インテリジェントホームオートメーションシステムアーキテクチャ設計書 · インテリジェントホームオートメーションシステムアーキテクチャ設計書

基盤ロボット技術活用型オープンイノベーション促進プロジェクト

インテリジェントホームオートメーションシステムアーキテクチャ設計書

文書管理情報

[ 文書情報 ]

文書番号 PX022D-SP-010

版数 3.0

発行日 2011.3.29

発行元株式会社セック開発本部第四開発部

プロジェクト番号 PX022

プロジェクト名称基盤通信モジュール RT ミドルウェア研究開発

配付先なし

[ 確認欄 ]

作成者株式会社セック開発本部第四開発部豊田光弘

審査者株式会社セック開発本部第四開発部中本啓之

承認者株式会社セック開発本部第四開発部長瀬雅之

Copyright© 2011 Systems Engineering Consultants Co., Ltd. All Rights Reserved.


－i－

改版履歴

版数改版日改版内容備考

1.0 2010.4.30 新規作成なし

2.0 版数合わせ

3.0 2011.3.29 ハードウェアのスペックを最新の情報に反映


－ii－

目次

改版履歴........................................................................................................................ I

目次.............................................................................................................................. II

1 総則........................................................................................................................ 1

1.1. 目的 ...........................................................................................................................1 1.2. 関連文書....................................................................................................................2

2 アーキテクチャ設計 ................................................................................................ 3

2.1. ハードウェア構成 .....................................................................................................3 2.2. ソフトウェア構成 .....................................................................................................5 2.3. データフロー.............................................................................................................8 2.4. コンポーネント構成..................................................................................................9

2.4.1. RTC 構成 ...........................................................................................................9 2.4.2. 複合コンポーネント ........................................................................................11 2.4.3. Bridge RTC .....................................................................................................12

3 付録...................................................................................................................... 13

3.1. 用語一覧..................................................................................................................13


－1－

1 総則 1.1. 目的

独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構では、ロボットの基盤技術の標準化、

及び活用事例の創出を目的とし、「基盤ロボット技術活用型オープンイノベーション促進

プロジェクト」を実施している。このプロジェクトでは、ロボット技術の応用アプリケ

ーションとして住宅といった建築内におけるインテリジェントな環境分散型ロボットシ

ステムのビジネス展開を目指し、ホームネットワークシステムを開発する。そして、こ

のホームネットワークシステムにおいて、建築物内に分散させた RT 要素部品を連携動作

させることで、建物の品質管理及び利便性が向上することを実証する。

このプロジェクトのテーマの 1 つに、「基盤通信モジュールおよび開発ツールの開発」

がある。基盤通信モジュールは、RT システム上のネットワークへ接続する際にデバイス

と RT ミドルウェアとのアダプタの役割を果たし、これにより既存のデバイスを利用して

容易に RT システムが構築可能になる。この基盤通信モジュールの開発に関するサブテー

マとして「RTC-Liteフレームワークに基づく基盤通信モジュールRTミドルウェアの開発」

がある。このテーマでは、OpenRTM-aist と相互運用可能であり、基盤通信モジュール上

で動作可能な RT ミドルウェアの開発を行なう。

プロジェクトの別のテーマとして、「RT 要素部品群による RT システムの開発・検証」

がある。このテーマでは、基盤通信モジュールと既存のセンサ、及びアクチュエータな

どの要素部品を接続することにより、これまで煩雑な作業であった要素部品のネットワ

ーク接続や RT システムへの参加を可能とする「ＲＴ要素部品」の開発を行なう。この開

発に関するサブテーマとして「プラグアンドプレイ機能を実現する統合ミドルウェアの

開発」があり、このテーマでは、OpenRTM-aist とアプリケーションの中間に位置し、RT

システムに対してプラグアンドプレイ機能や、RT システムのステータス監視などの機能

を提供する統合ミドルウェアの開発を行なう。

本書では、今回開発するホームネットワークシステムのアーキテクチャ設計について記

述する。


－2－

1.2. 関連文書

本書に関連する文書を表 1-1 に示す。

表 1-1 関連文書一覧

No 文書番号文書名

(1) －「基盤ロボット技術活用型オープンイノベーション促進プロジェク

ト」に係る委託業務実施計画書


－3－

2 アーキテクチャ設計 2.1. ハードウェア構成

ホームネットワークシステムのハードウェア構成を図 2-1 に示す。ホームネットワーク

システムは、ホームコントローラ、RT 要素部品管理モジュール、基盤通信モジュール、

小型通信ドライバモジュール、及び各種デバイスによって構成される。

ホームコントローラは１軒の住宅内に 1 台程度配置するもので、タッチパネルを有した

高性能な組み込み型 MPU である。住宅内の全ての設備を統合しており、ユーザとのイン

タフェースやインターネット上のデータセンターとの通信などを行なう。住宅内に配置

される全ての設備機器の全てをホームコントローラで管理することが難しいため、複数

の設備機器を統合する機器として、RT 要素備品管理モジュールを配置する。RT 要素部品

管理モジュールは部屋毎もしくはブレーカー毎に配置される。基盤通信モジュールは端

末のセンサやアクチュエータを制御するものであり、窓や屋外センサなどの設備機器ご

とに配置される。小型通信ドライバモジュールもデバイスを制御するものであり、住宅

内に大量に配置される。

図 2-1 ハードウェア構成

アクチュエータ人感センサ

温度センサ

湿度センサ

照明接触センサ

ホームコントローラ

RT 要素部品管理モジュール

基盤通信モジュール

(エンドデバイス)

小型通信ドライバモジュール

基盤通信モジュール (PLC/CAN)


(PLC/ZigBee)

インターネットデータセンター

※凡例 Ethernet 高速 PLC CAN ZigBee GPIO


－4－

図 2-1 に示したハードウェアの詳細を表 2-1 に示す。

表 2-1 ハードウェア詳細

名称仕様備考

ホームコントローラ汎用 PC 並み OS ：Windows RTM ：OpenRTM.NET

RT 要素部品管理モジュール CPU ：AM1808（375MHz） ROM ：2GB RAM ：256MB

OS ：Linux RTM ：OpenRTM-aist

基盤通信モジュール（PLC/CAN 版）

CPU ：SH7214（100MHz） ROM ：1MB RAM ：128KB I/F ：CAN

OS ：TOPPERS / ASP RTM ：RTC-Lite Manager + miniRTCs

基盤通信モジュール（PLC/ZigBee 版）

CPU ：SH7214（100MHz） ROM ：1MB RAM ：128KB I/F ：ZigBee

OS ：TOPPERS / ASP RTM ：RTC-Lite Manager + microRTCs

小型通信ドライバモジュール CPU ：Cortex（72MHz） Flash ：256KB RAM ：64KB

OS ：なし RTM ：miniRTCs

基通信通信モジュール（エンドデバイス）

CPU ：CC2530（16MHz） ROM ：256KB RAM ：8KB

OS ：なし RTM ：microRTCs

センサ/アクチュエータ

図 2-1 に示した通信プロトコルの通信帯域について表 2-2 に示す。

表 2-2 通信帯域

名称通信帯域備考

Ethernet 数 Mbps 以上

高速 PLC 数 Mbps 以上

CAN 1Mbps

ZigBee 250Kbps


－5－

2.2. ソフトウェア構成

ホームネットワークシステムのソフトウェア構成を図 2-2 に示す。本システムはモジュ

ールの構成に応じて、RTC-Liteをベースとした高速制御用RTC-Lite、低速制御用RTC-Lite、

及び OpenRTM-aist をベースとした統合ミドルウェアの 2 種類の RT ミドルウェアから構

成される。

高速制御用 RTC-Lite、及び低速制御用 RTC-Lite は、省資源なマイコンでも動作するよ

う機能を制限し、軽量な実装となっている。この RT ミドルウェアは、基盤通信モジュー

ル、及び小型通信モジュール上で動作し、通信プロトコルとして CAN と ZibBee を対象

としている。

統合ミドルウェアは、基盤通信モジュールの統合機能や、アプリケーションを構築する

ための機能を有する。この統合ミドルウェアは、RT 要素部品管理モジュール上で動作す

る。

図 2-2 ソフトウェア構成


デバイスRTC

ZigBee

低速制御用RTC-Lite


デバイスRTC

CAN

高速制御用RTC-Lite


OpenRTM.NET

CORBA

RTシステムサービス

ホームアプリケーション

アプリRTC


CAN Socket

アプリRTC

高速制御用RTC-Lite

RTC-Lite Manager


Socket

アプリRTC

ZigBee

低速制御用RTC-Lite

RTC-Lite Manager

RT要素部品管理モジュール

Socket CORBA

OpenRTM-aist

統合ミドルウェア

アプリRTC Bridge RTC


－6－

図 2-2 に示したソフトウェアの詳細について表 2-3、及び表 2-4 に示す。

表 2-3 ソフトウェア詳細（1/2）

ハードウェアソフトウェア処理内容備考

ホームアプリケーショ

ンタッチパネルなどを使用し、システム全体のコントロー

ルを行なう。住宅のモードの変更や各部屋の状況の表示を行なう。

RT システムサービス RT システムのデプロイメントサービス・ネーミングサ

ービス・ヘルスモニタリングサービス・ロギングサービ

ス・ビルディングサービスを提供する。

アプリ RTC ホームネットワークシステム全体を統括する RTC。


OpenRTM.NET Microsoft .NET Framework上で動作するRTミドルウェア

実装。RT ミドルウェアとしての全機能を持つ。開発対象外

Bridge RTC 基盤通信モジュール上で動作する複合コンポーネント

の代理コンポーネント。

アプリ RTC 「ブレーカー」や「部屋」毎に配置される RTC。

OpenRTM-aist 産業技術総合研究所が開発する RT ミドルウェア実装。

RT ミドルウェアとしての全機能を持つ。開発対象外

RT 要素部品管理モジ

ュール

統合ミドルウェア (RTCHub)

プラグアンドプレイ機能を実現し、起動した基盤通信モ

ジュール上のコンポーネントの Bridge RTC を自動生成

する。また、RT システム支援ツールと連携し、基盤通信モジ

ュール配下のコンポーネントの情報取得や、コンポーネ

ントに対するコマンド送信をRTC-Lite Managerとの間で

行なう。統合ミドルウェアと RT システム支援ツール、及び

RTC-Lite Manager との通信は、OpenRTM とは別の独自

のプロトコルを用いる。


－7－

表 2-4 ソフトウェア詳細（2/2）

ハードウェアソフトウェア処理内容備考

アプリ RTC 「窓」や「屋外センサ」などを制御する RTC。基盤通信モジュール

RTC-Lite Manager プラグアンドプレイ機能を実現し、起動したデバイス

RTC を自動認識し、RTS プロファイルを基に、デバイス

RTC の活性化や接続を行なう。また、基盤通信モジュール配下のコンポーネントを複合

化し、統合ミドルウェアから一つのコンポーネントとし

て扱うための仕組みを持つ。通信に関して、PLC と CAN/ZigBee のプロトコル変換を

行なう Gateway機能を有する。

高速制御用 RTC-Lite (miniRTCs)

OS は搭載せず、メインルーチンと割り込みルーチンに

より動作する RT ミドルウェア。デバイス RTC 同士の通

信を可能とする。通信プロトコルとして CAN を扱う。

小型通信ドライバモ

ジュール

デバイス RTC デバイスを制御する RTC。miniRTCs 環境で動作するコ

ンポーネントであり、RT ミドルウェアとしての機能は

制限される。

低速制御用 RTC-Lite (microRTCs)

M3T-MR30/4 上で動作する RT ミドルウェア。デバイス

RTC 同士の通信はできず、RTC-Lite Manager を経由する

必要がある。通信プロトコルとして ZigBee を扱う。


デバイス RTC デバイスを制御する RTC。microRTCs 環境で動作するコ

ンポーネントであり、RT ミドルウェアとしての機能は

制限される。


－8－

2.3. データフロー

データフローを図 2-3 に示す。

図 2-3 データフロー


小型通信ドライバモジュール / 基盤通信モジュール


miniRTCs microRTCs

データ送受信

コマンド送信コマンド返信ハートビートデータ送受信

データ送受信

miniRTCs microRTCs

RTCHub OpenRTM-aist

コンポーネント情報ハートビート

CAN / ZigBee

コマンド返信ハートビート

コマンド送信

ホームコントローラ高速 PLC

RT システムサー

ビス OpenRTM.NET

コマンド返信

コマンド送信

ホームアプリケー

ション

RT システムエデ

ィタ

コマンド送信（子）情報取得要求

コマンド返信（子）コンポーネント情報

コマンド返信（親）

コマンド送信（親）

データ送受信

RTC-Lite Manager


－9－

2.4. コンポーネント構成

2.4.1. RTC構成

本システムにおける RTC 構成例を図 2-4 に示す。

図 2-4 RTC 構成


ホームコントローラアプリRTC


人感センサRTC


窓施錠RTC


窓駆動RTC


温度センサRTC


湿度センサRTC


基盤通信モジュール基盤通信モジュール

RT 要素部品管理モジュール

室内センサRTC

※凡例高速 PLC CAN ZigBee

↑施錠状態 ↑開閉状態 ↑接触データ開閉コマンド / 接触データ↓ 施錠コマンド↓ ↑温度データ ↑湿度データ

↑モニタリングデータ ↑モニタリングデータ

↑モニタリングデータ ↑モニタリングデータ

モード変更通知 / ユーザによる指示↓

センサ情報↓

窓アプリRTC

部屋アプリRTC センサアプリRTC


－10－

図 2-4 に示した RTC 構成について、コンポーネントを扱う際は基盤通信モジュール配下のコンポーネントを複合化し、基盤通信モジュ

ール上の RTC を Bridge RTC として要素部品管理モジュール上へ配置するようにする。このように扱う RTC 構成を図 2-5 に示す。

図 2-5 複合コンポーネント及び Bridge RTC 化した RTC 構成


ホームコントローラアプリRTC


Bridge RTC

部屋アプリRTC


Bridge RTC

センサアプリRTC

RT リポジトリ

→RTS / RTC ID ←RTS / RTC プロファイル

※基盤通信モジュール 1 つ

につき、プロキシは１つ。

※基盤通信モジュールが複

数接続されれば、プロキ

シも複数になる。 ※プロキシ同士の接続もあ

りうる。


温度センサ RTC

湿度センサ RTC

室内センサ RTC


窓駆動 RTC

窓施錠 RTC

人感センサ RTC

窓アプリ RTC


－11－

2.4.2. 複合コンポーネント

基盤通信モジュール上にて、以下の状況を勘案し、基盤通信モジュール以下の複数のコ

ンポーネントをあたかも 1 つのコンポーネントであるかのように見せることとした。

下位の系は下位の系として閉じた状態にしたい。

末端のデバイスコンポーネントをプロキシコンポーネントとして見せるためには、

プロキシのプロキシを生成する必要があり、処理が複雑になる。

しかし、RTC の開発中においては、複合コンポーネント内の子コンポーネントを操作す

る必要がある。そのため、子コンポーネントの状態や接続状況を RTSystemEditor にて表

示できる必要がある†。

複合コンポーネントの仕様について以下に示す。

(1) コンポーネントの起動

RTS プロファイルにて、<isRequire/>と設定されているコンポーネントが全て起動

した時点で、「起動」として扱う。

(2) コンポーネントの状態遷移コマンド受信

複合コンポーネントに対して状態遷移コマンドが送信された際は、全ての子コンポ

ーネントに対してコマンドを送信する。

(3) 異常ケース

① コンポーネントの状態が不一致

Active／Inactive が混在している際は、Active として RTSystemEditor へ通知す

る。Error のコンポーネントが 1 つでもあれば、Error として扱う。

② コンポーネントがエラー状態に遷移

子コンポーネントが Error 状態に遷移した場合、RESET コマンドの自動発行

はしない。

†子コンポーネントの操作は、あくまで開発中にのみ必要となるものであり、運用中に子コンポーネントに

対して直接の操作は必要ない。


－12－

2.4.3. Bridge RTC

統合ミドルウェアは、以下の理由によりコンポーネント毎にプロキシを生成する方式を

採用しないこととした。

デバイスコンポーネント毎にプロキシコンポーネントを生成した場合、デバイスコ

ンポーネントが増えると要素部品管理モジュールの処理負荷が増える。

低速 PLC のネットワークトラフィックが増大する。

プロキシを生成する際は、図 2-6 に示すように基盤通信モジュールに格納された‡RTC

プロファイル、及び RTS プロファイルの情報を元に生成する。将来的には、基盤通信モ

ジュールから通知された ID を元に、RT リポジトリからプロファイルを取得するという

ことも考えられる。

図 2-6 RTC プロファイル及び RTS プロファイルの取得

‡基盤通信モジュール配下の RTC はサッシメーカなどが開発するため、出荷時に基盤通信モジュール内に

格納しておく。


RT リポジトリ

RTS / RTC プロファイル↑

RTS プロフ

ァイル RTCプロフ

ァイル


RTS プロフ


ァイル

RTS / RTC プロファイル↑


RTS プロフ


ァイル


Bridge RTC Bridge RTC


－13－

3 付録 3.1. 用語一覧

表 3-1 に用語一覧を示す。

表 3-1 用語一覧

用語解説

RT ミドルウェア様々なロボット要素を通信ネットワークを介して自由に組み合わせるこ

とで、多様なネットワークロボットシステムの構築を可能にする、ネット

ワーク分散コンポーネント化技術による共通プラットフォーム。 RT コンポーネント RT ミドルウェアにおいて、ロボットの機能要素ごとにモジュール化した

単位。 CORBA （ Common Object Request Broker Architecture）

OMG が定めた分散オブジェクト技術の仕様。異機種分散環境上のオブジ

ェクト(プログラム部品)間でメッセージを交換するためのソフトウェア

(ORB と呼ばれる)の仕様を定めている。具体的には、ORB の基本構造や、

プログラミング言語から ORB を利用する際の手順、異なる ORB 間で相互

にメッセージを交換する際の規定などを定めている。 CAN （Controller Area Network）

電子制御装置と自動車間の高速シリアルでのデータ交換のためのプロト

コル。 ZigBee 標準化近距離無線規格(IEEE 802.15.4)に基づいて策定されたワイヤレス・

センサ・ネットワークのプロトコル。

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