LoRaベースのスマートシティ大気質監視システム

部品と材料

部品	数量
Arduino UNO	1
Seeed Base Shield V2	1
NodeMCU ESP8266 ブレイクアウトボード	1
Seeed ラウドネスセンサー	1
Seeed Grove – 大気質センサー v1.3	1
Seeed Grove – 温湿度センサー (DHT11)	1
Reyax LoRa モジュール (RYLR998)	1
Seeed 小型ソーラーパネル 80×100mm 1W	1
Seeed LiPo Rider Pro	1
充電式リチウムイオン電池 3.7V	1

必要なツールと機器

• 3Dプリンター (汎用)

ソフトウェアとオンラインサービス

• Arduino IDE
• Grandeur (IoTバックエンドプラットフォーム)
• Grandeur Canvas (ダッシュボードビルダー)

プロジェクト概要

スマートシティと大気質

世界銀行によると、スマートシティはテクノロジーを活用して効率的な公共サービスと持続可能な都市環境を提供します。このビジョンの中心はリアルタイム環境監視であり、汚染源を特定し、交通流の最適化や住民への安全な経路案内など、データに基づいた政策決定を可能にします。

課題と解決策

都市の大気汚染は深刻な健康リスクをもたらし、タイムリーなデータ取得が対策に不可欠です。低コストセンサーノードのIoTネットワークにより、大気質と気象パラメータを継続的に取得できます。信頼性の高い低電力通信層と組み合わせることで、自治体は汚染ホットスポットを検知し、プロアクティブに対応できます。

プロジェクト計画

本システムは騒音、温度、湿度、大気質の主要環境指標を監視し、データをクラウドプラットフォームへ無線送信します。ノード全体は1Wソーラーパネルとリチウムイオン電池バックアップで駆動し、自律運用を実現。クラウドダッシュボードでデータをリアルタイム可視化し、即時の洞察と長期トレンド分析を可能にします。

各センサーを直接クラウドに接続すると電力消費とコストが増大するため、複数の近接ノードからデータを集約し、単一のLoRaゲートウェイ経由で送信します。LoRaの長距離・低電力特性は密集した都市展開に最適です。

バックエンドプラットフォームにはGrandeurを採用しました。Arduino、NodeMCU、Raspberry Pi向けの使いやすいSDKと、ドラッグアンドドロップで構築できるダッシュボードビルダーを提供しているためです。

ソーラー電源はリモートノードに持続可能でメンテナンスフリーなエネルギーを供給し、リチウムイオン電池は日照不足時の運用を保証します。

センサーノードの構築

ノードにはGrove大気質センサー、Groveラウドネスセンサー、DHT11温湿度センサーを統合。これらはSeeed Base Shieldにはんだ付け不要で接続でき、組み立てとメンテナンスを簡素化します。

電源は1WソーラーパネルとSeeed LiPo Rider Pro充電器で供給。5Vブーストコンバーターを内蔵し、Arduinoの動作電圧範囲を維持します。

無線通信にはReyax RYLR998 LoRaトランシーバーを使用。3.6Vロジックで動作するため、Arduinoの5V TXラインを保護する簡易電圧分割回路を追加しています。

LoRaモジュール接続時は、Base Shieldの電源スイッチを3.3Vに設定してください。

組み立て後、ArduinoからLoRaモジュールへATコマンドを送信し、通信を確認します。

アップロードとテスト

付属のArduinoスケッチをアップロードし、シリアルモニターでセンサー値が正しく送信されているか確認します。

エンクロージャーへの組み込み

添付のSTLファイルを3Dプリントし、フィット確認後、両面テープまたはホットグルーで部品を固定。ソーラーパネルを上面に取り付け、電源ケーブルを指定の穴から通します。

Grandeurの設定

Grandeurはデバイスとユーザーを紐付け、リアルタイムダッシュボードを提供するIoTバックエンドです。以下の手順でプロジェクトをセットアップします：

1. grandeur.devで新規プロジェクトを作成
2. ユーザーアカウントを登録（後でデバイスとペアリング）
3. デバイスモデルを定義し、JSONスキーマを設定：

   {"temp":0, "humid":0, "air":0, "noise":0}

4. デバイスをインスタンス化し、固有IDとアクセストークンを取得してArduinoファームウェアに保存
5. ダッシュボードまたはAPI（pairDevice()）でデバイスとユーザーをペアリング
6. Canvasダッシュボードを構築：温度、湿度、騒音レベル、大気質の4つのグラフウィジェットを追加し、対応する変数にバインド

Canvas認証後、ユーザーはログインしてライブデータを閲覧可能。APIキーとデバイストークンはゲートウェイファームウェアで必要です。

IoT LoRaゲートウェイの準備

NodeMCUをLoRaゲートウェイとして動作させ、センサーノードからUARTでデータを受信し、Wi-Fi経由でGrandeurへ転送します。Raspberry Piも選択肢ですが、NodeMCUはコンパクトで低コスト、本プロジェクトの帯域幅とレイテンシ要件を満たします。

ゲートウェイファームウェア

ファームウェアはLoRaモジュールから受信したカンマ区切りペイロードを解析、各値をfloatに変換し、提供SDKでGrandeurへプッシュします。以下はデータ抽出と送信のコアロジックです。

void process_received_data(){
  start_pos = inputString.indexOf(start_val);
  end_pos = inputString.indexOf(end_val);
  String data_string = inputString.substring(start_pos+1, end_pos-1);
  int firstCommaIndex = data_string.indexOf(',');
  int secondCommaIndex = data_string.indexOf(',', firstCommaIndex+1);
  int thirdCommaIndex = data_string.indexOf(',', secondCommaIndex+1);
  String temperature = data_string.substring(0, firstCommaIndex);
  String humidity = data_string.substring(firstCommaIndex+1, secondCommaIndex);
  String noise_level = data_string.substring(secondCommaIndex+1, thirdCommaIndex);
  String air_quality = data_string.substring(thirdCommaIndex+1);
  temp = temperature.toFloat();
  humid = humidity.toFloat();
  noise = noise_level.toFloat();
  air = air_quality.toFloat();
  inputString = "";
  stringComplete = false;
}

ダッシュボード表示

ファームウェアコード

センサーノード (Arduino)

#include "AirQuality.h"
#include "Arduino.h"
#include "DHT.h"
#define DHTPIN 4
#define DHTTYPE DHT11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
AirQuality airqualitysensor;
int current_quality =-1;
const int sampleWindow = 50;
unsigned int sample;
float noise;
float temp, humid;
int airQuality;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  airqualitysensor.init(14);
  dht.begin();
}

void loop() {
  noise = calculate_sound_in_db();
  airQuality = calculate_air_quality();
  calculate_temp_humid();
  String values = String(temp)+","+String(humid)+","+String(noise)+","+String(airQuality);
  String cmd = "AT+SEND=0,"+String(values.length())+","+values;
  Serial.println(cmd);
  delay(15000);
}

float calculate_sound_in_db(){
  unsigned long startMillis= millis();
  float peakToPeak = 0;
  unsigned int signalMax = 0;
  unsigned int signalMin = 1024;
  while (millis() - startMillis < sampleWindow){
    sample = analogRead(A1);
    if (sample < 1024){
      if (sample > signalMax) signalMax = sample;
      else if (sample < signalMin) signalMin = sample;
    }
  }
  peakToPeak = signalMax - signalMin;
  float db = map(peakToPeak,0,1000,48,120);
  return db;
}

int calculate_air_quality(){
  current_quality=airqualitysensor.slope();
  return current_quality;
}

void calculate_temp_humid(){
  float h = dht.readHumidity();
  float t = dht.readTemperature();
  if (isnan(h) || isnan(t)) return;
  temp = t;
  humid = h;
}

ISR(TIMER1_OVF_vect){
  if(airqualitysensor.counter==61){
    airqualitysensor.last_vol=airqualitysensor.first_vol;
    airqualitysensor.first_vol=analogRead(A0);
    airqualitysensor.counter=0;
    airqualitysensor.timer_index=1;
    PORTB=PORTB^0x20;
  }else{
    airqualitysensor.counter++;
  }
}

ゲートウェイ (NodeMCU/Arduino)

#include <Grandeur.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial LORA(D7, D8);

String deviceID = "your device id";
String apiKey = "your api key";
String token = "your device token";
String ssid = "your wifi ssid";
String password = "your wifi password";

Grandeur::Project project;
Grandeur::Project::Device device;
int connected = 0;
uint32_t lastUpdate = 0;
String inputString = "";
boolean stringComplete = false;
char start_val = ':';
char end_val = '%';
int start_pos = 0;
int end_pos = 0;
float temp = 0;
float humid = 0;
float air = 0;
float noise = 0;

void onConnection(bool status) {
  switch(status) {
    case CONNECTED:
      Serial.println("Device is connected to the cloud.");
      connected = 1;
      lastUpdate = millis();
      return;
    case DISCONNECTED:
      Serial.println("Device is disconnected from the cloud.");
      connected = 0;
      return;
  }
}

void connectWiFi() {
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

void dataCallback(const char* code, Var res) {
  if(code == "DEVICE-DATA-UPDATED") {
    double temp_data = (double) res["update"]["temp"];
    double humid_data = (double) res["update"]["humid"];
    double noise_data = (double) res["update"]["noise"];
    double air_data = (double) res["update"]["air"];
    Serial.printf("Temperature: %f Humidity: %f Noise Level: %f Air Quality: %f\n", temp_data, humid_data, noise_data, air_data);
    return;
  }
  Serial.println("Failed to Update DATA");
  return;
}

void sendUpdate() {
  Var data;
  data["temp"] = temp;
  data["humid"] = humid;
  data["noise"] = noise;
  data["air"] = air;
  device.data().set("temp", temp, dataCallback);
  device.data().set("humid", humid, dataCallback);
  device.data().set("noise", noise, dataCallback);
  device.data().set("air", air, dataCallback);
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  LORA.begin(115200);
  inputString.reserve(200);
  connectWiFi();
  project = grandeur.init(apiKey, token);
  device = project.device(deviceID);
  project.onConnection(onConnection);
}

void loop() {
  serialEvent();
  project.loop(WiFi.status() == WL_CONNECTED);
  if (stringComplete) {
    process_received_data();
    if (connected) sendUpdate();
  }
}

void serialEvent() {
  while (LORA.available()) {
    char inChar = (char)LORA.read();
    if (inChar == '\n') {
      stringComplete = true;
    } else inputString += inChar;
  }
}