東急建設技術研究所報 No. 48

U.D.C 621.316.17

マルチ無線を用いた建物向けセンサネットワークの構築―IEEE802.11ah 準拠の無線装置を活用したプロトタイプの開発―
羽田
要

芳朗＊

山口

仁士＊

石橋

耀二＊

富田

健司＊

約： 本報告では，複数の無線規格（マルチ無線）を用いた建物向けセンサネットワークの構築方法を提案する。設
置する自由度が高くかつ配線が不要となるよう，コイン電池やエナジーハーベストで動作し，データ通信はBLE（Bluetooth Low Energy）や EnOcean 等の無線通信を利用するセンサを採用した。センサの計測データはセンサゲートウェイに集約されて無線 LAN を介してサーバーに送信され，データベースに蓄積される。蓄積されたセンサデータをダッシュボードソフトでユーザーの端末で可視化できるシステムを構築した。本研究ではセンサネットワークの構築に IEEE802.11ah（Wi-Fi Halow）を使用し，エッジデバイスからサーバーまでエンド
ツーエンドで TCP/IP 通信が行えることを確認した。

キーワード： センサネットワーク，疎結合，BLE（Bluetooth Low Energy），EnOcean，LoRa，Wi-Fi Halow，MQTT
目次：

1．はじめに

4．センサネットワークの実装

2．建物のセンシングに関する問題点

5．構築したセンサネットワークの試験運用

3．センサネットワークの設計方針

6．おわりに1．‌はじめに

ステム，ヒトの行動情報を要約する機能などで構成されて

情報通信分野ではこれまで長年にわたりユビキタスネッ

いる。

トワークの研究が行われてきた 。ユビキタスネットワー

このように情報通信分野やロボット分野ではセンサネッ

クとは「いつでも，どこでも，何でもつながるネットワー

トワークの研究開発が活発に行われており，社会実装も進ク」と定義されており，携帯電話網などの移動通信システんでいる。建築分野に目を向けてみると，建物向けの

1）

ムやブロードバンド通信の発達，およびスマートフォンやICT と し て こ れ ま で に BAS（Building Automation Sys-

タブレッドなどのモバイル端末の普及によりユビキタスネtem）6）もしくは BACS（Building Automa­tion and Control

ットワーク社会が実現されている。ユビキタスネットワー

System）7）が 活 用 さ れ て い る。 古 い タ イ プ の BAS で はクのうち，ユビキタスセンサネットワークでは数多くの小様々な設備と中央監視室のコンピュータは RS232C などの型センサが主として無線通信を介してネットワークに接続

有線式シリアル通信で接続され，設備メーカー独自のプロされ，温湿度などの環境の状態や人の行動などのセンシン

トコルで通信が行われていたが，1990 年代以降は異なる

グに利用されている 。センサネットワークの事例としメーカー同士の設備機器でも通信できるように通信プロトて IEEE802. 15.4 g の無線規格を利用したスマートメー

コルの規格化が進み，BACnet 8）などの規格が策定されてターがある。これ以外にも，設備の状態監視，製造工場の

いる。

2）

検査工程におけるセンサによる計測，倉庫などの温湿度計

従来の BAS では建物内に設置された設備やセンサ等は測にセンサネットワークが利用されている 。近年では

中央監視室にあるコンピュータに接続され，空調の制御やパソコンやスマホなどの情報端末に限らず，自動車，家照明の制御などに利用されてきた。今後，建物には多くの

電，ロボット，設備などのあらゆるモノがネットワークにセンサが導入され，取得した大量のセンサデータを用いてつながるようになってきたことから，ユビキタスネットワ

空調や照明などをより快適かつ効率的に制御したり，建物

ークよりも IoT（Internet of Things）と呼称されることの利用者に対する ICT を活用したサービスを提供したりが多い 。

する「スマートビル」へと発展することが期待されてい3）

4）

ロボット分野では空間そのものをロボット化する試みがる 9）-12）。スマートビルを実現するためには導入するセンサ

行われている。佐藤らは空間の至るところに分散配置されの種類や数量を増やせるかがカギとなる。本報告ではスマたセンサやアクチュエータを相互に協調させるロボティッ

ートビルの実現に向けて様々な無線通信規格，即ちマルチクルームを提案している 。特に空間内における人の生無線を用いたセンサネットワークの構築方法を提案する。

活行動をセンシングすることに特化したロボティックル

設置の自由度が高く配線を極力不要とするため，コイン電

ームはセンシングルームと呼ばれており，室内に構築さ池やエナジーハーベストで動作し，データ通信は BLE やれたセンサネットワークに加えて，行動データベースシ

EnOcean 14），LoRa（private）等の低消費電力な通信方式

5）＊技術研究所

温熱・風グループ19

東急建設技術研究所報 No. 48が用いられているセンサを採用した。センサから送られてし，センサの計測値は無線で送信するセンサデバイスを選くる計測値はセンサゲートウェイで集約され，ネットワー

定する。後述するようにセンサの計測値は無線通信を介しクを介してサーバーと通信を行い，サーバーでセンサデーてセンサゲートウェイに送られるが，センサ-ゲートウェ

タを蓄積するセンサシステムを構築した。

イ間の無線にはペアリングなし通信できる方式を選定す

本報告の構成は以下の通りである。次節では従来のる。そのような通信方式として例えば EnOcean や BLE

BAS におけるセンシングの課題について述べる。第 3 節のアドバタイジングパケットがある。また，センサゲート

では課題を解決するためのセンサネットワークの設計方針

ウェイとサーバー間の通信もできる限り無線化する。

について述べる。第 4 節では設計方針に基づいて実装した

ソフトウェアに関する方針：センサネットワークを構成

センサネットワークシステムについて述べる。第 5 節ではするソフトウェアも疎結合なシステムとなるようにする。

構築したセンサネットワークの試験運用について述べ，最詳細は次節で述べるが，センサデータをセンサゲートウェ

後に本報告をまとめる。

イからサーバーに送るための通信プロトコルには疎結合なシステムを構成できる MQTT（Message Queuing Telem-2．‌建物のセンシングに関する問題点

etry Transport）を採用した。

文献 9）で議論されているように，建物のセンシングには

セキュリティに関する方針：センサネットワークではセ

次のような問題がある。

ンサなど個々のデバイスにセキュリティ対策を施すことはセンサの設置場所と数の問題：空調を制御する目的で屋困難である。そのため，業務で使用するネットワークとは内に設置される温度計や湿度計，CO 2 濃度を計測するセン

独立した専用のネットワークとして構築する方針とする。

サは電源の確保や通信線の取り回しの都合により壁面に取センサネットワークをインターネットに接続したい場合はり付けられており，設置数も 1 部屋につき 1 個から数個程

インターネットルーターを導入する。その場合，インター度のため，居住者が活動しているエリアを代表する点で計

ネットルーターにはファイアウォールなどのセキュリティ測が行われているとは言い難い状況である。オフィスビル対策を施す。

の場合，オフィスワーカーの座席で温湿度や照度を測定で4．‌センサネットワークの実装

きれば個人の好みに合わせて空調や照明を制御できる可能性があるものの，センサへの給電や通信路の確保の問題か

ここでは前節の方針に従って設計・実装したセンサネッ

ら既存の BAS ではそのような設置は行われていない。

トワークについて述べる。
4.1 セ‌ ンサネットワークの機能構成

センサの保守の問題：一般的に建物の寿命が数十年であるのに対しセンサの寿命は数年程度である。そのため定期

センサネットワークの機能構成を図 1 に示す。センサネ

的なセンサの状態確認や交換などの保守が必要となるが，ットワークの機能は大別すると物理空間にある機能とサイ

壁や天井に固定されているセンサの保守は容易でない。セバー空間にある機能に分類される。物理空間には物理空間ンサに接続している給電/通信用ケーブルの交換が必要との状態をセンシングしてサイバー空間に転写するセンサ，なった場合，ケーブルの撤去や交換の工事には多額のコスセンサから送られてくるデータを受信してプロトコル変換

トや手間が掛かる。

してからサーバーに送信するセンサゲートウェイ，センサ

以上の議論を踏まえ，本研究ではセンサの設置/撤去のデータを可視化するユーザー端末がある。サイバー空間に自由度の高く，かつ保守が容易なセンサネットワークの構はセンサデータを蓄積するデータベースサーバー，および築方法を提案する。

センサデータを可視化する Web サービスを提供するアプ
リケーションサーバーがある。以降で各構成要素について3．‌センサネットワークの設計方針

詳しく述べる。
4.1.1 セ
‌ ンサデバイス

ここでは前節で述べた問題を解決するセンサネットワー
クの設計方針につて述べる。基本コンセプトは，ハードウ

本研究で使用するセンサには電池もしくはエナジーハーェア・ソフトウェアともに「疎結合」なシステムとして設ベスト動作する消費電力が小さいものを選定した。使用し計・実装することである。疎結合とは IT 分野ではよく使たセンサ一覧を表 1 に示す。どのセンサも計測したセンサ

われる用語であり，システムを構成する個々の構成要素同

データは無線で送信しており，今回選定したセンサは士の結びつきが緩やかで，独立性が高い状態の事を意味す

BLE，EnOcean 14），LoRa の 3 種類の方式が使われている。

る。疎結合なシステムでは構成要素は相互に連携して動作使用した BLE デバイスはアドバタイジングパケットにセするものの，互いに依存する度合いが低いため，それぞれンサの計測データをのせて送信するため，受信機とペアリの構成要素を交換したり改良したりするよう柔軟な対処がングなしで通信可能である。EnOcean デバイスは通信エ

可能となる。例えば，センサネットワークを停止しなくてリア内にある全ての受信機でデータを受信することができもセンサを追加/交換/撤去することができる。

る。LoRa デバイスは通信で ACK を返さない設定で使用

ハードウェアに関する方針：疎結合なセンサネットワー

することで複数の受信機で同時にデータ受信できる設定とクを実現するため，センサデバイスは消費電力が小さく，した。このようにすることで，センサを導入するときに送バッテリもしくは環境発電（エナジーハーベスト）で動作受信機のペアリングの設定を省略することができる。以上

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図1

センサネットワークの機能構成の方法では複数のゲートウェイで同じパケットを同時に受れていない。本研究で使用した EASEL 社の LoRa センサ

信してサーバーに送信する場合があるが，重複データのクはソフトウェアで ID を設定する機能があり，今回は手動レンジングはサーバーで処理することとした。

で ID を割り当てて使用した。
4.1.2 セ
‌ ンサゲートウェイ

表1

センサゲートウェイには小型コンピュータボード「Rasp-

本研究で使用したセンサ（W）
×30
berry Pi Zero WH」を使用した。寸法が 65 mm
mm
（D）
×9 mm
（H）
，重量が約 11 g と小型・計量であり，消費電力が最大約 2 W と低消費電力でありながら LinuxOS が動作するため，プログラムの開発・実装を容易に行うことができる。コンピュータボードには Wi-Fi およびBluetooth で通信するコンボチップが搭載されており，ボード単体で BLE デバイスやサーバーと通信可能である。
センサゲートウェイは常時稼働させる必要があるため AC電源で給電する。
Raspberry Pi Zero WH 本体のみでは EnOcean や LoRaのデバイスと通信できないため，USB ポートに専用の受信デバイスを接続して使用する。EnOcean デバイスとの通信には ROHM 社製 USB400J を使用した。LoRa デバイ
スとの通信には EASEL 社製の LoRa 開発評価キット ES920SDK2 を使用した。
ゲートウェイで受信したセンサデータは後述するように MQTT プロトコルで送信される。ゲートウェイにはセンサデータを受信し，MQTT でデータを送信するプログ
ラムが実装されている。このプログラムは Python で開発した。

センサネットワークではセンサデバイスは個体毎に一意に識別される必要がある。センサによっては予めメーカー

センサから送られてくる計測データを受信するため，1が個体毎にユニークな ID が割り当てている製品と，そうつのフロアに複数のセンサゲートウェイを設置する。センでない製品がある。例えば Bluetooth デバイスには一台毎

サゲートウェイの配置はセンサの通信距離を考慮して決めに異なる MAC アドレスが割り当てられており，これを利る。例えば BLE デバイスのセンサは計測データをアドバ用すれば同種のセンサでも個体を識別できる。EnOcean

タイジングパケットにのせて送信するが，我々のオフィス

も個体ごとにユニークな ID が割り当てられている。一

環境でアドバタイジングパケットを取りこぼし無く受信で方，LoRa デバイスには予めユニークな ID は割り当てらきる距離は，実験によれば約 10 m であった。本研究では

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この通信距離を考慮しながらフロア全体をカバーできるよンサネットワークを構築する場合，無線 LAN のアクセス

うに複数のゲートウェイを配置した。

ポイント（AP）をバックボーンネットワークに接続する

4.1.3 セ
‌ ンサデータを送信する通信プロトコル

必要があり，一般的には有線 LAN ケーブルが使われる。

本研究ではセンサゲートウェイからサーバーにセンサデ

バックボーンネットワークを有線ケーブルで構築する場

ータを通信するプロトコルとして MQTT を採用した。

合，フロアを跨いだ配線にはコストや作業労力が掛かる。

MQTT は出版-購読モデルの通信方式であり，データを送

本研究では物理的に疎結合なシステムとして構成すること

信 す る Publisher， 受 信 す る Subscriber， お よ び Brokerを目指しており，バックボーンネットワークを無線で構築の 3 つの要素で構成される。MQTT を利用してセンサネする方法を検討した。

ットワークを構築した先行研究として例えば文献があ設置するセンサデバイスの数やサンプリングレートにもり，MQTT はセンサネットワークの研究で広く利用され依るが，表 1 のセンサを使用する場合の通信速度は数百

9）13）

ている。

kbps～1 Mbps 程度あれば十分だと考えられる。本研究でMQTT では Publisher と対になる Subscriber の間で通はセンサネットワークでフロア間の通信を行うバックボー信を行うが，このペアを組むのに MQTT Topic が使用さ

ンネットワークに IEEE802.11ah（Wi-Fi Halow 14））を採れる。本研究では表 2 のような 4 階層の MQTT Topic を用し，センサネットワークへの適用の可否について検証設計した。例えば RICOH のエナジーハーベスト型環境セ

した。IEEE802.11ah を用いたネットワーク構成を図 2 にン サ の MQTT ト ピ ッ ク は ’device/sensor/ricoh/ehd101’示す。

のように記述する。
本研究では MQTT Broker に mosquitto を使用した。
表2

MQTT Topic の命名規則

図2

ネットワーク構成

4.2.2 I‌EEE802.11ah（Wi-Fi Halow）
Wi-Fi Halow は Wi-Fi Alliance で 仕 様 が 策 定 さ れ，
4.1.4 デ‌ ータベースサーバー

IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）

図 1 のデータベースサーバーは Raspberry Pi4 で実装し

で IEEE802.11ah 15）16）として標準化された無線通信規格でた。 長 期 間 セ ン サ デ ー タ を 蓄 積 で き る よ う USB HDDある。サブギガ帯（日本では 920 MHz）を使用する通信（2TB）を接続し，この HDD にセンサデータを記録する方式でありながらエッジデバイスからサーバーまでエンドようにした。データベースには NoSQL 系の時系列データ

ツーエンドで TCP/IP の豊富な通信プロトコルを利用でベースである InfluxDB を使用した。今回はセンサの種類きる特長がある。本研究では IEEE802.11ah の無線装置と毎にデータベーステーブルを作成した。

し て サ イ レ ッ ク ス・ テ ク ノ ロ ジ ー 株 式 会 社 の AP-

データベースサーバーにはセンサゲートウェイから送ら

100AH 17）および BR-100AH 18）を使用した。日本では 920

れてくるセンサデータを MQTT Subscriber で受信してMHz 帯の無線は電波法（ARIB STD-T108 19））に適合しInfluxDB に記録するプログラムが実装されている。このている必要があり，その制約のため本報告の執筆時点

プログラムは Python で開発した。

（2022 年 7 月）では Wi-Fi Halow は規格上の性能を最大

4.1.5 ア‌ プリケーションサーバー

限に発揮することができない。2022 年秋に電波法令の改

図 1 のアプリケーションサーバーは Raspberry Pi4 で実正が予定されており，通信性能が大幅に向上する見込みで装した。InfluxDB に蓄積されたセンサデータの可視化にある。法律の改正前後の違いを表 3 に示す。

はダッシュボードソフト Grafana を使用した。Grafana にAP-100AH および BR-100AH にはスリーブアンテナがは InfluxDB を参照する機能および Web サーバーの機能付属している。このアンテナの指向性を電波暗室で 3 mがあり，ユーザーが指定したセンサデータをグラフや数値法により測定した。図 3 の左側に測定の様子を，右側に測データの形式で Web ブラウザに表示することができる。

定結果を示す。右側の中央に描かれている黒い線はアンテ

4.2 ネ‌ ットワークの物理構成

ナの向きを表している。この図からアンテナの軸と垂直な

4.2.1 フ‌ ロア間通信の課題と解決方法

方向に電波が強く放射していることが分かる。この測定結

前述のようにセンサゲートウェイは無線 LAN を介して果から IEEE802.11ah 無線装置を同一の鉛直線上に配置しサーバーと通信する。複数のフロアを跨いで建物全体にセてフロア間通信を行う場合，アンテナの軸方向を水平に設

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東急建設技術研究所報 No. 48

表3が，文献 20）によれば法改正後相当の製品は現状より通信

現行法と法改正後の IEEE802.11ah の性能の違い

距離が長くなり，通信速度の向上も見込まれる。以上から
2.4/5 GHz 帯と比較して建物の中で電波の到達距離が長い
920 MHz 帯の周波数を利用し，かつ TCP/IP 通信が可能
な IEEE802.11ah は建物内でセンサネットワークを構築するのに有用な通信方式だと考えられる。
5．‌構築したセンサネットワークの試験運用
本報告で提案したセンサネットワークを東急建設技術研
究所のオフィスビルに構築した。このオフィスビルは地上5 階，地下 1 階の RC 構造の建物であり，1 フロアの床面積は約 400 平方メートルである。今回は執務スペースのある 3 階のフロアに BLE タイプのセンサを 12 台設置し，4ヶ所にセンサゲートウェイを設置した。1 階ロビーには
LoRa タイプの温湿度センサを 14 台設置した。LoRa 用セ
ンサゲートウェイは 3 階に設置し，LoRa を用いた通信は1 階と 3 階の間で行う設定とした。
センサネットワークで取得した各種センサデータはダッ
シュボードソフト「Grafana」でリアルタイムに可視化し図3ている。オムロンの環境センサで取得した計測値を Grafa-

IEEE802.11ah のアンテナの指向性の測定

na で可視化した画面を図 4 に示す。この例では，複数の個体の温度，湿度，騒音について現時刻までの時間変化をリアルタイムに可視化している。

置した方が離れた階に電波を飛ばせることが分かる。本研
6．‌おわりに

究では IEEE802.11ah の送信機および受信機のアンテナを本報告では，複数の無線規格（マルチ無線）を用いた疎水平に設置して使用した。
本研究で提案した IEEE802.11ah を用いたセンサネット

結合なセンサネットワークの構築方法を提案した。提案すワークを東急建設技術研究所のオフィスビルに構築した。

る設計に基づいてセンサネットワークを実装し，特に今回導入した IEEE802.11ah 無線装置である AP-100AH

IEEE802.11ah はフロア間の通信で活用できる見通しを得と BR-100AH を用いて，1 階から 3 階のフロアを跨いだられた。

通 信 環 境 で も セ ン サ デ ー タ を 送 信 す る た め の MQTT，今後は，開発したセンサネットワークを活用して建物内

HTTP や TSL（Trans­port Layer Security）な ど の プ ロの様々な事象をセンシングによりサイバー空間に転写し，トコルが利用できることを確認した。

蓄積された建物内のセンサデータの活用方法を検討する予定である。

北米仕様の製品を用いた実験のため単純に比較できない

図4

Grafana によるセンサデータの可視化の例

23東急建設技術研究所報 No. 48

謝辞アンテナ指向性の測定実験に協力して下さった技術研究所・建設 ICT グループの渡辺拓人博士に感謝します。また，Wi-Fi
Halow 準拠の無線機器の導入を支援して下さったサイレックス・テクノロジー株式会社に謝意を表します。
参考文献
1）平成 16 年版 情報通信白書，総務省，2004
2）大橋正良，大槻知明：ユビキタスセンサネットワーク，電子情報通信学会誌，第 95 巻，第 9 号，pp. 772-778, 20123）冨岡克己，近藤憲二：ユビキタスセンサネットワークシステム，NEC 技報，第 59 巻，第 1 号，pp. 72-75, 20064）平成 27 年版 情報通信白書，総務省，20155）佐藤知正：人と共存するコンピュータ・ロボット学，pp. 51-61，オーム社，2004
6）野田肇：ビル管理システム（BAS）の変遷，電気学会誌，第 129 巻，第 6 号，pp. 369-372, 20097）住友俊保：ISO BACS の基本機能，電気設備学会誌，第 25 巻，第 2 号，pp. 97-102, 2005
8）池田耕一：BACnet の現状と動向，電気設備学会誌，第 27 巻，第 12 号，pp. 959-963, 20079）廣瀬啓一，白石理人，山崎元明，ほか 2 名：施設内 IoT プラットフォームの開発と活用，清水建設研究報告，第 96 号，pp.
127-134, 201810）粕谷貴司，田中規敏：IoT を活用した建物制御システム，電気設備学会誌，第 38 巻，第 8 号，pp. 466-469, 201811）粕谷貴司，江崎浩：futaba：スマートビルのためのビッグデータ・プラットフォーム，情報処理学会論文誌，第 62 巻，第 3 号，pp. 867-876, 2021
12）渡邊剛：IoT 時代におけるビルマネジメントシステム，電気設備学会誌，第 37 巻，第 3 号，pp. 180-183, 201713）粕谷貴司，近藤正方，茂手木直也，ほか 7 名：スマートシティのための MQTT プラットフォームの検証，第 13 回情報科学技
術フォーラム（FIT2014）予稿集 RL-001，情報処理学会/電子情報通信学会共催，201414）Wi-Fi Alliance : Wi-Fi Halow, https://www.wi-fi.org/ja/discover-wi-fi/wi-fi-certified-halow
15）802.11ah 推進協議会：IEEE802.11ah, https://www.11ahpc.org/11ah/index.html
16）小野忠男監修：プライベートワイヤレスネットワーク入門，pp. 121-140，リックテレコム，2021
17）サイレックス・テクノロジー株式会社：IEEE802.11ah 対応ワイヤレスアクセスポイント AP-100AH 北米モデル，https://www.silex.jp/products/wireless_infra/gateway-accesspoint/ap100ah.html
18）サイレックス・テクノロジー株式会社：IEEE802.11ah 対応ワイヤレスブリッジ BR-100AH 北米モデル，https://www.silex.jp/
products/device_networking/bridge/br100ah.html
19）電波産業会：標準規格概要 STD-T108 1.4 版，https://www.arib.or.jp/kikaku/kikaku_tushin/desc/std-t108.html
20）サイレックス・テクノロジー株式会社：IEEE802.11ah の実証実験結果ら見えた屋内アプリケーションでの活用，https://
www1.silex.jp/wp_ieee802.11ah_wi-fi_haLow_indoor_demonstration.html

Development of a Sensor Network System for a Building using Multiple Radio Communication Standards
Y. Hada, H. Yamaguchi, Y. Ishibashi, and K. Tomita
In this paper we propose a sensor network system for a building using various wireless communication standards. In
order to make sensor installation a high degree of freedom and eliminate wiring, we adopted sensors powered by a coinbattery or an energy harvesting and utilizing low power wireless communication such as BLE（Bluetooth Low
Energy）, EnOcean and LoRa. The sensor measurement data is aggregated from each sensor to a sensor gateway tosend them to a server computer via wireless LAN. Finally, the sensor data is stored into the time series database（InfluxDB）working on the server computer. The stored sensor data can be visualized using dashboard software‘Grafana’. In this prototypic sensor network system, we tried to use IEEE802.11ah communication devices which enable
us end-to-end TCP/IP communication from edge device to servers.

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