Ubiquitous Computing - Lesson 4

Applications of Sensors and WSN

Course Instructor: 馬 建華

Document: 山田 真之

TA: 高橋 和樹

Index

センサ

◦ センサとは

◦ 各種センサ

センサネットワーク

◦ センサネットワークとは

◦ 実例

ウェアラブルデバイス

◦ ハードウェア

◦ 実例

センサとは

自然界の様々な物理量を測定するもの

◦ 特定の性質に対する定量性

スマートフォン

多数のセンサーを搭載する

◦ 加速度や光度、近接、温度センサーなど

◦ 歩数などの運動具合や、光度などの周辺状況

加速度センサ

加速度を与えることにより電気信号に変化を与える機構を利用

◦ 半導体 静電容量

ピエゾ抵抗

ガス温度分布

主に前後左右への動き

出典：デザインウェーブマガジン：加速度センサ，角速度センサのしくみ 出典：四国電気保安協会

加速度センサのしくみ

加速度センサのしくみ

ピエゾ抵抗型(左)は、単純な構造で三次元をとらえる

◦ ただし、感度が不均一で精度が劣る

ガス温度分布型(右)は、可動部品がないので強い

◦ ただし、温度変化に敏感で、反応速度も低め

ジャイロセンサ

角速度を検知するセンサ。「ジャイロスコープ」の方が一般的

◦ 機械式(回転、振動)、流体式、光学式、量子式など

主に、回転運動を検出

ジャイロセンサのしくみ

主に使われるのは振動型

◦ コリオリの力を検出 移動物体(振動体)に回転を加えると、コリオリの力が働く

◦ “ドリフト”と呼ばれる現象などで、勝手にズレていく

磁気センサ

磁界の強さやその変化をとらえて物体の接近や移動・回転を検知する

◦ コイル

◦ ホール素子

◦ 磁気インピーダンス素子

主に、方向を検出

磁気センサのしくみ

コイル式(左)は、磁束密度の変化だけをとらえる

◦ ゆっくり動く磁場や、磁場の有無などは分からない

ホール素子式(右)は、磁束密度の方向をとらえる

◦ 変化のない磁場をとらえられ、スマホなどにも使われる

ジャイロセンサーの補正などに必要

9軸センサ

加速度、ジャイロ、地磁気を組み合わせたもの

◦ さらに気圧センサを加えて10軸としたものもある

空間内での運動を検出する

◦ 三次元的な位置と方向を認識

気圧センサ

主に高度変化をとらえる

◦ 30センチほどの高さの違いを認識可能

◦ 9軸と合わせて、GPSの届かない場所での移動を認識 エレベーターや階段など

低消費で標高差が分かる ⇒ 登山などでも使われる

圧力センサ

様々な圧力具合を検出するセンサ

◦ ストレインゲージ（ひずみゲージ）

◦ ロードセル（荷重による変位量がわかっている物体とひずみゲージを組み合わせた荷重センサー）

◦ 半導体圧力センサ

負荷や動きをとらえる

◦ 物が置かれているか、どんなものが置かれたかなど

光センサ

光に反応して電気を発生させる素子を利用

◦ 光センサ 光電素子 フォトダイオード

主に状況をとらえるほか、通信にも使われる

◦ スマホの近接センサーはこの部類

◦ 画面輝度を自動調整するなどにも

温度センサ

温度の変化による電流値の変化を検知

◦ 接触式 サーミスタ 抵抗測温体 熱電対

◦ 非接触式 放射温度計

赤外線を利用

◦ ⇒光センサを応用（リモコンなど）

生体情報や環境情報を捉える

◦ 健康管理など

音声センサ

空気の振動を検出するセンサー（マイク）

◦ コイルや圧電素子

◦ コンデンサや炭素粉

周波数を分析すると、人や環境が見えてくる

◦ 声紋認識など

Android API による加速度の取得

public class MotionActivity extends Activity implements SensorEventListener {

private SensorManager mSensorManager;

...

mSensorManager = (SensorManager) getSystemService(Context.SENSOR_SERVICE);

mSensorManager.registerListener(this, mSensorManager.getDefaultSensor(

Sensor.TYPE_ACCELEROMETER), SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL);

public void onSensorChanged(SensorEvent event){

final float alpha = 0.8;

// Isolate the force of gravity with the low-pass filter.

gravity[0] = alpha * gravity[0] + (1 - alpha) * event.values[0];

gravity[1] = alpha * gravity[1] + (1 - alpha) * event.values[1];

gravity[2] = alpha * gravity[2] + (1 - alpha) * event.values[2];

// Remove the gravity contribution with the high-pass filter.

linear_acceleration[0] = event.values[0] - gravity[0];

linear_acceleration[1] = event.values[1] - gravity[1];

linear_acceleration[2] = event.values[2] - gravity[2];

}

センサマネージャを取得し、センサのタイプを指定し、システムからのセンサイベントのリスナーを指定する

センサから得た値を有用な（重力を考慮した）値に変換し、端末の動きに関する情報を得る

自動車とセンサ (1/2)

出典: TDK Techno Magazine 「最終回 ITS社会を目指して、自動車の安全性向上にもTDKの技術が生かされる」

自動車1台当たりのセンサの数は60~100個。さらに増え続けると予測される。出典：Automotive Sensors and Electronics Expo 2015

自動車とセンサ (2/2)

出典: デンソーテクニカルレビュー「特集 自動車用センサの技術動向」

Classification of typical automotive sensors

Google Driverless Car

Self-Driving Car Test: Steve Mahanhttp://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=cdgQpa1pUUE

セバスチャン・スラン「Googleの自動運転車で目指していること」http://www.ted.com/talks/sebastian_thrun_google_s_driverless_car.html

センサネットワーク

ユビキタスネットワーク社会における重要な技術基盤

◦ 防災・防犯・セキュリティ

◦ 食品・農業

◦ 医療・福祉

◦ 物流 etc…

⇒現実世界を、電子世界に組み入れる

センサが相互に自律的に連携するネットワーク

◦ コンテキストアウェアネス

◦ リアルタイムデータの取得・活用

ユビキタスセンサネットワーク技術に関する調査研究会資料（総務省作成、2004年）

Applications of Sensor Networks

課題

通信方式

電源枯渇問題

◦ 省電力通信プロトコル

◦ 適応センシング

リソースの不足

セキュリティ

コスト

プライバシーの保護

スマートスペース

空間のあらゆる場所にセンサが偏在

人々を賢くサポート

◦ 趣味・嗜好

◦ 習慣

◦ 周辺環境 etc…

Smart Environment

Building Automation by EnOcean Alliance

Image video (1:50~3:40)

IRoom by Prof. Dr. Hani Hagras

ファジィルールベースの学習型スマートホーム

ミスター省エネ

セイコーソリューションズ株式会社の無線センサネットワークシステム

環境ネットワーク

NTTドコモが数年かけて実施しているセンサネットワーク事業

ウェザー・サービスと資本提携し、2009年12月21日には環境センサーネットワークシステムによる花粉観測事業の試験運用を開始している

ユーザ向けに「ドコモ花粉ライブ！」や「健康気象サービス」を提供

既に全国2500カ所に環境センサーネットワークの設置を終了、運用を開始している

2011年度にはこれを4000局にまで拡大し、ゆくゆくは9000局の観測拠点を全国に設置する計画

農業・屋外無線ネットワーク

e-案山子 エコ

参加型センシング (participatory sensing)

街中の騒音状況を表したノイズマップ

ノイズデータ 測定値 位置情報 タグNoiseTube: http://www.noisetube.net/#&panel1-1

スマートフォンのセンサ等を利用し、一人ひとりのユーザをセンサノードとした集合知の利用

出典：プロジェクト紹介2014 馬プロジェクト

Wearable Devices

Sony SmartWatch2 , Samsung Galaxy Gear , Gear Concept 2013

Nike Fuel Band & Smart Train Shoe

2014年 ウェアラブルデバイス元年

RING:Shortcut Everything Wearable Multitouch Everywhere

Google's Next Smart Contact LensGoogle Glass

そもそもWearable Deviceとは

ウェアラブルデバイスとは、ウェアラブルコンピューティングにおいて使用される、身に着けることのできるデバイスのことである。

従来のコンピュータと違い身に着けることができるため、場所を選ばずデバイスの利用ができる。

そのかわり、一般的なコンピュータと比べ、低機能であり、利用方法を絞った使い方がなされている。

デバイスの形 装着場所

頭部

HMD、眼鏡、イヤフォン、ネックレス

胴体部

ベルト、バンド、クリップ

腕部

時計、腕輪、指輪

脚部

足輪、靴、クリップ

その他

衣服

主なサービス例

スポーツ

運動状況、状態測定

フィットネス

運動状況測定、睡眠状態測定

ヘルスケア

健康状態測定、医療補助

⇒ 行動や状態の認識

研究例

Augmented Reality（AR）

Diminished Reality

(ARの逆、例えば不要な広告を視界から消す、視覚障碍者のためにあえて視界を制限するなど)

Mediated Reality

(現実の補正。地面の温度を色で表現するなど)

多数のセンサーを用いるデータフュージョン

コンテキストウェアの作成

Google Glass

https://www.youtube.com/watch?v=v1uyQZNg2vE

Android Wear

https://www.youtube.com/watch?v=0xQ3y902DEQ

MYO

https://www.youtube.com/watch?v=oWu9TFJjHaM

MindWave

https://www.youtube.com/watch?v=2Qp1Z_cTVtE

SmartBall

https://www.youtube.com/watch?v=mtsLjerAQlE

小型ハードウェア

Raspberry Pi

Arduino

Edison

・ 上記の三つが主に使われる

・ 処理能力や扱えるデータ、消費電力などが異なる

・ センサと組み合わせて、様々なデバイスを作れる

Raspberry Pi

3Bバージョンだと、1.2GHzのクアッドコア

400MHzのGPUを搭載

GPIO40ピン。WifiとBluetooth

7W~12.5Wの消費電力。LinuxベースのOS

処理性能がいいが、消費電力が多い

Arduino

16MHzのコントローラーと32KBのメモリ

アナログ入力が直接扱える

安い。 代わりにWifiやBluetoothは無し

シールドと呼ばれるモジュールが沢山

性能は低いが、手軽に扱える

Intel Edison

500MHzのデュアルコアと、100MHzのQuark

最大でも1W以下の消費電力。 超小型

多数のGPIO。 WifiとBluetoothを内蔵

LinuxベースのOS。 Arduino互換ボードもある

小型低消費で、そこそこの性能

小型ハードウェアの使用例

Raspberry Pihttps://www.youtube.com/watch?v=plYeHEhhOaY

Arduinohttps://www.youtube.com/watch?v=eJg3yuAAawA

Intel Edisonhttps://www.youtube.com/watch?v=6SS6I5dWmMk