LoRaWANとRobustel R1520-LGによるBMS配線コスト削減:

場所

英国および欧州

産業

スマートビル

製品
  • R1520-LG
  • RCMS
エンドカスタマー

ボイテック・システムズhttps://www.voytech-systems.co.uk/

ボイテック・システムズは、クラウドとIoT技術を中心にビル管理システムを再考するため、リチャード・ファーガス博士によって2014年に設立された英国拠点のビルオートメーション専門企業です。同社はBMS製品開発・製造における豊富な経験と、サードパーティベンダー向けコンサルティング・研究開発サービスを融合させています。 中核プラットフォーム「Sitelink」はBACnet、Modbus、LoRaWANなど複数の自動化プロトコルに対応し、従来のBMSコントローラーと最新の無線フィールドデバイス間の仲介役を果たします。これにより、既存BMSインフラへのIoT統合から、多様な建築分野における暖房・空調・換気の独立型監視制御まで、幅広いソリューションを提供可能です。

課題

従来のBMSプロジェクトでは、特に改修工事や複雑な建物において、分散型センサーの配線工事に予算の大部分を費やすことが多かった。 Zigbeeや独自開発のサブGHzシステム、Wi-Fiといった従来の無線技術は、通信距離、屋内透過性、エコシステムの成熟度、主流BMSコントローラへの統合性に課題を抱えていた。Voytechが求めたのは、機械室や居住空間の奥深くまで到達し、階層を容易に跨ぎつつ、BMSに対して慣れ親しんだBACnetオブジェクトとしてデータを提示できる無線技術であった。これにより、試運転技術者が直感的に扱える環境を実現した。 

結果

センサーにはLoRaWANを標準化し、バックホールにはR1520-LG LoRaWANゲートウェイを採用。さらにローカルLoRaWANネットワークとアプリケーションサーバーをホストするSitelink Controllerを導入することで、VoytechはネイティブBACnetシステムと同様の動作を実現する無線BMSアーキテクチャを構築しました。 実地導入では、100メートル離れた別棟に設置されたデバイスも含め、最大14階層に及ぶLoRaリンクが200台以上のセンサーを確実に接続することを実証済み。電気工事会社は専門的な無線技術がなくても事前設定済みのLoRaWANデバイスを設置可能。これにより設置コストを削減しつつ、暖房や空調設備のより細かな制御を実現し、エネルギー使用量の削減に貢献します。

LoRaWANとBACnetによる無線BMSの実用化

ボイテック・システムズは、従来の制御盤の段階的なアップグレードではなく、クラウドコンピューティングとIoT技術を中心にビル管理を再考するために設立されました。同社のSitelinkプラットフォームは、従来のBMSコントローラーと最新のフィールドデバイスの中間に位置し、BACnet、Modbus、LoRaWANなどのプロトコルに対応しているため、インテグレーターは既存の設備と新たなセンシング・制御機能を組み合わせることが可能です。 このビジョンにおいて、ワイヤレス技術は既存の配線経路や改修スケジュールに制約されることなく、センサーやアクチュエーターを必要な場所に正確に配置する手段となります。

LoRaWANが最適な選択肢として浮上したのは、長距離・低電力無線技術と、ビルアプリケーションを直接的に狙ったセンサー・アクチュエーターの急成長エコシステムを組み合わせているためである。 ロンドンの概念実証では、Voytechは商業ビルの14階にわたるLoRaリンクを容易に実現。その後の導入では、3階建てオフィス内の200個以上のセンサーが、プラント室内に設置されたゲートウェイへ確実に到達しました。センサーが一時的に100メートル離れた別棟に保管されていた場合でも同様です。 この伝搬性能とゲートウェイ高密度化を容易にするアーキテクチャにより、Voytechは基本的な無線制約との戦いに時間を割くことなく、統合と導入に注力できた。

1. 新規および改修プロジェクトにおける高い配線コストと混乱

新築でも改修でも、建物にセンサーを追加するには通常、大規模な配線作業が伴います。配線を機械室まで引き戻し、壁を削り、既存の設備や防火壁を迂回し、他工種との調整が必要です。 追加ポイントごとに発生する増分コストは、プロジェクトが正当化できる計測・制御箇所の数を急速に制限する。既存建物では、新たな配線による混乱や美的影響が、エネルギー効率や快適性の向上が明らかな場合でも、センサーのアップグレードや室レベル制御の追加をほぼ不可能にする。

この制約は妥協を強いる:インテグレーターは大規模エリアの計測を控え、建物所有者はアップグレードを先送りし、設計者は最適制御ではなく「十分」なカバー率に落ち着く。結果として、HVACの応答性が低下し、居住空間の実態把握が困難になり、必要以上のエネルギーコストが発生する。ボイテックは、センサー数と配線量を切り離す方法が必要だった。これにより、従来の労力負担なしに、より豊富なデータと細やかな制御を実現できる。

2. 従来の無線技術の限界と断片化

LoRaWANが登場する以前、BMSインテグレーターは無線デバイス接続のため、Zigbee、独自仕様の433/458/868MHzシステム、Bluetooth Low Energy、さらにはWi-Fiまで試行錯誤してきた。 それぞれに課題があった:2.4GHz帯では屋内通信範囲が限定的、単一ベンダーに依存するクローズドなエコシステム、センサーポートフォリオの貧弱さ、あるいはサードパーティ製BMSコントローラーとの統合困難さなど。多くの場合、通信範囲の空白を埋めるには複雑な電波計画や独自リピーターの設置が必要となり、管理すべき機器層がさらに増えた。

これらの技術的問題は商業リスクに直結した。 無線システムが専門的な調整、特注の統合、または大規模な現地調査を必要とする場合、有線配線に対するコスト削減効果は瞬く間に消え去った。さらに悪いことに、システムが不安定なカバレッジを提供したり干渉に悩まされたりすると、インテグレーターは機能しない無線設備を抱え、救済手段がほとんどない状態に陥る可能性があった。この経緯から、多くのビル管理システム(BMS)専門家は無線技術に慎重になり、新たなアプローチは同じ落とし穴を回避しつつ、より豊富なデバイスエコシステムを提供することを説得力を持って示さねばならなかった。 

3. クラウド指向のLoRaWANとサイトローカルBMSアーキテクチャの連携

LoRaWANは本質的にクラウド対応です:多くの実装では、ゲートウェイがトラフィックをオフサイトにホストされたネットワークサーバーおよびアプリケーションサーバーに転送することを前提としています。 ビル制御においては、このモデルは遅延と信頼性の懸念をもたらします。制御決定は、インターネット接続が低下している場合でも、迅速かつ決定論的な応答に依存する可能性があるためです。さらに、BMSコントローラーは無線フレームからデコードされた生のペイロードではなく、BACnetオブジェクト(温度、設定値、バイナリ状態など)を扱う傾向があります。ブリッジなしでは、LoRaWANデータは従来のBMS機器で直接利用できません。

試運転もまた課題となる。LoRaWANの統合に専門の無線技術者やクラウドエンジニアの現場立ち会いが必要な場合、プロジェクト全体のコストとスケジュールの複雑さが増大する。 Voytechの構想を実現するには、電気・制御請負業者にとってプラグアンドプレイの体験が不可欠でした。つまり、事前設定済みのデバイスを設置し、電源を入れるだけで、BMS(ビル管理システム)に馴染みのあるポイントとして表示されることです。そのためには、LoRaWANとBACnet間の技術的変換を解決するだけでなく、既存の作業者が新たなスキルや工具なしで設置作業を扱えるよう、ワークフローを簡素化する必要がありました。

ボイテックのアーキテクチャは、建物内の各室やプラント空間に設置されたバッテリー駆動のLoRaWANセンサーおよびアクチュエーター(例:MClimate社のVickiスマートラジエーターバルブ)から始まります。これらのデバイスはLoRa無線を介して、頑丈な産業用筐体に収められた8チャンネルLoRaWANインターフェースを提供する1台以上のRobustel R1520-LG LoRaWANゲートウェイへデータを送信します。 ゲートウェイは、必要に応じてイーサネットまたはセルラーバックホールを介して暗号化されたLoRaWANペイロードをIP経由で転送し、現地に設置されたVoytechのSitelinkコントローラーに送信します。Sitelinkユニットは、LoRaWANネットワークサーバー(LNS)とアプリケーションサーバーの両方をローカルでホストし、監視および制御機能が外部クラウドに依存しないことを保証します。

Sitelink内では、LoRaWANメッセージが復号化・デコードされ、個々の温度、バルブ位置、バイナリ状態、設定値を反映するBACnetオブジェクトへマッピングされます。メインBMSの観点からは、これらは標準的なBACnetポイントとして認識されるため、中央空調コントローラーは慣れ親しんだツールを用いて需要の読み取り、室温目標値の調整、スケジュール実行、アラーム監視を実行できます。 LoRaWANインフラがローカルであるため、建物のインターネット接続が失われても制御ループは確実に動作します。カバレッジを拡張する必要がある場合、インテグレーターは単に追加のR1520-LGゲートウェイを適切な場所に設置するだけで済みます。LoRaWANはこれらを単一の「分散アンテナ」の一部として扱うため、ネットワークの密度向上は容易です。

現場導入事例はこの設計の実用性を浮き彫りにしている。あるプロジェクトでは、Voytechが3階建てオフィスに200台以上のLoRaWANセンサーを設置したが、導入前の保管期間中にオフサイトに保管されていた場合でも、すべてのセンサーが機械室のゲートウェイと通信可能であった。 別の導入事例では、約60台のVickiスマートラジエーターバルブをSitelink経由で統合。プラント室外に新たな配線を追加することなく、中央プラントと分散型室内暖房制御を実現しました。デバイスは事前設定済みで現場に納入されるため、専門的なLoRaWAN知識を持たない標準的な電気工事業者でも設置可能。これにより人件費を抑えつつ、BMSの適用範囲を拡大できます。

ボイテックがR1520-LGを選んだ理由

  • コンパクトな筐体に強力なLoRaWAN機能を搭載:本ゲートウェイは8チャネルのLoRaWANインターフェースを備え、堅牢な無線性能を実現。オフィス、公共施設、プラントエリアなど屋内密集環境での導入に最適です。
  • 産業デザインと広温度範囲:頑丈な筐体、産業用コネクタ、および広い動作温度範囲により、本装置はプラント室や過酷な建築環境に適しており、現場での故障リスクを低減します。
  • 無料クラウド管理プラットフォーム:付属のクラウド管理サービスにより、必要に応じてゲートウェイのリモート監視と設定が可能。現地設置のSitelinkコントローラーを補完し、複数ビルにまたがるフリート運用を容易にします。
  • SIM管理のためのスマートローミング:内蔵のスマートローミング機能により、セルラーバックホールを利用する展開環境においてローミングSIMを管理し、固定接続が利用不可またはコスト面で現実的でない場合の耐障害性を向上させます。

建物所有者および運営者にとって、VoytechとLoRaWANを組み合わせたアプローチは、無線BMSをリスクの高い実験から実用的な選択肢へと変えます。 既存の配線や改修予算に制約されることなく、これまで手が届きにくかった部屋、ゾーン、プラントエリアなど、最大の価値を生み出す場所にセンサーと制御機能を追加できます。試運転チームは事前設定済みのデバイスを設置するだけで、LoRaWANの内部構造を理解する必要なく、BMS上で標準的なBACnetポイントとして認識されます。こうした豊富なデータと細やかな制御により、エネルギー効率化プロジェクト、快適性の向上、より優れた保守戦略が実現します。

LoRaWANは、従来のBMSアプリケーションへの無線監視・制御コンポーネント統合という課題を遂に解決すると確信しています。LoRaWANは、BMSインテグレーターが無線技術に慎重な姿勢を取らざるを得なかった他の無線技術のあらゆる制限を克服しています。特に、LoRaの驚異的な通信距離により、詳細なサイト計画や多数の中継器設置を必要とせずに無線デバイスを利用できます。 小規模な建物では通常、単一のゲートウェイのみで対応可能です。大規模な建物においても、簡単な経験則に基づき建物周辺に数台のゲートウェイを設置するだけで十分なカバレッジを確保できます。無線センサーやアクチュエーターの選択肢は急速に拡大しており、計量、空気質検知、故障監視など、様々な機能をビル制御システムに容易に追加(または後付け)することが可能となっています。」– リチャード・ファーガス博士 – ボイテック・システムズ代表取締役

  • 設置および改修コストの削減:ワイヤレスセンサーとバルブにより、機械室外での新たな配線工事が不要となり、新規建設プロジェクトと改修プロジェクトの両方で、作業時間と作業による支障を削減します。
  • 複雑な建物内でも確実な通信範囲:LoRaWANの強力な屋内伝搬特性と、追加ゲートウェイを「分散アンテナ」として配置する機能により、オフィス、多層ビル、機械室など広範囲にわたる信頼性の高い接続性を実現します。
  • 簡素化された試運転ワークフロー:標準電気工事業者による事前設定済みデバイスの設置と、BMS内でのBACnetネイティブ表現を組み合わせることで、現場での専門無線技術者やクラウド技術者の必要性を低減します。
  • より細かい制御と省エネ効果:室単位の検知機能とスマートラジエーターバルブにより、人が滞在する空間をインテリジェントに制御。快適性を向上させつつ、暖房および空調設備のエネルギー消費を削減します。
  • 重要制御ループのローカル耐障害性:LoRaWANネットワークとアプリケーションサーバーをSitelinkコントローラー上でホストすることで、外部インターネット接続が失われた場合でも監視および制御機能を稼働状態に維持します。
  • 将来を見据えたセンサーエコシステム:広範かつ拡大を続けるLoRaWANセンサーおよびアクチュエーターエコシステムへのアクセスにより、コアアーキテクチャの再設計なしに、大気質、計測、障害検知などの新たな監視ポイントを追加することが容易になります。
ロブステル R1520-LG LoRaWAN ゲートウェイ
RCMSデバイス管理プラットフォーム
スマートローミング