ソーラパネルでフィールドサーバを 長期安定運用するための基本設計

ソーラパネルでフィールドサーバを
長期安定運用するための基本設計
深津 時広
独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構，〒305-8666
茨城県つくば市観音台 3-1-1
要旨
ソーラパネルでフィールドサーバを長期に安定運用するためには，消費電力に応じたソーラパネルのサイズを
試算する必要がある．まず消費電力を抑える工夫のひとつとして，強制通風管の計測前運転をどれくらい短くで
きるかを求めた．また単に間欠駆動で消費電力を抑えるだけでなく，メイン CPU で各個別要素を必要な時のみ稼
働させる手法について述べた．ソーラパネルのサイズを試算するにあたり，計算式および実測データの両面から
評価したところ，概算で消費電力 1Wh の機器に対して 15W 前後のソーラパネルが必要という目安を算出した．
これを基に，ソーラパネルを用いたフィールドサーバの長期運用試験を行った．
キーワード
フィールドサーバ，ソーラパネル，消費電力，アスマン式，省エネ制御
緒言
稼働システムを除き，1 時間に 1 回といった定期的なサ
ンプリングで十分であるため，非計測時に電源を落とす
ことで消費電力を抑えることができる．
近年，フィールドサーバ(深津・平藤 2003)をはじめと
このとき，計測時間をできるだけ短くすることが望ま
する野外計測システムの利用が盛んになっている．フィ
れるが，気温や湿度などを精度よく測定する場合，強制
ールドサーバは ZigBee などの従来のセンサネットワー
通風によってセンサ値をある程度安定させる必要がある．
クとは異なり，ネットワークカメラによる画像情報の取
そこでこの時間がどの程度必要か，実験を行った．
得や Wi-Fi/3G によるデータ通信，アスマン式強制通風計
測などを実現するため消費電力が大きい．そのため当初
は商用電源を利用した設置を基本としていたが，多くの
場所への設置が要望されるにつれ，ソーラパネルによる
運用が行われるようになった．このとき，十分な発電容
量のものを用意できるのであれば問題ないが，コストや
設置スペースなどの制約があるため，長期に安定運用す
るためにはデータの収集間隔などを含め設置前に様々な
検討が必要となる．そこで本研究では，消費電力を支配
する間欠駆動時の電源 ON 時間や省エネ駆動のための個
別機器制御手法，発電・充電量を推定するためのソーラ・
バッテリの実測評価，これまでの運用事例データに基づ
く標準的な設計指針，などについて述べる．
図 1. 強制通風による計測データの変化
図 1 に，1 時間機器を休止させた状態から強制通風を
開始したときの計測データを示す．データは 2012/7/4 の
間欠駆動時の強制通風時間
茨城県つくば市のものであり，フィールドサーバ II を用
いた．このときの外気温 28.3 度であり，指数関数で外気
消費電力を如何に抑えるかがソーラ駆動時において重
要であり，その基本的な手法のひとつが機器を間欠駆動
させることである．農業分野では，異常監視などの常時
温に漸近すると仮定した場合，近似曲線の時定数は 109
秒であるため，5%以下で計測値を漸近させるには，少な
くとも時定数の 3 倍の 327 秒は稼働させる必要がある．
個別要素の電源制御手法
タイマ回路などを用いて機器全体を間欠駆動する場合，
時刻補正をしないと計測間隔がずれる，内部メモリが毎
回初期化される，などの不具合が生じる．そこでメイン
CPU の電源を落とさず 1 時間に 1 回計測を行う場合，ど
のような省エネ手法が考えられるか検討した．
標準的なオープンフィールドサーバでは，メイン CPU
(Arduino)，メイン回路(含む Ethernet Shield)，通信モジュ
ール(Wi-Fi/3G)，ファン，カメラの各消費電力は 12V に
対して，0.03，0.12，0.2，0.15，0.25A である．このとき，
計測前 5 分間ファンを稼働，計測後ファンを止めて通信
モジュール・カメラを 5 分間稼働し，データ取得・送信
を行いつつ NTP で時刻補正する手法を提案する．このよ
うにすることで，安定してデータ取得を行いながら消費
図 3. 20W ソーラの 12V17Ah バッテリへの充電の様子
なお，対象のバッテリは 12V17Ah (20 時間率: 0.85A の
負荷で 20 時間後に 10.5V)であり，一般に 11.5V で負荷遮
断されるため，実際に利用できる容量は約 60% (満充電
時 13V，電圧変化は比例と仮定)の 122Wh となる．
電力を平均 1Wh まで抑えることができた(図 2)．
実証試験
平均消費電力 3.6Wh のフィールドサーバ 2 台を，40W
および 50W のソーラパネルで宮城県古川市にて運用し
たところ，2013/1/1～3/31 の 90 日間で，72 日および 78.5
日稼働できることが確認された(図 4)．
図 2. 個別要素を電源制御したときの消費電力の変化
ソーラパネル・バッテリの実測評価
必要な消費電力の概算が済んだら，設置場所でどれく
らいの電力を発電できるかを検討する必要がある．発電
図４. フィールドサーバ長期運用試験(50W ソーラ時)
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量は一般的に，その地域の日射量データ(MJ/m )，ソーラ
パネルの容量(W)，取り付け角度補正，温度などのロス
率で試算できる．ソーラパネルは季節・緯度などに応じ
謝辞
て角度を付けることが望ましいが，設置条件の制約から
必ずしも最適な角度にはならない．またソーラパネルの
本報告は，農水省「食料生産地域再生のための先端技
容量も，実際はメーカによってばらつきがある．そこで
術展開事業・土地利用型営農技術の実証研究」
，
文科省
「気
ソーラパネルの発電量を実測し，評価を行った．
候変動適応研究推進プログラム・地球環境変動下におけ
図 3 に 2 種類の公称 20W ソーラパネルを用いた充電実
る 農 業 生 産 最 適 化 支 援 シ ス テ ム の 構 築 」， 総 務 省
験の結果を示す．実験は 2012/11/22-25 に茨城県つくば市
「SCOPE・地域農産物ブランド化を支援する分光型クラ
で行った．同じ容量でも，バッテリの充電量が 14%程度
ウドセンサネットワークの農圃場「現場」実証試験」に
異なることが確認された．またこのときの日射量は平均
よる研究成果に基づく．
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で 2.1kW/m ･day(7.56MJ/m ･day)，定格容量が公称 20W
のソーラは AM1.5，放射照度 1kW/m2，モジュール温度
25 度で 20W の出力であることから，ロス補正を 0.7 とす
引用文献
ると 1 日で約 30Wh の発電量となる．この試算の場合，
深津時広・平藤雅之（2003）圃場モニタリングのためのフィー
対象のバッテリは約 4 日で満充電となりほぼ一致する．
ルドサーバの開発，農業情報研究，12(1):1-12．