1.
Re:ゼロから始める感染隔離生活
を活用した
感染隔離生活のバイタルサインデータと環境データIoTモニタリング
2021年5月21日
AITCシニア技術者勉強会 IoTシーズン5 チーム生存確認
日下 宏

2.
いきなりですが作品名長いから短縮します
2
Re:ゼロから始める感染隔離生活
“リゼカン“と呼びます

3.
リゼカンを作成する社会背景と動機
3
突如として感染
隔離世界へ召
喚されてしまう
かも？
2021年5月16日
日経新聞より転載

4.
リゼカンの目的と解決課題
目的：隔離されたときの孤独環境下で急変するかもしれない健康状態の外
部通知と精神衛生の維持をラズパイで実現する。
隔離の課題
１．バイタルサインの簡単計測 体がヤバいかどうか本人や周
りの人が迅速に判断できないと急変、重症化して生命危機に陥
る。定期的な計測も重要
２．隔離部屋の良好な環境を維持 換気されたCO2濃度が低く
温度・湿度が適切で安全な室内環境が必要
３．精神衛生の維持 計測促進用にガイダンス音声を再生し、
合間の時間は音楽や動画再生して、精神衛生を良好に保つ仕掛
けが必要
4

5.
リゼカンのバイタルサイン計測内容
• 感染者がバイタルサインをセンサーで簡単に計測
計測対象：SpO2（血中酸素飽和度）、HR（心拍数）、体温
数値で重症化の有無を本人が確認できる
• バイタルサインを第三者がリモート監視
第三者が感染者のバイタルサイン計測値を離れた場所のPCで視覚的
に監視して重症化の有無を確認する
離れた場所（固定された場所）で生存・健康状態確認を実現
• バイタルサインを第三者のスマホへプッシュ型の通知
家族のスマホへ計測値自動通知
離れた場所（決まってない場所）で生存・健康状態確認を実現
5

6.
リゼカンのバイタルサイン計測（SpO2とHR）
パルスオキシメータ用のセンサーでSpO2（血中酸素飽和度）、HR
（心拍数）を数値化
SparkFun Pulse Oximeter and Heart Rate Sensor - MAX30101
& MAX32664 (Qwiic)を採用
6
真ん中の赤外線セン
サー部分に指を押し当
てる

7.
リゼカンのバイタルサイン計測（SpO2とHR）
SparkFun センサーからラズパイのPythonプログラミングで
数値を取ることが困難だった。
解決策：
Arduino UNOにセンサーを接続して
Arduinoプログラミング（スケッチ）で
行うことにした。
ラズパイとArduinoをUSB接続
（シリアル通信）して、センサー
データを取得
7

8.
リゼカンのバイタルサイン計測（体温1）
体温をサーモグラフィーセンサーで計測
8
８×８の２次元配列の数
値が得られる（画像は取
得できない）

9.
リゼカンのバイタルサイン計測（体温2）
体温計測が一番面倒
有効な体温計測のために、３つのセンサーのデータを
ラズパイで演算する
①カメラで顔認識するカメラセンサー
②顔までの距離を計測する超音波距離計測センサー
③サーモグラフィーセンサー
顔認識かつ顔までの距離が60cm以内を有効体温と定義
グラフィカル表示のために処理負荷がかかる
9

10.
リゼカンのバイタルサイン計測（体温3）
カメラ画像から顔認識＋顔赤枠表示のためOpenCV使用
サーモグラフィー8×8マトリクス表面温度数値を
色分け画面表示
計測した表面温度を体温へ補正計算
10

11.
リゼカンのバイタルサイン計測（体温4）
３つのセンサーをなるべく密接させて、スタンドで顔が撮影しや
すいよう物理配置が必要
11

12.
リゼカンのバイタルサインを第三者がリモート監視
• 有効な計測値をラズパイからPCのR言語プログラムへTCP/IP
ソケット通信
• R言語のグラフプロット
機能でSpO2,HR,体温の
経過をリアルタイム表示
• R言語でcsvファイル出力
12

13.
リゼカンのバイタルサインをスマホへプッシュ型通知
• ラズパイにMQTTサーバを構築
• 計測値をMQTTでPublish
• スマホ側はオープンソースのMQTT
Client アプリでSubscribe
13

14.
リゼカンの環境データ計測実現方法
• 環境データをセンサーで自動計測
①二酸化炭素濃度（CO2）を KEYESTUDIO DC 5V
CCS811 CO2 二酸化炭素 TVOC 大気質 センサー
モジュールで計測
②気温、湿度をDHT11 温湿度センサー
モジュールで計測
14
ラズパイの電源容
量に不安があるの
で、ブレッドボー
ドは別電源を配置

15.
リゼカンの環境データを第三者がリモート監視
• 約１秒間隔でCO2濃度の計測値をラズパイからPCのR言語プロ
グラムへTCP/IPソケット通信
• R言語のグラフプロット機能で経過をリアルタイム表示
• R言語でcsvファイル出力
15

16.
リゼカンの定時的計測促進＋精神衛生維持のため音源再生
• ラズパイ拡張用のDACボードを装着
（ラズパイ標準の音出力はショボい）
“InnoMaker Raspberry Pi HIFI DAC HAT
PCM5122 HIFI DAC Audio Card”を採用
GPIO端子が用意されているので、ここから
センサー接続が容易
• デジタル音源をアナログ信号に変換して
外部のデジタルアンプボード＋ステレオ
スピーカーで再生→高音質
• 音源再生ソフトウェアはVLCプレイヤーを
telnetで制御
• YouTube ハイレゾ音源をURL指定で自動再生
16

17.
リゼカンのソフトウェア構成
17
Rspberry Pi4 8G
生体・環境
センサーデータ収集
音源再生
プログラム
（Python3）
MQTT Broker
サービス
サーモグラフィーセン
サー（非接触体温計
測）
カメラセンサー（顔
認識・撮影）
超音波距離セン
サー（顔との距離
計測）
非接触体温計
OpneCVでカメラ画像、
サーモグラフ画像、セン
サー計測値表示
Publish
Subscribe
Message
生体・環境モ
ニタリング
プログラム
（R言語）
IP Socket
data通信
Windows10
Androidスマホ
GUI表示
脈拍数、酸素飽和
度計測センサー
DHT11 温湿度セン
サーモジュール
VLCメディア
プレイヤー
telnent
CO2計測センサー
MQTT
Client
SpO2+HRセンサー
制御プログラム
（C言語）
パルスオキシメータ
室内環境計測

18.
リゼカン画面全体構成
18
VLCメディアプレイヤー
サーモグラフィー表示
カメラライブ撮影＋
センサー値表示

19.
リゼカン画面構成 カメラライブ撮影＋センサー値表示
19
日時、曜日、時間
室温、湿度
二酸化炭素濃度
撮影対象物距離
現在のサーモグラ
フィー最大温度
最後に計測された
有効体温
現在のHR:心拍数
現在のSoP2：血中酸
素飽和度
顔認識状態
最後に計測された有効
心拍数
最後に計測された有効
血中酸素飽和度

20.
リゼカンのハードウェア配置構成
20

21.
リゼカンデモ
21

22.
リゼカンの構成
22
Raspberry
Pi本体
CPU Raspberry Pi 4 Model B / 8GB
拡張ボード InnoMaker Raspberry Pi HIFI DAC HAT
PCM5122 HIFI DAC Audio Card Expansion
Board for Raspberry Pi 4 3 B+ Pi Zero etc. (DAC
HAT)：DAコンバータ
ケーブル HDMIケーブル
ケーブル 電源ケーブル
メモリカー
ド
microSDXC 64GB SanDisk Extreme PRO UHS-1
U3 V30 4K
プログラム Python3 約７００ライン作成

23.
リゼカンの構成
23
体温計側
部
センサー Raspberry Pi カメラモジュール V2
センサー Conta™ サーモグラフィー AMG8833搭載
センサー HC-SR04 超音波距離センサーモジュール
ケーブル Raspberry Pi カメラケーブル 30CM RPi用リボン
フレックス延長ケーブル
ブレッド
ボード
400タイポイント ブレッドボード
ワイヤー ジャンプワイヤー数本
スタンド スマホスタンド 折り畳み式

24.
リゼカンの構成
24
バイタルサイン
計測部
センサー SparkFun Pulse Oximeter and Heart Rate Sensor -
MAX30101 & MAX32664 (Qwiic)
ブレッドボード 400タイポイント ブレッドボード
ワイヤー ジャンプワイヤー数本
CPU Arduino UNO
ケーブル Rspberry－Arduino接続USBケーブル
プログラム センサー制御スケッチプログラミング
約150ライン作成

25.
リゼカンの構成
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室内環境計測
部
センサー DHT11 センサー 温湿度モジュール
センサー KEYESTUDIO DC 5V CCS811 CO2 二酸化炭素 TVOC
大気質 センサー モジュール
ブレッドボード 400タイポイント ブレッドボード
ワイヤー ジャンプワイヤー数本
電源 ブレッドボード 専用電源 3.3V 5V ブレッドボード 電
源モジュール
電源ケーブル 汎用品

26.
リゼカンの構成
26
音声ガイダン
ス再生
デジタルアン
プ
DigiFi × Olasonic デジタルパワーアンプ
電源 デジタルアンプ用マイクロUSBケーブル＋電
源
スピーカー YAMAHAミニスピーカー×２
ケーブル スピーカーケーブル ×２
ケーブル RCAオーディオケーブル
音源再生プロ
グラム
VLCメディアプレイヤー

27.
リゼカンの構成
27
その他
ディスプレイ ７インチ液晶モニタ
マウス USBマウス
キーボード USBキーボード
PC Windows10 PC + R言語環境
PCプログラム R言語 約190ライン作成
MQTTクライア
ント
Androidスマートホン + MQTT Client
ネットワーク Wifi環境

28.
勉強会の感想を一言
• 手持ちのラズパイ3では性能が出ないためラズパイ4新規購入や、成果
物構成する機器やセンサーの設備投資が結構かかる。
安価な勉強会ではなかった。
合計 約5万円
• ラズパイ1台だと電源周りや、演算処理パフォーマンスに限界を感じる。
ラズパイを複数構成でシステム構成を考えないと辛い
（Httpサーバ、顔認識処理、サーモグラフィースムージングなど実装
を見送り）
• 命は金に変えられない、備えあれば憂い無しということで実用的な作
品が作れたことは良かった。
書斎でパルスオキシメータ、二酸化炭素濃度モニタリングとして利用
中
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