柏の葉キャンパス アクアテラス 水質モニタ実証実験報告書

期間：2019年4⽉〜2020年3⽉に行った実証実験の報告書です。

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1. 柏の葉⽔質センサ 対 応 報 告 書 令和元年 12⽉ 株式会社 B&B Lab.
2. ⽬次 １．概要 1.2 ロケーション 1.1 経緯 ２. 弊社の対応内容 ３．総括 2.1 開発ハードウェア 2.2クラウド側開発内容 Appendix1 改良の対応の経緯 Appendix2 九州⼤学での検証 appendix
3. 概要 場所：柏の葉アクアテラス 期間：2019年4⽉〜2020年3⽉ ⽬的： 柏の葉アクアテラス調整池の⽔質モニタリングを⽬的に ⽔質モニタ装置及びクラウド側機能を開発、実証実験に提供する。 内容： ⽔温、⽔位、pH 及び カラー濁度の遠隔モニタリング装置及びクラウド側 機能を開発した。通信に関しては 柏の葉スマートシティの実証実験の LoraWAN 環境を利⽤している。 電源については改良の結果、太陽光で稼働可能なシステムが構成できた ・屋外で⻑期安定稼働可能な構成の確⽴ ・測定結果の信頼性の確保 ・LPWAを利⽤した通信技術を確⽴ 技術的課題
4. 1.1 経緯 画像は以下のURLより引⽤ 柏の葉キャンパス アクアテラス環境モニタリング https://www.slideshare.net/luminhacker/ss‐88156414 2018年2⽉27⽇に実施された柏の葉IoTハッカソンの⼊賞作 「アクアテラス環境モニタリング」 の内容を 引き続き柏の葉キャンパス アクアテラスで実証実験を⾏うことと なった。
5. つくばエクスプレス柏の葉キャンパス駅から徒歩5分 柏の葉アクアテラスは、柏北部中央地区⼀体型特定⼟地区画整理事業の⼀部として整備された 従来型の調整池を、市⺠が憩える親⽔空間へと再⽣した公共空間のリノベーションである 公共と⺠間事業者（三井不動産を主とする周辺地権者）の連携により実現した http://design‐prize.sakura.ne.jp/archives/result/1047 アクアテラスの⾵景 ⽔質モニタ設置個所 1.2 実験場所ロケーション
6. ２ 弊社の対応内容 １．⽔質モニタ装置の開発 ２．データ保存、可視化の開発 ３．運⽤上の不具合の対策、改良 不具合の例：昼間の通信停⽌（運⽤開始当初 4/17‐4/18） 写真は最終バージョン 可視化の例 改善後 12/24‐12/25 改良
7. 開発ハードウェア 当初仕様： 計測内容 ・⽔温、⽔位、pHモニタ機能 ・カラー濁度（オプション） 電源 ・ソーラーモバイルバッテリで稼働 外観 内部構造 ⾃社開発 pH インタフェイス ⾃社開発⽔位計インタフェイス(4‐20mA) ⾃社開発 カラー濁度センサ 2.1 弊社の対応内容 ※モバイルバッテリのスリープ機能キャンセル機能を付加
8. クラウド側開発内容 MQTTデータ受信、コード値→物理量 換算処理、DB保存： Node Red で実装 DBに換算後 データ保存 Grafanaでデータを可視化 変換処理フロー 可視化の例 2.2 弊社の対応内容
9. ３．総括 １．当初の仕様 測定内容：温度、⽔温、pH センサ、⽔位、カラー濁度 通信⽅式：LoraWAN （センスウェイ仕様） 電源：ソーラーで供給 について は改良の結果2019/11/27 の時点で実現することができた。 改良の経緯については、Appendix１にまとめる。 ２．当初の仕様であるソーラーモバイルバッテリからの電源供給については運⽤の結果 対応困難なことが判明した。 そこで、安全性の⾼いリン酸鉄リチウムイオン(Lifepo4)を⾼効率で充電する回路を 開発し、実証実験のプロセスで検証を⾏うことが出来た。 ３．このプロジェクトでの成果は以下のとおりである。 ・屋外環境モニタリングシステムの製作⽅法及び、運⽤ノウハウ ・屋外での電源確保、通信ノウハウの確⽴ ・pH センサ、⽔位センサ、カラー濁度センサのインターフェイス開発 ・センサの運⽤ノウハウ ４．残件として以下の課題がある ・pH センサ、カラー濁度センサの測定の信頼性の検証（九州⼤と協⼒中） ・計測システムのブラッシュアップ、低コスト化
10. 受け⼊れテスト(4/3 – 4/9) Appendix1 改良の対応の経緯 特に問題は確認できず。 3⽉22⽇納品 ※三井共同建設コンサルタント株式会社様対応
11. 計測場所の近くの⽇当たりのいい グレーチングに設置 設置場所 Appendix1 改良の対応の経緯 設置(4/10) ※三井共同建設コンサルタント株式会社様対応 運⽤開始（4/10 ~） データ⽋落 昼間 (5：00~18:00) に動作しない問題が発⽣ 停⽌時間と⽇照時間が⼀致 他、電波強度が低い点も指摘
12. Appendix1 改良の対応の経緯 改善策 後⽇、当該モバイルバッテリを分解調査して みると、充電回路に過熱保護が⼊ってない 簡素な構造であり、電池セル内蔵の保護回路 が働いていたことが判明 5⽉16⽇現地確認 当該バッテリ分解写真 電池の異常（膨張）を確認 左側：正常品（使⽤前） 右側：使⽤後 ・同様の動作実績のあるモバイルバッテリに交換 ・⾬除け⽤の鉄製の⾦具を除去し電波状況の改善を図る 結果 モバイルバッテリの省電⼒ 機能が働かなかったためだ と考えられる。 通信は改善されたものの4⽇動作後、動作停⽌
13. Appendix1 改良の対応の経緯 5⽉31⽇協議の上、改善策が出来るまで乾電池駆動で暫定対応 ・単⼀マンガン電池4本から電源供給 ・⾼温対策のため断熱シートを使⽤ ・液漏れ時の被害軽減のためマンガン電池使⽤（ジップロックで密封） 断熱シートの絶縁確認 設置状況 ※モバイルバッテリスリープ機能キャンセル の機能はそのままだったため、削除すれば倍以上の 稼働は⾒込める。 67.4⽇（5/31 ~ 8/6）動作
14. Appendix1 改良の対応の経緯 Rakwireless RAK 811 搭載基板 （内製品） Ver. 2.0 基板 ソーラーパネルの設置状況 ソーラーパネルの発電状況の確認 9⽉20⽇ソーラー充電機能を新規開発した、新バージョン(Ver.2.0) に基板を変更 機能改善 ・ソーラーパネル充電機能 安全性の⾼いリン酸鉄リチウムイオン電池を使⽤ ・LoraWAN 通信を センスウェイ社スタータキット添付品から、 RakWireless RAK811 LoraWAN モジュールに変更 晴天下で 440mA の 充電電流を確認
15. 2.3 改良の対応の経緯 新バージョン(Ver.2.0) の稼働状況(1) 温度センサの異常値が出現(9/25 朝及び 9/28以降) 温度測定値異常 温度測定値異常 原因として以下の要因が考えられる。 ・外来ノイズ、もしくは結露のよるショートによる異常動作 ・プログラムミスによる測定前のリセット動作の不備（※） ※正しく実装されていれば異常の継続は起こらない。
16. 新バージョン(Ver.2.0) の稼働状況(2) 11/4 に稼働停⽌のため状況を確認 Appendix1 改良の対応の経緯 ケース内に⽔が溜まっていた バッテリの電圧の低下は認められるが許容範囲 対応内容 ・⽔分除去及び、乾燥剤封⼊ ・念の為バッテリ交換 11/4 11/12 に現地確認 11/12 対応以降は安定稼働 温度異常だが稼働
17. Appendix1 改良の対応の経緯 改良バージョン(Ver.2.1)への交換(1) 改良内容 ・ソーラー充電回路の内製化 ・センスウェイ スターターキットLoraWAN I/F への仕様変更 ※三井共同建設コンサルタント株式会社 様ご要望 ・温度測定機能バグ修正 ・バッテリ電圧モニタ回路 ・カラー濁度センサ（復活） ソーラー充電回路（内製版） 改良バージョン(Ver.2.1)
18. Appendix1 改良の対応の経緯 改良バージョン(Ver.2.1)への交換(2) 測定結果は安定 カラー濁度センサの出⼒も取れている ※妥当性は検証が必要 最初のバージョンで起きた動作 不良は現地の確認の結果 センサがケーブルの先で脱落 していることが原因である ことが判明
19. Appendix2 九州⼤学での検証 共同で検証実施中