最高の滞在体験を実現する空調自動化 vol4. 現場とデータをつなぐ居住域センサー開発の舞台裏

この記事は、NOT A HOTELのソフトウェア開発連載「Inside the SOFTWARE TEAM」の記事のひとつです。

はじめに

NOT A HOTEL でエンジニアをしている、きんちゃん。( @wakinchan ) です。

今回は「空調自動化」の分析編・実践編・アルゴリズム編を支えるために行った、ハードウェアまわりの開発について深掘りしていきます。

ハウスに設置されたマルチセンサー

NOT A HOTELの最初のプレイスである「NOT A HOTEL AOSHIMA」（2022年11月開業）では、すでに各ルームの天井にマルチセンサーが設置されています。
「センサードリブンで自動的に快適な環境が整う動的なハウス」を目指しており、2021年にスマートホーム構想を立ち上げた時点から導入を前提に設計を進めていました。

このマルチセンサーには温度・湿度・照度・人感などのセンサーが内蔵されており、お客様のプライバシーを保ちつつ、ハウスの現状に応じた自動運転を実現する要となっています。

これまでにも人感センサーを用いて、トイレや廊下での照明の自動点灯などを実現してきましたが、今回はついに室内の滞在空間そのものを自動的に最適化する段階に到達しました。

天井域と居住域の温度とその立証

開業から約3年の運用を通じて、天井高が4メートル以上あることが多いNOT A HOTELでは、天井付近と居住空間の間に明確な温湿度差があると感じていました。
これまでも現地で簡易的なセンサーを用いて測定したことはありましたが、定量的にグラフ化したデータは存在していませんでした。

前述の荒川の記事にも記載されていますが、天井域と居住域では13%以上の温度差があることがわかっています。
ここでは、その立証までのプロセスを紹介します。

居住域に温湿度センサーを設置し、既存の天井域のデータと比較できるようにしました。
データ基盤としてはすでにGrafanaとInfluxDBが存在していたため、同一のエッジデバイスに温湿度データを送信する方式を採用し、最小の工数で集計基盤に統合しました。

デバイス選定と自作センサー試作

当初はSORACOMのバッテリー内蔵温湿度ユニットやSwitchBot、他メーカーの温湿度ロガーを検討しましたが、検証する3ハウスで5個ずつ＝計15個必要となるため、コストを考えると検証目的には見合わないと判断しました。
また、各メーカーが提供するクラウド連携、Bluetooth通信、専用ハブ、常時電源、キッティング作業などの要件もネックとなりました。

自作センサー構成

そこで、XIAO ESP32C6（マイコン）と DHT20（温湿度センサー）をI²C接続で構成した簡易センサーを自作しました。
1台あたり約2,500円で製作可能で、検証後も再利用できるためコスト的にも合理的でした。
手の空いた時間に20台ほど組み立てました。

• マイコン Speed Studio XIAO ESP32C6 約1,040円

• 温湿度センサー DHT20 約420円

• バッテリー EEMB リチウムポリマー電池 約800円

• その他 抵抗・配線など 約300円

まずはブレッドボード上で簡易計測できるように準備し、動作確認をしながらファームウェアを実装しました。
Cloudflare Workers 上に用意した API から設定情報を取得し、エッジ側でシンプルに管理できるようにしています。Worker へのデプロイは数秒で終わるので、大変重宝しています。

実装したファームウェアの流れは以下のとおりです。

1. マイコン起動

2. Cloudflare Workers 上のAPIから設定情報を取得

3. I²CでDHT20から温湿度データを取得

4. Wi-Fi 接続

5. 同一VLAN内のエッジデバイスにデータ送信

6. 1分間ディープスリープ後に再起動

データ集計とリアルタイム分析

GrafanaとInfluxDBへの集計とは別に、リアルタイムでハウスの状態を可視化できるツールも作成しました。
コード生成 AI が充実しているので、3時間で作成ができました。
温湿度から算出した不快指数をリアルタイム表示し、エアコン自動制御のテストを部屋単位で実施しました。

PCB 設計

現地での検証を経て、居住域センサーは本番導入が必須と判断。
試作機をベースにKiCadで回路とPCB設計を行いました。
エアコン自動化を実現した際の本番稼働時は USB-C 給電で動作しています。

さらに、スマートホームチームでの役目を終えた後も、建築チーム（LCM チーム）が設備点検時にバッテリー駆動で利用できるよう設計しており、将来の二次利用も考慮しています。

PCB 発注

設計完了後、JLCPCBへ発注しました。
分圧用の220kΩ抵抗2個をPCBA（表面実装）で依頼し、発注から約1週間で到着しました。
20枚を試作と同じ数量で発注し、抵抗も適切に実装された状態で受け取れました。20枚で約6,000円だったため、1枚あたりの単価は約300円です。

ケースの設計と印刷

ケースは Blender で設計し、3D プリンターで出力しました。ネジを使わず、基板をマウンティングホールに差し込み、フタで挟み込む方式を採用しています。しっかり保持できるよう、ミリ単位で調整を重ねてフィット感を追い込みました。

初期モデルではヒンジが折れやすい問題があったため、ヒンジ構造を廃し、改良を繰り返しました。その結果、3D プリンターの Bambu Lab A1 mini でも安定して印刷できる形状に仕上がっています。

設置

iPadの充電スタンド裏に設置しました。
ここなら居住空間と同じ温度が取得でき、目立ちません。
初期は白いUSB-Cケーブルでしたが、のちに黒ケーブルに統一しています。

おわりに

今回の取り組みでは、空調自動化の精度を高めるために、天井域だけでは把握しきれない「居住域」の温湿度データを取得する仕組みを、ゼロから作り上げました。

スマートホームチームは、普段、品質が良く運用しやすい既成モジュールを選定し、制御盤の設計から導入までを一気通貫で行うような、より大きなスケールの開発を担当しています。そのため、今回のようにPoCから自作ハードウェアをゼロから立ち上げるケースは多くありませんが、アプローチにとらわれず最適解を探し、必要であれば自作にも踏み込む姿勢は、スマートホームチームならではのトライだと感じています。

この居住域センサーで取得したデータは、空調自動化アルゴリズムのチューニングや室内環境の最適化、さらには将来的な設備保守の精度向上にもつながっていきます。「快適な滞在体験を自動でつくる」という NOT A HOTEL が目指す姿に向けて、ソフトウェアとハードウェアの両面からアプローチできたことは大きな前進でした。

今後は、本番運用で蓄積されるデータを踏まえ、より賢い自動運転やハウスごとの特性に応じた最適化など、ソフトウェア側でもさらなる改善に取り組んでいきます。

仲間募集

私は10年前までは iOS エンジニアで、当時は “iOS とハードウェアがつながれば楽しい” と思っているだけの人でした。今でもたまに iOS アプリを書くと、とてもワクワクします。

この10年の間に、ソフトウェア開発（バックエンド・インフラ・フロントエンド）、拠点ネットワークの設計導入、ハードウェア、電気、設備、建築と、少しずつ領域を広げながら開発に携わってきました。

入り口がどんな形でも良くて、「気になる」「もう少し知りたい」という気持ちから、幅を広げて深くしていくことが大事だと思っています。特にスマートホーム開発の面白さは、自ら課題を見つけて、それを自分の手でトライできることです。
一つ核となる専門性を持ちながら、そこにプラスアルファとして新しい領域へ踏み込むチャンスがある環境だと感じています。

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