専攻分野 工学

専攻区分 電気電子工学

テーマ：小型環境モニタリング装置

キーワード科目：電気・電子計測

氏名：菅埜　諒介

目 次

1 はじめに 1

2 モニタリングシステム 3

2.1 モニタリングシステムの概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 モニタリング装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3 ハイブリッド発電システム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.4 モニタリングサーバ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.5 モニタリングシステムの課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 改良型モニタリングシステム 8

3.1 改良型モニタリングシステム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.2 小型モニタリング装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.3 改良型モニタリングサーバ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.4 モニタリングシステムの比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4 おわりに 14

参考文献 15

1 はじめに

環境モニタリングとは,本来は環境アセスメントに関わるものである.ある地域の環境調

査に基づき,環境の人への影響を評価するものだ.

現在に至るまで,発電所やごみ処理施設周辺の大気を調査し近隣の環境への調査などに利

用されてきた.

近年では風力発電所周辺の騒音や発電機自体の軸受の異常をモニタリングしている.これ

は洋上風車などでは簡単に保守点検が困難なために,遠隔地から状態を把握するために多く

のメリットがあるためだ.

東日本大震災以降の放射線量のモニタリングは記憶に新しい.各自治体の職員が手動で測

定したものを公開している例もあったが,その方法では測定条件にばらつきがあり,使用す

る機器が異なれば定量的な測定とはいえないなど多くの問題があった.

気象庁が提供しているアメダス（AMeDAS）の気象データは精度の高いが,観測点の間

隔が,21[km]間隔であるので微視的な地域のデータとしては取り扱うとこが出来ない. 以上

のようなことから,環境をモニタリングの需要は多岐にわたるが,共通している特徴を以下

に列挙する.

• 遠隔地からリアルタイムなデータ取得が可能であること

• 長期的なモニタリングが必要不可欠であること

• 測定条件を統一することで精度の高いデータが得られること

• 局地的なきめ細かいデータが求められること

上記のことから,環境モニタリングを行うシステム（以下,モニタリングシステム）には以

下のものが必要である

• 共通の筺体,センサを備えており,データを送信できるネットワークに接続されている

こと

• データを保存,管理するサーバ

• 局地的な測定が行える場所に複数台を設置すること

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以上のことをモニタリングシステムの例としてFig.1に示す. モニタリングシステムとは温

度,湿度などの種々のセンサーを搭載した機器を設置し,ネットワークを通じてセンサデー

タを送信し,データベースなどに蓄積・管理を行い遠隔地から閲覧できるシステムである.

センシングを行い,データの送受信を行う機器（以下,モニタリング装置）は多く市販され

ているが,屋外の環境に耐えられないものや,システムの安定性が確保できないもの,正確な

計測ができないものなど課題は多い.

本稿では,モニタリング装置,またモニタリングシステムを実際に設置し課題を検証.アプ

リケーションの一つとしての農業分野への応用例を報告する.

Fig. 1: モニタリングシステムの例

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2 モニタリングシステム

2.1 モニタリングシステムの概要

今回設置したモニタリングシステムの概略図を Fig.2に示す.モニタリング装置は計 4台

農地に設置されており,2台のハイブリッド発電システムから電力を供給されている.モニタ

リング装置には親機と子機があり, 約 1[km]離れた無線 LANアクセスポイントに接続され

ているのは親機のみである.子機は親機自体が設定しているアクセスポイントに接続する形

となっている.なお,このアクセスポイントは一般的な携帯端末なども接続可能だ. このネッ

トワークを通じてモニタリング装置からの気象・土壌データは鶴岡高専内のサーバに送信

される.データはデータベースに保存される.また,Webサーバも兼ねており外部からWeb

ブラウザなどを用いてアクセスすることでデータの閲覧を行える.

Fig. 2: モニタリングシステムの概要

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2.2 モニタリング装置

モニタリング装置の外観を fig.3に示す.図中に示す種々のセンサが搭載されている.支柱

となる金属製のポールは地面にしっかりとこていされているため,強風にも耐えうる構造に

なっている. センサ類は金属製のポールに固定されそれぞれが独立しているため,交換が容

易であり,細かなパーツに分けることができるため可搬性を持っている. 電源は内蔵してお

らず,電力はすべてハイブリッド発電システムからの供給で動作する.装置には親機と子機

がそれそれ 2台設置されており,親機のみが約 1[km]離れたアクセスポイントに接続してい

る. 子機は親機が設定するアクセスポイントに接続している.

複数に分けて運ぶことが可能だが,現地で組み立てる手間がある.また大型であることは農

作業などに支障を来す可能性もある.

Fig. 3: モニタリング装置

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2.3 ハイブリッド発電システム

ハイブリッド発電システムの外観を fig.4に示す.太陽電池や風力発電機などの異なった

種類の発電機を組み合わせた発電システムのことをハイブリッド発電システムと呼んでい

る．風力発電と太陽電池の組み合わせの例が最も多く，特に実用目的の小規模な発電シス

テムでは，風力発電機単独で使用されることは稀で，太陽電池と組み合わせたハイブリッ

ド発電システムが採用される場合が多い．自然エネルギー発電は，気象状況によって左右

される発電方式のため，特性の異なった発電機を複合利用することで，偏った発電特性を

平均化できるメリットがある．日射量が多く得られる春から秋にかけては太陽光発電が活

躍し，日射量が不足しがちで平均風速が大きくなる冬季間は風力発電が活躍するなど，相

互の負特性を補い合うことが出来る．今回使用したシステムは図中に示す発電容量と蓄電

池容量を備えたもので構成されている. このシステムが計二台設置され,それぞれが二台の

モニタリング装置に電力を供給している.

Fig. 4: ハイブリッド発電システム

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2.4 モニタリングサーバ

データベースサーバーはRubyスクリプトを用いて SQLiteデータベースにデータを保存

している.また,Webサーバー機能も有しており,Apacheを用いている.一般的なWebブラ

ウザでアクセスすることにより Fig.5のような結果が得られる. PHPスクリプトを用いて

現在のカメラからの画像やセンサデータを閲覧できる.専用のソフトウェアは不要でWeb

ブラウザ機能を搭載した端末ならアクセスできる.

Fig. 5: モニタリングサーバ

6

2.5 モニタリングシステムの課題

　設置や運用を通して,いくつかの課題を見つけた.

　一つは装置が大型であることだ.モニタリング装置とハイブリッド発電システムいづれも

分解し運搬した後現地で組み立てを行うため設置が容易ではない.また大型であることは農

作業を妨げる可能性がある.

　また消費電力の大きさも問題となった.モニタリング装置の消費電力は 20[W]である.消

費電力が大きいほど大容量の発電システムと蓄電が必要であり,大型になる.

　コストの高いことも課題だ.モニタリングシステムを構築する上で複数のモニタリング装

置を用いることになり,一台あたりのコストは増えればシステム全体のコストが増加するの

は避けられない. この課題は上記の二つの課題と深く関わっている.装置が大型になればコ

ストは増加し,消費電力が大きくなるにつれ大型のバッテリーが必要になるのでコストは増

加する.

　多くの画像データやセンサデータを送受信するためサーバにかかる負荷が大きいことも

判明した. 　以上のことから課題に対する改善策を以下に列挙する

• 容易に設置・持ち運べる小型の装置を開発すること

• 低消費電力にし小規模な発電システムで運用できること

• 小型化・省電力化の改良を行いコストを下げること

• サーバの負荷を軽減すること

　以上のような改良を加えた,小型モニタリング装置を用いた改良型モニタリングシステム

の開発を行った.

7

3 改良型モニタリングシステム

3.1 改良型モニタリングシステム

　前述の課題を受け改良を行った,小型モニタリング装置を用いた改良型モニタリングシ

ステムの概略図を Fig.6に示す.

　小型モニタリング装置は電源を内蔵しており単体での動作が可能となった.通信方式は無

線 LANからXBee（Digi International製）という無線通信モジュールに変更した. 小型モ

ニタリング装置で測定されたセンサデータはXBeeのネットワークを通じて親機に送信さ

れる小型モニタリング装置には親機が存在するが,親機にはセンサなどを搭載しておらず

小型モニタリング装置から受け取ったセンサデータをサーバに送信することを担っている.

センサデータは研究室内のサーバに送信される.送られたセンサデータは,サーバ内のデー

タ書き込み PHPスクリプトによってテキストデータに書き込まれる. このスクリプトは

CRONというサービスで 15分おきに自動的に実行されるので手動で実行する必要がない.

　Webブラウザを用いて表示 PHPスクリプトにアクセスすることでセンサデータの閲覧

が行える.また,グーグルのサービスを用いることでテキストデータとしてだけでなくグラ

フデータとして表示することが可能となった.

Fig. 6: 改良型モニタリングシステム

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3.2 小型モニタリング装置

　小型モニタリング装置の外観をFig.7に示す.高さ 1500[mm],幅 400[mm]となっており,

従来型と比較し小型化に成功した.コンクリートブロックに固定したステンレス製のポー

ルに防滴仕様のケースに回路やセンサが収められている. 搭載しているセンサは図中に示

す通りであり,最低限の機能を有することを目的としたためカメラは搭載していない.大き

な特徴として,発電システムを内蔵することにより小型かつ軽量であることだ. 太陽光パネ

ルを搭載し,発電された電力は充電コントローラを介して鉛蓄電池に充電されシステムに

電源を供給する.よってモニタリング装置単体での動作を可能とした. マイコンボードには

Arduinoを使用した.これはオープンソースのハードウェアとソフトウェアによる組み込み

システムである.Arduinoの特徴を以下に列挙する.

• 安価で入手性がよいこと

• シールドと呼ばれる規格化された基板でハードウェアの拡張が容易にできること

• 無料の開発環境で開発でき,多くのライブラリが公開されていること

　上記のことから試作や開発に適した組み込みシステムであることから使用した.

　従来型において無線通信には無線LANを用いていたが,小型モニタリング装置ではXBee

（Digi International製）という無線モジュールを用いた.XBeeの特徴を以下に列挙する.

• 安価・小型・低消費電力であること

• 使用するにあたり免許が不要であること

• 複雑なネットワークトポロジの構成が可能であること

　上記のことから,今回の改良に非常に適していると判断されたために使用した.公開され

ているArduinoのライブラリにXbeeを使用するライブラリがあり,また,ArduinoにXBee

を接続するシールドも市販されているため開発が行い易い.

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Fig. 7: 小型モニタリング装置

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3.3 改良型モニタリングサーバ

　モニタリングサーバはFedoracore13 によって構築したサーバであり，PHP はApache

の環境を用いた．データ書き込みPHPスクリプトは親機からGET送信されたセンサの値

を受け取り，テキストデータに書き込む．　日時の取得には PHPの関数である,date関数

を用いた．date 関数とは，実行したときの時刻を取得する関数である．今回は実行して取

得した日時データを温度データと共に書き込むことで，日時の判別を行う仕様とした．し

かし，date 関数から取得した時間とモニタリング装置がセンサデータを測定した時間が異

なるという問題点があるので，現在はNTPサーバから取得する方法を検討している．GPS

モジュールよりハードウェア的に取得することも可能ではあるが，ハードウェアはリソー

スが制限され，コストがかかる上に保守性も悪いので今回は行わない．

　このプログラムを cron によって自動実行を行った．cron とは，決まった時間や一定の

時間ごとに処理を行うサービスである．今回は一定の時間ごとに PHPスクリプトを実行

するという目的で利用した．実行間隔は 15[分]である.よって,実際にセンサデータが測定

された時間と,書き込みスクリプトが実行され日時を取得した時間の誤差は最大でも 15[分]

ということになる. 測定対象は気象のため急激な変化はないものとし,この時間のずれに関

しては問題としないこととした.

　PHP スクリプトはwhile によってループすることで常に実行することが可能である．し

かし，その方法は推奨されない．なぜならサーバへの負荷が大きいためである．常に実行

する必要がないものは，決まった時間に実行することでサーバへの負荷を軽減することに

つながる．PHP のデフォルトの設定で 30 秒以上経過するとタイムアウトエラーになるの

も負荷軽減のためである．

　Webサーバ機能を利用し,Webブラウザを用いてアクセスすることでFig.8のような結果

が得られる. データを閲覧したい日付を入力することで,データの閲覧が行える.Googleの

サービスを用いることでテキストデータだけでなくグラフデータの表示も可能となった.

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Fig. 8: 改良型モニタリングサーバ

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3.4 モニタリングシステムの比較

　従来型モニタリングシステムと改良型の比較結果を Table.1に示す.比較項目は価格,

容積,消費電力である.いずれも削減率を-80[%] 以下にすることができた. 当初の仮定であっ

た,消費電力の低減と小型化を図ることでコストも抑えることができる,ということが非常

に顕著に現れた結果となった. 目的としていた,小型・安価・低消費電力のモニタリングシ

ステムの開発に成功したといえる.

　しかしながら,最低限の機能を実装しているので従来型と比較し,センサの種類や精度で

劣る部分が多々ある.今後は,コストや機能,容積を見極めながら機能を実装していく必要が

ある. また,安定性に関して,今現在は実験の段階である.さらに長期的なモニタリングを行

い,安定的にデータが取得できるかについて検証していく予定だ.

Table. 1: 従来型モニタリング装置と改良型の比較

比較項目 従来型 改良型 削減率

価格 100[万円] 3[万円] -97[%]

容積 3[m3] 0.4[m3] -86[%]

消費電力 20[W] 1[W]以下 -95[%]

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4 おわりに

ネットワークが発達している現在,モニタリングシステムは多くのことに利用されてお

り,今後も多くの分野に応用されていくと考えられる. しかし,研究をすすめる上で多くの

課題を抱えていることがわかった

農業分野での応用という目的で研究を行なってきたが,農作物と気象の因果関係が未知の部

分が多く未開拓の分野である.このことについても盛んに研究が進められている. そのひと

つの方法として,モニタリングは重要な位置を占めている. ICTとは無縁と思われていた農

業分野での応用は今後さらに広がりを見せるだろう.

　この研究を通して多くのことを学ぶことができた.強電,弱電の知識はもちろん,計測,ネッ

トワーク,サーバの構築など多くの分野の知識が必要であった. 改良型のモニタリングシス

テムは従来型と比較し,価格,容積,消費電力の観点から大きく改善が見られた.現在は最低

限の機能にとどまっているが,今後はさらに機能面を拡張していく予定だ. また,長期的な

モニタリングを行い,安定性の検証を行う.

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参考文献

[1] 参考文献

[2] 参考文献

[3] 参考文献

[4] 参考文献

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