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愛知県産業技術研究所 研究報告2009●───────────────────────────────────────────────

研究論文

インターネットを活用したセンサネットワーク制御システムの開発
浅井徹＊１、松生秀正＊１

Development of Sensor Network Control System using InternetTohru ASAI *1 and Hidemasa MATSUO *1
Industrial Technology Division, AITEC * 1
イーサネット変換器を使い、インターネットを介したセンサ情報の送信や、制御信号の受信により機器制 御 が 行 え る シ ス テ ム を 開 発 し た 。ま ず 、PICNIC（ Tristate 社 製 ）と 無 線 LAN 機 器 を 用 い た ハ ー ド ウ ェ
ア機器とデータの収集や管理を統合的に行うソフトウェアの開発を行い、農業用温室の環境モニターシス
テ ム と し て 実 証 実 験 を 行 っ た 。 さ ら に 、 WiPort（ LANTRONIX 社 製 ） を 用 い た ハ ー ド ウ ェ ア 機 器 を 開 発して小型化を図るとともに、計測温度の分解能を向上させた。
本システムは、低コストでセンサの追加・変更にも柔軟に対応が可能であり、メンテナンスが容易である特徴を持つものである。

１．はじめに無線LAN

農作物の生育は、温度をはじめとした周りの環境要因に影響を受けやすく、環境情報の定期的な収集及び管理は非常に重要である。しかし、管理作業は手作業に頼ることが多く、非常に手間がかかるため、きめ細かいデーPICNICタの収集や状況変化への迅速な対応が困難である。これ
らを解決するため、栽培地において同時に多地点の環境情報を効率的に収集・蓄積するとともに、環境情報に基センサ回路づいて、どこからでもリアルタイムに換気等の機器を遠図１隔制御できるシステムが求められている。

製作した計測・制御用機器

そこで本研究では、インターネット技術を活用して同時に多点でかつ効率的に環境情報の収集・蓄積を行い、PICNIC にはアナログ入力ポート及びデジタル入出力機器の遠隔制御をどこからでもリアルタイムにできるユポートがある。アナログデータの収集に際しては、センビキタス方式による制御システムの開発を行った。

サからのアナログ入力信号を PICNIC のアナログ入力ポートおよびイーサネット変換器を介して LAN 上へ送信

２．実験方法することでネットワークを介してデータ収集を行った。

2.1 システムの概要

また、制御については、PICNIC のデジタル入出力ポー

2.1.1 ハードウェアの開発

トを介してリレーを動作させ、AC 及び DC 電源の導通・センサ信号をネットワーク信号に変えるためのイー非導通状態の切り替えを行って制御する仕組みとした

サネット変換器を活用した計測・制御用機器の開発を行（図２）。

った。具体的には、ワンチップマイコン（PIC）とイー2.1.2 ソフトウェアの開発サネットコントローラが組み合わされたボード

データ収集と制御を行うため統合管理ソフトウェアを（PICNIC、Tristate 社製）を使い、無線 LAN とセンサ開発した。ソフトウェアの画面構成を図３に示す。この回路部分などから構成される機器を製作した。製作したソフトウェアは Windows XP 上にて動作する。製作した機器を図１に示す。無線 LAN 機器は市販のものを使用

ハードウェアに対して通信プロトコルの一種である

し、センサ回路は前年度の研究 1)において製作した信号

UDP 及び TCP で接続を行うことで遠隔操作によるデー処理回路を活用した。

タの収集及び制御の動作指示等を行う。開発したソフト＊

1 工業技術部

機械電子室

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ウェアは、以下の機能を持つものとした。
無線LAN（市販）

1)

一定時間間隔ごとに機器にアクセスしてセンサデ

2)

一定時間間隔ごとにネットワーク対応のカメラ画ータを収集する
PICNICイーサネット信号

像を収集するイーサネットコントローラ
RTL8019AS
データ信号

アドレス信号

収集したデータをパソコン内に保存・蓄積する4)

手動により計測・制御用機器に接続された電気機器の ON/OFF を行う

PIC16F877
Digital I/O3)

2.2 実証実験
A/D

開発したハードウェア及びソフトウェアによるセンサネットワークの実証実験を愛知県農業総合試験場内のI/Fボード（リレー）

トマト栽培温室で行った。その構成概要図を図４に示す。

I/Fボード（リレー）

製作した計測・制御用機器を図５のように温室内に 6箇所設置し、各箇所の高さ 1m と 3m の位置に温度セン扇風機
（ファン）

図２

回転灯

サを取り付けた。また、計測・制御機器の一部には回転センサ灯とデモ用扇風機の電源を接続した。他にもネットワー

計測・制御用機器の回路構成

クカメラを設置することで温室内の様子が分かるようにした。図６は、これらの設置の様子を示したものである。

センサデータ

温室から離れた建物内に据置されたパソコンの計測プロ
機器制御

グラムにより、温度データやカメラ画像の収集とパソコン内へのデータの蓄積、さらに計測・制御用機器に接続されたデモ用扇風機や回転灯の ON/OFF を行う。
実証実験は平成 20 年 9 月からスタートし、改良を重ねながら半年間ほぼ連続して稼動させた。各温度センサ
設置箇所の高さ 1m 及び 3m の温度データを 5 分ごとに収集、保存した。また、ネットワークカメラの画像は 10分おきに保存した。

カメラ画像

図３

管理用ソフトウェアの画面構成

図４

センサネットワークの構成概要図

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北

45
135
温度（℃）

A

西

40

カメラ

4

56

計測・制御用機器

東30
南中央（高さ１ｍ）
北中央（高さ１ｍ）

25
20
15

2

3

110

B

510/8 0:00

南図５10/9 0:00

図８
温度センサ
（高さ３ｍ）

10/10 0:00

日時

計測・制御用機器の設置箇所

南北の違いによる温度測定結果の比較

このように温室の内部の温度状況を知ることができ

ネットワーク
カメラ

たが、データの欠落がわずかではあるが見受けられた。
これは通信プロトコルとして UDP を使用しているため、パケットロスが発生したことによりデータが届かなかっ温度センサ（高さ１ｍ）たことが原因と思われる。
3.2 ハードウェアの改良

計測・制御機器

PICNIC を利用した機器は有線での接続しかできないため、無線で通信を行うには市販の無線 LAN 機器を別扇風機

図６に使用する必要がある。このため、機器の筐体のサイズ

計測・制御用機器等の設置の様子

が 300mm×300mm と大 きいもの とな った。ま た、
PICNIC に付属している A/D 変換の分解能が 10bit のため、温度の分解能は常温の範囲では約 0.3 度となり、実３．実験結果及び考察
3.1 温度測定結果

際の温度測定精度としては十分とは言えない。そこで、

図７は、温室の南西部分（図５における 3 番の位置）における 10 月時点での 2 日間における高さ 1m と 3m のこれらの問題点を解決するためにハードウェアの改良を行った。

温度変化をグラフにしたものである。2 日間とも晴天日

小型ながらシリアル信号をイーサネット信号に変換であり、日中は温室内の下部（1m）より上部（3m）のす る 機 能 と 無 線 LAN 機 能 を あ わ せ 持 つ WiPort

方が高く、夜間についてはほとんど差がない。また、夕（LANTRONIX 社製）の利用を検討した。WiPort はデ方に温度差があまり見られないのは、南北方向にトマトジタル入出力を持つが、A/D 変換機能を持ち合わせていが植えられており、昼間は南側にある葉により遮光されないためアナログ入力はない。そこで、外部に 12bit のるものの、夕方には障害物がない西側から日差しが直接分解能を持つ A/D 変換を回路に組み込み、デジタル化さ当たるのが原因と思われる。

れたデータをシリアルポートに入れることで、アナログ

図８は、同じ日の北側中央と南側中央の同じ測定高さデータを送信できるようにした（図９）。

について比較したものである。北側よりも日当たりのよい南側の方が高温になることを確認できた。
WiPort4540Digital
I/O

温度（℃）

35TXRX

シリアル信号

30南西（高さ１ｍ）
南西（高さ３ｍ）

25PIC16F876

2015リレーリレー

A/Dコンバータ

回転灯

センサ

105
10/8 0:00

10/9 0:00

10/10 0:00

日時

図７

測定高さの異なる温度測定結果の比較

扇風機
（ファン）

図９

改良機器の回路構成

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図１０は、改良した計測・制御用機器である。図１１ているため、データ欠落の問題も見られなかった。に示すとおり、機器のサイズは 130mm×180mm まで小4540度まで改善することができた。

35

温度（℃）

さくすることができ、また、温度センサの分解能を約 0.1

WiPort30
WiPort－北西（高さ1m）
WiPort－北西（高さ3m）

2520151052/14 0:00

PIC

2/15 0:00

2/16 0:00

日時

図１２

改良計測・制御用機器による温度計測結果

A/Dコンバータ

４．結び
市販のイーサネット変換器を利用することでインター

図１０

ネットを介したセンサネットワークを構築し、トマト栽改良した計測・制御用機器

培温室で実証実験を行った。本システムは、同時多点測定が可能にもかかわらず、安価にシステムを構築できるPICNIC

ことが特徴である。
また、測定機器の小型化を図り、分解能を向上させる
300mm

ことで、小型で精度のよい測定システムとすることがで

130mm

WiPortきた。
今後は、この構築した温度測定システムをもとに温室内の循環扇や天窓といった実際の栽培管理機器の制御を行い、温室内の温度制御を効率的に行うためのシステム

180mm
300mm

図１１

機器サイズの比較（左が改良後）開発を検討していく予定である。

謝辞
本研究は、愛知県農業総合試験場、豊橋技術科学大学

この改良した機器を温室内に設置し、同様に遠隔温度との共同研究として行われた。特に、温室における実証計測実験を行った。平成 21 年 2 月中旬に一週間連続し実験にあたっては、愛知県農業総合試験場園芸研究部野てデータ収集を行い、そのうちの 2 日分をグラフ化した

菜グループ川嶋主任研究員及び志知主任研究員にご協力ものが図１２である。夜中に温度が上下するのは、温湯いただいたことに深く感謝いたします。

暖房により温度が 10℃～15℃の範囲に保たれていることによる。
また、WiPort では TCP 通信によりデータ収集を行っ文献
1）松生、浅井：愛知県産業技術研究所報告，7，44(2008)