IoT対応ソーラートラッカー：Arduinoによるスマートエネルギー管理

部品と材料

部品	数量	備考
Arduino Mega 2560	1
Ethernetシールド（Wiznet W5100）	1	Arduino用
SG90マイクロサーボモーター	2
LDR（光依存抵抗）5MΩ	4	GL5528相当
DHT22温湿度センサー	1
小型ソーラーパネル	1	115×85mm、1.6W、最大6V出力
抵抗 330Ω	4	LDR用分圧回路
抵抗 10Ω（スルーホール）	2	電圧/電流測定用分圧
抵抗 220Ω	1	LED用
5mm赤色LED	1	動作モード表示用

使用するアプリ・オンラインサービス

• myDevices Cayenne（IoTプラットフォーム）
• Arduino IDE

プロジェクト概要

本プロジェクトは、二軸ソーラートラッカーシステムを監視・制御するための、シンプルかつ低コストなIoTソリューションを提示します。

システム構成

図1に示す通り、本システムはLDRセンサーで太陽の位置（光強度）を検出し、Arduino Megaがデータを処理して2つのサーボモーター（SM1：左右、SM2：上下）を駆動し、PVパネルを太陽に向けます。同時に、PV電圧・電流、温度、湿度のデータも取得し、Ethernetシールド経由でクラウド（Cayenne）へ送信。ユーザーはスマホやPCのダッシュボードでリアルタイムにそれらを可視化できます。

手動モードでは、ダッシュボードのスライダーからサーボ角度を直接指示可能。また、閾値到達時にはSMS/メールでアラート通知も飛ばせます。

ハードウェア設計

図2はハードウェア構成を示します。主要構成要素は以下の通りです。

• PVパネル：115×85mm、1.6W、最大6V出力
• サーボモーター：左右用（MG996R、PWMピン5）、上下用（SG90、PWMピン6）の2軸制御
• LDRセンサー×4：パネル四隅に配置、アナログピンA0〜A3接続。330Ω直列抵抗で分圧回路を構成し、10bit ADC（0〜1023）でデジタル値化
• DHT22：温度-40〜80℃（±0.5℃）、湿度0〜100%（±2%）、デジタルピン2接続
• PV電圧/電流測定：10Ω×2直列の分圧回路で負荷兼用、アナログピンA4へ出力
• モード表示LED：デジタルピン3、自動/手動を表示
• Arduino Mega + Ethernetシールド（W5100）：RJ45でルーター/PCと接続、TCP/UDPスタック内蔵

ソフトウェア設計

a. Arduino IDE

C/C++ベースの統合開発環境で、USB経由でスケッチを書き込みます。本プロジェクトの全制御ロジックはArduino Mega上で動作します。

b. myDevices Cayenne

MQTTプロトコル（TCP/IPベースのPub/Sub）を用いてデバイスとクラウドを接続するIoTプラットフォーム。Arduino側ではCayenneMQTTEthernetライブラリを使用し、認証情報（ユーザー名、パスワード、クライアントID）をダッシュボードから取得してCayenne.begin()で接続確立。センサー用にCAYENNE_OUT(VIRTUAL_CHANNEL)、アクチュエーター用にCAYENNE_IN(VIRTUAL_CHANNEL)を定義し、Cayenne.loop()で定期実行します。バーチャルチャネルは物理ピンに依存せず、ウィジェットとセンサー/アクチュエーターを紐付ける論理チャネルです。

c. 組み込みソフトウェア設計

二つの動作モードを持ちます：

1. 手動モード：ダッシュボードのボタンがOFF時。ユーザーがスライダーで左右/上下サーボを直接操作。Cayenne.loop()でセンサーデータも送信継続。
2. 自動モード：ボタンON時。図4のアルゴリズムで太陽追尾を実行。
   • 左右（垂直軸）：左側2つと右側2つのLDR平均値を比較。差が閾値（±10）以内なら停止、左が大きければ時計回り、右が大きければ反時計回りに回転。
   • 上下（水平軸）：上側2つと下側2つの平均値で同様に制御。
   • 自動モード中もCayenne.loop()でデータ送信継続。

d. IoT監視アプリケーション開発

(i) ハードウェアとCayenneのインターフェース

1. Cayenne myDevicesでアカウント作成・ログイン
2. 「Bring Your Own Things」からMQTT認証情報を取得
3. 認証情報をスケッチに記述し、コンパイル・書き込み後、シリアルモニタで接続ログ確認
4. デバイスがオンラインになるとダッシュボードに自動表示
5. 「Add new → Device/Widget → Custom Widgets」で各センサー/アクチュエーターのウィジェットを作成（チャネル番号はコードと一致させる）。センサーは「Value」、モード切替は「Button」、サーボは「Slider」ウィジェットを使用

(ii) アラート機能の設定

「Add new → Trigger」でイベントとアクションを定義。例：温度が閾値到達でメール通知など。SMS/メール/両方、または指定アクション実行が可能。

プロトタイプ

図12は分解/組立状態のプロトタイプ。パネルは上下サーボ片側と反対側ベアリングで支持し、スムーズな水平回転を確保。LDRは四隅の筒内に配置し、パネルが太陽に垂直でない場合は少なくとも1つのLDRが影を受け、光量差が生じる仕組み。図13は完成したシステム全体像です。

詳細な実験結果については、以下の論文を参照してください：
https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-030-64565-6_4

組み込みコード

/***************************************************************
 * PROJECT: IoT based solar tracker system / the embedded software
 * Aboubakr El Hammoumi / aboubakr.elhammoumi@usmba.ac.ma
 ***************************************************************/
#define CAYENNE_PRINT Serial
#include 
#include 
#include 

#define DHTTYPE DHT22
#define DHTPIN 2
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

// MQTT認証情報（実際にはダッシュボードから取得したものに置き換え）
char username[] = "498d2d00-afe2-11ea-883c-638d8ce4c23d";
char password[] = "ab4a8f92d94033c01f6e18ce1d8a84d8c304c9c4";
char clientID[] = "17798a40-b968-11ea-93bf-d33a96695544";

Servo servo_x;  // 上下サーボ
int servoh = 0;
int servohLimitHigh = 170;
int servohLimitLow = 10;

Servo servo_z;  // 左右サーボ
int servov = 0;
int servovLimitHigh = 170;
int servovLimitLow = 10;

int topl, topr, botl, botr;
int threshold_value = 10;
float Vout;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Cayenne.begin(username, password, clientID);
  servo_x.attach(5);
  servo_z.attach(6);
  dht.begin();
  pinMode(3, OUTPUT);
  digitalWrite(3, LOW);
}

void loop() {
  // LDR読み取り（ピン番号は実装に合わせて調整）
  topr = analogRead(A2);
  topl = analogRead(A3);
  botl = analogRead(A4);
  botr = analogRead(A5);
  
  // PV電圧測定（A1ピン、分圧比考慮）
  Vout = (analogRead(A1) * 5.0) / 1023;
  Serial.println(" Manual-mode");
  Cayenne.loop();

  if (digitalRead(3) == HIGH) {  // LED=HIGH → 自動モード
    Serial.println(" Automatic-mode");
    servoh = servo_x.read();
    servov = servo_z.read();

    int avgtop = (topr + topl) / 2;
    int avgbot = (botr + botl) / 2;
    int avgright = (topr + botr) / 2;
    int avgleft = (topl + botl) / 2;
    int diffhori = avgtop - avgbot;    // 水平軸（上下）差分
    int diffverti = avgleft - avgright; // 垂直軸（左右）差分

    /* 水平軸（上下）追尾 */
    if (abs(diffhori) <= threshold_value) {
      servo_x.write(servoh); // 停止
    } else {
      if (diffhori > threshold_value) {
        Serial.println(" x - 2 ");
        servo_x.write(servoh - 2); // 時計回り
        if (servoh > servohLimitHigh) servoh = servohLimitHigh;
        delay(10);
      } else {
        servo_x.write(servoh + 2); // 反時計回り
        if (servoh < servohLimitLow) servoh = servohLimitLow;
        delay(10);
      }
    }

    /* 垂直軸（左右）追尾 */
    if (abs(diffverti) <= threshold_value) {
      servo_z.write(servov); // 停止
    } else {
      if (diffverti > threshold_value) {
        servo_z.write(servov - 2); // 時計回り
        if (servov > servovLimitHigh) servov = servovLimitHigh;
        delay(10);
      } else {
        servo_z.write(servov + 2); // 反時計回り
        if (servov < servovLimitLow) servov = servovLimitLow;
        delay(10);
      }
    }
  }
}

// --- Cayenne コールバック関数 ---

// モード切替ボタン（チャネル8）→ LEDピン3
CAYENNE_IN(8) {
  int value = getValue.asInt();
  CAYENNE_LOG("Channel %d, pin %d, value %d", 8, 3, value);
  digitalWrite(3, value);
}

// 上下サーボ手動制御（チャネル7）
CAYENNE_IN(7) {
  if (digitalRead(3) == HIGH) {
    // 自動モード時は無視
  } else {
    servo_x.write(getValue.asDouble() * 180);
  }
}

// 左右サーボ手動制御（チャネル6）
CAYENNE_IN(6) {
  if (digitalRead(3) == HIGH) {
    // 自動モード時は無視
  } else {
    servo_z.write(getValue.asDouble() * 180);
  }
}

// センサー送信（CAYENNE_OUT）
CAYENNE_OUT(0) {  // 電流
  float current = Vout / 10;
  Cayenne.virtualWrite(0, current);
  Serial.print("Current: "); Serial.println(current);
}
CAYENNE_OUT(1) {  // 電圧
  float voltage = Vout * 2;
  Cayenne.virtualWrite(1, voltage);
  Serial.print("Voltage: "); Serial.println(voltage);
}
CAYENNE_OUT(2) { Cayenne.virtualWrite(2, topr); }   // LDR右上
CAYENNE_OUT(3) { Cayenne.virtualWrite(3, topl); }   // LDR左上
CAYENNE_OUT(4) { Cayenne.virtualWrite(4, botl); }   // LDR左下
CAYENNE_OUT(5) { Cayenne.virtualWrite(5, botr); }   // LDR右下
CAYENNE_OUT(10) { // 電力
  float power = (Vout * 2 * Vout) / 10;
  Cayenne.virtualWrite(10, power);
  Serial.print("Power: "); Serial.println(power);
}
CAYENNE_OUT(11) { // 温度
  float t = dht.readTemperature();
  Cayenne.virtualWrite(11, t, TYPE_TEMPERATURE, UNIT_CELSIUS);
  Serial.print("temperature: "); Serial.println(t);
}
CAYENNE_OUT(12) { // 湿度
  float h = dht.readHumidity();
  Cayenne.virtualWrite(12, h);
  Serial.print(" humidity: "); Serial.println(h);
}

回路図