IEEE1888を活用したクラウド連携型センサ・ネッ …3gsa.org/conference130907/20130907ochiai.pdf12 IEEE1888は HTTP/XMLによる遠隔手続き呼出し (Remote Procedure

IEEE1888を活用したクラウド連携型

センサ・ネットワークの実力

東京大学

大規模集積システム設計教育研究センター

助教落合秀也 Ph.D.

3Gシールド・カンファレンス技術講演

2013年9月7日

通信＋計測・制御＝？

• 通信

– 遠隔地との情報のやり取りを可能にする

– 2000年代は TCP/IP (インターネット) が主流 (3G もその一つ)

• 計測・制御

– センサ：物理量、状態を読み取る

– アクチュエータ: 物理量、状態に働きかける

• 通信 + 計測・制御 = ？

– 通信＋計測 = リモート・センシング

– 通信＋計測・制御 = リモート・コントロール

現代の技術(TCP/IP/組込み通信/センサ技術)で実現されるものを、 Machine-to-Machine(M2M)システムと呼ぶ

2

M2Mの世界には時系列データがあふれている

電流センサの値(A) エアコンのON/OFF状態

通信により、センサやアクチュエータにはアクセスできるようになった。

時系列データのやり取りには別の仕組みが必要 IEEE1888規格 3

IEEE1888の適用先の例

• ビルの設備・エネルギー管理

–空調設備、照明設備、生活環境

–電力の使用状況

• 環境データの収集・管理

–温度・湿度・気圧・降雨・風向・風速

– CO2、NOx、SOx

• 植物工場の設備・環境管理

–温度・湿度・CO2管理

–水量調整、ヒートポンプ制御

4

講演内容

• IEEE1888プロトコルの技術

• IEEE1888対応装置/ソフト/サービスのイメージ

• IEEE1888でシステムを組むと

• IEEE1888 + 3G を Arduinoに実装

• お知らせなど

5

講演内容






6

IEEE1888 システム・アーキテクチャ

TCP/IP Network IEEE1888通信網(HTTP)

Proprietary Circuits CSV Files, …

＊アプリケーションユーザ・インタフェースデータ分析帳票出力コマンド発行など

＊ストレージデータの蓄積 (長期間・大容量など)

＊ゲートウェイアクセス方式の統一化

既存技術に基づく設備・機器フィールドバスセンサ・アクチュエータ計測ネットワーク

＊レジストリ GW, Storage, APPの登録・検索ポイントの登録・検索

7

IEEE1888プロトコルの設計要件

• 通信インタフェースは下記のように設計されること – GWにアクセスする方法と同じ方法で、Storage(やAPP)にもアクセスできること

– GWやStorageやAPPからデータを取り出せること

– GWやStorageやAPPにデータを書き込めること

– GWやStorageやAPPで発生したデータ更新を通知できること

• センサやアクチュエータは、GWによってカプセル化され、抽象化されたものとして扱う

• センサやアクチュエータを表現する “ポイント” は、世界で唯一の識別子を持ち、TCP/IPネットワークの上で、流通できる

• GWやStorageやAPPをダイナミックに結合できる

8

IEEE1888の設計要件外(Out-of-Scope)とすること

• データのセマンティクスは外部定義されたものを使用する

– ポイントの記述方法 • E.g., 場所, 単位, 所有者

– 値のフォーマット(スキーマ) • E.g., HVAC_HEAT, LIGHT_ON

– 他のセンサ(やアクチュエータ)との関係性 • E.g., センサ A とセンサ B は、同じビルに設置されている

• セキュリティについては考えない

IEEE1888.3で規定する、という方針

• プロトコルの軽量性

• リアルタイム性

9

IEEE1888 コンポーネント

• GW, Storage, APPは総称してIEEE1888 コン

ポーネントと呼ばれ、すべて同じインタフェースを持つ。

– queryメソッド

• クエリ(取得要求)を投げ込むためのメソッド

– dataメソッド

• データ本体を投げ込むためのメソッド

IEEE1888 コンポーネント

IEEE

18

88

query

data

GW, Storage, App はすべてこのモデルに従う

これらメソッドの組合せで WRITE, FETCH, TRAPの通信手順が定義されている。 10

GW, Storage, APPは、IEEE1888プロトコルの実装

11

Storage

APP

IEEE

18

88

IE

EE1

88

8

IEEE

18

88

GW

Massive Storage (e.g., HDD)

Actuator

User Interface

Data

FETCH

or

WRITE

FETCH

or

WRITE

FETCH

or

WRITE

IEEE18

88

IEEE1

88

8

IEEE18

88

Data

Data

同じ通信方式 (= これがIEEE1888)

「どのようにデータが処理されるか」が違う

Component

Component

Component

ネットワーク

header

body

transport

要求メッセージの送信

header

body

transport

header

body

transport

応答メッセージの送信

header

body

transport

要求メッセージ

応答メッセージ

クエリ, 処理の成否結果

データやフィールドバス上のエラー

クライアントサーバクライアントサーバ

data

network

12

IEEE1888は HTTP/XMLによる遠隔手続き呼出し (Remote Procedure Call) をベースにする

IEEE1888の通信手順

• コンポーネント間通信 – WRITE手順

• データを相手側に送信する手順

– FETCH手順 • 相手側にデータを取りに行く手順

– TRAP手順 • 相手側で将来発生するデータを、発生時に送り付けてもらうよう仕掛ける手順

• レジストリ通信 – REGISTRATION 手順

– LOOKUP 手順

13

WRITE Procedure

Requester Target

14

FETCH Procedure Requester Provider

If the size of dataset is large, it splits into sub-datasets.

15

16

TRAP Procedure

Requester Provider By setting a trap query, The provider asynchronously transmits query-matching upcoming data.

query

Valid until TTL expires

New Data

New Data

Callback

transport

header

body

要求および応答メッセージ

IEEE1888のメッセージ構造

HEADER – 通信の制御 - Query - OK Notification - Error Information

BODY – 運ぶデータ - Point - Value

17

IEEE1888のメッセージ構造

XMLでの表現 transport

header

body

<transport> <header> … </header> <body> …. </body> </transport>

要求および応答メッセージ HTTPでやり取りされる時の様子 18

point (id=A)

25.5 value (time=“12:00:00”)

25.7 value (time=“13:00:00”)

25.8 value (time=“14:00:00”)

1013 value (time=“12:00:00”)

1012 value (time=“13:00:00”)

1010 value (time=“14:00:00”)

point (id=B)

body

Body要素内部のデータ構造

Body要素は Point要素を複数持つ Point要素は Value要素を複数持つ

19

point (id=A)

25.5 value (time=“12:00:00”)

25.7 value (time=“13:00:00”)

25.8 value (time=“14:00:00”)

1013 value (time=“12:00:00”)

1012 value (time=“13:00:00”)

1010 value (time=“14:00:00”)

point (id=B)

<point id=“A”> <value time=“2013-06-19T12:00:00+09:00”>25.5</value> <value time=“2013-06-19T13:00:00+09:00”>25.7</value> <value time=“2013-06-19T14:00:00+09:00”>25.8</value> </point> <point id=“B”> <value time=“2013-06-19T12:00:00+09:00”>1013</value> <value time=“2013-06-19T13:00:00+09:00”>1012</value> <value time=“2013-06-19T14:00:00+09:00”>1010</value> </point>

XMLによる表現

20

IEEE1888 通信のキャプチャ POST /axis2/services/FIAPStorage HTTP/1.1 Content-Type: text/xml; charset=UTF-8 SOAPAction: "http://soap.fiap.org/data" User-Agent: Axis2 Host: 192.168.10.198 <?xml version='1.0' encoding='UTF-8'?> <soapenv:Envelope xmlns:soapenv="http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/"> <soapenv:Body> <ns2:dataRQ xmlns:ns2="http://soap.fiap.org/"> <transport xmlns="http://gutp.jp/fiap/2009/11/"> <body> <pointSet id="http://jo2lxq.hongo.wide.ad.jp/test/"> <point id="http://jo2lxq.hongo.wide.ad.jp/test/Temperature"> <value time="2011-09-03T21:20:00.000+09:00">25.4</value> <value time="2011-09-03T21:21:00.000+09:00">25.5</value> </point> <point id="http://jo2lxq.hongo.wide.ad.jp/test/CO2"> <value time="2011-09-03T21:20:00.000+09:00">541</value> <value time="2011-09-03T21:21:00.000+09:00">542</value> </point> <point id="http://jo2lxq.hongo.wide.ad.jp/test/Power"> <value time="2011-09-03T21:20:00.000+09:00">6583.5</value> <value time="2011-09-03T21:21:00.000+09:00">6583.3</value> </point> </pointSet> </body> </transport> </ns2:dataRQ> </soapenv:Body> </soapenv:Envelope>

WRITE(要求)の例

温度センサのデータ

CO2センサのデータ

電力センサのデータ

http://192.168.10.198/axis2/services/FIAPStorage IEEE1888サーバアドレス(SOAP通信端点)

に送信されている (HTTPヘッダ部を参照)

※ このURIはポイントIDと呼ばれる（ここにアクセスしてもデータが得られるわけではない）

21

IEEE1888 のクエリ・モデル

point (id=A)

point (id=B)

Time

Time

value value value value value


10:00 11:00 12:00 13:00 14:00

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00

point (id=C)

Time


10:00 11:00 12:00 13:00 14:00

データセット

id=A gteq=11:00 lteq=13:00 id=B gteq=11:00 lteq=13:00

query

クエリ (= サブセットの指定)

23

クエリのデータ構造 header query

key (id=“A”)

key (id=“B”)

key

id=A gteq=11:00:00 lteq=13:00:00

属性

key

id=B gteq=11:00:00 lteq=13:00:00

属性

<query …> <key id=“A” gteq=“2013-06-19T11:00:00+09:00” lteq=“2013-06-19T13:00:00+09:00”/> <key id=“B” gteq=“2013-06-19T11:00:00+09:00” lteq=“2013-06-19T13:00:00+09:00”/> </query>

Query要素は複数のkey要素を持つ

Key要素によってデータの時刻の範囲が与えられる 24

WRITE, FETCH, TRAP 手順の適用例

GWからStorageへのデータ送信

APPによる Storageからのデータ読出し

APPによる GWからのデータ読出し

APPによるGWへのTRAP 設定およびGWからAPPへの通知

APPによるGWへのデータ送信

WRITE 手順

WRITE 手順

TRAP 手順

FETCH 手順

25

WRITE手順によるデータの配送

point (id=A)

25.5 value (time=“12:00”)

25.7 value (time=“13:00”)

25.8 value (time=“14:00”)

25.9 value (time=“15:00”)

26.0 value (time=“16:00”)

26.1 value (time=“17:00”)

Component (Storage) IE

EE1

88

8 IEEE1

88

8

Component (GW)

point (id=A)

point (id=A)

WRITE

Time

point (id=A)

A

25.5 value (time=“12:00”)

25.7 value (time=“13:00”)

25.8 value (time=“14:00”)

25.9 value (time=“15:00”)

26.0 value (time=“16:00”)

26.1 value (time=“17:00”)

WRITE

WRITE

WRITE

sensor HDD

26

FETCH手順によるデータの配送

Component (Storage)

point (id=A)

25.5 value (time=“12:00”)

25.7 value (time=“13:00”)

25.8 value (time=“14:00”)

25.9 value (time=“15:00”)

26.0 value (time=“16:00”)

26.1 value (time=“17:00”)

HDD

IEEE

18

88

User Interface

IEEE18

88

FETCH

Key (id=A)

gteq=14:00 lteq=16:00

attributes Req.

point (id=A)

25.8 value (time=“14:00”)

25.9 value (time=“15:00”)

26.0 value (time=“16:00”)

Res.

Component (APP)

27

講演内容






28

IEEE1888 参照機器モデル

• GW編 – LonTalk-to-1888変換GW

– BACnet-to-1888変換GW

– ZigBee-to-1888変換GW

– SNMP-to-1888変換GW

– CSV-to-1888変換GW

– IEEE1888汎用観測GW

• Storage編 – 大容量ハイパフォーマンスStorage

– ハイレベル分析機能搭載Storage

– 小規模オフィス環境向けStorage

– IEEE1888 Storageサービス

• アプリ編 – 簡易監視(SCADA)アプリケーション

– データ加工分析アプリケーション

– ヘルスチェック・アプリケーション

– MS Excel 連携アプリケーション

– 電力デマンド制御アプリケーション

IEEE1888App製品

(帳票出力など)

IEEE1888Storage製品

インターネット

LonTalk-to-1888変換GW

IEEE1888通信

IEEE1888通信

環境センサ・電力メータ空調機器・照明など

Lonworks

http://gutp.jp/fiap/model.html

29

IEEE1888 Modbus ゲートウェイの例

計測器からModbus通信方式で読み出したデータを IEEE1888通信規格でオンライン化する

30

IEEE1888 Modbus ゲートウェイ

IEEE1888App製品




1888-to-Modbusゲートウェイ

IEEE1888通信

IEEE1888通信

環境センサ・電力メータなど

Modbus/RTU

ネット接続 10BASE-T / 100BASE-TX IPアドレス設定: DHCP or 手動

Modbus Modbus/RTU (RS232C/RS485) ・Read Multiple Register ・Set Single Register

IEEE1888 WRITEクライアント，サーバ FETCHクライアント，サーバ最大ポイント数: 500 再送機能: あり

電源 DC 9V ～ 48V (PoE対応) 消費電力 1.2W

サイズ 45×79×26.5 [mm] RS232C RS485変換器は除く

動作温度 0℃～60℃

※技術仕様

※本体写真

※応用例

31

IEEE1888 大容量ハイパフォーマンス Storageの例

センサなどから大量に発生する計測データを取り込み，保管する 32

IEEE1888 大容量ハイパフォーマンス Storage ※イメージ写真

ネット接続 1000BASE-T IPアドレス設定: DHCP or 手動 HTTPプロキシ: 設定可能

IEEE1888 データ収集: WRITEサーバ, FETCHクライアントデータ提供: FETCHサーバ, WRITEクライアント最大ポイント数: 4000 蓄積データ容量: 10億個最大同時読出しセッション数: 100 最大データ登録速度: 1000個/秒最大データ読出速度: 2000個/秒

電源 AC100V – 240V (50Hz/60Hz) 消費電力 100W

サイズ W431 x H42.6 x D393.7 [mm]

動作温度 15℃～25℃

質量約2kｇ

※デバイス仕様

※応用例

IEEE1888App製品


大容量ハイパフォーマンス

Storage


IEEE1888GW製品

IEEE1888通信

IEEE1888通信

IEEE1888GW製品

IEEE1888GW製品

IEEE1888GW製品

IEEE1888通信

IEEE1888GW製品

IEEE1888GW製品

空調・照明・電力など


施設B施設Ａ33

簡易監視APP の例

データを理解しやすい形で表示し，設備やエネルギーの管理運用効率を向上させる

34

簡易監視APP

簡易監視(簡易SCADA)アプリケーション

IEEE1888通信

IEEE1888通信

IEEE1888GW製品

IEEE1888GW製品

IEEE1888GW製品




データ加工分析アプリケーション

ヘルスチェックアプリケーション

IEEE1888通信 IEEE1888通信

※イメージ画面1

設備ステータスの一覧表示トレンド表示

※イメージ画面2

※応用例 35

講演内容






39

IEEE1888のシステム実現の考え方

Storage

APP

APP

APP

GW

たくさんの種類の GW, Storage, APPが入手できる

機能要件に照らし合わせて必要なものを選定＆購入それぞれの機器・ソフトを設定して連携させる

IEEE1888 システムの実現

IEEE1888部品

導入現場

GW

GW

IEEE1888 システム

Storage

GW

GW GW APP

APP

APP

GW GW GW GW

Storage APP APP

40

東京工業大学の事例環境エネルギーイノベーション棟

4570枚の太陽光パネル(650kW)でビルが囲まれている！

Cite: http://www.nttdatacs.co.jp/news/20121204.html 41

PVのモニタリング、設備の制御をIEEE1888で行っている

東京工業大学環境エネルギーイノベーション棟

システム構成

Cite: http://www.nttdatacs.co.jp/news/20121204.html 42 Modbus, BACnet/IP などをIEEE1888で統合

IEEE1888 商用システムの実例

http://www.nttdatacs.co.jp/product_html/service/system/remoteone/index.html 43

App CIMX App

CIMX

東大の事例 (５キャンパスの統合管理)

日立

特高受電

三菱電機

集中検針

東芝明電舎

特高受電特高受電

パナソニック近計システム

本郷キャンパス駒場Ⅰキャンパス駒場Ⅱキャンパス柏キャンパス白金キャンパス

エービル

特高受電受電設備

高岳製作所

見える化など

IEEE1888 IEEE1888

IEEE1888 IEEE1888 IEEE1888 IEEE1888

Storage 東大江崎研究室

App CIMX

IEEE1888 GW IEEE1888 GW IEEE1888 GW IEEE1888 GW IEEE1888 GW

The Internet

データ蓄積

合計で 5万kWを超える電力が，管理対象(=監視制御対象) となっているグラフ化や地図へのマッピング，警報発令などがIEEE1888によるITシステムで実現されている http://ep-monitor.adm.u-tokyo.ac.jp/campus/denryoku 46

http://ep-monitor.adm.u-tokyo.ac.jp/campus/denryoku






講演内容






50

3Gシールド + IEEE1888プロトコル

75mm

54mm24mm

Arduinoボード

3Gシールド

アプリケーション・シールド (用途に応じたものを装着)

温度センサ

照度センサ

IEEE1888/3G通信

温度・照度センサシールド

１２３４５電力センサ(パルス計)シールド

電力メータ３Ｇ通信３Ｇ通信

IEEE1888Storage

IEEE1888APP

データ蓄積

グラフ化

(

見える化)

IEEE1888対応組込み3G通信モジュール(温度・照度計測の場合)

IEEE1888対応組込み3G通信モジュール

(電力計測の場合)

広域インターネット

クラウドサービス(IIJ GIO)

IEEE1888通信

http://www.u-tokyo.ac.jp/public/public01_241001_j.html http://www.iij.ad.jp/news/pressrelease/2012/1001-2.html

2012年10月

51

http://www.u-tokyo.ac.jp/public/public01_241001_j.html




http://www.iij.ad.jp/news/pressrelease/2012/1001-2.html




3Gシールドを搭載した電力センサ

IEEE1888 多回路エネルギー診断メータ

3G対応版株式会社フタバ企画より製造販売「見える化サービスが付属したスタータキット有」

2012年1月

52

3Gシールドを搭載した IEEE1888対応の環境センサ

環境センサ・温度・湿度・気圧・降雨・風向・風速

3Gシールド

Live E!プロジェクトなどで利用 http://www.live-e.org/

第二試作準備中

2013年8月

53

IEEE1888+3G通信のプログラム

--------------------------------------------------------------

3Gシールドを利用するIEEE1888のライブラリ

IEEE1888によるデータ送信

54

講演内容






55

IEEE1888相互接続試験を開催します

• 日時：2013年11月19日 – 20日

• 場所：東京大学工2号館 10階電気系会議室５

• 目的 – 各社の機器同士の接続を確認し、接続実績を作る

• 個別実装上の課題、検査仕様上の課題の洗い出しを含む

– 各社機器と開発中のテスターとの間で通信させ • テスターの利用に関する検証

– 使いやすいか、結果表は改善に役立つか

• 検査仕様書の内容の検証 – 検査内容が妥当か、検査を通過したもの同士であれば通信が可能か

を行う

開催案内: 9月9日以降に http://gutp.jp/ に掲載予定 56

http://gutp.jp/

IEEE1888開発ボード・学習キット

DC power supply (6V～9V)


USB (Command Line,

Programming, etc)

IEEE1888通信ボード(Arduino UNO互換機)

+ 温度、照度センサ + DIP、TGLスイッチ + IEEE1888ソフトウェア + LAN, USB, ACアダプタ

学習キット(組み立て後の様子)

ボード単体: 6,900円学習キット: 13,900円 http://www.futaba-kikaku.jp/ 57

開発者向け情報

http://gutp.jp/fiap/kit.html

– ソフトウェア開発キット(SDK)

–参照コード (Java, C)

– IEEE1888 Storageソフトウェア

– Arduino向けライブラリ(3Gシールド対応版含)

IEEE1888 SDK IEEE1888通信ボード

(Arduino UNO互換機) 58

http://gutp.jp/fiap/kit.html

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