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センサーネットワークを用いた省エネ活動
支援システムの開発―システムの提案と基本設計―
葛目幸一*・馬越唯*・吉田あさみ*・片山梨沙*・西村喜彦*

Development of Assistive System for Energy-saving Activity
by Using Sensor-network―Proposal and fundamental design of the system―
Koichi Kuzume *, Yui Umakoshi*, Asami Yoshida*,
Risa Katayama*, Yoshihiko Nishimura*
By the occurrence of the Great East Japan Earthquake and the rise of concern about aglobal warming issue, we are required to review the conventional Japanese life styleand improve our consciousness on energy-saving. At schools, the education on theenergy-saving as a part of environmental education field attracts our attention, and"Technology for visualization of electric power consumption" has been developed as atool for energy-saving activity. In this research, we propose the assistive system forenergy-saving activity by using the sensor network at schools, and complete thefundamental design. The system has the following features: Offering various tools forthe energy-saving activities, lower price, and needless of construction comparing withthe conventional tools.
１．はじめにで電力の使用状況を見ることができるようにした．
２０１１年３月１１日に発生した東日本大震災は， 環境に対して理解を深めるためには，他者とのコミ日本社会の様々な分野に大きな影響を与えた．とり ュニケーションが重要な役割を果たし，省エネモニ
わけ，福島の原子力発電所の事故は，日本の将来の ターはその一助になっているとの三浦らの報告があエネルギー問題の解決のロードマップに大きな影を る[１]．小中学校では児童が実践できる省エネ活動落とす結果となっている．日本のエネルギー供給量 は，教室やトイレの照明の消灯が主となっているが，の約１／３を占める原子力発電所が停止すると，発 児童は学校での体験や学習を家庭にまで持ち込むた
電量が需要量を下回る事態となる危険性があるため， め地域全体への波及効果が大いに期待できる．
電力各社は，計画停電の実施や節電目標を提示し国
一方，大学や高専の教室，実験室には，セメスタ民に節電の協力を呼びかけている．
ー制の導入により７，８月の最も気温の高い期間にさて，日本のエネルギー政策が確定し，安定した も授業が行われるため，全ての室にエアコンが設置
エネルギー供給の方法が確立したとしても，節電や されている．高等教育機関の学生，本校学生の場合
省エネ活動は，全ての国民に求められる責務である. の省エネ活動は，学生各自の省エネに対する重要性
エネルギー消費を削減するためには「節電，省エネ の認識の程度に依存し，小中学校のように教員主導を心掛ける」ための啓蒙活動が重要であることが指 での実施は難しい．例えば，学寮共用室での，照明，摘されている．具体的に啓蒙活動を行う組織として， エアコンの消し忘れは，再三の注意に拘わらず頻繁
小中学校の教育現場が注目され，さまざまな取り組 に発生している．また，本校では，節電を目的にエみの事例が報告されている［１］，［２］．山形県では， アコンの温度を２８℃に集中制御しているが，学生省エネ活動のモデルとなる小学校を指定し，校内に 数の多い教室では，実質的な気温は，３０℃を超え
省エネモニターを設置し，児童が常時リアルタイム エアコンを稼働しているにも拘わらず窓を開けてい*情報工学科

平成 24 年 8 月 27 日受理

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弓削商船高等専門学校

紀要るクラスも少なくない．
省エネは，学校現場での省エネ教育が進めば，地域への波及を考慮すると予想以上のエネルギー消費削減効果が期待できる．学校で省エネ活動を支援する方法として下記の事項を挙げることができる．①
省エネモニターによる電力の見える化 ②無駄電力の見える化と無駄電力の CO2 換算表示，消し忘れ防止のためのリアルタイムでの警告等 ③エアコン・照明のリアルタイム状況把握 ④省エネを達成した
ときの達成感を実感できる方法，例えば省エネランキング，省エネ活動によって節約できた具体的な金額等を告知する.
本研究では，学校をターゲットとした「センサーネットワークを用いた省エネ活動を支援するシステム」を開発する．このシステムは，教育現場に特化した省エネ活動を支援するもので，上記①～④の機能を備えた，工事が不要で導入費用が安価である等の特徴を持っている．
２．センサーネットワークを用いた電力の見える化
節電を実行する上で重要なことは，今どの程度の電力が消費されているのか，電気料金や CO2 に換算するといくらになるか等の情報をリアルタイムで表示する，いわゆる“消費電力を見える化”することである．電力の見える化については，既に様々な製品や技術が提案されている．例えば，スマートメーターがある．これは，電気使用料の検針作業を人が行わず，通信機能を持った電気メーターが自動的に電力事業者へ遠隔報告することができ，高機能なものになると事業所内や家庭内のエアコンや照明，セキュリティ機器などの制御まで行うことができる[３],[４]．しかし，小中高の教育現場における既存のスマートメーターの設置は，高圧受電の契約や電気工事が必要で，高額となるため現実的には不可能である．また教育現場における電力の見える化は，生徒が省エネ活動を行う支援機能さえあれば十分である．
本研究では，小中高校生，高専生の省エネ活動を支援するため，「センサーネットワークを用いた省エネ活動支援システム」を提案する．図１にシステムの概略図を示す．各教室に，End Device（ED）と呼ばれる，温度，光，湿度センサーを組み込んだ無線デバイスを設置し，照明の ON/OFF，エアコンの設定温度，湿度等を測定することにより教室内の電力消費状況を把握する．電力消費量の概算値は，教室の照明器具の電力（W）と設置本数，エアコンの電力（W）と ON している時間から計算することができる．測定
データは無線ルーターを介して，Base Station（BS：第 35 号（平成 25 年）

例えば消費電力管理室）に送信される．使用した無線ネットワークデバイスは，Zigbee PRO で通信距離は，建物内６０ｍ，見通し内７００ｍの性能をもち，ルーター等の中継デバイスを利用すれば，キャンパ
ス内全域で無線ネットワークを形成することができる[5]．BS では，各教室で消費される電力をリアルタイムで監視することができ，省エネ活動支援の見える化のデータとして活用する．図２にセンサーネットワークの構築に使用した Coordinator Device（CD）と ED の写真を示す．
３．センサーネットワークを用いた照明・エアコンのON/OFF 検出
３．１ 光センサーによる照明の ON/OFF 検出
教室の照明の ON/OFF 動作に対して光センサーが最も良く反応する場所を特定するため ED デバイス
を教室前方の教卓付近と後方のロッカー付近の２か所に設置した．照明スイッチを ON/OFF させたときのセンサーの出力を同時に計測し，計測データは無線ネットワークによりパソコンに送信した．

Base station（BS）

図１ センサーネットワークを用いた省エネ活動支援システムの概略図

図２ Coordinator（CN）とEnd Device（ED）デバイス

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センサーネットワークを用いた省エネ活動支援システムの開発 ―システムの提案と基本設計―（葛目・馬越・吉田・片山・西村）

図３ 光センサーを教室の前後に置いた時のセンサーの出力信号

図５ 温度センサーの応答実験

図６ 温度センサーの較正
図４ 光センサーの出力信号の微分波形の計測結果を図６に示す．この図からわかるように
IC 温度センサーは，比較正用のセンサーに比べ約１℃高くなるものの±１℃以内の測定精度を持つことを確認した．

なお，使用した光センサーは CdS で光があたると抵抗が変化するデバイスである．図３は，光センサーの出力波形，図４はその微分波形である．出力波形のレベルが高い時間域は，照明が OFF，低い時間域
４．システムの稼働実験
が ON の状態である．図３からわかるように，教室前センサーネットワークシステムが正常に動作する方に設置したセンサーの方が後方に設置した場合より反応レベルが大きいため，実験を行った教室では， か確認するため，教室の前方の教卓の上に ED を設置
センサーは教室前方に置いた方が，照明の ON/OFF 動 してネットワークの稼働実験を行った．測定は１月
作をより明確に捉えることができる．微分波形のプ に行ったためエアコンが暖房モードで１９℃の設定
ラス側は照明を ON から OFF にした時の動作，マイナ 温度で動作している．稼働実験時間は，授業で①教
ス側は OFF から ON にした動作を意味する．なお，設 室を使用していない時間帯，②教室を利用する時間
置場所により波形のピークの位置がずれているのは， 帯，③放課後で学生がいない時間帯が含まれる時間
教室の前部，中部，後部にある３つの照明スイッチ 帯を選択し約３．５時間，温度と照度を計測した．
を ON/OFF するタイミングにずれがあるためである． なお BS と教室に設置した ED との距離は直線距離で約１５ｍである．
３．２ 温度センサーによる教室の温度測定と校正
教室の温度測定には，IC 温度センサーMCP9700 を ４．４．１ 教室内の温度の測定結果
図７に計測した教室内の温度の測定結果を示す．
用いた．MCP9700 の測定誤差は±１℃である．光センサーと同一の基板に実装し，教室の前後、２か所 時間帯①の移動教室で学生が不在になると室温がに設置した．図５にセンサーの電源を ON してから約 徐々に低下していることからエアコンが OFF の状態２５分間の温度の計測結果を示す．実験結果より温 であり，時間帯②では学生が教室に入室しエアコン度センサーの動作が安定するまでに約１０分程度の を ON したため徐々に室温が上昇していることが確時間を要することがわかる．次に温度センサーを校 認できる．時間帯③では，放課後で学生がいなくな正するために市販の温度計測データロガ（カスタム り，エアコンを OFF したことにより室温が徐々に下社製 DL-8828）を用いて同時計測を行った時の温度 降していることが読み取れる．

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紀要

図７ 教室内の温度センサーの変化

第 35 号（平成 25 年）

図９ 省エネ支援クロック
電活動を支援するために LED や音声による警告，累積無駄電力量，節電ランキング等の様々な情報を液晶画面上に表示する機能を持っている．表１にエコクロックを用いたセンサーネットワークによる省エネ活動支援を列挙する．
表１．エコクロックネットワークによる省エネ活動支援の一例

図８ 教室の前方に設置した光センサーの出力信号
４．４．２ 教室内の照度の測定結果
図８に教室内の照度の計測結果を示す．光センサーの出力値が高い領域は暗く，低い領域は明るいことを示す．学生が移動教室から教室に帰って時点（①と②の境界）で照明を ON し，授業が終了し放課後学生が退出するとき（②と③の境界）に OFF していることが読み取れる．以上の実験結果から，③以降で学生は，クーラと教室の照明を同時刻に OFF した判断できる．

５．End Device を組み込んだ省エネ支援時計（Eco Assist Clock）の提案
学校での省エネ活動を支援するためには，電力の見える化を実現し，生徒（学生）に常に省エネ意識を持たせることが重要である．そこで，温度，照度センサーを組み込んだ ED を時計内部に組み込んだ省エネ支援クロック（ECO CLOCK）を提案する．
このクロックを教室前方の壁に掛けておき，常に学生が見える状態にしておく（図９参照）．提案するクロックの最大の特徴は，電力量をセンシングするためのセンサーを設置するための工事が不要で，クロックを掛けるだけで消費電力量の概略値をリアルタイムで計測することができることである．また，節 教室の照明やエアコンの ON/OFF，温度設定状態をリアルタイムで把握できる．
 放課後の集中制御されていない教室の照明，エアコンのチェックができる 時間割との連動によって，教室未使用時の照明，エアコン ON 時間から無駄電力量を推定する．
 推定した無駄電力量から無駄電力料金，CO2 排出量を推定し，ログデータとして保存する．
 節電活動レポート（無駄電力量，照明・エアコンの消し忘れの時間や曜日の傾向を記した）を HP にアップし節電意識を高める．
 教室の人数に応じたエアコンの設定温度（推奨設定温度）にする．
 BS で記憶されているデータを教室に設置されたエコクロックに適宜表示する．
 BS 時間割との連動により，照明の OFF，エアコンの OFF を促すため LED の発色や音を発し警告する．
 消費電力量の 1 日，週間，1 か月，１年間のデータをグラフ表示する．
 クラスで省エネランキングを行う．

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センサーネットワークを用いた省エネ活動支援システムの開発 ―システムの提案と基本設計―（葛目・馬越・吉田・片山・西村）

6．結論と今後の課題
本研究では，学校における省エネ活動を支援するための「センサーネットワークを用いた省エネ活動支援システム」を提案した．システム
は，温度と照度，湿度を計測するセンサーと無線デバイスを内蔵した時計を教室の前方に設置し，複数の教室と管理室をネットワークで結ぶことによりリアルタイムで教室で消費されるエネルギーの概略値をモニタリングすることができる．また，得られたデータから「消費電力量の見える化」を実現し，省エネ活動を支援することができる機能を持っている．研究では，提案するシステムのプロトタイプを試作し温度，照度がワイヤレスでモニタリングできることを確認した．
今後は，下記に示す事項について研究を進める予定である．
 センサーネットワークにより得られたデータを省エネ活動支援に活かす具体的なシステムを構築する．例えば，節電レポート，時間割との連動による無駄電力量の算出など．
 実際にシステムを稼働させて，省エネ活動支援の効果について節電効果の定量的評価，アンケートによる節電意識の変化について調査する．
学校における環境教育として，緑のカーテンを作るために，ゴーヤやアサガオの栽培を支援するシステムを追加する．
例えば，栽培日記，温度，自動灌水，日照時間（日の出，日の入り）肥料を与えるタイミングを管理するシステムなど．
参考文献[1] 三浦秀一：小学校における省エネルギー教育の実践と効果，第２２回エネルギー・資源学会研究発表論文集，PP.275－278，（２００３）.
[2] 小峯裕巳他：学校における省エネルギー実施要領，省エネルギー・省資源対策推進会議，（２００７）[3][4][5]

http://www.n-techno.co.jp/smartclock/https://www.ipros.jp/product/
http://www.digi.com/