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サーバ監視技術を応用した独居老人見守りシステムの試作

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サーバ監視技術を応用した独居老人見守りシステムの試作
サーバ監視技術を応用した独居老人見守りシステムの試作
大塚 秀治(*1), 善養寺 紗弥(*2), 落合 あゆみ(*3), 矢野 孝三(*1)
*1 麗澤大学 情報システムセンター
*2 麗澤大学 経済学部
*3 麗澤大学 経済学部卒
[email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
概要: 本研究は、一人暮らしの老人が室内で病気や転倒によって危機的な状況になった場合、データ
センター等で用いられるサーバ監視技術を応用して危険な状況を検知し、通知を行うシステムの開発
を目的とする。
システムは IPv4 のプライベートネットワーク内に置かれた機器からの発呼によって、
監視サーバ上の Watch Dog Timer をリセットする方法で、閾値に達すると警報を発する。具体的に
は独居老人の宅内に設置した赤外線人感センサーにより活動を検知すると、サーバに HTTP アクセ
スを行いメッセージを送信する。監視サーバは送信元を解析し Watch Dog Timer をリセットする。
Watch Dog Timer が閾値を超えると、異常と判断し保護者へ緊急警報メールを送信する。
キーワード: 緊急時連絡,システム運用,ネットワークシステム
1 開発の背景と目的
我が国では高齢化にともない、一人暮らしの老人
の数が増加している。近年では、一人暮らしの老人の
孤独死問題がクローズアップされている。本研究の目
的は、一人暮らしの老人が室内で病気や転倒によっ
て危機的な状況になった場合、データセンター等で
用いられるサーバ監視技術を応用することで、その状
況を可能な限り早く検知し、救命につなげることがで
きるシステムを開発することである。通常、情報センタ
ー等ではサーバ類の動作監視を常時おこなっている
が、それは監視装置側から一定間隔で監視対象に信
号を送り、応答が無い場合に異常として警報を発する
ものである。一方、監視対象側から一定間隔で信号を
送り、監視装置側では規定の時間内に信号が無けれ
ば、監視対象が異常と判断する方法もある。後者の方
式はシステムが複雑になるが、監視機器側からの呼
によって動作するため、ネットワーク機器のリモート監
視の場合に都合がよい。本研究では IPv4 のプライベ
ートネットワーク内に設置された監視機器からの呼に
よって、インターネット上のサーバで動作する Watch
Dog Timer をリセットする方法を採用した。具体的に
は独居老人宅内のトイレ等確実に出入りする場所に
設置した赤外線センサーにより活動を検知した場合
に、ネットワーク上の監視サーバに http アクセスを行
いサーバ上の cgi を起動する。監視サーバ上の cgi
はアクセス内容を処理し、Watch Dog Timer のカウ
ントをリセットする。Watch Dog Timer の値が閾値を
超えると、異常検知と判断する。装置自体の異常につ
いては赤外線センサー等の反応とは別に Heartbeat
として一定間隔で稼働状況を通知する。この通知によ
って、装置の正常動作を確認し、装置が正常動作し
ていて、かつ Watch Dog Timer により異常を検知し
た場合に、老人の保護者や団体等へ電子メールによ
って緊急通報を行うものとして開発を行う。
2 状態監視とネットワーク
動作監視システムはシステムの状況を何等かの方
法で監視し、応答の状態に応じて正常か異常かを判
断し通知を行うものである。システムのとる状態は図 1
のように 4 通りで、本研究の場合、誤警報は許容でき
るが、検知ミスは可能な限り抑止する必要がある。
状態 \ 判断
正常
異常
正常
平穏
誤警報
異常
検知ミス
検知
図 1 状態検出
見守りシステムの検知状態を示す。このシステムでは誤警報
(false alarm)は実際に電話連絡等で安否確認可能であるため
許容できるが、見守り対象が異常であるにも関わらず、正常
と判定する検知ミスは許されない。
通常、ネットワーク機器の場合、プローブとなる機器
と監視サーバ間は双方向通信が可能であるが、プラ
イベートアドレスを用いるネットワークの場合にはアド
レス変換と経路制御にも工夫が必要となる。監視サー
バを遠隔(この場合には独居老人宅側)に置く場合に
はネットワーク上での対応(DDNS や P2P 技術による
双方向通信網)が必要となる1。本研究では IP アドレ
スを固定することができず、さらにダイナミック DNS な
どの機能を持たない廉価な接続サービスで動作する
ことを想定し、クラウド上にサーバを置きクライアント・
サーバモデルで動作させることとした。
3 赤ずきんちゃんシステム
落合(2011)は、一人暮らしの老人を比較的簡単な
設備で見守る評価システムを開発した[1]。これを「赤
ずきんちゃん2」と呼ぶ。このシステム3ではセンサーの
反応を SMTP メーラーボードを用いてメールメッセー
ジとしてサーバに送信する。SMTP メーラーボード4は
(有)トライステート社が(株)秋月電子通商を通じて販
売しているもので、デジタル 8ch,アナログ 16ch のイベ
ントに対して、あらかじめ設定された異なるメールアド
レスに簡単なメッセージを送信することができる。この
ボードには DCHP クライアント機能があり、無線ブリッ
ジを介して宅内の無線ルータ等から IPv4 アドレスの
取得が可能である。センサーは(株)イーケイジャパン
(エレキット)社製のリレー付き人体感知センサー5を用
いメーラーボードのデジタル入力としている。
図 2 は宅内に設置される「赤ずきん」装置の内部を
模式的に示したものである。写真 1 は実装状況を示
すものである。また、写真 2 は実証実験のために実際
の独居老人宅のトイレに本装置を設置中の様子を示
している。実証実験機ではボタンが省略されているが、
これは老人の誤操作を防止するためである。
サーバは一定時間ごとに加算するカウントデータに
よる Watch Dog Timer として機能する。これは、見守
り対象のカウントデータを UNIX の cron により 30 分
毎にインクリメントし、保護対象ごとに異なる設定値を
超えた場合に緊急通知メールを保護者に送信するも
のである。保護対象と保護者の電子メールアドレス、
カウント規定値についてはユーザ定義ファイルに記載
図 2 赤ずきんちゃんの木のおうち
メーラーボードと人体感知センサーは木製の箱に収容され
た。この箱を「赤ずきんちゃんの木のおうち」と呼ぶ。箱に
開けられた穴の部分に赤外線センサーが装着されており、そ
の信号を人体感知センサーが処理する。反応があれば、メー
ラーボードの所定の bit を ON にすることでメールが無線ブ
リッジを介して宅内のルータ経由でサーバに送信される。図
には示されていないが、特定 bit を ON にするボタンが箱側
面に付けられている。
写真 1 赤ずきんちゃんの木のおうち内部構造
手前の 3 つのボタンは右から「おでかけ」ボタン、「緊急」
ボタン、
「リセット」ボタンである。
「おでかけ」ボタンを押
すと「おでかけ」モードメールが送信され、システムはカウ
ントダウンを停止する。また、「緊急」ボタンを送信すると
保護者に緊急メールを即時通報する。「リセット」ボタンは
電源投入後に無線リンクが確立する前に DHCP が起動しア
ドレス取得に失敗した場合にメーラーボードを手動でリセ
ットして DHCP を再試行する際に使用する。なお、実証実
運ではボタン部分の改良が行われ、リセットボタンのみの配
置となった。
1 例えば ECHONET Lite 等ホームネットのような接続環境で
宅外からの機器の制御が容易となる環境を指す。
http://www.echonet.gr.jp/spec
2 一人暮らしのおばあちゃんを訪ねるというお話の筋からこ
の愛称が付けられた。
3 落合あゆみ,「独居老人見守りシステム-赤ずきんちゃん-
の開発」は 2011 年度麗澤大学卒業論文として製作された。
4 メーラーボード Ver2 キット, 製品番号:K-02428,2008 年 7
月発売, http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-02428/
5リレー付き人体感知センサー,製品番号:PS-3241 , 2008 年 10
月発売, http://www.elekit.co.jp/product/50532d33323431
写真 2 実際の設置の様子
写真は実際の独居老人宅に設置しているシステム 2 号機の様
子である。ボタンが省略されているのは複数のボタン操作が
実際には難しいことと、赤外線センサーがボタンのように見
えるため、誤って押し込む事例が発生したことにより、再発
防止のため撤去した。そのためメーラーボードのリセットボ
タンのみ形状を変えたものを上部に設置している。なお、左
下に延びるケーブルは電源ケーブルである。
① 赤外線センサーの反応持続時間は、約 90 秒
間である。従って、90 秒以内の重複反応は無
視される。しかし、90 秒間では 1 回の利用で、
複数の通知メールが送信されることになる。正
確な状況把握6 のためには、反応間隔の柔軟
な調整が必要となる。
② デイサービス等で長時間留守の際、送迎の都
合で帰宅時間が遅れると異常として緊急メー
ルが送信されるケース(誤警報)が比較的多い。
このため、曜日によるスケジュール管理機能が
必要である。
図 3 赤ずきんちゃんサーバの動作
赤ずきんちゃんサーバはクラウド上(実際は麗澤大学情報シ
ステムセンター内のマシンルーム)の FreeBSD マシンであ
る。このサーバではユーザ毎のカウンタが crontab の設定に
より 30 分間隔で増加する。カウンタの値が規定値を超える
と登録されている保護者のアドレスへ緊急メールが送信さ
れる(図右のフローチャート)。
見守り対象の宅内で赤外線センサーが反応するとメーラー
ボードがサーバにメールを送信する。サーバはメールを受信
すると From アドレスからユーザを特定し、当該ユーザのカ
ウンタを 0 に戻す(図左側のフローチャート)
。
早朝と深夜にそれぞれ活動状況を知らせるレポートメール
が送信される。
してあり、複数の保護対象を同時見守ることができる。
赤外線センサーが反応すると SMTP メッセージが送
信されるが、保護対象はメッセージ内の From アドレ
スで区別する。サーバはメッセージを受信すると保護
対象のカウントデータをリセットし、新たにカウントを開
始する。この動作をまとめたものが図 3 である。
4 評価システムの実証実験結果
上述の通り、本システムを実際の独居老人宅のトイ
レに設置して実証実験を行った。データ採取期間は
2011 年 12 月 15 日から 2013 年 10 月 25 日(本稿
執筆時点)で、現在も継続して運用している。実証実
験の結果は以下の通りである。
被験者
84 歳(開始時年齢)
女性 1 名
稼働日数
681 日
入院等による不在を除く在宅日数
527 日
センサー反応数(メール送信回数)
7,566 回
1 日平均
11.4 回 (SD 6.48)
日内最大反応数 35 回 最小数 0 回
システム停止 3 回(いずれも停電後の復帰不能)
緊急メール送信閾値 9 時間
緊急メール送信数 18 回 (誤警報 17 検知 1 )
サーバメンテナンスによる停止回数 2 回
実証実験の結果から、以下の 5 つの問題が指摘さ
れた。
③ 夏季に赤外線センサーが応答しないというケ
ースが認められた。これは室内温度上昇の影
響と考えられるため、背景温度が上昇した場合
の対策が必要である。赤外線センサーを補完
する仕組みも重要である。
④ 停電後に無線 AP とのネゴシエーション前にメ
ーラーボードが起動し、DHCP によるアドレス
取得に失敗して通信不能となる事例が 3 回発
生した。そのためリセットスイッチを押す必要が
あるが、遠隔から電話連絡によって老人に操
作を指示することが難しい7という問題も指摘さ
れた。障害からの回復方法を検討する必要が
ある。
⑤ 1 日に 2 回の活動レポートがメールで送信され
るが、随時状況を確認することができるように
Web 表示などの機能が必要である。
5 赤ずきんちゃん R システムの概要
評価システムの実証実験の結果から、改良システ
ムの開発の必要性が示された。これを受けて「赤ずき
んちゃん」の問題点を改良したシステムを開発した。
改良システムを「赤ずきんちゃん R」8と呼ぶ。赤ずきん
ちゃん R では柔軟な動作設定を可能とするため、宅
内に設置するセンサー部分を基板型マイクロコンピュ
ータの Arduino UNO9を用い、通信や反応検知の調
整等はすべてソフトウェア的に行うこととした。赤外線
センサーはパナソニック製のアンプ内蔵型人体検出
6 トイレの利用回数を正確に把握することは本システムの目
的ではない。そもそも来客があった場合などトイレの利用回数
が著しく増加することになる。従って、反応の回数は厳密には
大きな意味をもたないが、安否確認という点からはなんら問題
はないと言える。
7 赤外線センターの形状がボタンに見えるため、誤って押し込
むという事態が発生した。そのため、ボタンの形や設置場所が
変更された。
8 善養寺紗弥が 2013 年度卒業論文システムとして開発した。
9 Atmel 社の 8bitCPU AVR を用いた小型のボードコンピュー
タでプロトタイプ作成のプラットホームとして広く利用され
る。 http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno
赤外線センサーNaPiOn 10 のデジタル出力タイプを
用いた。また、リードスイッチによるドア SW も追加可
能とした。これは室温上昇による赤外線センサーの感
度低下を補うもの である。ネットワークは Arduino
Ethernet shield R3 を用い、宅内 LAN との接続に
は無線ブリッジ装置11を用いた。AP と無線ブリッジ装
置間のネゴシエーションを待機する時間は Arduino
側のソフトで調整する。DHCP によるアドレス取得の
回数や待機時間もソフトによって調整する。さらにセ
ルフリセット機構を組み込むことにより、一定間隔で強
制的にリセットを行い、不具合が生じても比較的短期
間に回復できるようにした。
赤ずきんちゃん R システムではイベントの送信に電
子メ ー ルで はなく HTTP を使 う。こ のた め、 従来
SMTP メッセージの From アドレスで識別していたユ
ーザは Arduino Ethernet shield の MAC アドレス
を cgi の引数としてサーバに渡すことで行う。
また、宅内設置システムの正常動作を確認するため、
一定間隔でサーバにアクセスするシステム自体の
WatchDogTimer 動作を追加した。図 4 は Arduino
のプログラムの流れを示している。また図 5 は、赤ずき
んちゃん R の接続概要を示したものである。
6 今後の展開
これまでの実証実験から、クラウド側に監視サーバ
を置くことで、宅内の設備が簡単に構成できることが
明らかになってきた。さらに実用性を高めるため、赤
ずきんちゃん R を 2013 年 12 月より、従来機と交換し
て実証実験を継続したい。また、ドアスイッチ配線の
省略や宅内で利用する緊急ボタンなどのためワイヤ
レス通信を実用化の検討を行う。加えて、保護者が任
意に活動状況を確認できる Akazukin/Web の開発を
行う予定である。
参考文献
[1] 落合あゆみ 『一人暮らし老人の見守りシステム“あかずきんち
ゃん”の開発』,2011 年度麗澤大学情報系ゼミ合同卒論発表
会論文集, pp39-44,2011.
http://www.cs.reitaku-u.ac.jp
/msemi/grad-presen/2012/201201-r.pdf,pp
[2] 武蔵野電波 日本語リファレンス, ArduinoWiki,
http://www.musashinodenpa.com/wiki/
START
初期設定
L
状態表示
ServerにHB送信
Web access (A)
M秒経過
赤外線センサ入力
L
yes
ON?
Akazukin-R
server
no
緊急通知
ドア SW 入力
yes
ON?
Serverに活動を送信
活動報告
保護者への通知
Web access (B)
no
no
L
24h経過
yes
RESET
図 4 赤ずきんちゃん R
Arduino の動作
Arduino は起動時に 30 秒待った後 DHCP によるアドレス取得
を 5 回繰り返す。この間に取得に成功すると loop に入る。時間
はタイマー割り込みによって秒単位の精度を持ち、30 分ごとに
Heartbeat 信号としてサーバの規定 cgi へアクセスする。赤外
線センサーが反応した場合とドアスイッチが反応した場合は
サーバの規定 cgi にアクセスし活動を通知する。起動後 24 時間
経過した場合、自身を強制的にリセットする。
10 夏場の温度対策として採用した。背景との温度差が 4 度あ
れば応答する。
http://www3.panasonic.biz/ac/j/control/sensor
/human/napion/index.jsp
11 プラネックス社製 MZK-RP150N
図 5 赤ずきんちゃん R 装置概要
図は赤ずきんちゃん R のシステム概要を示している。外枠で囲
まれた部分が宅内の接続で、内側の四角で囲まれた部分が「赤
ずきんちゃんの木のおうち」に対応する部分となる。Arduino
を採用することで、従来の機能をプログラム化することが可能
となったため、機能変更や追加が簡単にできるようになった。
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