独立電源と LoRa 通信によるインターネット地盤観測システムの構築
株式会社シンク・フジイ
開発部

小村芳生

はじめに
当社（シンク・フジイ）ではこれまで山間部で発生した災害の復旧工事における安全管理業務として地盤のリアルタイムインターネット観測を数多く行ってきた。現場でインターネット観測を行えるかどうかを判断するにあたって、まず問題となるのが「インターネット通信が可能かどうか」次に、「通信機器の電源が確保可能かどうか」である。当社ではこれら携帯電話回線エリアと電源の問題を解決するため現在、新たなインターネット通信システムの開発を行っているので、その取り組みを紹介する。

現行「のび太安全管理警報システム」（ZigBee 通信方式）

携帯回線エリア外の問題
当社のインターネット観測システム「のび太」では、センサーデータをインターネット経由で当社グループ会社；藤井基礎設計事務所サーバーに送り、サーバー内でデータ変位が分かりやすいようグラフ化して関係者に配信している。インターネットへの接続は NTT や KDDI など国内キャリアの携帯電話回線を使用しているため、ゲイトウエイ（現場内でインターネットに接続する機器）がキャリアの携帯回線エリア内にあることが条件であった。
ところが、島根県では未だ山間部に携帯回線エリアから外れた地域が多く、このような場所でインターネット観測を諦めることも多い。もちろん、現場への光ファイバー敷設やキャリアによるリピーター（携帯回線の中継・増幅器）の設置、衛星回線を使用した通信などが行なわれればインターネット観測は可能になるが、当然、多額の費用と時間がかかる上、キャリア各社は住民の少ない場所で短期的に使用するリピーターの設置は行わない。

電源確保の問題
また、電源の確保も重要な問題だった。山中の斜面など地盤センサー設置点からデータを斜面下の安全な場所まで（距離 300m 程度まで）特定小電力無線で送ることは出来る。送信側の通信は 10 分毎などインターバルをもって行われるため、それ以外の時はスリープモードで省電力化され、小型電池で長期間の観測が可能となっている。しかし、これを受信し、インターネ

ット経由でサーバーに送るゲイトウエイは、常に受信モードで待機し、インターネットへデータを送信する他、データの閾値判定を行って現場の警報機などを動作させなければならない。
これまではゲイトウエイの部分に汎用のパソコンやマイクロサーバー、ネットワークコンピュータなどを使用してきたが、消費電力が大きく、安定したインターネット通信を行うために
AC100V（商用電源）を必要としていた。このため、近くの住宅の電源コンセントを使用させて頂く（住民に迷惑をかける）、住宅が無ければ仮設電源を設置する、などの対応を行ってきた。仮設電源は電力会社の許可を取って電気工事を行うまでに 2 週間以上の期間が必要で、すぐには設置できない。また、付近に電柱が無ければ設置もできない。

携帯回線エリア外の地域への対応策
携帯回線エリアから外れた地域での観測については、今のところ全ての場所でインターネット観測が可能になる安価な方策はない。(勿論、費用を度外視すれば衛星回線通信などの方策はある)しかし、これまでの経験では緊急の災害復旧工事が必要な場所は国道や県道など主要道路が寸断された場合が多く、このような道路で延々と数キロ先までネット回線不通の場所が続くことは稀である。改めて今までインターネット通信を諦めた現場について考えると、1～2 ㎞先なら携帯回線エリア内であるということが多い。データを中継器で送ろうにも中継器にかかる費用や、中継点に電源がない、ソーラー電源で給電するにも日当たりの良い場所が無い等の問題から諦めざるを得ない場合が多い。
現在、当社では LoRa 通信（ロングレンジ）通信による観測システムを開発している。LoRa 通信は見通し 7 ㎞以上の通信を従来の特定小電力通信（免許や登録が必要ない）の電波出力内で行うことが出来る。この通信により、データを数キロ離れた携帯回線エリア内に置かれたゲイトウエイに送ることでインターネット観測が可能になる。
実際は山の中で通信を行うため、障害物の有無によって LoRa 通信の距離が極端に短くなることも考えられるが、1～2 ㎞程度でも通信距離があれば今まで諦めていた回線エリア外の現場でもインターネット観測が可能となる場合は多いと考えられる。

電源確保の問題への対応策
従来のシステムではゲイトウエイ（インターネット接続機器）として、受信機、パソコン、ルーター、データ通信機をそれぞれ接続してインターネットに接続してきた。これは、その現場で最も接続環境の良いキャリア（NTT や KDDI やソフトバンク）を選べるようにするためだ
ったが、汎用機器の複数接続は消費電力の増加を伴い、安定したインターネット接続を継続するために商用電源（AC100V）を使用せざるを得なかった。
LoRa 通信によりゲイトウエイの設置場所としてキャリアの携帯回線エリアをある程度選べるようになるなら、受信機、パソコン、ルーター、データ通信機の機能を全て持つ一体型のゲイトウエイとしたほうが消費電力も少なくて済む。最近の IoT 機器の進歩は目覚しく、一体型ゲイトウエイの通信時消費電力が 4W 以下のものも現れており（通常の汎用パソコンは 15W 程度と大きい）、これはソーラーパネル発電による独立電源により充分、給電可能な消費電力である。LoRa 通信によりゲイトウエイ設置場所を数キロ範囲の中から選べるとなると、ソーラーパネルの設置場所として日当たりの良い場所を確保することも容易になる。

LoRa 通信・ソーラー発電を組み合わせた新型のび太システム

ノード

以上のように LoRa 通信と受信からネット送信まで可能な一体型ゲイトウエイを組み合わせたシステムでこれまでのインターネットエリア外の問題や電源確保の問題をかなり解決できるものと思われる。この LoRa 通信と独立電源について社内試験を行っているので開発途中ではあるが一部を紹介する。

市内災害現場での独立電源試験
松江市内の現場でソーラー発電によるパイプひずみ計と水位計のインターネット試験観測を行っている。ひずみ観測はパイプひずみ計 30 本と水位計（ひずみ式）をひずみロガーに接続（30ch）し、ロガーからシリアル出力（RS435）でデータをゲイトウエイに送り、インターネット経由で藤井基礎サーバーに送るものとした。シリアル変換を行うひずみロガーは比較的電力消費が大きいため、システムに使用する独立電源の電圧維持能力を試すのに適している。

ひずみ・水位観測システム全景

ソーラーパネル ３０W

ひずみ・水位ロガー

密閉式バッテリー 28Ah

ゲイトウエイ

サイクルバッテリー30Ah本試験では試験的にひずみ・水位データを収集して藤井基礎サーバーから関係者にデータグラフを配信しているが、ここでは独立電源の電圧モニター結果のみ紹介する。（現在進行中の災害現場であるため地盤データは非公開）
システム電圧（ゲイトウエイ・ロガーへの入力電圧）のモニターは機器設置より継続して行われている。
バッテリーは設置日から 2020 年 4 月 3 日までは通常の密閉式バッテリー28Ah、

4 月 3 日～4 月 28 日はディープサイクルバッテリー30Ah、4 月 28 日～現在（継続中）はディープサイクルバッテリーを 30Ah を 2 個並列としている。ソーラーパネルは設置日から現在まで 30W 単結晶パネルを使用している。
独立電源（ソーラー発電）出力電圧（システムへの入力電圧）の推移
2020 年 2 月 25 日

密閉式バッテリー～

6 月 29 日現在
ディープ

ディープ

サイクル×１サイクル×２（並列）DC12V

設置からしばらくは悪天候が続いたため、3 月に十分な蓄電が行われた後の電圧低下の比較になるが、通常の密閉式バッテリーでは不日照が 1 日で 12V ラインを切るのに対し、ディープサイクルバッテリーは 2 日の不日照でも 12V 以上を保つ。2 個並列とした場合は 3 日不日照でも 12V 以上を維持している（6 月 13 日前後の豪雨時）
独立電源のソーラーパネル起電力とバッテリー容量の決定はこれまで使用機器の仕様書から計算で求めていたが、実際に電力をモニターして推移を調べたことはなかった。独立電源（ソーラー発電）で観測システムを稼働させるなら、システムがある程度の不日照期間に耐えなければならない。今後も試験は継続し、ソーラーパネルの起電力による違い、チャージコントローラーの充電方式（PWM や MPPT）による充電率の違い、バッテリー容量やバッテリーの種類などによる違いなど調べていく予定である。この試験は、今後、実際に屋外で稼働させるソーラー発電システムの構成を検討する上で重要な目安を与えるものになると考えている。

LoRa 通信によるインターネット観測
前回研修会で報告した LoRa 通信による松江市内比津川・北田川水位観測（島根県産業振興財団 ITOC、島根情報処理センターとのシステム共同開発、防災システム構築試験）は今年 3年目に入り、LoRa 通信によるモニタリングはシステムの改良を継続しながら続いている。この試験で得られた通信上の問題点を改良し、水位計のデータより一桁高い分解能が要求される伸縮計データを収集、送信できる通信機を新たに開発、実際に設置された伸縮計に接続してLoRa 通信によりゲイトウエイに送り、さらにインターネット経由でサーバーに送ってグラフ化し、再配信するシステムを製作、藤井基礎グループ敷地内に設置している。
（現在、データ通信を試験中）

伸縮計側 送信・受信機・ソーラーパネル

システム全景 移動杭側

受信側（ゲイトウエイ）；左送信側（LoRa 通信機）

チャージコントローラー；右伸縮計ロガー

伸縮計・受信機 側面

バッテリー（サイクルバッテリー×２）

2020 年 6 月末現在、送信側（伸縮計側）と受信側（ゲイトウエイ側）はごく近接した場所に設置してある。先ずこの状態で伸縮計データの送受信およびインターネット経由で藤井基礎サーバーにデータを送り、図化（グラフ化など）して WEB ページ配信を行い、閲覧できることを確認する。この後、LoRa 無線により数キロ離れた場所からのデータ通信の安定性を調べる予定としている。
（このシステムで遠隔地との通信を行う場合、受信側を遠隔地に移設する）

おわりに
IoT の分野では 5G に代表される高速・大容量のデータ転送技術の進展とは別に低速・長距離・省電力の LPWA（Low Power Wide Area）通信も導入が進んでいる。当社においても LoRa（LongRange）通信の採用や省電力型ゲイトウエイの採用など「のび太安全管理システム」も最新の技術を取り入れて姿を変えようとしている。今回の報告で一部紹介した新通信方式（LoRa）と独立電源によるシステム稼働の試験は、これまで導入できなかった現場への導入やシステ
ム稼働中の様々な問題点の解決を図る上で特に重要な部分である。
確かに IoT 分野の通信機器の進歩は目覚しい。機器メーカーや販売会社は IoT ソリューションと称する様々な計測や制御システムを提案するが、そのほとんどが机上で組み立てられた理想的な環境で動作するシステムにすぎない。しかし、実際の山中の現場は理想とかけ離れている。電源もなければ通信状況も悪い、そのような現場で電源をどう確保するのか、ソーラー電源を使用する場合、設置場所や現場の日照に合わせたパネルやバッテリーの容量はどうするのか、通信機やアンテナはどのように設置するのが良いか、配線はどうするのか、障害物のある場合、通信距離はどのようになるのか、通信が届かなければどうするのか、野生動物によるシステムへの被害をどう防ぐのか、など実際の現場にシステムを導入する際の問題点に対してはほとんど解決策を提示していない。顧客のためのソリューションと言いながら、動作する環境を顧客に全て準備してもらわなければ満足に稼働しないシステムが本当に顧客の求めるソリューションだろうか。
当社はシステムを単に開発して売るだけでも、機器を購入して使用するだけでもない。自分たちで開発した機器を現場で実際に使用し、そこで生じた様々な問題をシステムの修正、改善に繋げ、新たなシステムを構築していくことができる。本報告で紹介したフィールド試験や、実際の施工現場への導入による経験から、真に顧客が満足するシステムを開発・構築し、提案していくのが当社の役割と考えている。