技術報告

山口県産業技術センター

研究報告No.31 p1-4 (2019)1

オープンプロトコルによる IoT デバイスの開発
吉木 大司 *Development of IoT Devices using Open Protocols
Daiji Yoshiki
従来の BEMS(Building Energy Management System)や FEMS(Factory Energy Management System)は，主に設備管理を中心として各社がシステムを独自に開発しており，他社製品との連携や新たな機能の追加が困難である．そこで，異なるメーカーの設備やこれらに未対応の古い設備を所有する中小企業においても，BEMS などの IoT(Internet of Things)システ
ムを導入し易くするため，オープンな国際標準規格である IEEE1888 を用いた「IoT プラットフォーム」と，そのプラットフォームに対応する「IoT デバイス」を開発し，実証システムを山口県産業技術センター内に設置して動作確認するとともに，近距離無線や LPWA(Low Power Wide Area)の評価を行った．
１．緒言

近年，IoT への注目が高まっており，未来の産業・社会いるため，ユーザー自身で IoT システムのプラットフォームを構築することも容易である．に多大な影響を及ぼすと言われている．しかし，技術的に

図 1 に示すように，IEEE1888 で構成される IoT システムは実現可能な IoT システムが県内企業や社会に普及していは，ゲートウェイ，ストレージ，アプリケーションと呼ばるとは言い難い．この一因として，IoT システムの導入をれる機能部品で構成され，これらの部品間は HTTP と XML に検討している企業が，実際のメリットが見えにくい中で，よる通信で情報を交換する．それぞれの機能部品は次のよシステム利用料やデータ通信費が必要となる IoT システム

うな役割を果たす．

を利用することをためらっている点が挙げられる．また，※アプリケーション

ベンダーが独自に開発した IoT システムを利用した場合，ユーザ･インタフェース
データ分析
帳票出力
コマンド発行など

APP

APP

APPベンダーによって制約が課せられてしまう点も，懸念材料
IEEE通信網（HTTP/XMLベース）とされている．

※ストレージ

そこで，オープンな国際標準規格である IEEE1888 を用いて，IoT 導入を検討している企業内のネットワーク環境

Storage
TCP/IP Network※ゲートウェイ(＝ローカル)に構築でき，将来に向けてクラウド上にもシステムを移行できる「IoT プラットフォーム」と，そのプ

GW

GW

GW

GW

GW
既存技術に基づく設備･機器フィールドバス
センサ･アクチュエータ
計測ネットワーク

ラットフォームに対応する「IoT デバイス」の開発を行い，実証システムを山口県産業技術センター(以下，産技センター)内に設置して動作確認するとともに，IoT デバイスに搭載する近距離無線通信や LPWA の評価を行う．
２．オープンプロトコルによる IoT システム
２・１

オープンプロトコル IEEE1888

IEEE1888 は，BEMS やスマートグリッド向けに，東京大学
グリーン ICT プロジェクト 1) で開発され，2011 年に国際標準化されたオープンな通信プロトコルである．2015 年には，ISO/IEC の国際標準としても承認されており，国内のみならず，中国やインドなど海外においても利用されている．
従来の BEMS や FEMS は，主に設備管理を中心として各社がシステムを独自に開発しているが，IEEE1888 はエネルギー管理を中心に据えた運用を主眼に開発されているため，設備やセンサーからの情報をオンライン化するだけではなく，BEMS などに関する様々な情報システムをベンダーの枠を超えて連携可能にすることも目的の一つとなっている．また，データ保管(共有)機能が提供できるように設計されて*企業支援部設計制御グループ

データの蓄積(長期間・大容量など)

Storage

図 1 IEEE1888 を用いた IoT システムの概要 2)【ゲートウェイ】
センサーやアクチュエーターを搭載した IoT デバイスやIoT 化された既存設備に接続し，取得データのストレージへの送信やアプリケーションから送信されるコマンドの発行などを行う．TCP/IP ネットワークに接続され，IEEE1888の通信インターフェースを提供する．
【ストレージ】
ゲートウェイから送信されたデータの蓄積やアプリケーションからの問い合わせに応じたデータの送信などを行う．
様々なアプリケーションとのデータ共有プラットフォームとして用いられ，データ分析などの計算処理は，通常，他のアプリケーションで行う．
【アプリケーション】
ストレージからデータを読み出し，データ分析や画面表示を行うなど，ユーザーに必要な機能を提供する．ゲートウェイに対してコマンドの発行やデータ分析後にストレー
ジに対してデータの書き込みなども行う．

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山口県産業技術センター

研究報告No.31 (2019)

このように，IEEE1888 はデータ連携を中心に据えたアー対応する．図 4 に，TWELITE の無線モジュールを搭載したキテクチャーを採用していることから，マルチベンダー化ゲートウェイを示す．後述の IoT デバイスから送信されたやユーザーによるシステム構築が容易である．

データを受信したゲートウェイは，Python スクリプトでス

２・２

ストレージサーバーの構築

トレージにデータを IEEE1888 プロトコルで送信する．

前述した通り，IEEE1888 はデータ蓄積を中心としたアータイマー起動

キテクチャーであるため，東京大学グリーン ICT プロジェ

シャットダウンクトが公開している技術情報 3) を基に，実証システム向けストレージサーバーを構築した．
通常，IEEE1888 ストレージはサーバー機や PC 上に構築

RTC
Raspberry Pi

電源制御回路UARTするが，産技センターに設置する実証システムにおいては，SSD を 内 蔵 さ せ た シ ン グ ル ボ ー ド コ ン ピ ュ ー タ ー
Raspberry Pi 上に構築した．図 2 に構築したストレージサ

LCD

I2CEDLC

無線モジュール（5.4V 5.0F）（TWELITE, XBee etc）

ーバーを，表 1 に仕様及びソフトウェア構成を示す．

図 3 ゲートウェイの構成

図 4 ゲートウェイ(TWELITE)
３．IEEE1888 対応 IoT デバイス
図 2 ストレージサーバー
表 1 ストレージサーバーの仕様
ハードウェアめ，無線モジュールの異なる 3 機種を開発した．いずれも2.4GHz 帯の無線モジュールで，①最も普及している Wi-Fi，② 産 業 用 途 に お い て 多 く 用 い ら れ て い る XBee(DigiInternational 製)，③省電力動作を特徴とする TWELITE(モRaspbian GNU/Linux 9.1
Linux Version 4.9.59

ノワイヤレス製)を選定した．Wi-Fi を搭載した IoT デバイ

FIAPStorage2 (20170406)

スは，ゲートウェイ機能を内蔵しており直接ストレージにOracle java8 (version 1.8.0)

温湿度情報を書き込むが，XBee，TWELITE を搭載した IoT デ

Tomcat8 (version 8.5.14)

バイスは前述のゲートウェイを経由してストレージに温湿Axis2 (version 1.7.7)

度情報を書き込む．図 5 に温湿度 IoT デバイスの構成を，PostgresSQL9.6 (version 9.6.6)

図 6 に外観と内部を示す．

PHP7 (version 7.0.19)

ストレージサーバーは，データを蓄積するだけではなく，ウェブサーバーとしても機能し，習得したデータのグラフ表示やデータ分析をウェブアプリケーションで行うことができる．
２・３

温湿度 IoT デバイスは，近距離無線通信の評価を行うた

Pi Desktop （Elements14）

Apache2 (version 2.4.25)
主要ソフトウェア

温湿度 IoT デバイス

Raspberry Pi 3 Model B （ラズベリーパイ財団）
CPU: ARM Cortex-A 1.2GHz, SSD: 60GB
ＯＳ

３・１

ゲートウェイ

使 用 し た 無 線 モ ジ ュ ー ル は ， Espressif Systems 製
ESP8266(Wi-Fi 内蔵マイコン)，Digi International 製 XBee
DC-DC
コンバーター

Wi-Fi
モジュール

（5V→3.3V）（ESP8266）※USB給電ゲートウェイは，センサーからデータを習得し，ストレイクロコンピューター上に実装することも可能であるが，DC-DC
コンバーター

実証システムでは様々な無線ネットワークの評価を行うこ（5V→3.3V）とを目的としたことから，ストレージサーバーと同様にRaspberry Pi を用いて開発した(図 3)．
開発したゲートウェイは，搭載する無線モジュールを変更することで，XBee や TWELITE，LoRa など各種無線通信に

温湿度・気圧センサー（BME280）※±1℃, ±3%

XBee
モジュールージに送信するため，ネットワークインターフェースを必要とする．ネットワークインターフェースをワンチップマ

I2C

RL78マイコン

I2C

温湿度・気圧センサー（BME280）※USB給電ソーラー発電モジュール

TWELITEモジュール（マイコン内蔵）I2C

温湿度・気圧センサー（BME280）

図 5 温湿度 IoT デバイスの構成

オープンプロトコルによるIoTデバイスの開発

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４．評

価

開発した温湿度 IoT デバイスを産技センター内に設置し，近距離無線通信の評価を行った．また，GPS トラッカーは，公用車に設置し，拡散率の違いによる通信距離への影響を確認した．

図 6 温湿度 IoT デバイス
S2C，モノワイヤレス製 TWELITE(BLUE)の 3 種類で，Wi-Fi及び XBee はパターンアンテナ，TWELITE はダイポールアンテナ(一部，ワイヤアンテナ)を組み合わせたモデルを開発した．なお，TWELITE を搭載した IoT デバイスは，太陽光発電で得られた電力を電解二重層コンデンサーに蓄電・使(a) 通信状況(2 階)用し，24 時間動作を実現している．
３・２GPS トラッカー

低 消 費 電 力 で 広 範 囲 (長 距 離 )の 無 線 通 信 が 可 能 と な る
LPWA のうち，利用者の自由度が比較的高く，使いやすいプ
ライベート LoRa を用いて，通信距離の評価を行うため，GPS トラッカーを開発した．図 7 に GPS トラッカーの構成を，図 8 に外観を示す．GPS トラッカーで得られた位置情報は，プライベート LoRa 無線モジュールを搭載したゲートウェイ(簡易基地局)に送信され，ゲートウェイからストレージに書き込まれる．LoRa 無線モジュールには，EASEL製 ES920LR を同社製外付けダイポールアンテナと組み合わせて使用した．
LoRaモジュール(b) 通信状況(1 階)
図 9 XBee の通信状況

DC-DCコンバーター

Arduino UNO（12V→5V）

GPSセンサーUART （GYSFDMAXB）※シガーソケット給電

図 7 GPS トラッカーの構成

図 8 GPS トラッカー

図 10 TWELITE の通信状況

4山口県産業技術センター
４・１

研究報告

No.31 (2019)

近距離無線通信

近距離無線通信の評価を行うため，XBee 及び TWELITE を搭載した温湿度 IoT デバイスを産技センター内に配置し，通信状況を確認した結果を図 9，10 に示す．XBee S2C の通信距離は，公称「室内／アーバンレンジ：60m」となっているが，設置環境では，壁などの遮蔽部があるため，約 30mが安定して通信できる範囲である．上下方向に置いても，遮蔽物が少なければ，通信可能である．TWELITE の通信距離は，約 15m が安定して通信できる範囲である．上下方向は，通信できなかった．
これらの状況を踏まえて，産技センター内に 26 台の温湿度 IoT デバイスを設置(図 11 参照)し，約 2 年間安定して温湿度情報を収集している(現在も継続中)．
(a) 帯域幅 125kHz，拡散率 7(a) 2 階(TWELITE，Wi-Fi)(b) 帯域幅 125kHz，拡散率 12
図 12 GPS トラッカーの軌跡
５．結論

オープンプロトコルである IEEE1888 を用いた IoT プラットフォームの実証システムを構築し，IoT デバイスの開発及び無線通信の評価を行った．
(b) 1 階及び B1 階(XBee)
図 11 IoT デバイスの配置(実証時)(1) 国際標準規格 IEEE1888 を用いた IoT 実証システムを構築し，IEEE1888 対応ゲートウェイ及び IoT デバイスを開発した．

４・２

LPWA

GPS トラッカーは公用車のダッシュボード上に設置し，運行中の位置情報を産技センター屋内に設置したゲートウ(2) Wi-Fi，XBee，TWELITE の 3 種類の無線モジュールを評価し，室内では約 30m が安定した通信状況を得るための目安となることを確認した．

ェイ(簡易基地局)に送信する．動作試験においては，通信(3) LPWA の一つであるプライベート LoRa の通信試験を行距離に影響する帯域幅と拡散率を変更し，通信状況を確認った．帯域幅及び拡散率を調整することで，最大 15kmした．代表的な例として，帯域幅 125kHz，拡散率 7，12 と程度(見通し)の通信が可能である．

した際の結果を図 12 に示す．拡散率 12 では見通しの良い方角では通信距離が長くなり，見通しが良ければ最大で参考文献15km 程度の通信が可能である．しかし，山陰に当たる方角

1) 東大グリーン ICT プロジェクト，https://www.gutp.jp/.

(北や西)では，拡散率の違いによる通信距離の違いは見ら

2) 落合秀也，江崎浩：スマートグリッド対応 IEEE1888 プ

れず，いずれも通信できない．今回の動作試験で，地形や建物などの影響は受けるが，ある程度見通しが良い市街地であれば，3km 程度は通信できることが確認できた．

ロトコル教科書，インプレス，(2012)．
3) IEEE1888 ソ フ ト ウ ェ ア 配 布 ペ ー ジ ， http://fiapdevelop.gutp.ic.i.u-tokyo.ac.jp/dist/．