令和3年度 秋期 エンベデッドシステムスペシャリスト試験 午後I 問題 問3 スマート畜産システムの活動判定とRSSIによる位置推定

図4の 下線① の区間を見ると、以下のことが読み取れます。

• 気圧 の値が「高」となっている。
• 加速度X、加速度Y、加速度Z のいずれも大きな変動がなく、ほぼ一定である（振動を検出していない）。

表2「牛の活動状態と牛の動き」の「横臥」の行を見ると、以下のように定義されています。

• 「首が低い位置にあり、静止している」

気圧センサは、首輪デバイスの位置が低くなると気圧が高くなります（〔牛の活動状態の判定〕より）。また、静止しているため加速度センサは振動を検出しません。
したがって、気圧が高く、加速度センサが振動を検出していない状態であるため、「横臥」と判定されています。

高得点のポイント

• 気圧が高いことを指摘できていること。
• 加速度センサが振動を検出していない（または静止している）ことを指摘できていること。

図4の a の区間を見ると、以下のことが読み取れます。

• 気圧 の値が「低」となっている。
• 加速度X、加速度Y、加速度Z のすべてが大きく振動している（特にXとZの振幅が大きい）。

気圧が低いことは、首輪デバイスが高い位置にある（首が高い位置にある）ことを示します。
すべての軸の加速度が大きく振動していることは、首が前後左右上下に大きく振動していることを示します。

表2「牛の活動状態と牛の動き」を参照すると、「首が高い位置にある」「体全体を動かすことから、首が前後左右上下に大きく振動する」状態は 「歩行」 です。

高得点のポイント

• 表2の中から「歩行」を正確に抜き出していること。

図4の b の区間を見ると、以下のことが読み取れます。

• 気圧 の値が「高」となっている。
• 加速度X と 加速度Y が小さく振動している。
• 加速度Z はほぼ一定で振動していない。

気圧が高いことは、首輪デバイスが低い位置にある（首が低い位置にある）ことを示します。
加速度Z（上下方向）は振動しておらず、X（前後方向）とY（左右方向）で振動が見られます。

表2「牛の活動状態と牛の動き」を参照すると、「首が低い位置にあり、前方に傾いている。地面の牧草を、円を描くように舌で絡めとって食べることから、首が前後左右に振動する」状態は 「採食」 です。

高得点のポイント

• 表2の中から「採食」を正確に抜き出していること。

表1「首輪デバイスの主な構成要素の概要」における GPSモジュール の機能概要には、「屋外では、位置情報、現在時刻を計測し…」「GPS衛星から電波を受信したときに割込み信号を生成する」と記載されています。

牛舎は牛を収容する屋内の建物であり、牛は牧草地（屋外）だけでなく牛舎内にもいることがあります（図1は牧草地の牛と牛舎内のAP・牛舎サーバを示しています）。
屋内である牛舎内では、GPS衛星からの電波を受信できず、GPSモジュールが割込み信号を生成できない場合があります。

そのため、システムが要求する「3分間隔でスリープモードから起床して」という動作を確実に実行するためには、動作環境の影響を受けないタイマ割込みを使用する必要があります。

高得点のポイント

• 牛が牛舎内などの屋内にいる動作環境を想定できていること。
• 屋内（牛舎内）ではGPSの電波を受信できない（割込みが発生しない）ことを指摘できていること。

表3「首輪デバイスの判定データの伝送フォーマット」を見ると、1送信分のデータの中に 牛ID と 時刻データ が含まれています。

〔首輪デバイスと牛舎サーバの通信仕様〕には、牛舎サーバからの送信要求に「現在時刻」が含まれ、それを受信した首輪デバイスが判定データ（時刻データを含む）を送信することが記載されています。
したがって、牛舎サーバは受信したデータに含まれる「時刻データ」を確認し、それが以前受信したデータから更新されているか（時間が進んでいるか）を監視することで、判定データが最新のものに更新されているかを判定できます。

高得点のポイント

• 「牛ID」ごとに管理・監視することを記述できていること。
• 送信データに含まれる「時刻データ」の更新を確認することを記述できていること。

表3「首輪デバイスの判定データの伝送フォーマット」を用いて、1回分の送信データ量を計算します。

• ヘッダ：4 バイト
• 牛ID：2 バイト
• 平均体温：2 バイト
• 牛の活動状態：1 バイト
• 位置：58 バイト
• 電池残量：2 バイト
• 時刻データ：6 バイト

合計データ量 = $4 + 2 + 2 + 1 + 58 + 2 + 6 = 75$ バイト

〔首輪デバイスと牛舎サーバの通信仕様〕より、実効伝送速度は $5,000$ ビット／秒です。
バイトをビットに変換して計算します。

• $75 \text{ バイト} \times 8 \text{ ビット／バイト} = 600 \text{ ビット}$

送信に掛かる時間は、データ量を伝送速度で割ることで求められます。

• $600 \text{ ビット} \div 5,000 \text{ ビット／秒} = 0.12 \text{ 秒}$

小数第3位以下はないため、四捨五入して 0.12 秒となります。

首輪デバイスの1周期は3分（180秒）です。1日（24時間 = 1440分）に実行される周期の回数は以下の通りです。

• $1440 \text{ 分} \div 3 \text{ 分} = 480 \text{ 周期}$

1周期（180秒）あたりの各モードの動作時間と消費電力（表4より）は以下のようになります。

1. 計測判定モード
   • 動作時間：30秒
   • 消費電力：90 ミリW
   • 消費電力量：$90 \text{ ミリW} \times 30 \text{ 秒} = 2,700 \text{ ミリW・秒}$
2. 送受信モード
   • 動作時間：1.5秒
   • 消費電力：120 ミリW
   • 消費電力量：$120 \text{ ミリW} \times 1.5 \text{ 秒} = 180 \text{ ミリW・秒}$
3. スリープモード
   • 動作時間：$180 - 30 - 1.5 = 148.5$ 秒
   • 消費電力：30 ミリW
   • 消費電力量：$30 \text{ ミリW} \times 148.5 \text{ 秒} = 4,455 \text{ ミリW・秒}$

1周期の合計消費電力量は、これらを足し合わせます。

• $2,700 + 180 + 4,455 = 7,335 \text{ ミリW・秒}$

1日（480周期）の合計消費電力量を計算します。

• $7,335 \text{ ミリW・秒} \times 480 \text{ 回} = 3,520,800 \text{ ミリW・秒}$

これを ミリWh（1時間は3600秒）に換算します。

• $3,520,800 \text{ ミリW・秒} \div 3600 \text{ 秒／時} = 978 \text{ ミリWh}$

小数第1位以下はないため、整数で 978 となります。

〔畜産システムの改良について〕に、「RSSIの値は、距離が離れるほど減少する特性がある」と記載されています。
したがって、ビーコンから最も離れている牛は、そのビーコンのRSSIの値が最も小さい（マイナス方向に値が大きい）牛IDとなります。

表5「各牛IDに対する各ビーコンのRSSIの値」の「ビーコン1」の列を確認します。

• 牛ID 1：-76.2 dBm
• 牛ID 2：-72.6 dBm
• 牛ID 3：-75.4 dBm

この中で値が最も小さいのは 牛ID 1（-76.2 dBm）です。

図5「ビーコンの配置と区画」において、位置A は区画3と区画4の境界線上（水平方向の直線上）にあります。
区画の境界線は「隣接する二つのビーコン間の中央を通る等距離にある線」であるため、位置Aから ビーコン3 と ビーコン4 までの距離は等しくなります。したがって、ビーコン3とビーコン4のRSSIの値は同じになります。

また、位置Aは図の右側にあり、中央にある ビーコン1 よりも、右側にあるビーコン3やビーコン4の方が距離が近くなります。
RSSIの値は距離が離れるほど減少する（近いほど値が大きくなる）ため、距離が近いビーコン3とビーコン4のRSSIの値は、ビーコン1のRSSIの値よりも大きくなります。

高得点のポイント

• ビーコン3とビーコン4のRSSIの値が同じであることを指摘できていること。
• ビーコン3および4のRSSIの値が、ビーコン1よりも大きいことを指摘できていること。

表5において、牛ID 1 の各ビーコンに対するRSSIの値は以下の通りです。

• ビーコン1：-76.2 dBm
• ビーコン2：-53.4 dBm
• ビーコン3：-79.4 dBm
• ビーコン4：-82.8 dBm
• ビーコン5：-79.1 dBm

最も値が大きい（距離が最も近い）のは ビーコン2 の -53.4 dBm です。
各区画の境界線は隣接する二つのビーコン間の中央を通る等距離の線なので、牛はRSSIが最も大きい（最も近い）ビーコンの区画にいます。ビーコン2は 区画2 にあるため、牛ID 1がいる区画は「2」となります。

表5において、牛ID 2 の各ビーコンに対するRSSIの値は以下の通りです。

• ビーコン1：-72.6 dBm
• ビーコン2：-79.3 dBm
• ビーコン3：-79.2 dBm
• ビーコン4：-74.3 dBm
• ビーコン5：-74.4 dBm

最も値が大きい（距離が最も近い）のは ビーコン1 の -72.6 dBm です。
図5を見ると、ビーコン1は 区画1 の中心に配置されています。したがって、牛ID 2がいる区画は「1」となります。

表5において、牛ID 3 の各ビーコンに対するRSSIの値は以下の通りです。

• ビーコン1：-75.4 dBm
• ビーコン2：-72.3 dBm
• ビーコン3：-80.9 dBm
• ビーコン4：-81.2 dBm
• ビーコン5：-75.5 dBm

最も値が大きい（距離が最も近い）のは ビーコン2 の -72.3 dBm です。
各区画の境界線は隣接する二つのビーコン間の中央を通る等距離の線なので、牛はRSSIが最も大きい（最も近い）ビーコンの区画にいます。ビーコン2は 区画2 にあるため、牛ID 3がいる区画は「2」となります。

〔首輪デバイスと牛舎サーバの通信仕様〕には、以下の記載があります。

• 「牛舎サーバと首輪デバイスの通信周期は、3分である。」
• 「牛舎サーバは、首輪デバイスに対して...送信要求メッセージを送信する。送信要求には...指示...が含まれる。」
• 「首輪デバイスは、後述の“送受信モード”のときに送信要求を受信すると...」

首輪デバイスは、3分間隔の通信周期で送受信モードになったタイミングでしか、牛舎サーバからの指示（メロディの再生指示など）を受信できません。
したがって、牛が再生中のエリアに進入したとしても、次の通信周期が来るまでは最大で約3分間のタイムラグが発生し、すぐに誘導メロディを再生できない場合があります。

高得点のポイント

• 通信周期が3分であることを理由として挙げていること。

〔首輪デバイスと牛舎サーバの通信仕様〕には、牛舎サーバからの送信要求に「現在時刻」が含まれることが記載されています。
また、表3の伝送フォーマットに「時刻データ」が含まれることから、首輪デバイスは測定時の時刻を正確に記録・送信する必要があります。

GPSモジュールを使用していた際は、GPS衛星から正確な現在時刻を取得できました。しかし、時計モジュールに変更した場合、モジュール単体では時間の経過とともに時刻にズレが生じます。
そのため、3分ごとの通信周期において、牛舎サーバから送られてくる送信要求に含まれる「現在時刻」を受信し、首輪デバイスの時計モジュールの時刻を補正・同期する機能が新たに必要となります。

高得点のポイント

• 牛舎サーバの時刻と首輪デバイスの時刻を同期する（合わせる）機能であることを記述できていること。