四国電力，四国総合研究所
研究期報１０７（2017年12月）
２９－３４ページ

次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発について㈱四国総合研究所 電子技術部

キーワード：IoT
インターネット
無線通信モニタリング

Key Words：

中西美一

IoTInternet
Wireless communication
Monitoring

Development of the openATOMS Future Generation

Shikoku Research Institute, Inc., Electronics Technology Department
Yoshikazu Nakanishi

Abstract

IoT has been one of key words of recent technology trend that can contribute to make society more convenientand safety.

On the other hand, it is not so easy to develop and utilize IoT systems in the real world.

IoT is acomplex assembly of various types of technologies including microcomputers and radio communication devices.
Application system engineers don’t have enough time to study each individual technology that is composing IoTsystems, because of they are always busy to understand problems in the real world and make up practicalresolutions to resolve those difficult problems.

They obviously need well designed and easy to use common

platform technology that can be used in IoT system development.
The openATOMS_FG was designed as common platform technology to develop and operate various IoT systems
in the real world.

In this article, basic components of the openATOMS_FG and two practical application systems

based on the openATOMS_FG are described.

－29－

次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発について

１．はじめに

２．NICE32 の開発

インターネットは 1960 年に発明されたとされるが、openATOMS で は NICE と し て 8bit コ ア の

その実用性が一般に認識されたのは 1993 年の NCSAMCU(Micro Controller Unit)を使用している。(以降、Mosaic という革新的な Web ブラウザの誕生により、8bitMCU の NICE を NICE8 とする。) NICE8 の RAM

IT の専門家ではない極普通の人々とのインターフェ

容量は 4KB しかなく、NICE8 上で十分なデータ処理ースを獲得して以降であると思われる。元来インターができないことが大きな課題であった。

ネットはコンピュータ間の通信ネットワークとして設

新しく開発した NICE32 では 32bitMCU を使用し計されたものであるが、この 25 年の間に人と人を繋ている。RAM 容量が従来の 4KB から 256KB へと 64

ぐネットワークに進化したと言えるのではないかと個倍となり、またデータ処理速度も数十倍になったため、人的には思っている。

従来は上位のコンピュータで行っていた計測データ処

そしてこれからは身の回りの全ての物がインターネ理の大部分を NICE32 上で行えるようになった。これ

ットに繋がる IoT(Internet of Things)の時代と騒がれにより、データ処理のリアルタイム性が向上すると共ている。Things とは物質という意味ではなく、小さなに、消費電力の大きい無線データ通信を大幅に削減でコンピュータを内蔵した物体のことであるので本来のきることとなり、NICE32 の消費電力は NICE8 の 1/3目的に戻っただけのことであるが、57 年前との大きな程度に低減され、用途によっては単三型の Li 乾電池×

違いは、現在の我が国では殆ど全ての人がインターネ

2 本で 10 年以上連続動作させることができるようにットに繋がっていて、当時は現在の日本円に換算してなった。

数千万円もしたコンピュータがワンコイン(500 円程度)になったことであろう。

このメモリ容量とデータ処理速度の大きさにより、例えば、振動加速度データを収集しながらリアルタイ

IoT は正確には Internet of Tiny computers のこと

ムに FFT 演算処理を行うという芸当も可能となってである。ちっぽけであっても立派なコンピュータであいる。通信速度の遅い無線通信ネットワークでは振動るので、そう簡単にはインターネットに繋がらない。

加速度データのような大量のデータ送信が難しく、可厄介なのは Tiny computer はワンコインなのでインタ

能な限り NICE32 上でデータ処理を行い、無線送信すーネットに繋ぐために多くの時間とお金を掛けられなるデータ量を減らす必要がある。これは頭脳明晰で仕いことである。

事のできる部下は上司への報告も最小限で済むのと同

当社では、IoT 応用システムが普及するためにはじ理屈である？

様々な用途の実用システム構築に利用でき、その開発最新の 32bitMCU はその価格からは想像できないと運用コストを劇的に低減できる共通基盤技術が必要ほど高性能で、データ処理速度の向上とメモリ容量のであると考え、2007 年頃から openATOMS の開発を増強に加えて外部デバイスインターフェースも充実し行ってきた。幸いにも openATOMS はささやかな成功ており、様々なセンサやアクチュエータを UART、SPI、を収め、当社のいくつかの製品で利用されているが、I2C、ADC、DAC 等の標準化されたインターフェース当初の設計から 10 年が経過し、現在の社会に散在すで接続できるようになっている。
NICE32 用の OS としては、NICE8 用に独自開発しる様々な課題に挑戦するには少々力不足を感じるようた S.OS_NICE8 と同様に、低消費電力化のために常になってきた。
openATOMS では前述の Tiny computer のことを時は CPU コア(システムクロック)を停止しておいて、NICE(Networked Intelligent CEll)と呼んでいるが、必 要 時 の み CPU コ ア を 起 動 す る 方 式 の 独 自2007 年の技術では十分な intelligence を与えることがOS(S.OS_NICE32)を開発して使用している。システできなかった。(明らかに名前負けしていた。)

さら

ムクロックの停止とは車のアイドリングストップのよに、Networked の部分にもこの 10 年間でいくつかのうなもので、消費電流はアイドリング時の 1/1000 以

技 術 革 新 が あ っ た た め 、 こ の intelligence と下の 1μA 程度となるため、電池電源で数年間動作さnetworking 機能の大幅な強化を目指して、2016 年かせる必要がある NICE32 には不可欠の機能である。最ら次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発を進新の MCU ではシステムクロックの起動時間が 1μsecめている。本稿ではその概要を報告する。

程度と短くなっており、システムクロックを停止していても緊急を要する外部イベント入力に対応できるが、－30－

次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発について

システムクロックの起動・停止は非常に繊細な動作で無線通信ネットワークの応用が進むにつれ、上記のこの機能の実装は相当に大変な作業である。この部分課題を何とか解決しようということになり登場したのの設計をしていると「この場合はこうなって…、そのが、2.4GHz に比べて電波の曲がりが良く、空中での場合はああなって…」と自然と独り言が多くなり、同減衰も少ないため、障害物の多い環境下でも安定した僚からは変なおじさんと思われているに違いない。

長距離通信性能が期待できる 920MHz 帯の電波の利

また、NICE32 では前述の外部デバイスインターフ用と、高精度の時刻同期技術により無線中継ノードをェースを介して様々なセンサやアクチュエータを接続含む全ての無線通信デバイスを間欠動作とすることで、する必要があり、そのためのデバイスドライバソフト

無線通信ネットワーク全体の消費電力を大幅に低減可ウェアの開発は結構大変な作業となる。このデバイス能とした 920MHz_MultiHop 技術である。

ドライバを S.OS_NICE32 の一部として提供すること

さらには、通信速度を極端に下げ通信距離を極端にで実用アプリケーションシステムの開発効率は飛躍的延ばすという逆転の発想で生まれた技術が 920MHzに向上するが、世の中に存在する優れたデバイスを継_LoRa 等の LPWA(Low Power Wide Area の略)技術で続的に調査し、そのデバイスドライバを開発し続けるある。河川の上流で鉄砲水が発生したという情報をというのも骨の折れる仕事である。優れたデバイスの10km 下流の民家に知らせるには 1BPS(手旗信号程99%は日本語以外の言語を喋る研究者や技術者によっ度)の通信速度で十分である。下流の民家の住人は数百て開発されており、彼ら彼女らの共通言語は英語であMBPS の通信速度を持つスマホで世界の裏側の情報る。１つのデバイスのデバイスドライバを開発するたを動画で見ることができるが、1BPS の IoT が無けれめに、時には数百ページの英文ドキュメントを隅々まば 10 分後に自宅が濁流に飲み込まれることを知るこで読まなければならないことを想像して頂ければこのとができないという事実からこの 1BPS の価値を容易仕事の過酷さを少しは理解して貰えるだろう。に理解することができるであろう。

近年では、Tickless OS と呼ばれる CPU コアを停止

920MHz 帯を利用する無線通信デバイスには、特別できる汎用 OS の開発も進んでいるため、将来的にはな手続きをせずに使用できる電波出力が 20mW 以下

汎用 OS の採用を予定しているが、汎用の Tickless OSのタイプ(特定小電力無線局)と地方総合通信局への申ではデイバスドライバの構造が複雑になりその開発に請 と 電 波 使 用 料 (500 円 ／ 年 程 度 ) の 納 付 が 必 要 な

多大な時間と労力が必要となるため、現時点での採用250mW 出力タイプ(簡易無線局)があり、電波出力がは時期尚早と判断したというのは言い訳で、OS の開10mW 以下に制限されている 2.4GHz 帯に比べて通信発は純粋に楽しいのである。

距離を確保し易いというのも大きな利点である。
250mW は 20mW の 12.5 倍であるが、通信可能距離はその√になり 3.5 倍程度となる。

３．新しい無線通信技術への対応
openATOMS で使用できる無線通信ネットワーク技

openATOMS_FG で は 、 こ れ ま で 利 用 し て い た術は 2.4GHz_ZigBee のみであった。優れた技術であ2.4GHz_ZigBee に加えて、920MHz_MultiHop おより、現在でも十分に活躍しているが、以下のような課び 920MHz_LoRa を利用可能とした。無線通信技術の題があり openATOMS の利用拡大の制限となってい選択肢が増え、従来の 2.4GHz_ZigBee では適用が難た。

しかった無線中継点での電力確保が難しい場合や、無線中継を行わず 10km を超える通信を行う必要がある①

2.4GHz の電波は直進性が強く、障害物による通用途にも適用可能となっている。
NICE32 と無線通信デバイスは UART で接続され信障害を受けやすい。
②③④電波出力が 10mW 以下に制限されていて、屋外でるため、ハードウェア的には簡単に交換可能であるが、の見通し通信距離が最大 500m 程度と短い。

通信プロトコルは製品毎に異なるため、各通信デバイ

既に 2.4GHz 帯を利用している機器が広く普及しス毎にデバイスドライバの開発が必要である。ており、電波障害を受ける可能性が高い。

S.OS_NICE32 では各通信デバイスのプロトコルの違ZigBee では無線中継ノードの低消費電力化が考いをこのデバイスドライバが吸収し、無線データ通信慮されておらず、中継ノードの電源確保が難しい。のための共通 API をアプリケーションソフトウェアに提供しており、アプリケーションシステムの開発者－31－次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発について

は無線通信方式の違いを殆ど意識せずにすむようになヒソヒソ話で情報を伝達するのに対し、920MHz_っている。実用システムの構築では、その要求仕様にLoRa は大声でゆっくり叫ぶようなものである。ヒソ応じて適切な無線通信技術を選択あるいは組み合わせ

ヒソ話は複数の経路を同時に実行できるが、皆が大声て使用する必要があるが、共通 API がないと使用するで叫ぶと簡単に学級崩壊してしまう。

無線通信技術に合わせてアプリケーションソフトウェ
４．NICE32 試作機と NC(Network Computer)アを作り直さなければならない。

図１に NICE32 の試作機を示す。2.4GHz_ZigBee、920MHz_MultiHop、920MHz_LoRa の３種類の無線

３.１ 2.4GHz_ZigBee の特徴
2.4GHz_ZigBee は無線通信ネットワークが一般に通信デバイスから２つまで接続でき、同時に通信がで普及するきっかけとなった技術である。先行する多くきるようにしており、異なる無線通信方式間のゲートの技術をバランス良く組み合わせると共に、それらのウェイとしても機能する。また FAT32 形式の microSD

特許問題を解決したことにより多くの無線通信デバイメモリ(最大 32GB)を搭載可能としており、初期設定スメーカの参入を促した結果デバイスも安価になり、ファイルデータの読み込みや大量の計測データの保存

当社でもコスト制限の厳しい農業用の環境モニタリンも可能である。
openATOMS_FG 応用システムの多くは低消費電力

グシステム等で使用している。
一方、ZigBee には通信信頼性と消費電力の点で課題であることを要求するため、低消費電力動作に定評のもあり、同じ 2.4GHz 帯を使用しながらもそれらの課ある 32bitMCU を選定するとともに、接続するセンサ題の解決を目指した新しい技術もいくつか提案されておよび無線通信デバイスの電源をきめ細かく制御するいる。

ことで低消費電力動作を実現している。

３.２ 920MHz_MultiHop の特徴
屋外での１ホップの通信距離が電波出力 20mW のタイプで最大 1,000m 程度あり、30 ホップ程度までのマルチホップ機能により自動的に無線通信経路が構築される。また、無線通信ネットワーク全体を間欠動作させることにより、無線中継ノードを含めて無線通信デバイスを低消費電力動作させることができるため、電源確保の困難な場合でも大規模な無線通信ネットワークを構築し易いという特徴を持つ。連続動作時の通信速度は 100KBPS と比較的高速であるが、低消費電力化の為に間欠動作とした場合は通信速度が低下する。
図１．NICE32 試作機
３.３ 920MHz_LoRa の特徴
通信速度を下げ、受信感度を上げるという戦略で電図２に NC(Network Computer)を示す。NC には前波出力が 20mW のタイプで屋外での見通し通信距離

述の３種類の無線通信デバイスから１つを選択してを最大 5km 程度確保できる。無線通信デバイスのレUART インターフェースで接続する。NC には無線通ベルではマルチホップ通信機能は搭載されていないた

信ネットワークとインターネットを接続するゲートウ

め、１つの親局に対して複数の子局が直接通信するスェイ機能と、NICE 群から収集したデータを蓄積・解ター型ネットワークとなる。実用的な通信速度は析する一種のクラウドサーバ機能が搭載されており、1KBPS 程度と低く、大量のデータ送信には適さない。

後者の機能を利用する場合はより直感的に理解し易い

920MHz_LoRa の使用で注意すべきことは、１つの「データ収集ユニット」という名称で呼んでいる。

ノードの無線データ送信回数と１送信当たりの時間を近年ではインターネット通信コストも低く、レンタ可能な限り小さくすることである。教室内での情報伝ルクラウドサーバも手軽に利用できるため、インター達に例えるなら、920MHz_MultiHop が隣通しの早口

ネット上のクラウドサーバにデータを蓄積するシステ－32－次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発についてムが多いが、大地震の発生時等には高い確率でインタな本稿の読者であれば、このシステムが水田の水位にーネット接続は長時間停止するため、アプリケーショ留まらず、道路の冠水状況監視や河川の水位監視にもンによっては現場設置のクラウドサーバが必要である。

利用できることは容易に想像できるであろう。

openATOMS では設計当初からローカルのクラウドサーバとインターネット上のより強力なクラウドサーバを組み合わせて利用できるようにしている。これはopenATOMS の想定適用分野に当初から自然災害モニタリングが含まれていたためである。

図３．水田環境モニタリングシステム
５.２ 構造物振動多点同期モニタリングシステム
図４に構造物振動多点同期モニタリングシステムの図２．NC(Network Computer)センサユニットを示す。無線通信デバイスとして920MHz_MultiHop を使用し、センサデバイスとして５．応用システムの開発
openATOMS_FG は既に十分に実用的なレベルに仕上がっており、現在 openATOMS_FG をベースに様々高精度の加速度センサを搭載している。最大 200Hz(変更可能)でサンプリングした３軸の加速度波形データを内蔵の NICE32 でリアルタイムに分析できる。

な実用システムの検討・試作を進めている。以下に試本システムは当社の建築技術の研究者からの依頼で作した「水田環境モニタリングシステム」および「構開発したものである。原理は簡単で、ビル等の構造物造物振動多点同期モニタリングシステム」について紹内の複数個所の３軸加速度を±5msec 程度の時刻同期介する。

誤差で高精度に計測できれば、その２重時間積分値から各計測点の基準点からの移動距離を時々刻々と計算

５.１ 水田環境モニタリングシステム
図３に水田環境モニタリングシステムを示す。無線でき、地震による振動が構造物へ与えるダメージの診断に役立つとのことである。

通信デバイスとして 920MHz_LoRa を使用し、センサ原理は簡単であるが、分散配置された多数のセンサデバイスとして水位センサならびに水温センサを搭載

ユニットの内部時計の誤差を±5msec 以内に維持しつしている。センサユニットの消費電力は小さく、単三つ、いつ発生するか分からない地震による振動を常時型の Li 乾電池×2 本で 5 年以上動作する設計となって監視し、いざという時には複数個所で同時に収集したいる。

大量の３軸加速度波形データを通信速度の遅い

なぜ水田環境モニタリングかと言うと、個々の監視

920MHz_MultiHop 無線通信でデータ収集ユニットへポイントの情報量とその監視頻度は少ないが、大きな確実に回収するという結構凄い機能を、安価に、そし通信距離が必要という要求が 920MHz_LoRa の実用てたったの６か月で開発しろという注文であった。

性評価に適しているからである。最も重要な情報は水驚くことに、本システムのプロトタイプは２か月程位である。計測範囲は 0～200mm 程度で計測分解能は度で出来上がったのである。必要な機能の大部分は1mm で十分なのでデータ長は 8bit であり、計測間隔

openATOMS_FG に用意されており、２か月という時は１時間以上で良いため、１計測点当たりに必要な無間の大半は、時刻同期機能の実現と大量の加速度波形

線通信速度は 0.002BPS 程度という計算となる。の効率的な無線伝送メカニズムの開発の費やすことと広大なエリアの水位を電池電源の簡単なセンサユニなったが、本開発により、openATOMS_FG には高精ットを設置するだけで遠隔監視できるのである。聡明度の時刻同期メカニズムと低速の無線通信ネットワー－33－

次世代 openATOMS(openATOMS_FG)の開発について

クによる大量データ送信メカニズムという新たな機能

報 No.90,pp24-34(2008.6)が追加されることとなった。当社では openATOMS

2)中西美一：「オンデマンド・モニタリングシステム技_FG の開発と並行して、その応用システムを積極的に術の開発」，平成 22 年電気学会 C 部門大会講演論文集開発している。理由は簡単で基盤技術に搭載する各種機能の開発には、それを必要とする実用システムへの理解が不可欠だからである。

図４．構造物振動多点同期モニタリングシステム(センサユニット)試作機
６．まとめ
openATOMS_FG の開発概要とその応用システムの一例を紹介した。IoT とは Internet of Tiny computersであるという独自の解釈に異論を唱える専門家も多いと思うが、Things がインターネットに繋がるという誇大表現が IoT の本質の理解を妨げているようにも思われる。遠い将来には Tiny computer に搭載された AIによりそれがまるで生物のように振る舞い、勝手にインターネットに繋がるようになるかもしれないが、それまでは、真に実用的な IoT システムを構築・運用するためには openATOMS_FG のような優れた共通基盤技術と、社会に散在する課題を理解しその解決に取り組む熱意に溢れた研究者や技術者の弛まぬ努力が必要であると記して本報告のまとめとしたい。
７．謝辞
本研究の一部は、四国電力㈱事業企画部殿ならびに土木建築部殿より委託を受け実施したものである。ご協力いただいた関係各位に深く感謝いたします。
[参考文献]
1)中西美一：「オンデマンド・モニタリングシステム技術(ATOMS)の開発」,四国電力.四国総合研究所 研究期－34－