Sigfox Shield for Arduino
V ２ S13）を差し込み、IoT 機器を作成した（Fig.16 参照）

Fig.14 IoT 機器、Arduino のスケッチ、ThingSpeak11）、Matlab/
Fig.16 環境センサー

Simulink12）の概要

ThingSpeak の デ ー タ 処 理 は、Analytics, お よ び、Actions で構成される。

Sigfox Shield for Arduino V ２ S 内の温湿度・気圧セン
サ（BOSCH

Analytics と し て は、MATLAB Analysis, MATLAB

様は、visualizations, Plugins がある。

動作温度範囲： －40 ～ ＋85 ℃（定格）Actions と し て は、ThingTweet, TimeControl, React,
TalkBack, ThingHTTP がある。

BME-28014））を用いた。そのセンサーの仕・湿度： ０ ～ 100 ％（相対湿度）
・気圧： 300 ～ 1100 hPa
・温度精度： ± １ ℃（ ０～65℃）
・湿度精度： ± ３ %RH（25℃ , 絶対精度の公差）
・気圧精度： ±1.0 hPa（ ０～65℃ , 絶対精度）である。
次に、人感センサーと、部屋の照度の目安を得るために、― 13 ―

田中

武・濱田拓茉・槇原健人

CdS を、IoT 機器（Fig.17参照）に組み込み、ハードウェ
アを構成した。

Sigfox ネットワークにより、データを転送するときに、データの確認を容易にするために、最初に電子メールで送付し、その値を Fig.19に示す。

Fig.17 環境センサーの設置写真

６ - １ -b Arduino のスケッチの作成
Arduino IDE を用いて、Arduino

Fig.19 受信メールの例

UNO Rev ３ にスケッ６ - １ -d ThingSpeak のチャネル設定

チを入れた。

ThingSpeak のチャネル設定の設定例は、Fig.15 に示す。
６ - １ -e 環境センサーの運用環 境 セ ン サ ー の 運 用 例 と し て、 温 度（Fig.20）、 湿 度（Fig.21）、気圧（Fig.22）、人感センサーの値（Fig.23）、および照度（a.u.）を示す。

Fig.17 Arduino のスケッチ例

６ - １ -c Sigfox の callback の作成
環境センサーからのデータを、Sigfox ネットワークを経

Fig. 20

環境センサーの測定値（温度）Fig. 21

環境センサーの測定値（湿度）

由してデータ転送を行うときに、データ転送制御のために、callback を作成する必要がある。Callback の一例を、図18に示す。

Fig.18 Sigfox Shield for Arduino V ２ S の CallBack の例― 14 ―

Sigfox, Matlab, および Thingspeak を用いた IoT 装置の教育システム

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）など周辺の熱環境、③気温の ３ つを取り入れた指標です。15）

Fig. 22

環境センサーの測定値（気圧）Fig. 26 環境センサーの設置した部屋の暑さ係数

６ - ２ オゾンセンサーを搭載した IoT 機器の製作、および運用16）
オゾンセンサーを搭載した IoT 機器の製作の主要な手順は、
ａ）ハードウェアの構築
Fig. 23 環境センサーの測定値（人感センサーの値）人感センサーｂ）Arduino のスケッチの作成
ｃ）Sigfox の callback の作成の値（25を越えていると在室、 ０ は不在）ｄ）ThingSpeak のチャネル設定ｅ）オゾンセンサーの運用で、構成される。
６ - ２ -a ハードウェアの構築
Arduino Uno Rev ３ に、Sigfox Shield for Arduino
V ２ S を差し込み、オゾンセンサーを付け加えて IoT 機器を作成した（Fig.26 参照）
Fig. 24 環境センサーの測定値（部屋の照度（a.u.））

Fig. 25 環境センサーの設置した部屋の不快係数

Fig. 26 Sigfox を用いたオゾンセンサー搭載 IoT 機器

暑 さ 指 数（WBGT（ 湿 球 黒 球 温 度 ）：Wet Bulb Globe

IoT 機器内のセンサーは、温湿度・気圧センサ（BOSCHTemperature）は、熱中症を予防することを目的としてBME-280）を用いた。そのセンサーの仕様14）は、1954年にアメリカで提案された指標です。単位は気温と同動作温度範囲： －40 ～ ＋85 ℃（定格）

じ摂氏度（℃）で示されますが、その値は気温とは異なり・湿度： ０ ～ 100 ％（相対湿度）― 15 ―

田中

武・濱田拓茉・槇原健人

・気圧： 300 ～ 1100 hPa

測定結果、温度（Fig.29）、湿度（Fig.30）、気圧（Fig.31）、・温度精度： ± １ ℃（ ０～65℃）

オゾンセンサー印加電圧（Fig.32）、および、オゾンセンサー

・湿度精度： ± ３ %RH（25℃ , 絶対精度の公差）

出力電圧（Fig.33）を示す。

・気圧精度： ±1.0 hPa（ ０～65℃ , 絶対精度）である。
６ - ２ -ｂ Arduino のスケッチの作成
Arduino IDE を用いて、Arduino

UNO Rev ３ にスケッチを入れた。

Fig. 29 オゾンセンサー搭載 IoT を用いて測定した温度

Fig. 27 本研究に用いた Arduino のスケッチ例

６ - ２ -c Sigfox の callback の作成

Fig. 30 オゾンセンサー搭載 IoT を用いて測定した湿度

Sigfox の callback の作成例は、Fig.18を参照する。
６ - ２ -d ThingSpeak のチャネル設定
ThingSpeak のチャネル設定の設定例は、Fig.15 に示す。
６ - ２ -e オゾンセンサーの運用
オゾン発生装置として、充電式オゾン脱臭器 Ozone Air
Salas（株式会社仁淀デンツウ）を用いた。弱モードで、オゾン発生量は１ mg/h、強モードで ３ mg/h である。

オゾン濃度測定時のオゾン発生装置と測定装置（Fig.26参照）の配置を、Fig.28

Fig. 31 オゾンセンサー搭載 IoT を用いて測定した気圧に示す。

Fig. 32 オ
 ゾンセンサー搭載 IoT を用いて測定したオゾンセン
サー印加電圧Fig. 28 オゾン濃度測定時のオゾン発生装置と測定装置の配置写真― 16 ―

Sigfox, Matlab, および Thingspeak を用いた IoT 装置の教育システム

Fig. 35 Arduino（写真右）と Adafruit_VEML7700（写真左）Fig. 33 オ
 ゾンセンサー搭載 IoT を用いて測定したオゾンセンサー出を組み合わせた照度センサー

力電圧（青い矢印は、オゾン発生装置 ON、赤い矢印は OFF）

６-４

GPS

GPS 用センサーを搭載した IoT 機器の製作の主要な手オゾンセンサーの出力電圧の図（Fig.33）から、オゾンの発生装置 ON によるオゾンの検出、OFF によるオゾン順は、濃度の低下を検出できた。

ａ）ハードウェアの構築

今後は、オゾン濃度の測定環境や測定精度向上を検討しｂ）Arduinoのスケッチの作成
ｃ）Sigfoxのcallbackの作成ていきたいと思います。

ｄ）ThingSpeakのチャネル設定
６-３照度センサーｅ）GPS用センサーの運用で、構成される。

照度センサーを搭載した IoT 機器の製作の主要な手順は、
ａ）ハードウェアの構築

６ - ４ -a ハードウェアの構築

ｂ）Arduinoのスケッチの作成

GPS 用センサーとして、太陽誘電製の小型高感度 GPSｃ）Sigfoxのcallbackの作成
ｄ）ThingSpeakのチャネル設定

モジュール GYSFDMAXB を用いて、sigfox 機能付き IoTｅ）照度センサーの運用装置を製作した。（Fig.36参照）

で、構成される。
６ - ３ -a ハードウェアの構築
照度センサー用の光源として、水銀ランプ置き換え用
LED を選択した。

Fig. 36 GPS を搭載した Sigfox 機能付 IoT 装置
Fig. 34 水銀ランプ置き換え用 LED ランプ

照度センサーとして、Adafruit_VEML7700を選択し、照度の測定を行った。現在、sigfox を用いた通信システムの準備を行っている。
― 17 ―

田中

武・濱田拓茉・槇原健人

６ - ４ -c Sigfox の callback の作成的な教育システムが構築できたと考えられる。
今後は、この教育システムを充実させ、本学の学部や大Sigfox の callback の作成例は、Fig.18を参照する。

学院の講義や実習に用いていきたいと思います。
６ - ４ -d ThingSpeak のチャネル設定

謝辞

ThingSpeak のチャネル設定の設定例は、Fig.15 に示す。

本研究を実施するにあたり、協力して頂いた株式会社ア６ - ４ -e GPS 用センサーの運用

ルトナーの関係者各位に謝意を表します。

測 定 し た GPS デ ー タ を、 緯 度（Fig.36） お よ び 経 度

文献（Fig.37）示す。これらのデータを用いることにより、初歩的な GPS として機能することが明らかになった。

⑴

https://www８.cao.go.jp/cstp/society５_０/⑵

田中武、川畑敬志、“ 広島工業大学におけるクリーンルームの維持及び管理 ”、広島工業大学研究紀要第26巻（1992）pp.161-168.

⑶川畑敬志、田中武、“ 学部課程におけるマイクロエレ
クトロ二クス実験 ”、平成 ３ 年度電気・情報関連学会
中国支部第42回連合大会講演予稿集、p.342.

⑷

田中武、川畑敬志、“ 広島工業大学における電子デバ
イス教育 ”、1992年秋季応用物理学会講演会、17aLL- ４ .

⑸Fig. 36 測定した GPS データ（緯度）小川昭雄、水本浩二、田中武、川畑敬志、中村正孝、“ 集積回路教育システムを用た、リングオシレータの設計及び製作 ”、平成年度電子情報通信学会学生会研究発表会。

⑹

http://www.ksrp.or.jp/shisetsu/access/floor02.html⑺

田中武、安藤秀幸、山田明宏、“ システム LSI 関連ものづくり教育における IC チップ作製 ”、広島工業大学紀要、2005，pp. ７ -12.

⑻

h t t p s : / / w w w . s o u m u . g o . j p / j o h o t s u s i n t o k e i /whitepaper/ja/h30/pdf/n1100000.pdf⑼

https://www.it-hiroshima.ac.jp/virtualcampus/⑽

https://epluse.ceec.bg/issues/３-４-2021/⑾

https://thingspeak.com/⑿

https://jp.mathworks.com/

広島工業大学内に Sigfox のアンテナを設置し、Sigfox⒀

https://unabiz.github.io/unashield/hardware.html

ネットワークを用いて、IoT 機器を付加した水道メータの⒁h ttps://www.bosch-sensortec.com/products/

Fig. 37 測定した GPS データ（経度）

５ ．終わりにenvironmental-sensors/humidity-sensors-bme280/

データをインターネット経由で取得することを実現した。
その成果をベースに、環境センサー、オゾンセンサー、照⒂https://www.wbgt.env.go.jp/wbgt.php

度センサー、および GPS センサーを用いた IoT 関連のシ⒃田中武、岡光序治、中本正彦、“ オゾンセンサーを内ステムを、一つの手順で作り上げれることを明らかにした。

蔵する IoT の作成とその応用 ”、広島工業大学紀要研

これらの研究の一部を大学院博士課程前期の学生の研究に究編、第55巻（2021）31-39。

取り込み、研究成果を上げることができたことから、初歩― 18 ―