自律分散協調 ユビキタスセンサネットワークを用いた 適応型エネルギー

Shizuoka
Univ. JP
自律分散協調
ユビキタスセンサネットワークを用いた
適応型エネルギー管理システム
2011.11.22 若手グローバル研究リーダー
育成プログラムシンポジウム
静岡大学 情報学部
峰野博史
[email protected]
無線センサネットワークとは？
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センサ
小型化，微細加工，低コスト生産技術に
より，小型・低消費電力・低コストのセンサ
が開発（オゾン，ニオイ，etc.も）
様々なセンサ
コンピューティング
小型，高性能，低コストでコンピューティン
グパワーが気軽に利用可能
無線/アンテナ
情報処理
様々な無線モジュール（BT，WiFi，3G等）
の小型・軽量化，省電力，高性能化，低コ
ストチップが開発され組込可能に
様々なテクノロジの結晶
無線
センサノード
無線モジュール，
アンテナ
1
TurtleNet, ZebraNet（DTN）
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http://prisms.cs.umass.edu/dome/index.php?page=turtlenet
生態学者の要望
http://www.princeton.edu/~mrm/zebranet.html
(2004)
温度，湿り気
トラッキング
2
PIPENET (IPSN’07)
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下水管の老朽化，Boston Water（水道局）
リアルタイムモニタリング（水質，水位）
２２か月試用
http://db.csail.mit.edu/dcnui/PhotoAlbum/index.html
3
文科省 地域ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝｸﾗｽﾀｰﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ「浜松・東三河地域ｵﾌﾟﾄﾛﾆｸｽｸﾗｽﾀｰ」研究成果
小型省電力センサノードの開発
Antenna
Small sized network board
Serial
VREF
I/O
Replaceable boards
A/D
INT
VREF
・Environmental sensor
board
I/O
I2C
Serial
(Size：40x45x20)
・Smart tap board
(Size：110x50x30)
・Infrared remote
control board
E8a
DEBUG CN
emulator
RS232C COM CN
I/F
Size:40x45x15 mm
MPU
(R8C)
(IEEE802.15.4)
RTC
Size:14x53 mm
Ext-CN40P
RF Module
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(Size：40x45x10)
Serial
4
文科省 地域ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝｸﾗｽﾀｰﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ「浜松・東三河地域ｵﾌﾟﾄﾛﾆｸｽｸﾗｽﾀｰ」研究成果
小型省電力無線エンドデバイス（H22)
IEEE 802.15.4で無線通信
販売開始！
住環境測定センサノード（防湿加工）
温湿度センサ，温度センサ，照度セン
サ，モーションセンサ
円筒型電池（CR2）仕様の場合，10分
周期間欠動作で約602日稼働
学習リモコンノード
IR受光部，IR発光部（最大4）
学習可能な波形数20個（エアコンもOK）
スマートタップノード
電圧，電流，有効電力，皮相電力，無
効電力，力率，周波数
AC100VのON/OFF（40A）
センサゲートウェイ
マルチベンダ機器連携に対応 （IEEE 1888, 6LowPAN, etc.）
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5
モーションセンサ給電無しのライフタイム
表．ED基板+住環境基板測定結果（待機時）
0.1s
動作状態
待機状態
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【搭載センサ】
・温度センサ
・温湿度センサ
・照度センサ
・モーションセンサ
599.9s
平均消費電力が8.27μA
になるため，太陽電池
（室内照明a-Si：900μA）で
も動作可能
26.8mA
36.6μA（ﾓｰｼｮﾝｾﾝｻ給電有）
3.8μA（ﾓｰｼｮﾝｾﾝｻ給電無）
10分周期でデータ送信
※Sleep中はセンサ回路を停止させ，CPU自身
のクロックも停止しストップモードへ移行
CR2電池の容量で寿命を算出すると
750mA×0.8
＝72551h＝8.28年
0.00827mA
単3アルカリ電池なら22年の寿命
6
市販の無線センサノードとの比較
項目
省電力型無線ノード(開発)
モーション有
モーション無
(温度，照度，
温湿度，モーション)
(温度，照度，
温湿度)
CC2420
無線チップ
消費電流
（平均消費電流）
寸法
ピーク時：26.8mA
待機時 ：36.6μA
(41μA)
ピーク時：26.8mA
待機時 ：3.8μA
(8.27μA)
40x45x30mm
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クロスボー製
MICAz
(MPR2600 X)
CEL社製
センサモジュール
なし(通信チップ＋
MCUのみ）
センサ搭載なし
(通信チップ＋
MCU8051のみ）
CC2420
CC2430
LPモード：
（400μA）
ピーク時：50mA
待機時 ：5μA
(13.3μA)
51x76x56mm
23x29mm
ZMXM-400-1ND
※平均消費電流は10分周期の間欠動作で算出
市販のセンサ搭載無しの無線ノードと比べても
平均消費電流が小さい
7
オプトロニクスフェア2011in浜松（アクトシティ浜松にて）
無線/有線相互補完中継デバイス（H23)
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8
RPL（IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks）
有線/無線相互補完通信プロトコル
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これまでの検討と，IETF ROLL WGの提案を融合
RPLのDODAG（無閉路有向グラフ）は，6LoWPANである必要は
ないと考え，異特性の複数I/F保持デバイスへの適用を検討
各ノードのランク値とその経路のメトリック値の和から，最小とな
る値を自身のランク値とし，その経路のノードを親ノードとする
rank (n ) = min (rank ( p ) + metric(n, p ))
p
root
root
サブネット1
サブネット3
サブネット2
1
ルータ
ルータ
ZigBee
PLC
7
0x01
0x03
5
0x02
PLC Network
1
1
2
3
3
5
2
1
1
1
4
802.15.4
2
3
1
1
0x01
0x02
ZigBee PAN
0
1
2
2
4
1
1
3
1
4
n ランク値
メトリック値
0x01 0x02
rank (n ) = min (rank ( p ) + metric (n , p ))
p
IEEE
DODAG (Destination Oriented Directed Acyclic Graph)
802.15.4
9
センサネットワークの応用分野
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防犯・セキュリティ
–
不侵者検知・威嚇，異常検知方向録画，危険物監視
環境モニタリング
–
生態系調査，環境汚染，防災（水害，液状化，土砂崩壊，森
林火災，火山観測）
農業生産支援
–
精密農業，植物工場，生産・流通・保管状況監視
構造物劣化監視
–
橋梁・ビル（振動，ﾎﾞﾙﾄ緩み，ﾜｲﾔ緩み，亀裂，歪み）
医療，健康，ヘルスケア支援
–
ライフログ収集による疾患予防，自立型介護支援
その他（教育支援，ビジネス支援，貨物管理支援，.. ）
10
資源エネルギー庁「日本のエネルギー2008」より
日本のエネルギー消費
産業部門は省エネ進展，民生・運輸を中心に増加
快適さを求めて家庭の電力消費は増加
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生活の利便性・快適性を追求するライフスタイルの変化
高齢者比率上昇等の社会構造変化の影響
世帯数の増加，家電等の増加・大型化
11
資源エネルギー庁（H16.4）資料より
HEMS（Home Energy Management System）
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住宅のエネルギー消費機器（家電機器，給湯器など）
を，ICTを活用して間接制御，自動制御するシステム
12
EMS: Energy Management System
EMS実用化研究の課題
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表示系EMS（間接制御）： 5.2%～14.6%
エネルギー総量の表示，前月との比較・料金化等に
よって省エネ行動を喚起するのみ
制御系EMS（自動制御）： 0.6%～3.3%
対象機器が家電機器（エアコン・照明・待機電力等）
の一部のみに限定，設定・制御も柔軟でない
根本的な問題は．．．
光熱費
の節約
快適な
生活
環境
問題
魅力
コスト
持続性
13
EMS: Energy Management System
適応型ＥＭＳによる段階的導入
各部屋での環境状況の変遷，人の存否を見える化
⇒ 見える化，見せる化の実現
レベル２： ＋消費電気特性（イベントドリブン）
表制
示御
系系
レベル１： 照度，温度，湿度（10～15分周期），人感（イベントドリブン）
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各環境状況や生活パターンから消費電力との相関を見える化
⇒ 適正な環境設定によって達成可能な省エネ効果の認識
機器のつけっぱなし撲滅，旧式家電機器の待機電力カット
⇒ 家電に対する一般的な省エネ住環境制御の実現
制御系
レベル３： ＋リモートOn/Offスイッチ（ポーリング周期10～15分）
レベル４： ＋赤外線リモコン（イベントドリブン），マルチベンダノード
赤外線リモコン機器まで含むマルチベンダ連携制御による省エネ制御
⇒ 既存構造物へも後付けで省エネ住環境制御を追加可能
ライフログから人それぞれの快適度を定量化
⇒ 嗜好や個性，体調や状況の違いを尊重した人に優しい省エネ住環境制御の実現
レベル６～： ＋微気象観測センサ（10～15分周期），マイクログリッドなど
自然エネルギー（熱，光，水，風）変換効率に則った利活用と共生
制制
御御
系へ
共生
レベル５： ＋ヘルスケアセンサ（加速度，体温，心拍，体重など：イベントドリブン）
NW上の様々な情報を駆使し，自然と人工のバランスを考慮した共生住環境制御へ
14
EMS: Energy Management System
適応型ＥＭＳの概要
不在時消灯
自動温度調整
（15%省ｴﾈ確認）
（実証実験中）
表制
示御
系系
ﾓｰｼｮﾝ検知
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センサ部
クライアント部
Phase1
家電機器On/Off
消費電力測定
（20%省ｴﾈ確認）
機器連携設定
消費電力表示
人感:無
機器電源:ON
センサクラウド
制御系ＥＭＳ
制御命令部
（DBMS, KVS）
機器電源を
OFF
マイニング部
データ管理部
Phase2
表示系ＥＭＳ
不在の可能性が90%
なので，機器電源を
OFFできる可能性大
制制
御制
系御
共生
御
へ系
ﾈｯﾄﾜｰｸ管理部
制御系
ｺﾝﾄﾛｰﾙ部
Phase3
15
論理層のモデル化と研究室内での分担
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住環境情報（温度，湿度，照
度，電力，人検知），生体情
報（心拍RR間隔，等），・・・
・・・
v) プレゼンテーション層 現在ﾃﾞｰﾀ
管理画面
表示画面
連携設定画面
蓄積ﾃﾞｰﾀ
表示画面
周辺ﾃﾞﾊﾞ
ｲｽ管理
機能
加速度，圧力，GPS，カメラ，マイク，
スピーカ，ジャイロ等の多様な情報
ﾕｰｻﾞ管理
機能
・・・
ｺﾝﾃｷｽﾄ
推定機能
データストリーム処理機能
DSMS
処理
部
入力
部
継続的
クエリ
機器連携機能
アクチュエータネット
ワーク
エアコン，加湿器，ファン，電
灯，電源，天窓，施錠，・・・
iii) ストレージ層
分散データベース
ストレージ通信部
・・・
スマートフォン
ii) プロセッシング層
データ受信部
Google Calendar, SNS, Twitter,
Map上の多種多様な情報
データソース用入出力I/F
インターネット
登録者
リスト
ｸｴﾘ処理部 ｲﾍﾞﾝﾄ通知部
・・・
ﾃﾞｰﾀ取得
機能
ストレージ用入出力I/F
プロトコル変換機能
センサネットワーク
iv)アクチュエータ層
ユーザI/F（Webブラウザ）
アクチュエータ用入出力I/F
vi) クライ
アント層
i) データソース層
DBMS
DBMS
DBMS
DBMS
No SQL
SQL
RDB
KVS
Columnoriented
Documentoriented
情報棟1号館4階の見える化
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Coordinator + sink + gateway Appliances connected to the power consumption measurement
nodes: printers, refrigerator, microwave, electric pot, plasma
display, circuit breakers, power strips.
Sensor nodes (a)
Power consumption
measurement nodes (b)
Router nodes (c)
J1401
Mizuno &
Mineno lab.
EV
Circuit breaker
WC
Circuit breaker
0.95
x2
x2
x2
Circuit breaker
0.95 0.8
J1407
Mizuno &
Mineno lab.
J1405
Mizuno &
Mineno lab.
1.9
0.95
1.2
1.2
1.2
J1409
Prof. Mizuno
1.9
1.2
1.25
0.95
1.2
1.9
2.33
x2
1.9
J1403
Prof. Mineno
1.9
0.95
1.17
3.3
1.9
http://wdim.yokoyama.ac/mini/receiver.php?x=0&y=0
人間行動見える化の可能性（１）
Detected counts every 15 min
Temperature
Sensor node ID
Presence or absence
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人間行動見える化の可能性（２）
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在席パターン分類精度（下グラフ参照）
0.18（単一）⇒0.38（時系列）⇒0.9（複合）
離席パターン分類精度
0.9（単一）⇒0.8（時系列）⇒0.98（複合）
6A7
6A6
69E
69C
69B
697
681
67F
ｾﾝｻ
ID
69D
時系列シークエンス利用の効果
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
605
6A7
6A6
69E
69D
69C
69B
697
681
67F
605
602
601
分類ｱﾙｺﾞﾘｽﾞﾑ：Bagging(C4.5)
602
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
モーション
モーション，照度，温度
モーション（全て），照度，温度
再現率
601
再現率
ある時刻の最新データ（モーション）
時系列シークエンス（モーション）
複合時系列ｾﾝｼﾝｸﾞﾃﾞｰﾀ利用の効果
19
http://ems.minelab.jp
人間行動見える化の可能性（３）
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別室でゼミ中
10時ごろに
出勤
深夜まで研
究活動？
意外と熱湯作るのに電力
使ってますね．．．
20
EMS: Energy Management System
適応型ＥＭＳによる段階的導入
各部屋での環境状況の変遷，人の存否を見える化
⇒ 見える化，見せる化の実現
レベル２： ＋消費電気特性（イベントドリブン）
表制
示御
系系
レベル１： 照度，温度，湿度（10～15分周期），人感（イベントドリブン）
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各環境状況や生活パターンから消費電力との相関を見える化
⇒ 適正な環境設定によって達成可能な省エネ効果の認識
機器のつけっぱなし撲滅，旧式家電機器の待機電力カット
⇒ 家電に対する一般的な省エネ住環境制御の実現
制御系
レベル３： ＋リモートOn/Offスイッチ（ポーリング周期10～15分）
レベル４： ＋赤外線リモコン（イベントドリブン），マルチベンダノード
赤外線リモコン機器まで含むマルチベンダ連携制御による省エネ制御
⇒ 既存構造物へも後付けで省エネ住環境制御を追加可能
ライフログから人それぞれの快適度を定量化
⇒ 嗜好や個性，体調や状況の違いを尊重した人に優しい省エネ住環境制御の実現
レベル６～： ＋微気象観測センサ（10～15分周期），マイクログリッドなど
自然エネルギー（熱，光，水，風）変換効率に則った利活用と共生
制制
御御
系へ
共生
レベル５： ＋ヘルスケアセンサ（加速度，体温，心拍，体重など：イベントドリブン）
NW上の様々な情報を駆使し，自然と人工のバランスを考慮した共生住環境制御へ
21
※詳細はDICOMO2011発表論文を参照
液晶ディスプレイの簡易On/Off連携実験
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OSの設定でモニタ電源
断の時間を設定するより
も効果的な省エネを実現
W: 液晶ディスプレイの消
費電力（80W）
x: OSの電源管理設定で
モニタの電源断までの時
間（30分）
p: モーションセンサの無
検知時間（5分）
n: １日１０時間在席し，１
日にn回，x分以上席を外
す（5回）
（（W×（（x-p）/60）[h]）×n[回]）/（W×10[h]）
（（80[W]×（（30[m]-5[m]）/60[m]）×5[回]）/（80[W]×10[h]）＝
20% の省エネを実現！
22
天井照明の簡易On/Off連携実験
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６照明の制御を，セ
ンサデータと連携
自動制御なし
2010/12-2011/5で
，一番消費電力の
多い2月と少ない4
月を除外し，平日1
週間の平均消費電
力を算出
• 145,195Wh
自動制御あり
2011/6/20-6/26 の
平日1週間の平均
消費電力を算出
• 123,049Wh
約15%の省エネを実現！
蛍
光
灯
A
蛍
光
灯
B
蛍
光
灯
C
蛍
光
灯
D
蛍
光
灯
E
蛍
光
灯
F
蛍
光
灯
A
蛍
光
灯
B
蛍
光
灯
C
蛍
光
灯
D
蛍
光
灯
E
蛍
光
灯
F
天井設置の旧センサ
ノード（18台）
各席の新住環境センサ
ノード（13台）
23
科研若手(A)「高精密農業を可能とするマルチベンダセンサグリッドの実証的研究（H21~23）」
静岡県農林技研との共同研究
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施設園芸環境の環境制御
24
科研若手(A)「高精密農業を可能とするマルチベンダセンサグリッドの実証的研究（H21~23）」
相対湿度制御システムのプロトタイプ
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センサノード（子）
小型ヒートポンプ
ビニールハウス内の小型ハウス
リモコンノード
小型ヒートポンプの赤外線リモコン
（波形学習に使用）
スマートタップノード
（稼働状況確認に使用）
25
Webブラウザによる制御画面
日付指定
1週間前，昨日，今日
制御値セット
温度 [℃]
相対湿度 [%]
1日 or 1時間切替
現制御状態表示
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― 温度（ハウス内）
― 湿度（ハウス内）
― 温度（ハウス外）
― 湿度（ハウス外）
制御期間
2011年10月27日0時00分～23時55分 「小型ハウス内外の温度・湿度データ」
26
EMS: Energy Management System
適応型ＥＭＳによる段階的導入
各部屋での環境状況の変遷，人の存否を見える化
⇒ 見える化，見せる化の実現
レベル２： ＋消費電気特性（イベントドリブン）
表制
示御
系系
レベル１： 照度，温度，湿度（10～15分周期），人感（イベントドリブン）
Shizuoka
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各環境状況や生活パターンから消費電力との相関を見える化
⇒ 適正な環境設定によって達成可能な省エネ効果の認識
機器のつけっぱなし撲滅，旧式家電機器の待機電力カット
⇒ 家電に対する一般的な省エネ住環境制御の実現
制御系
レベル３： ＋リモートOn/Offスイッチ（ポーリング周期10～15分）
レベル４： ＋赤外線リモコン（イベントドリブン），マルチベンダノード
赤外線リモコン機器まで含むマルチベンダ連携制御による省エネ制御
⇒ 既存構造物へも後付けで省エネ住環境制御を追加可能
ライフログから人それぞれの快適度を定量化
⇒ 嗜好や個性，体調や状況の違いを尊重した人に優しい省エネ住環境制御の実現
レベル６～： ＋微気象観測センサ（10～15分周期），マイクログリッドなど
自然エネルギー（熱，光，水，風）変換効率に則った利活用と共生
制制
御御
系へ
共生
レベル５： ＋ヘルスケアセンサ（加速度，体温，心拍，体重など：イベントドリブン）
NW上の様々な情報を駆使し，自然と人工のバランスを考慮した共生住環境制御へ
27
PMVとPPDによる快適省エネ住環境制御
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Comfort chart
HVAC：Heating, Ventilating
and Air-Conditioning
System
より快適な温度環境と，信
頼性，静粛性，効率の向上
PMV（Predicted Mean Vote）と
PPD（Predicted Percentage of
Dissatisfied）
ISO7730（1994）
PMV:温熱環境評価指標
PPD:予測不快者率
http://www.maritime.org/fleetsub/refrig/chap16.htm
http://www.jsrae.or.jp/annai/yougo/66.html
28
ICT: Information and Communication Technology
人工と自然の共生住環境
（Green by ICT）
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共生住環境制御，高効率循環型社会
空間有効利用，輸送費削減，省エネ
高齢化，福祉社会の雇用創出
生活との調和，etc.
http://www.verticalfarm.com
GREEN FLOAT by 清水建設
29