クライミングでIoTを使ってみました

ビキアの萩尾です。

今回はIoTをスポーツ(フリークライミング)で利用するケースについて紹介します。

フリークライミングは、自然や人工の岩壁を人工的な道具(ロープや縄梯子など)を使わずに自分の力だけで登るスポーツです。ただし、落下した時の安全確保のために、腰に巻いたハーネスにロープを結ぶ場合もあります。

さて、今回のブログでは、クライミングジムにおいて、登る人(クライマー)にIoTセンサーを装着し、7~8メートルのルートを登った動作について計測したデータを紹介します。ちなみに、センサーは服の上にテープで貼り付けたのですが、服がよれたりすることもあったため、精密なデータとはなっていないことを予め承知の上参考にしてください。「IoTセンサーを使ったらこのようなデータが取れた」程度として受け取ってください。

まず、登っている環境ですが、下の写真のように人工的な突起(ホールド)が取り付けられている壁が現場となります。ホールドが色分けされているのは、「〇色のホールドだけを使って登るとグレードが〇級」のように難易度が分かるようになっているからで、自分の実力に応じて登るルートを選べるようになっています。手前にロープが上まで続いているのが見えますが、クライマーは、壁に取り付けられている”開閉式ゲート付金属の輪(カラビナ)”に自分のロープを順次通しながら登っていきます。ロープのもう一方には安全確保要員(ビレイヤー)がいて、ロープの送り出しや保持を行っています。ビレイヤーは常にロープの長さの調整を行っており、クライマーが力尽きて落ちたりした時に床まで落ちないよう食い止めます。写真の壁は上級者用で、手前に20度ぐらい傾斜しており、クライマーが落ちると宙吊り状態になります。


では、データの紹介です。
下のグラフは、私の友人にこの壁を登ってもらい、最終点近辺で意図的に落ちてもらったケースのものです。X軸は時間の経過、左Y軸は加速度、右Y軸は気圧の数値です。データのサンプリングは1秒間に10回行っています。

まず、気圧と上下の加速度(“加速度Y”のラベルがついたもの)を示したグラフ(下図)です。気圧のデータからは、クライマーが壁を登り始め高度が上がるのにしたがって気圧が下がっていることがわかります。トータルで7~8メートル程度の高さですが、気圧が微妙に変化しているのです。後半6:10のあたりで急激に気圧が上がっていますが、このタイミングでクライマーがホールドから手を離して3メートルぐらい落下しました。その後はビレイヤーがロープを繰り出してクライマーを床まで下ろしたので、ゆっくりと気圧が上がっています。
次に、上下の加速度についてですが、まず、マイナスの方向に動いている加速度は、センサーが上に持ち上げられたことを示します。4:40と4:43の間近辺でクライマーが素早く登った特徴があります。後半、クライマーが落ちた瞬間にプラスの方向に加速度が発生しました。その直後に今度はロープが張りつめてビレイヤーの落下を止め、続いて伸びきったロープが縮む事で上向きの加速度が発生しました。クライミング用のロープは衝撃を和らげるために結構伸びるようにできているのです。


更に、左右(“加速度X”のラベルがついたもの)と前後(“加速度Z”のラベルがついたもの)の加速度を追加してみます(下図)。まず、初期値がX,ZとYで違っていますが、Yは重力が常に作用しているために-1近辺になります。一方、XZ(水平方向)には重力は影響しないために0を指します。このグラフのX,Z軸の変化では、クライマーが前後左右にどれぐらい振れていたかがわかります。
前後の加速度において、登り始めてすぐにマイナスの加速度がついていますが、登った壁は手前に傾斜しているので、体も反り返った状態になり、重力の影響を受けてマイナスの加速度になります。


また、ここでは紹介していませんが、今回使用したIoTセンサーは地磁気も計測できるので、クライマーの向きの変化も把握できます。ビデオで同時に録画しながら記録すればさらにわかりやすいデータになるでしょう。

最後に、今回のこのデータによって何かの新しい発見があったわけではありませんが、競技者にIoTセンサーを取り付けることで様々な知見を得ることができます。なにより、このIoTセンサーは小型でどこにでも装着でき、データは無線で飛ばすので、競技者の邪魔にはなりません。以前のブログで紹介した通り、水中でもある程度の深度ならなら電波を飛ばせるので、競泳などでも使えるかもしれません。
これまでにもスポーツ専門の計測センサーは数多く存在していると思いますが、今回使用したIoTセンサーキットは、汎用性があり、かつ低コストでセンシングできるのが大きな強みです。



好評の観測ダッシュボードについて

ビキアの相馬です。

観測所のダッシュボードの公開、ご好評を頂いています。 まだ、ご覧になっていない方は是非! 横浜観測所へ(アカウント/パスワード共に”guest”)

現状のBluetoothの通信環境に関してご報告させて頂きます。

ビキア 「IoTスターターキット for μPRISM」では、センサーとゲートウェイの間はBluetoothで通信します。前回もこのブログでお話させて頂きましたが、横浜の観測所では結構な距離があり、接続があまり安定しない状況でした。

先日、メンテナンスの際、距離はあまり変わらないのですが、より電波が回り込まない位置に設定してみました。(おそらく若干遠くなったと思います。)
この結果、安定度が増しました。万一、接続が切れた場合でも、すぐに接続状態に戻るようになりました。

弊社、スターターキットでは通信が切れても(再度接続できる環境になれば)自動的に接続を回復するように出来ています。サンプリング時間にもよりますが、短い時間の切断ならば計測に対する影響はたいしてありません。

加えて、私はBluetoothの切断の通知をメールにより受信するように設定しています。変更前は頻繁に、それこそ朝でも、夜中でも関係なくアラートメールが来ていました。最近は、ずいぶん落ち着いており、枕を高くして眠られるとはこの事です。
しかし、切断はあまり気持ちのいいものではありません。



水中でのBluetooth(電波)について紹介

ビキアの萩尾です。

前回の相馬のBluetoothに関する記事に続いて、水中でのBluetooth(電波)について紹介します。

私の自宅では、水を張った30cmサイズの水槽にIoTセンサー(μPRISM)を入れて環境値を計測しています。センサーはジッパー付きポリ袋を二重にして防水し、それだけでは水に浮いてしまうので吸盤で固定しています。設置場所については、水槽はベランダ、ゲートウェイは室内にあり、センサーとゲートウェイは1メートルぐらいの距離があります。センサーとゲートウェイ間の障害物は、水、ガラス2枚(水槽、窓)です。

気になるところのBluetoothの感度ですが、もちろん何も障害物がない状態と比較すれば接続成績はよくありませんが、ほぼデータを受信しています。たまに切れますが、自然の状態で水温は急激には変わることはありませんので、支障がない範囲かと思います。

水槽の中央底へセンサーを置くと接続は切れてしまいますので、センサーは水面近く、もしくは水槽の壁際に設置してあることが必要です。数週間計測を続けていますが、水温は一緒に入れてある水温計とほぼ同じ値を示しています。
湿度は、水に入れてから数時間かけて100パーセントになり、それ以降ずっと100パーセントのままです。理由は今のところ不明です。気圧は参考程度ですが、台風24号のときは977hPaを記録しているので、センサーが大気中にある状態と同じような数値でした。照度や紫外線も計測しています。
水槽で魚を飼っている場合、ヒーターのサーモスタットが故障して水温が高くなってしまい、魚が全滅したという話をよく聞きます。温度をインターネットで監視できて、メールなどの通知も受け取れるIoT技術はこういう時に役に立ちますね。



環境に依存する無線の話

ビキアの相馬です。

Bluetoothという無線規格があります。
 こんな↑マークです

スマホでスピーカーやヘッドホンを接続する際によく使用されるので、ご存知の方も多いかと思います。弊社製品の「IoTスターターキット for μPRISM」では、センサーとゲートウェイ間のやり取りに使用しています。

無線通信には色々な種類があり、ネット等には様々な情報があります。私も普段は『繋がればいいや』程度の運用です。しかしながら、実際に試してみると、自分の当たり前が間違っている事が多いです。

「IoTスターターキット for μPRISM」で使用しているBluetooth4.2で最近、私が知ったことを共有します。ちなみに弊社「IoTスターターキット for μPRISM」は、直線距離10メートルを上限の目安としていますが、環境に大いに依存するというのが、今回の話です。

もしかするとBluetoothの本来の使い方を逸脱しているとか、他の製品には当てはまらないかもしれません。そこはご容赦願います。

1. 金属の缶
金属の缶に入れても電波は飛びます。さすがに電波強度は落ちるようですが、全く使えないということはありません。
私は電波が切れるか切れないかのぎりぎりの状況を作る出すため(いちいちデバックで20mも離れるのは面倒ですので)、缶に入れてちょっと遠く(1-3m)に離します。金属の缶は電波を通さないと思っていました。

2. 電波が障害物を回り込むための角度の重要性
横浜観測所(アカウント/パスワード共に”guest”)のセンサーとゲートウェイの位置関係は次の絵のようなものです。センサーは地面、ゲートウェイは2階の窓からぶら下げており、センサーとゲートウェイの間には”屋根”という電波にとっての障害物があります。
電波は障害物を回り込むことが出来るので、通信は出来ていましたが接続成績が良くありませんでした。ある時、ふと思いつき、窓の上側に付けたところずいぶん改善されました。センサーとゲートウェイは近いほうが良いのではないかと思い窓の下側に設置していましたが、センサーが屋根から離れたことで、電波が回り込みやすくなったようです。
 

 
3. 水の中からでも電波は届く
「電波は水の中を通らない」と思ってました。なんとなく…で試したところ、水の中でも大丈夫でした。
しかし、現在のμPRISMを絶対にそのまま水没させないでください!!
何かしらの方法で水が入らない様に防水対策をしてください。
きちんと対応すれば、水の中でもゲートウェイと通信ができます。
ただし、水中なので気圧と湿度は当てにしない方が良いでしょう。

少し話が変わります。
前回も結構ゲートウェイは、大丈夫とお話しましたが、その後日談です。
台風24号は、日本列島を猛烈な風と雨で縦断して行きました。ゲートウェイは結構な雨を被ったと思います。加えてセンサーが飛んで行ってしまわないかと心配しました。(センサーはそれなりのお値段しますので…)
何回も瞬間的な停電に見舞われ、ゲートウェイも散々でした。その都度、自動起動し計測するシステムをみて頼もしく思いました。

以下はその時のダッシュボードの画面です。気圧(赤線グラフ)が右下に下降して低くなっていくと同時に加速度(青線グラフ)の振り幅が激しく上下しています(台風の接近に伴い、風が強くなってきた様子がしっかりと記録されています)。


 



IoTゲートウェイ

ビキアの相馬です。

弊社の「IoTスターターキット for μPRISM」はゲートウェイにRaspberry Pi Zero WHを使っています。
『このハードってどうなの?』 と疑問を持たれている方は多いのではないかと想像します。私もその1人です。

IoT
『ちゃっちくて、すくダメになっちゃうのでは…?』
『処理能力が足りないのでは…?』
『Wi-Fi、Bluetoothの実装はおまけみたいなものでは…?』
などなど、色々と疑いをあげれば出てくるのですが…結構、疑ってました。私の商売柄(だと思いますが)、ハード、ソフトともに疑いを持ちながら取り組みます。

実は最初、試作用に3台購入したものの1つがHDMIが使用できないという不良品が混じっており、それも心配の種でした。当然、次の候補として(少し大きな)Raspberry Pi 2や3がありました。
処理能力も高いですし、インターフェイスも沢山ありますし、他の会社での使用実績も上回っている様に見えました。(当時はRaspberry Pi Zero WHの量産が開始されたばかりなので当然です。)

IoT GatewayRaspberryPi3(写真左) RaspberryPiZeroWH(写真右)
↑ご覧の様に比べると、大きさも3倍ぐらいありますね。大きいものは安心と考えてしまいます。

約10か月間使用し複数個所に配置しましたが、ハードウェアとしてのトラブルはありませんでした。
この時点で、不安は完全に払拭されました。

今年の猛暑も乗り切りました。暑かったですね〜。
直射日光のあたる場所に配置したりもしてみましたが、壊れることはありませんでした。
一般的にコンピューターのトラブルは暑い時ですが、屋外設置なので冬も何かあるかもしれません。

下の写真は弊社ホームページに公開している実験環境で使用しているゲートウェイです。


ここは東向きで朝日が良く入り、午前中はジリジリと暑いです。窓の内側に入れるとBluetoothの条件が悪くなるので窓の外側、網戸と窓の間に設置しています。
Raspberry Pi Zero WHの小ささは、むしろ設置等で功を奏していると考えています。電源も大きなものを必要としないので、良いバランスなのかもしれません。日々運用のノウハウが蓄積されており、それが弊社の強みになると考えています。(まあ、でも楽しんでやっています。)

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IoTが、少しでも身近なものと感じていただける様に観測データの公開をスタートしました。
初めは、屋外設置の観測データを見ただけでは何も発見がないかもしれませんが、地震があったり、台風が来たり、ゲリラ豪雨があったりと最近の様々な自然の変化で、独自のフォーカスしたいポイントに対して、どの様な変化があるのかなど、色々と興味が湧いてきます。
こちらの実験は、ほんの手始めです。我々はこれからも、進めて公開していくつもりです。

もっともっと、酷い取り付けをしている過酷な現場があるのですが、公開の許可が得られましたら、またこちらでご報告します。
更なる無茶なことに挑戦する方向で検討しています。