タイの産業系機関向け、大型車両のメーターパネル信号・振動読取ユニット

課題の背景

この事例の課題は、大型車両のメーターパネルの値を、時系列グラフで確認できるデジタルデータに変えることです。必要な値は、エンジン回転数、オイル圧力、エンジン温度、ハイドロリック温度、燃料レベル、電圧です。お客様は、車両の振動値とあわせて、すべての値を一つの画面で確認することを求めていました。

指針式のメーターパネルでは、その時点の値しかわかりません。温度が短時間だけ上昇したり、オイル圧力が一時的に低下したりしても、運転者が気づかない可能性があります。すべての値を時系列グラフとして記録すれば、エンジニアは温度とエンジン回転数など値同士の関係を確認でき、問題分析の出発点として活用できます。

要件と制約

信号読取ユニットは、同じ車両から複数の種類の信号を受信し、車両の電源系統で動作する必要があります。プロジェクト文書に基づく主な要件と制約は次のとおりです。

• アナログ信号を、電圧0–10 Vで7チャンネル、電流4–20 mAで1チャンネル受信します
• オン/オフ信号用に、5 V Active Low（信号がゼロのときに動作）のデジタル信号を4チャンネル受信します
• 3軸で振動を測定し、温度の値をもう一つ読み取ります
• 車両の24 V電源を使用し、設計文書では工場やサトウキビ畑で作業するトラクターへの取り付け方針を定めています
• 15項目のセンサーのグラフを一つの画面に表示し、ユーザーはセンサーごとにグラフの表示と非表示を選択できます

この信号読取ユニットは、車両のメーターパネルからどのように値を読み取るのですか

この信号読取ユニットは、車両にある既存のメーターパネルとセンサーの信号線に接続し、全チャンネルの値を同時に読み取ります。信号受信回路は信号の種類ごとにチャンネルを分け、ESP32が回路から値を読み取り、NVIDIA Jetson Nanoボードが値の保存とグラフ表示を行います。そのため、ユーザーがメーターの指針から値を書き取る必要はありません。

電流信号はモジュールで電圧に変換してから回路に入るため、すべてのアナログチャンネルが同じ形式の信号を受信します。役割は明確に分かれており、ESP32が信号を読み取り、NVIDIA Jetson Nanoがデータの保存と表示を担います。

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   現場でメーターパネルの信号を測定

   当社は現場でメーターパネルの電気信号を測定しました。対象はエンジン回転数（Tacho Meter）、オイル圧力、ハイドロリック温度、エンジン温度、燃料レベル、電圧で、回路が適切なレンジの信号を受信できるように設計するためです。

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   信号を回路で受信

   信号受信回路は、上記の要件に記載したアナログ信号とデジタル信号を受信します。各チャンネルは、メーターパネルまたはセンサーの既存の信号線に接続します。

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   振動と温度の測定

   3軸Accelerometerがx、y、z軸の振動を測定し、温度センサーが値をもう一つ読み取ります。

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   ESP32とNVIDIA Jetson Nanoによるデータ保存

   ESP32が回路から値を読み取り、Ubuntuが動作するNVIDIA Jetson Nanoボードへ送ります。Pythonで書かれたプログラムが値を受け取り、SQLiteデータベースに保存します。

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   Webアプリでグラフを確認

   ユーザーはHDMIケーブルで画面を接続し、端末上でWebブラウザを開いて、15項目のセンサーの折れ線グラフを確認します。横軸は時間、縦軸は読み取った値で、見る必要のないセンサーは操作して非表示にできます。

納入物

当社は信号読取ユニットを、NVIDIA Jetson Nanoボード上のソフトウェアおよび操作マニュアルとともに引き渡しました。作業範囲に含まれる項目は次のとおりです。

• 要件に記載した信号受信回路（筐体・端子付き）
• 電流を電圧に変換する信号変換モジュール、3軸Accelerometer、温度センサー
• NVIDIA Jetson NanoボードのKernel（OSの中核）とライブラリの設定
• コントローラーと信号の接続部
• 15項目のセンサーの折れ線グラフ表示Webアプリ（データは端末内のSQLiteデータベースに保存）
• ソフトウェア一式はArduino、Python、PHPで記述
• 画面の接続からグラフ画面を開くまでの操作マニュアル

案件完了時に確認できた成果

確認できた成果は、当社が作業範囲に沿って案件を完了し、操作マニュアルを引き渡したことです。引き渡したユニットはアナログ8チャンネルとデジタル4チャンネルの信号を読み取り、NVIDIA Jetson Nanoボード上で15項目のセンサー値を時系列の折れ線グラフとして表示します。

引き渡し時には、車両の実センサーがまだなかったため、現場で用意されたゲージ式メーターパネルのセットで信号読取を試験しました。そのため、この結果は回路とグラフ画面の動作を確認するものであり、実車での使用による結果ではありません。

私たちが学んだこと

この案件から、既存の車両や機械から信号を読み取る作業に向けた3つの原則が得られました。

• 実機で測定した信号のリストから始めます。このリストには、各値の信号の種類、値の範囲、チャンネル数が必要です。信号受信回路、信号変換モジュール、グラフ画面はいずれもこのリストに基づいて設計するためです。
• 入力段階で信号を同じ形式に変換します。電流信号を回路に入る前に電圧へ変換すれば、すべてのアナログチャンネルで同じ受信回路を使用でき、同じ方法で値を読み取れます。
• 回路の試験と実使用時の値の試験を分けます。卓上の信号源での試験は、回路が信号を読み取れることを確認するものです。実使用時の値は実機のセンサーで確認する必要があるため、最初の段階で受入試験の計画を定め、試験用センサーを準備しておくことをおすすめします。

この方法をお客様の車両や機械に適用するには

お客様の車両や機械に、電圧、電流、またはオン/オフの信号を出力するメーターパネルとセンサーがあれば、この事例と同じ方法を利用できます。既存の配線から信号を読み取り、車載の機器に値を保存して、時系列グラフで表示する方法です。調整が必要な部分は、信号の種類、電源系統、受入試験の方法によって異なります。

• 読み取る信号のリストを漏れなく作成し、各値の信号の種類とレンジも記載します
• 車両や機械の電源系統と、粉じん、熱、振動などの現場環境を確認します。これらは筐体の選定や機器の固定方法に影響します
• 受入試験用に実車または実センサーを準備し、どの値とどの値が一致すべきかを定めます