3G shield for Arduino. 3G Shield Alliance. Presentation by Kohta Ohshima.

1. 野外センサネットワークに関する開発研究
～環境モニタリングにおける需要と自然環境への設置～
東京農工大学大学院 工学研究院
大島 浩太

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背景
無線通信機能を備え、プログラマブルな制御ができ、安価
に利用できる様々な機器が登場
– Arduino, mbed, gainer, Funnel I/O(→Arduino Fio), wiring，
SunSPOT，MOTEなど
– フィジカルコンピューティングやプロトタイピングで広く活用
無線センサネットワークでの研究利用とプロトタイピングに
期待
– 小型なので設置しやすい、安価なので多く設置できる(故障時の
リプレースも低コストで可能)
– 無線化することで、手動でセンサデバイスの計測情報を管理す
る手間を最小化
– 多数設置することで、より詳細な面的な環境情報が取得可能に

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目的
「環境モニタリングを対象とした、野外無線センサネット
ワークの研究開発」
– 研究としては、“自然環境の変化が通信効率に与える影響を
考慮した無線センサネットワークの通信制御”がテーマ
– 実際に作ろうとしているものは、農学分野の研究利用を想定
した、環境モニタリング用途の無線センサネットワーク
本発表の内容
「環境モニタリングにおける需要」
「野外に設置する場合の検討ポイント」

4. 環境モニタリングにおける需要 4
無線センサネットワークの適用を想定している自然環境
環境センサは基本的に手動管理、故障時は目視で確認・対応が基本
FM多摩丘陵 FM津久井
(波丘地) (平地)
監視カメラ
様々な環境センサ
(スタンドアローン)
FM唐沢山
(山)

5. 環境モニタリングにおける需要 5
環境モニタリングシステムに求められること
利用者側のニーズ
– 手間をかけずに遠隔地から環境情報を取得したい
• 手動のデータ回収は面倒＆機器故障時のデータ欠落
– 意味のあるデータを「測定」したい
• 「代表性」のある場所、「特定の物体の近辺」などへの設置
システムに関する要件
– バッテリ消費の抑制や充電
• 電源が確保しづらいためバッテリ駆動, 太陽光発電は日照量が…
– 不規則なネットワークトポロジーへの対応
• 測定対象が決まっていると、規則的な設置が難しい
– 耐障害性
• 故障を早期に検知し、対策を取りたい

6. 環境モニタリングにおける需要 6
環境モニタリングシステムの要件定義のために…
無線センサネットワークは、利用目的によって開発
システムの要件が様々に変化
– 例1：電源が確保でき、設置ノード台数が少ない→Zigbee
による通信で十分
– 例2: 電源が確保できず、設置ノード台数が多い→Zigbee
では不十分…
予め要件を検討したうえで、適切に機能を設計する
必要がある
Zigbeeノード種別
Coodinator (要電源)
Router (要電源)
End Device (電源不要)
※End Deviceはスリープ可能
Star Mesh Cluster Tree

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野外に設置する場合の検討ポイント
耐環境性能
自然環境の変化が通信に与える影響

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耐環境性能
自然環境に設置する場合、機器の故障対策が
必要
故障原因は様々
– 雨： 水は電子機器の大敵
– 風： 落下/転倒などの衝撃
– 雷： 落雷が地面を這って電子機器に影響(対策難)
– 動物： いたずらされる(対策難)
– 虫： センサデバイス内に侵入…機器の動作や計
測精度に影響

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耐環境性の確保
耐環境ボックスを利用
– 雨： 対策可、風：きちんと設置すれば…
– 雷、動物、虫： 抜本的な対策は難しい？

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自然環境の変化が通信に与える影響
2.4GHz帯(ISM帯)電波は水分吸収により減衰
– この周波数帯は、空気中の水蒸気や雨滴の影響は小
さいが、周囲の水分量を含む媒質により吸収
– 異なる天候下で実施した予備実験において、無線通
信効率に顕著な差
• 気温、湿度、太陽放射、人間の活動、etc…様々な要因が影響を与える
– 免許不要で安価に利用できるが…
→通信帯域、通信可能距離、被覆率に影響
計測実験を実施してみました

11. 自然環境の変化が通信に与える影響 11
通信効率計測実験の概要
自然環境に設置した通信効率計測用無線センサノード
を長期的に運用
– 2011年05～2012年3月(継続中)
FM多摩丘陵(波丘地)内の平地に3台の計測用センサ
ノードを設置
– 計測用センサノードは15m間隔で設置
• 経験的に良好な通信ができる距離を設定
– 電源は確保し、長期的な運用を可能に
– Linuxの豊富な計測ツールを利用するため、2.4GHz帯の
802.11gを使用
– 通信帯域、信号強度、温度、湿度、気圧を計測
• 環境情報センサは一般的に入手しやすいものを利用

12. 自然環境の変化が通信に与える影響 12
計測用センサノード
項目 仕様
Model IdeaPad S10-2
OS Ubuntu 9.04
CPU Inten Atom 1.6GHz
Netbook RAM 1024MB
Wi-Fi 802.11b/g (ad-hoc)
Wireless Controller Broadcom BCM4315
Encryption none
センサデバイス
耐環境ボックスにネットブックを格納し、ボックス外に暴雨対
策を施したセンサデバイスを設置
※意外と壊れにくく、調査期間内は暴風→転倒→水没で1台だけ故障
耐環境ボックス: WB-13AJ (未来工業)、センサデバイスは自作のケースで耐環境性能を確保

13. 自然環境の変化が通信に与える影響 13
使用したセンサデバイス
TMP6000 (Light)
5cm
SCP1000 (Atmospheric Pressure, Temperature)
SHT15 (Temperature, Humidity)
USBWeather v2
(SparkFun Electronics)
型番 計測対象 仕様
atmospheric pressure +/-150 Pascal
SCP1000
temperature +/-0.3 degrees C
SHT15 humidity +/-2 %
USBインタフェースで接続, Arduino/Wiringでも簡単に利用できる
9600bps 8-N-1接続, 1Hzサンプリング

14. 自然環境の変化が通信に与える影響 14
調査地と周辺地形(波丘地)
計測実験実施場所
(起伏が少ない平地部分)
東京都 八王子市・FM多摩丘陵(農工大演習施設)

15. 自然環境の変化が通信に与える影響 15
計測機器の設置状況
Sensor Node C
15m
Sensor Node A Sensor Node B
15m

16. 自然環境の変化が通信に与える影響
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ノードの拡大図
Sensor Node C
Sensor Node A Sensor Node B
Sensor Node A 15m Sensor Node B 15m Sensor Node C
Power Supply
Power Supply Power Supply
移動型スタンドに設置 固定柱に設置

17. 自然環境の変化が通信に与える影響 17
計測ツールとタイミング
無線信号強度(Level):
– iwconfig (Wireless-Tools ver.29)
帯域計測:
– IPerf (ver.2.0.4)
使用言語:
– Perl (サンプリングとタイミング制御)
– C言語 (センサデバイスとネットブック間のインタフェース)
Sensor Node Sensor Node
10秒毎 10秒毎
iwconfig iwconfig
IPerf 10秒毎 IPerf
(Server) TCP (Client)
1秒毎 1秒毎
IEEE 802.11g, 2.4GHz, ad-hoc, 15m/30m
センサデバイス センサデバイス

18. 自然環境の変化が通信に与える影響 18
計測結果 -15m間隔(B～C)-
Aが台風による強風で転倒 Aが暴風雨による強風で転倒・故障(水没)
緑線は1時間当たりの平均
黒線は全データをプロット
梅雨の期間は非常に不安定、それ以降は比較的安定
台風によるノード転倒中の通信帯域は非常に低く、1台故障中は向上
安定性の傾向はA~B, B～C間で類似(ただし最大・最小値, 変動幅は異なる)

19. 自然環境の変化が通信に与える影響
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計測結果 -30m間隔(A～C)-
Aが台風による強風で転倒 Aが暴風雨による強風で転倒・故障(水没)
緑線は1時間当たりの平均
黒線は全データをプロット
15m間隔に比べて30m間隔は全体的に不安定
台風による転倒中は通信帯域が低下

20. 自然環境の変化が通信に与える影響 20
計測結果からの考察
1. 見通しの良い場所で同一距離に設置すると電波減衰傾向は
類似
2. 設置距離が長い場合、通信効率は長期的に不安定
3. 長期間の通信効率変動には安定期間と不安定期間が存在
4. 1日程度の短期間の通信効率変動の平均値は安定
5. 障害が発生した場合、通信効率に通常とは異なる変動傾向
6. 遠方ノードとの通信の方が、近隣ノード間に比べて良い通信効
率を示す状況が存在
7. 正常な通信が難しくなる程度まで電波が減衰する状況の発生
8. 通信効率と受信電力の変動傾向は類似

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Arduino 3Gシールドへの期待
Zigbee(802.15.4)やWi-Fi(数十m)に比べて、3Gは電波到
達範囲が広い(数km)
– ネットワークインフラの整備なしに計測情報をインターネットに送信で
きる！
– SMSを使って、無線センサネットワークの管理者の携帯電話に直接
メールできる！
GPS：位置を特定
GPS：正確な時刻の取得
価格・ランニングコストが手頃！
インタフェースが汎用的
無線センサネットワークにおける利用に期待

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まとめ
野外センサネットワークの研究開発について
、環境モニタリングにおける需要と、野外に設
置する場合の検討ポイントについて述べさせ
て頂きました
「Arduino + センサー + 3Gシールド」という
組み合わせは無線センサネットワークに重要
な要件を満たすことができる
– 長距離通信、ネットワークインフラレス、GPSによ
る位置と時刻の取得…
今後の3Gシールドの発展に大きく期待