西松建設らがLPWA無線技術とMFC式DOバイオセンサーを一体化、遠隔監視と省エネを実現：導入事例

西松建設は、和歌山大学と群馬大学とともに、LPWA無線技術とMFC式DOバイオセンサーを一体化させた「LPWA-DOバイオセンサー」を開発した。MFC式DOバイオセンサーは、LPWAと一体化することで、連続計測値を遠隔監視することが可能になり、閉鎖性水域での計測やメンテナンス作業の効率化、省人化によるコストダウンが見込める。

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　西松建設は、和歌山大学（災害科学・レジリエンス共創センター秋山演亮教授）と群馬大学（理工学府環境創生部門渡邉智秀教授・窪田恵一助教授）との共同研究で、LPWA※1無線装置と一体化したMFC※2式のDOバイオセンサー※3「LPWA-DOバイオセンサー」を開発し、実証実験により遠隔地で計測データを受信できることを確認したことを2022年3月8日に発表した。

※1 LPWA：Low Power Wide Areaの略称で、920MHZ帯域の周波数を使った免許不要の省電力・広域無線通信システム。

※2 MFC：微生物燃料電池、嫌気性発電細菌が有機物分（ヘドロ等）の分解（代謝）を通じて発電させる仕組み。

※3 DOバイオセンサー：溶存酸素計測バイオセンサー。

今後はLPWA-DOバイオセンサーとLoRaWAN衛星通信を連携

　閉鎖性水域の一部では、極端に酸素が少なくなる貧酸素化で、水生生物の生育や水利用などに障害が生じる。そこで貧酸素化しやすい水底付近（底層）の水域でも水生生物が生存可能な場を保全・再生するために、2016年3月に環境省は「水質汚濁に係る環境基準についての一部を改正する件の施行」を実施し、底層溶存酸素の水域類型と基準値を設定した。

　しかし、常時、対象のエリアでデータを監視することは困難だったため、西松建設では、群馬大学 理工学府環境創生部門 渡邉教授と窪田助教授との共同研究で、長期間にわたってメンテナンスフリーかつ安定した連続計測が行える装置「DOバイオセンサー」を開発し、実証実験を行ってきた。だが、計測データを定期的に現地で回収しなければならないなど、遠隔地のデータを取得しづらかった。

　解決策として、低消費電力、広域カバーエリア、低コスト（通信コストなど）を実現し、免許不要のLPWA無線技術とMFC式DOバイオセンサーを一体化させたLPWA-DOバイオセンサーの開発と実証実験を行い、計測データを遠隔地でダイレクトに受信することを確かめた。

　今回の技術は、和歌山大学が防災・減災に活用するために、LPWAと河川設置水位計を連携させ開発した「住民設置型簡易水位計」のIoT遠隔監視技術と、群馬大学と共同で開発した自立電源型のMFC式DOバイオセンサー技術を一体化させたもので、閉鎖性水域における底層溶存酸素を連続で測れる。

　利用シーンについて、一例を挙げると、外部電源の確保が難しく、かつ携帯キャリアなどの電波が届きにくいような場所で、貧酸素化しやすい湖沼などの連続計測値を遠隔監視することが容易になり、計測とメンテナンス作業の効率化や省人化によるコストダウンを後押しする。

　実証実験では、群馬県桐生市に位置する群馬大学桐生キャンパスの近傍にある灌がい用ため池（沼）内に、2021年7〜10月の3カ月間、実証試験用に試作したLPWA−DOバイオセンサーを設置した。なお、LPWA無線装置にはLoRaWAN方式を採用。

「LPWA−DOバイオセンサー」の設置状況　出典：西松建設プレスリリース

実験で使用された「LPWA無線装置」　出典：西松建設プレスリリース

　ため池内に取り付けたLPWA−DOバイオセンサーは、DOバイオセンサーが検出した水面や底層カソードの電圧値（DO濃度と相関関係）、水温、気温、気圧の各計測データを、LPWAを通して群馬大学桐生キャンパス内に配置した受信機（ゲートウェイ）に直接送信し、学内のWi-Fiルーターを経由してインターネットに接続されたデータサーバに保存する。

　保存されたデータは、専用アプリケーションを使用することで、PCやスマートフォン上に表示し、CSVファイルとしてダウンロードすることにも応じる。

今回使用したLoRaWAN用データ集約・表示システム　出典：西松建設プレスリリース

　今回の実験では、LPWA-DOバイオセンサーを2021年7〜10月の3カ月間にわたり運用した結果、時期によっては桐生市内の電界環境が多様な要因で変化するために計測データの欠損が発生することがあったものの、良好な受信環境を保てた。

LPWAが送信したDOバイオセンサーのカソード電圧データの受信と表示状況（PC画面上）　出典：西松建設プレスリリース

　上記の実証で採用したLPWAの通信方式「LoRaWAN」に関しては、和歌山大学で宇宙衛星を利用した安価で省電力可能な環境観測システムの開発と実証を進めている。

　今後、西松建設らは、LoRaWAN衛星通信とLPWA-DOバイオセンサーを連携することで、通信距離や地上受信局（ゲートウェイ、中継基地局など）の有無を気にすることなく、場所を選ばずモニタリングが行える環境を構築する見通しだ。

　加えて、MFCの発電性能を高めたLPWA−DOバイオセンサーシステム全体の自立電源化を推進し、規定の数値になったらPCやスマートフォンにアラートを送信するといったアプリケーションの改良を行っていく。