ITフォーラム2022 先端IT活用推進コミュニティ(4-2)

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ITフォーラム2022
先端IT活用推進コミュニティ
『空気を読む家』
Well-being 測定技術編
2022/02/04
クラウド・テクノロジーグループ
エクスウェア株式会社荒本道隆

2010年～2021年：先端IT活用推進コンソーシアム
■背景/活動目的（最終年度）
11年目の最後の年は、気象庁APIの運用で蓄積された7年半分のアクセスログとデータの、可視化や
データ活用について検討する。← 全然できなかった
また、これまで通り、クラウド全般、IoT、量子コンピューティング、AIについても取り組んでい
く。 ← できた
広範囲の各要素技術に対し、部会参加者が「知っている」ではなく「使ったことがある」「人に教
えることができる」と言えるレベルを目指す。← ２件できた
2021年～：先端IT活用推進コミュニティ
『空気を読む家』のニーズに新しい技術が適合できるかを評価する
「適合させる」が目的ではなく、「新しい技術を使ってみる」が目的
→ そのため、無理矢理感がある場合が多々あり
クラウド・テクノロジー活用部会とは
2

これまで、データ収集、蓄積＆演算、可視化を実装してきた（赤字は2020年度の成果）
クラウド部会と『空気を読む家』の関係
3
入力出力
カメラ
・玄関で訪問者を識別
・ベットで寝てる人、睡眠の深さ
・姿勢検出と物体検出
・サーモグラフィで高温注意検出
センサ
・音声認識、話者識別
・冷蔵庫内のプリンを管理
・BLEタグで置き傘を管理
・屋内での人の位置を把握
外部データの取り込み
・気象庁防災情報XML
・東京公共交通オープンデータ
統計＆AI
・書籍の輪読
・クラスタリング
Webサイト
・データの可視化
量子コンピュータ
・ｽｹｼﾞｭｰﾙ最適化
蓄積＆演算
大量データ
・RDF/SPARQL
・Amazon S3 Select
プロジェクタ
・危険度を投影

・家の中で、どこで誰が何をしているか、その時の感情を記録したい
これまでの実証実験では、カメラ＋画像認識をしたものが多かった
姿勢検出、顔認識、感情認識は既存のものを使用
・家中にカメラを設置し、常時ONにしたいけど
間違いなく、家族に反対される（聞くのも怖い）
カメラカバーの開閉は、面倒でやらなくなる
・2022年、実際に記録＆蓄積していきたい
・カメラを一切使わないで何とかならないか？
→ 家中に加速度センサを設置
→ 加速度データを機械学習でどうにかする
今回、解決したい課題
4

・単純に、機嫌が悪い＝ドアを勢いよく開ける？
もしくは、急いでいる？
加速度に注目したワケ
5

・M5StickC Plus：3,058円
選択理由
使い慣れている
『M5StickC』の方が安価だけど、在庫がなかった（2021年12月時点）
LCDに、様々な情報を表示できる
工作が不要、IoTを知らない人が見ても不安にならないデザイン
背面の磁石で、冷蔵庫に張り付く
使用する加速度センサ
6
製品特徴
・ESP32ベースでBluetooth 4.0とWi-Fiが利用可能
・インターフェース
・ボタン x 2
・ブザー
・ IR送信機
・赤色LED
・マイクロフォン
・ 6軸IMU
・ RTC
・ PMIC（バッテリ管理IC）
・ 1.14 インチ 135x 240 LCD
・ 120mAh バッテリー内蔵
・機能拡張が可能なGrove互換ソケット
https://www.switch-science.com/catalog/6470/

・スリッパ、家具、各部屋のドアに加速度センサを貼り付ける
スリッパで誰か？を識別
スリッパの加速度＋冷蔵庫の加速度で、誰が冷蔵庫を開けたか？が分かる
加速度の強弱で、感情を推測
機械学習で推測できないだろうか？
検証用システムver1
7

・機能概要
電源ON時に、設置場所を選択
無線LANに自動接続、切れていた場合も自動再接続
10msecごとに加速度センサを読み取る
X,Y, Z軸の変化量（絶対値）のうち、最大のものを採用
閾値以上の変化量が発生したら、HTTPでその都度送信
前１秒、後ろ２秒のデータ（10msecごと、300点）をHTTPで一括送信
通信部分は別スレッド化し、送信データをキューに入れる
通信時に、加速度センサの読み取りが遅れないように
加速度センサのデータ収集を実装してみた
8

・冷蔵庫に貼って、OPENとCLOSE時を測定
内蔵磁石で張り付いた。勢いよく開閉しても問題無し
OPEN時：開け方によって差が出そう
CLOSE時：磁力で「バタン」と閉まるので早い
課題：約90分で勝手に電源が切れた
使ってみたら
9
OPEN時
CLOSE時
開けていた時間

・消費電力：約80mAh、内蔵バッテリー：120mAh → 稼働時間：約90分
使っていない機能をOFFにすれば、稼働時間を少しは延ばせる
LCD（画面）の明るさを落とすことで、120分までは延ばせそう
→ 稼働時間を延ばすために、モバイルバッテリーを追加
重くて実用性に難があるけど、それはいったん無視
『M5StickC Plus』の稼働時間についてー１
10
https://lang-ship.com/blog/work/m5stickc-power-saving/
参考：M5StickCの消費電力

・ダイソーのモバイルバッテリー（500円）を追加
バッテリー容量：2480mAh（4000mAh）
稼働時間を試算：90分ｘ（2480/120）＝1860分＝31時間
・しかし、約３時間で電源が切れてしまった
モバイルバッテリーには電気が75%以上残っていた
稼働時間を延ばすために、LCD（画面）を暗くしていたため
モバイルバッテリーの「AUTO POWER OFF」（保護機能）で、給電がストップ
・LCD（画面）の明るさを常に最大に設定
「AUTO POWER OFF」（保護機能）の閾値を上回り、給電を継続
→ 30時間10分、連続稼働した
「１分間で１秒間だけ明るさを最大」では、給電がストップ
別のモバイルバッテリーではこれでうまくいった。ものによって判定基準が違うらしい
・確実なのは「AUTO POWER OFF」が無効なモバイルバッテリー
例： IoT機器対応モバイルバッテリー cheeroCanvas 3200mAh（3,035円）
https://www.switch-science.com/catalog/2618/
例：「定電流モード」付きのモバイルバッテリー ※未検証
『M5StickC Plus』の稼働時間についてー２
11

・冷蔵庫の使用状況を加速度センサから推測
OPEN／CLOSE？
どの段を開けたか？
誰が開けたか？ ※加速度だけで
その時の感情は？
・動作確認してみたら
二段目と三段目は、OPEN時の反応が極端に弱かった
通常時：0～41
一段目のOPEN時：150～600
二段目のOPEN時：最大53
三段目のOPEN時：最大47
→ 一段目と四段目だけを対象にする
・おことわり
OPENとCLOSEはZ軸での判定が確実だけど、あえて機械学習で
全扉にセンサを付ければ簡単だけど、あえて機械学習で
スリッパのデータを参照すれば分かるけど、あえて機械学習で
３秒間の加速度データで機械学習を
12
飲み物、食材、
オヤツ
氷、アイスクリーム
冷凍食品
野菜室

・PyCaretとは
機械学習（AutoML）ができるPythonのライブラリ
MITライセンス
Google Colab上でも動作する
PyCaret でOPEN/CLOSEを分類ー１
13
https://openstandia.jp/oss_info/pycaret/
https://pycaret.org/

・冷蔵庫のOPEN/CLOSE時の加速度データを記録
一段目に対して、以下を行う
扉をOPEN → ３秒待つ → 扉をCLOSE → ５秒待つ → 最初に戻る
※100回繰り返す
PyCaret でOPEN/CLOSEを分類ー２
14
一段目の最初の5回分
OPEN
CLOSE

・加速度データをCSV形式で保存
１行目：ヘッダ
２行目以降：データ
１カラム目：OPEN/CLOSE
２カラム目以降：10msecごとの加速度の絶対値
PyCaret でOPEN/CLOSEを分類ー３
15
action,door,data1,data2,data3,data4,data5,data6,data7,data8,data9,data10,.....
OPEN,DOOR1,8,11,7,8,6,8,7,2,7,11,13,15,4,5,3,7,5,2,5,6,5,4,4,8,8,7,3,12,19,…..
CLOSE,DOOR1,12,19,3,9,10,6,6,1,9,11,2,3,6,12,15,7,8,2,7,16,10,8,3,11,8,12,.....
OPEN,DOOR1,11,12,5,4,6,5,9,14,5,2,4,10,8,7,16,10,3,9,11,8,10,8,5,8,8,7,8,7,.....
CLOSE,DOOR1,10,11,16,10,13,19,6,9,3,10,6,6,3,7,11,12,9,4,8,11,6,7,9,9,6,3,.....
OPEN,DOOR1,10,11,5,3,3,5,12,5,4,6,7,8,14,10,12,4,6,3,3,2,1,13,15,7,7,16,8,.....
CLOSE,DOOR1,6,8,11,15,9,2,2,6,8,5,12,9,8,6,10,11,2,13,12,7,5,2,7,12,13,7,.....
OPEN,DOOR1,5,7,5,10,9,7,7,5,4,4,11,11,13,12,3,7,6,7,8,4,9,10,9,10,5,10,8,4,.....
CLOSE,DOOR1,13,9,1,5,6,8,7,9,7,11,10,8,11,8,20,10,6,11,7,6,3,8,10,11,10,7,.....
：
：

・OPEN/CLOSEの分類問題（pycaret.classification）
Googleコラボで以下を実行
PyCaret でOPEN/CLOSEを分類ー４
16
# インストール
! pip install pycaret
# CSVファイルから読み込む
import pandas as pd
door1 = pd.read_csv('https://aramoto.sakura.ne.jp/IoT/datas/door1.csv')
door1.head()
# 前処理（分類問題：pycaret.classification）
from pycaret.classification import *
exp1 = setup(door1, target = 'action' )
# モデルの比較
compare_models()

・もう少し精度を上げてみよう
データ範囲を制限する
カラムの型（数値型）を明示する
PyCaret でOPEN/CLOSEを分類ー５
17
ignore = []; # 使わない列を指定する
ignore.append('data301'); # 最後の列はデータが入っていない
for i in range(1, 80+1, 1): # 前0.8秒のデータは使わない
ignore.append('data' + str(i))
for i in range(151, 300+1, 1): # 後1.5秒のデータは使わない
data_label = []; # カラムの型を明示する
for i in range(1, 301+1, 1):
data_label.append('data' + str(i))
exp1 = setup(door1, target='action', numeric_features=data_label, ignore_features=ignore)
compare_models()

・データ範囲を制限＆型を明示しただけで
Accuracy：0.9018 → 0.9571
※実行するたびに結果は微妙に異なります
PyCaret でOPEN/CLOSEを分類ー６
18
無設定範囲制限＆型明示後

・冷蔵庫のOPEN/CLOSE時の加速度データを記録
四段目に対して、以下を行う
扉をOPEN → ３秒待つ → 扉をCLOSE → ５秒待つ → 最初に戻る
※100回繰り返す
PyCaret で一段目/四段目を分類ー１
19
OPEN
CLOSE
四段目の最初の5回分

・一段目と四段目の違いを目視
一段目：ピークの時間が短い
四段目：ピークの時間が長い
PyCaret で一段目/四段目を分類ー２
20
一段目
四段目
OPEN
CLOSE
OPEN
CLOSE

・一段目と四段目のデータを読み込む
２つのデータをマージ
DOOR1/DOOR4をOPENだけで判定
DOOR1/DOOR4をCLOSEだけで判定
前１秒も使った方が精度が高かった
#CSVファイルから読み込む
import pandas as pd
door14 = pd.concat([door1, door4]) # DataFrameを結合
door14 = door14[door14.action == 'OPEN'] #OPENだけにする
door14.head()
for i in range(1, 301+1, 1):
exp1 = setup(door14, target='door', numeric_features=data_label, ignore_features=ignore)
compare_models()
PyCaret で一段目/四段目を分類ー３
21
一段目
四段目

・判定結果
DOOR1/DOOR4のOPENのAccuracy：0.9429
DOOR1/DOOR4のCLOSEのAccuracy：0.9857
PyCaret で一段目/四段目を分類ー４
22
OPEN CLOSE

・一段目／四段目とOPEN/CLOSEをまとめて分類
PyCaret で一段目/四段目+開閉を分類ー１
23
#CSVファイルから読み込む
import pandas as pd
door14 = pd.concat([door1, door4]) # DataFrameを結合
door14['actiondoor'] = door14['action'] + door14['door'] # ２つの列を結合
door14.head()
ignore.append('action'); # actiondoorを使用する
ignore.append('door'); # actiondoorを使用する
for i in range(1, 301+1, 1):
exp1 = setup(door14, target='actiondoor', numeric_features=data_label, ignore_features=ignore)
compare_models()
actiondoor の中身
OPENDOOR1
CLOSEDOOR1
OPENDOOR4
CLOSEDOOR4

・判定結果
Accuracy：0.9238
PyCaret で一段目/四段目+開閉を分類ー２
24
actiondoor の中身
OPENDOOR1
CLOSEDOOR1
OPENDOOR4
CLOSEDOOR4

・バッテリーの持ち時間が一番の課題
毎日、複数個所のモバイルバッテリー交換は面倒
しかも、日に日にバッテリーの稼働時間が短くなっていく
１週間は連続して動いて欲しいけど、
５倍（20,000mAh）のモバイルバッテリーは超巨大なため、非現実的
・一段目／四段目＋開閉の判定精度は0.9238
この精度で十分なのかは未定義
CPUパワーが必要なので、『M5StickC Plus』内では無理
加速度データをサーバに送って判定する
・「誰が？」「感情」までは検証できていない
家庭の事情です。すいません
検証用システムver1の課題
25

これまで、データ収集、蓄積＆演算、可視化を実装してきた（赤字は2020年度の成果）
過去の実証実験を思い返して
26
入力出力
カメラ
・玄関で訪問者を識別
・ベットで寝てる人、睡眠の深さ
・姿勢検出と物体検出
・サーモグラフィで高温注意検出
センサ
・音声認識、話者識別
・冷蔵庫内のプリンを管理
・BLEタグで置き傘を管理
・屋内での人の位置を把握
外部データの取り込み
・気象庁防災情報XML
・東京公共交通オープンデータ
統計＆AI
・書籍の輪読
・クラスタリング
Webサイト
・データの可視化
量子コンピュータ
・ｽｹｼﾞｭｰﾙ最適化
蓄積＆演算
大量データ
・RDF/SPARQL
・Amazon S3 Select
プロジェクタ
・危険度を投影
BLEタグを使
用

・バッテリーの持ち時間が一番の課題
・一段目／四段目＋開閉の判定精度は0.9238
・「誰が？」を確実に判定したい
・スリッパだけBLEタグ（忘れ物防止タグ）に変えてみる
ボタン電池で１～３年は動く
参考：３年ちょっと前に買ったBLEタグの残バッテリー：13%
・『M5StickC Plus』は常に電源に接続
BLEタグとの距離を近くするため、できるだけ下に付ける
・BLEタグと『M5StickC Plus』の距離で判定
常に全BLEタグのRSSI（Received Signal Strength Indicator）を取得
加速度センサが反応したら、
→ 一番RSSIが大きいタグの持ち主が使用した、と判定
残課題：二段目と三段目は加速度センサが反応しない
検証用システムver2
27

・機能概要
電源ON時に、設置場所を選択
無線LANに自動接続、切れていた場合も自動再接続
事前登録したBLEタグのRSSI（Received Signal Strength Indicator）を常に収集
10msecごとに加速度センサを読み取る
X,Y, Z軸の変化量（絶対値）のうち、閾値以上の変化量が発生したら、
最もRSSIが大きい（近い）BLEタグの番号をHTTPで送信
通信部分は別スレッド化し、送信データをキューに入れる
通信時に、加速度センサの読み取りが遅れないように
BLEタグのRSSI収集は別スレッド化し、グローバル変数でデータ共有
収集時に、加速度センサの読み取りができないので
・Tips
無線LANとBLEを同時に使うと、プログラム領域が足りなくなった
「最大1310720バイトのフラッシュメモリのうち、スケッチが1560510バイト（119%）を使っています。」
OTA（OverThe Air）の無効化で、プログラム領域が1.3MB → 2MB に増える
Arduino IDE：「ツール」→「Partition Scheme:」→「No OTA(Large APP)」
検証用システムver2、実装してみた
28

・RSSI強度で「誰が？」を判定（5回）→ 正解率がとても低い
OPEN時：40%正解
CLOSE時：80%正解
動作をみていると、
ビーコンを受信する前に開けて、開けている間にビーコンを受信している
そのため、特にOPEN時の判定は、運次第
・２個のBLEタグ（別メーカー）を同じ場所に置き、ビーコン送出を１時間測定
BLEタグ１：962回（約3.7秒に１回）※一定間隔ではない
BLEタグ２：531回（約6.8秒に１回）※一定間隔ではない
検証用システムver2を使ってみたら
29
BLEタグ１
BLEタグ２
最初の５分間
BLEタグ２を
受信していない

・ビーコンの発信間隔が長いほど、誤判定する
移動して、ビーコンを受信する前に冷蔵庫を開けると、誤判定
→ 発信間隔を短めに設定する
→ → 最近買ったBLEタグは変更できなかった
→ → 発信していない？受信できていない？
・電源の配線により、設置場所が制限させる
→ 『M5StickC Plus』とBLEタグである程度は回避できる
→ → ビーコンの間隔以内で開閉したら、検出できない
・どのくらいの精度が必要か？
今回の機械学習のやり方は、きっと正しくない
冷蔵庫の中身が増減すると、加速度の出方が変わるかも
検証用システムver2の課題
30

・動いたタイミングでBLEタグがビーコンを出して欲しい
・探してみたら、アッサリ発見
『MM-BLEBC5』加速度トリガー搭載BLEビーコン 5,680
https://www.sanwa.co.jp/product/syohin?code=MM-BLEBC5
・以下のようにシステム構成を変更
BLEタグを『MM-BLEBC5』に変更
加速度検出でビーコンを送信するよう設定
加速度検出：５秒間、200msec周期で出す
・「誰が？」を10回判定 ※BLEタグを３つ使用
OPEN時：100%正解
CLOSE時：100%正解
検証用システムver2.1
31

・各デバイスの配置
『M5StickC Plus』：距離を測りたい地点、詳細な加速度を取りたい場所、電源が取れる所
例：冷蔵庫、扉、テーブル、など
BLEタグ：「この部屋にある／ない」が分かればいいもの、更新頻度が分単位でよいもの
例：カサ、カバン、など
加速度トリガーBLEタグ：「動いた」瞬間を捉えたいもの
例：スリッパ、椅子、コップ、など
・感情認識は未着手
ラズパイ（PC）を追加し、詳細な加速度データを受信する
今後、加速度データから感情が推測できるか、検証を行う ※教師データをどうやって集める？
検証用システムver2.1のまとめ
32

・『EB10-B』電池レス振動発電ビーコン
メリット
・電池交換不要
・「加速度トリガー搭載BLEビーコン」よりも薄い（電池が不要なため）
・２～３歩毎に電波が出る
デメリット
・動いていないとビーコンが出ない（探し物には使えないかも）
・「加速度トリガー搭載」よりも高い（約８千円／個）
参考：今回は使えなかったけど
33
https://www.sd.toyonics.co.jp/01_solution/02_ecobeacon/eb10-b.html

・「誰がトイレに行ったか？」の回数と長さをカウントする
IoTによる「猫のトイレの回数を記録し、膀胱炎を見つける」の人間版
複数人が居る家だと「誰が？」の判定が必要
人間相手だと「カメラで認識」はプライバシーが問題
NEWS記事：
西川きよし、前立腺がん発見のきっかけは妻
「自分では医者に行くほどではないだろうと…」
https://www.billboard-japan.com/d_news/detail/103956/2
活用案：夜中にトイレへ行った回数を記録
34
受診のきっかけは、ヘレンさんの一言だった。ヘレンさんは当時、夫の頻尿が気になっ
ていたという。
「もともと主人は60歳を過ぎた頃から、前立腺肥大症を持っていたので、そんなものか
な、と思っていたんですが、夜中のトイレの回数が増えまして。主人が起きると、私もお
のずと目が覚める。それがひどくなって、心配で『先生に診てもらおう』と申しましたら、
主人が重い腰を上げて『ほな行こか』となって」と経緯を説明。

・IoTデイバスの実装範囲
『M5StickC Plus』から、以下のデータを空間OSに送信
加速度検出時に、対象のBLEタグのうちで一番近くにあったタグ
近くのBLEタグの加速度とRSSIを中継
・ラズパイ（PC）の実装範囲
加速度データを受信し、感情を推測して、空間OSに送信
・空間OSのエージェントに判定ロジックを実装
BLEタグ（＝人）の場所を推定＋感情
何が起こったかを判定
例：〇は冷蔵庫を開けた、△はトイレに入った、×は玄関を開けた、など
例：〇が機嫌良く起きた、△が夜中にトイレへ２回行った、×が急いで出かけた、など
今後、どう使うかを検討
空間OSとの連携（仮）
35

・加速度データのとり方を一番悩んだ
「時刻として正確」or「秒以下は正しくない」で、後者を選択
・『M5StickC Plus』の内蔵バッテリーでテストが楽だった
好きな場所に仮設置してデータを取ってみる、が簡単にできた
「AUTO POWER OFF」（保護機能）は想定外だった
・『M5StickC Plus』で３スレッドがうまく動作した
メイン：加速度センサ＆LCD表示、task1：キュー受信＆HTTP通信、task2：BLEタグのRSSI収集
ただし、ライブラリは対応していないため、同じ機能を別スレッドで使用しないこと
例：画面更新、日時取得、シリアルポート出力
・加速度トリガー搭載BLEビーコンが便利だった
「動いた」「大体、どの辺に居る」を取り易いが、値段が２～３倍
・「PyCaretを触ってみる」という目的は達成できた
引き続き、もうちょっと精度アップを頑張ってみる
・「加速度データによる感情認識」は実施できなかった
教師データ収集が課題
教師データ収集時だけ、カメラによる感情認識を併用する？
まとめ＆感想
36

ハルミン
AITC非公式イメージキャラクター
http://aitc.jp/
https://www.facebook.com/aitc.jp/
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