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レガシー家電製品のネットワーク制御に関する研究静岡大学情報学部情報科学科峰野博史 (mineno@mizulab.net) 1

出展平成 17 年度情報通信白書, ブロードバンド契約数等の推移 (2005 年 4 月 ) 研究の背景 ~ インターネット利用人口 ~ 技術進展と常時接続定額制によるネット環境の整備インターネット利用人口約 8000 万人 ( 国民の約 62%) ブロードバンド接続約 2000 万, モバイルインターネット接続約 7500 万 (750) 22 (3,457) 86 (5,193) 387 (6,246) 943 (6,973) 1,495 (7,515) 1,866 平成 16 年度は 12 月末の数値, ブロードバンド :FTTH,DSL,Cable, 無線 (FWA) の合計 2

ホームネットワークへの期待情報を得るために利用したい多種多様な趣味嗜好に合った情報収集問題解決のために利用したい治安, 防犯といった, 生活者に高まる不安を解消自身の健康状態に対する不安解消日常生活のニーズを満たすため利用したい効率化とこだわり ( 食洗機, 薄型 TV, ホームシアター ) 臨場感のあるコミュニケーション ( ビデオチャット ) NRI 生活者 1 万人アンケート調査 (2003 年 ) 総務省デジタル情報家電のネットワーク化に関する調査研究会報告書 (H16 年 8 月 ) など, より 3

ホームネットワーク構築の課題デジタル通信技術を組み込んだ高機能な情報家電 TV,HDD レコーダ等 (AV 機器 ), 洗濯機, 掃除機等 ( 白物家電 ) but 情報家電への買い替えはホームネットワーク構築に際しての一番のネック便利になるのはいいけれどお金が掛かるのはねぇレガシー家電情報家電レガシー家電もネットワーク越しに制御できれば... Legacy: 長年使われいろいろな事情で完全に捨てることのできないもの 4

HAT: Home Appliance Translator 1 PLC と ZigBee を併用した No New Wire での高信頼通信 2 SCP を用いたレガシー家電間通信 3 レガシー家電の状態把握と制御反映 PLC や ZigBee を使った No New Wire での高信頼通信 Home Network! タップ PLC: Power Line Communication 通知命令 HAT 状態把握レガシー家電のコンセントに HAT を接続制御レガシー家電家電の状態を把握しネットワークへ通知, ネットワークから命令を受けて家電を制御レガシー家電の高信頼なネットワーク制御を可能に! 5

レガシー家電制御に関する研究 u- コンセント (NTT ネオメイト ( 東京工科大学,2003~)) 家電製品の消費電気特性 ( 電流値, 電流波形など ) を監視し,ASP サーバ上の蓄積データと比較することで, どのメーカのどの製品が, どのu-コンセントに接続かを判別電源 ON/OFF( 赤外線送信機設置でリモコン家電制御可 ) u-コンセントへイーサケーブルを挿す必要あり状態特定にサーバが必要詳細な状態特定は困難 X10デバイス ( 米 X10 社 ) スイッチとレシーバを内臓し, 接続家電の電源 ON/OFF 様々な対応デバイス ( ライト, センサ, 赤外線送信機, カメラなど ) 詳細な状態特定はしていない制御成功かのフィードバックがない 6

HAT を使って実現できる応用サービス家中の電気を一括消灯一括制御自動制御遠隔制御外から録画予約 Home network! 連動制御洗濯が終わったら電話を鳴らす指定時刻に部屋を暖める消し忘れの際は自動で OFF にレガシー家電も管理可能ホームオートメーションエネルギーマネージメントホームセキュリティ 7

HAT の詳細 8

HAT: Home Appliance Translator 1 PLC と ZigBee を併用した No New Wire での高信頼通信 2 SCP を用いたレガシー家電間通信 3 レガシー家電の状態把握と制御反映 PLC や ZigBee を使った No New Wire での高信頼通信 Home Network! タップ通知命令 HAT 状態把握レガシー家電のコンセントに HAT を接続制御レガシー家電家電の状態を把握しネットワークへ通知, ネットワークから命令を受けて家電を制御レガシー家電の高信頼なネットワーク制御を可能に! 9

No New Wire 通信技術有線 : イーサネット, 電力線, 電話線,TV 同軸ケーブル通信不能! 経路の割合 (%) 60 50 40 30 20 10 0 3 階建て家屋大学棟内 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 到達率 (%) PLC 実環境での到達率調査結果 ( 相間問題, 搬送波の吸収など ) 無線 : IEEE802.11b / a / g Bluetooth ZigBee UWB 帯域速度距離価格消費電力 2.4 / 5 / 2.4 GHz 2.4GHz 11 / 54 / 54 Mbps 1Mbps 150 / 50 / 100 m 10m 約 8 ドル約 1000mW 約 3 ドル約 100mW 2.4GHz 250kbps 30m 約 3 ドル約 30mW 3.1~10.6GHz 110 / 480 Mbps 10 / 3m 約 200mW 無線通信の特性 ( 通信範囲, 障害物, 干渉などの影響大 ) 10

1 No New Wire での高信頼通信 HAT は通信手段に PLC と ZigBee を併用 PLC 電力線を通信媒体とする伝送方式 ZigBee 低消費電力無線通信規格新しい通信回線の配線が不要コンセントに指すだけで分かりやすい電力供給と通信が一体化しており効率的 HAT HAT No New Wire! HAT HAT 特性の異なる媒体を併用し通信不能な部分を相互補完! 11

SCP: Simple Control Protocol Microsoft SCP DDK をルネサスソリューションズが配布中 HAT は通信プロトコルとして SCP を採用 SCP 小型デバイス制御用の低コストなプロトコル自立的な P2P 通信が可能ネットワークの自動構築が可能 UPnP との高い親和性 SCP デバイス HAT HAT レガシー家電が SCP デバイスとして, 他の SCP デバイスや UPnP デバイスと P2P に通信可能になる! SCP デバイス UPnP デバイス 13

SCP を採用するメリット (1/2) 自律的な P2P 通信が実現可能ネットワークの自動構築一度サブスクリプションを構築してしまえば Establised! 一旦, 電源を落としても違うコンセントに差し替えても Re-establised! 移動 Re-establised! 電源再投入時に自動的に通信が再開! 14

SCP を採用するメリット (2/2) UPnP(DLNA) ネットワークとの親和性 SCP ネットワークブリッジ UPnP(DLNA) ネットワークレガシー家電 (SCP デバイス ) と情報家電 (UPnP デバイス ) の相互運用可能なホームネットワークを構築可能! DLNA:Digital Living Network Alliance.UPnP を中核としたデジタル AV 機器の相互接続ガイドライン 15

2 SCP を用いたレガシー家電間通信 HAT サービス状態通知プロパティ家電の状態サービス家電制御アクション家電の制御 A. 状態通知サービス家電の状態変化をネットワーク上の他デバイスに通知するサービス家電の状態情報を保持するプロパティ B. 家電制御サービスネットワーク上から家電を制御するサービス家電の制御を実行するアクション ( 引数に制御命令をとる ) HAT は, レガシー家電を SCP デバイスにする! 16

3 レガシー家電の状態把握家電の消費電流量や, 家電に送信された赤外線信号を使って状態を推定電流量測定部 HAT 赤外線受光部今ビデオを早送りしているらしい消費電流量の変化を計測家電に送信された赤外線信号を HAT も受信状態通知 18

3 レガシー家電の制御反映供給電力の調節命令や赤外線信号を送信してレガシー家電の制御反映家電に供給する電力を調整し ON/OFF 制御制御命令電力制御部 HAT 赤外線発光部電源を切れ / 入れろ録画予約を入れろビデオを巻き戻して etc リモコンと同じ信号を出力して家電を制御 19

HAT のプロトタイプ開発状況 20

1 PLC と ZigBee を併用した高信頼通信相互補完ネットワーク用通信プロトコルの評価ブロードキャスト方式 (BC 方式 ) 中継確認方式 (RC 方式 ) MANET の OLSR 準拠方式 MANET: Mobile Ad-hoc Network 4 2 8 1F 6 12 10 16 14 2F 電力線 (A 相 ) 衝突メッセージ数 40 30 20 10 0 家屋を想定したトポロジ ( ネットワークシミュレーション ) BC RC 0 6 12 18 24 30 36 42 ノード数ノード数損失メッセージ数 50 40 30 20 10 0 1 3 5 7 応答メッセージの損失の影響 9 BC RC 電力線 (B 相 ) 0 6 12 18 24 30 36 42 ノード数ノード数 21 11 13 15

HAT プロトタイプのハードウェア構成 HAT プロトタイプ PLC モデム ( ルネサス製 EVB4) 電力制御部赤外線送受信部 ( 秡川先生 ) メイン処理部 ( ルネサス製 M16C マイコン ) 電流量測定部 (Dominion 製 Watts Up? PRO) レガシー家電を接続 ( 電灯, ビデオ, 洗濯機, エアコンなど ) 22

HAT 制御ソフトウェア :HAT-Sub PC 上で動作する HAT 制御ソフトウェア家電状態情報取得や操作指示用アプリ (VC++) Internet USB-PLC モデム ( デジタルストリーム製 ) HAT HAT-Sub HAT 23

2 SCP を用いたレガシー家電間通信状態通知, 遠隔制御他のSCPデバイス HATプロトタイプ PLC 消費電流量 (ma) 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 閾値消費電流量状態 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 時間 (s) 消費電流量や赤外線リモコン信号から状態推定 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 動作状態 (0: 停止状態 1: 動作状態 ) 状態情報を他の SCP デバイスに通知他の SCP デバイスから接続家電を制御 24

3 レガシー家電の状態把握と制御反映既存家電の連動制御 HAT プロトタイプ A HAT プロトタイプ B パブリッシャサブスクライバ状態 TV の電源を ON し, ビデオ入力へ切替 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 時間 (s) 特定家電の動作状態に合わせた連動制御 HDD レコーダ再生 25

HAT を使って実現できる応用サービス家中の電気を一括消灯一括制御自動制御遠隔制御外から録画予約 Home network! 連動制御洗濯が終わったら電話を鳴らす指定時刻に部屋を暖める消し忘れの際は自動で OFF にレガシー家電も管理可能ホームオートメーションエネルギーマネージメントホームセキュリティ屋外で PLC 可能なら無線 LAN と組合せてセキュリティセンサネットワークも構築可能! 26

まとめと今後の課題情報家電に買い換えることなく... 安く通信回線を敷設することなく... すぐに家電をコンセントに指すだけで... 簡単にレガシー家電の高信頼なネットワーク制御を可能に! HAT プロトタイプの改良と性能面での評価相互補完ネットワーク用通信プロトコルの評価と実装 UPnP ネットワークとの連携 HAT 接続時の制御可能, 制御反映に要する時間制御コマンドの長さに対する反映時間の関係レガシー家電状態推定手法の汎用化, など 27

水野研究室の研究テーマ紹介ユビキタスンピューティンググループ既存家電によるホームネットワーク構築 (HAT) 移動機器を利用したロケーショントラッキングシステム (MobiTra) 不規則センサネットワークに対応したセンサノード測位方式モバイルコンピューティンググループ多種多様なネットワークインタフェースを活用した通信相互補完ネットワークによる高信頼通信 PAN2PAN 通信制御ミドルウェア遅延揺らぎや帯域変動を考慮した複数経路通信 (SHAKE) 携帯端末からの周辺機器利用携帯端末を想定したリモート USB デバイス制御 (iusb) SIP による携帯電話と情報家電間のセッション転送 http://www.mizulab.net 28