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IoTLTAdvent Calendar 2016

Day 7
@nanbuwksinIoTLT

IoTピザ窯、または巨大災害レジリエンスで娘に怒られたこと

Last updated at Posted at 2016-12-07

IoTピザ窯DELive

IMG_6767.JPG

常用500℃の性能を持つ石窯です。
vlcsnap-2016-12-06-20h59m08s658.png

Raspberry Pi で制御します。
0016_xlarge.jpg

コントローラ。
image
SSHでRaspberryPiにログオンして、vimで制御プログラムを書いてコンパイルして実行することで、誰でも簡単にピザを焼くことができます。

これはCプログラム実行中の写真。上ヒーターが614〜618℃、下ヒーターが598〜602℃、触媒温度が232〜235℃、室温30〜33℃を示しています。
IMG_20150702_224524.jpg

素材として、工業用の断熱耐熱ブロックを使っています。
IMG_20150412_142331.jpg
写真のうち肌色のものは珪藻土が主な成分になっています。珪藻土というのは珪藻の遺骸が昔の海底に積もって土になったものです。

珪藻の電子顕微鏡写真。
Diatoms.png
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:Diatoms.png
CC BY 2.5
珪藻はガラス質の殻を持っていて、珪藻土を焼き固めると中空の殻のために軽く耐熱と断熱に優れた安全素材となります。
珪藻土は昔から七輪などに使われていました。写真は珪藻土で作った練炭コンロです。
Japanese_Rentan_Portable_Stove1.JPG
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:Japanese_Rentan_Portable_Stove1.JPG
(GNU Free Documentation License) 1.2
珪藻土でつくった色が美しいです。この穏やかな色はわずかに含まれている鉄分によります。

DELiveも、RA13という高性能な白いブロックベースで作ったバージョンもありますが、B1ブロックのほうが調理に伴った汚れが目立ちにくく、見栄え的には肌色のバージョンを推しています。
18026_1005987862768468_245807534581443903_n.jpg

砂漠への想い

砂漠の砂の色も、同じくわずかに含まれる鉄の色になります。
砂漠色の比較として、「タミヤスプレーカラー TS-46 ライトサンド」を探してきました。
image

さて、DELiveのデザインモチーフはコレです。
Screenshot from 2016-11-25 09-21-40.png

かつてイラクが世界第四位と言われた軍事強国であった頃、砂漠に巨大強化格納庫を構築していました。通常の強化格納庫（Hardened aircraft shelter・・HAS）に比べて規格外の厚さのコンクリートを持ち、航空機の爆撃にも耐えられるものとして構築されたものです。
それを、湾岸戦争時に多国籍軍は精密誘導兵器を使い重量爆弾のダイレクトヒットで貫通、内部の航空機を破壊していきました。

・・・このイメージで作ったのですが、ところがこのHASはイラクのものではなかったようです。

アリ・アル・セーラム空軍基地

クェートのアリアルセーラム空軍基地のものだったそうで、

イラクのクェート侵攻
↓
イラクに接収される
↓
砂漠の嵐作戦（湾岸戦争）
↓
多国籍軍によって撃破

という経緯らしいです。
イラクの超巨大滑走路と規格外のHASのミステリアスなイメージを勝手に持っていたのですが改めてアリ・アル・セーラム空軍基地について分析したのが以下のマップです。

地図と破壊状況の写真を照合していった結果、該当のHASは緯度経度=(29.356259,47.5098265)にある14番格納庫であることがわかりました。
https://www.google.co.jp/maps/place/29%C2%B021'22.5%22N+47%C2%B030'35.4%22E/@29.3562648,47.5093585,164m/data=!3m1!1e3!4m5!3m4!1s0x0:0x0!8m2!3d29.356259!4d47.5098265

下の写真は同型の17番格納庫の内部ですが、強化コンクリートの厚さは3mはあろうかということがわかります。
hasinside.jpg

DELiveも同じように斜めのデザインにしたかったのですが、力及ばずで四角いデザインとなりました。

断熱性能

さて、DELive に使っている断熱耐熱ブロックのサイズは以下の通りです。
image

巨大HASのように3メートルとまではいきませんが、厚さ65mmの珪藻土ブロックは強化コンクリート換算で数十センチの厚みの断熱性能があります。
image

この強力な断熱性能、耐熱性脳により500℃を実現することができます。

温度制御

温度を測りながら制御しますが、RaspberryPiで温度を測るには
アナログは扱えないためMCP3008というADコンバータを使い、SPI通信で値を取ります。

サーミスタ

温度によって抵抗値が変わるセンサーを使えます。残念ながらあまり高温は測れません。DELiveで使用しているのは最大125℃のサーミスタです。

計算式

R=Ro×e^(B(1/T)-(1/To))
  • Ro ：基準温度 To における抵抗値
  • ここでは10kΩ (25℃　・・・298K)
  • R : 測りたい温度 T における抵抗値
  • B ： サーミスタの種類による定数
  • ここでは3380 (25〜50℃)

抵抗を求めるには ??

以下の回路を使うと5Vの値がRとTHの抵抗の割合で分圧される
image

電圧を求めるには ??

image

  • MCP3008（ADコンバータ）で電圧の値を測ることができる
  • 0~5Vを0~1024の値で表現する
  • MCP3008とRaspberry PiとはSPIで接続する
  • SPI読むためにはWiringPiのSPIライブラリを使う

いかがですか？ このようにアナログにして、回路を作って、計算で求めなくても直接温度データを送ってくれるセンサーもあります。しかしながら300℃を越すと下記の熱電対というものを使うのがポピュラーで、それを使うと結局アナログにして、回路を作って、計算で求めないといけません。ということで、あえてサーミスタを使った回路を導入しています。

熱電対

  • 異なる２種の金属を接すると温度差で発電する
  • K型
  • クロメル・アルメルという合金を使ったのがK型熱電対
  • 最高1250℃まで測れる
  • 約40.7μＶ／℃(K型)
  • 非常に微弱
  • 温度差しかわからない

非常に微弱なので

  • オペアンプで100倍に増幅
  • 約40.7μＶ／℃→約4.07mＶ／℃
  • 500℃差だと約2.04V差
  • 温度差しかわからないのでどうするか？
  • サーミスタで室温を計って温度差に足す

制御コード

サンプルは以下の通り。

これはPython3


#!/usr/bin/env python3
import math
import time
import wiringpi2 as w 
DIVR = 10000 # 4.7k ohm
THERMISTOR =10000 # 10k ohm
B=3950
REF=3.3 # 5.0 or 3.3
UpperLimitTemp1 = 540
UpperLimitTemp2 = 440
LowerLimitTemp1 = 540
LowerLimitTemp2 = 440
w.wiringPiSetup()
w.pinMode(0,1)
w.pinMode(1,1)
def main():
  count =0
  w.wiringPiSetup()
  w.wiringPiSPISetup(0,1000000)
  while 1:
    temp=gettemp()
    temp1=(MCP3008(4)/1024*5)/(4.07/1000)+temp
    temp2=(MCP3008(5)/1024*5)/(4.07/1000)+temp
    temp2=(MCP3008(4)/1024*5)/(4.07/1000)+temp
    if ( temp1 > UpperLimitTemp1 ) :
      w.digitalWrite(0,0)
      onflag0=0
    if ( temp1 < UpperLimitTemp2 ) :
      w.digitalWrite(0,1)
      onflag0=1
    if (( temp1 < UpperLimitTemp1) & (temp1 > UpperLimitTemp2 )) :
       if ( 1 == int( count / 5  ) % 2 ):
           w.digitalWrite(0,1)
           onflag0=1
       else:
           w.digitalWrite(0,0)
           onflag0=0
    if ( temp2 > LowerLimitTemp1 ) :
      w.digitalWrite(1,0)
      onflag1=0
    if ( temp2 < LowerLimitTemp2 ) :
      w.digitalWrite(1,1)
      onflag1=1
    if (( temp2 < LowerLimitTemp1) & (temp2 > LowerLimitTemp2 )) :
       if ( 1 == int( count / 5  ) % 2 ):
           w.digitalWrite(1,1)
           onflag1=1
       else:
           w.digitalWrite(1,0)
           onflag1=0
 
    print ('{0} upper:{1:3.0f} C {2} lower:{3:3.0f} C {4} room temp:({5:2.0f} C)'.format(count,temp1,onflag0,temp2,onflag1,temp) )
    time.sleep(1)
    count=count+1

def gettemp():
  spiresult=MCP3008(0)
  if 0 == spiresult:
    spiresult=1 
#   thermistor_r = ( DIVR * (1024-spiresult ))/ (spiresult ) # thermistor is upper
  thermistor_r = ( DIVR * spiresult )/ (1024 -spiresult ) # // thermistor is lower
  t1 =   math.log( thermistor_r / THERMISTOR ) 
  baseTemp = ((298*B) / ( B + ( 298 * t1 ))) - 273 
#  print (thermistor_r)
  return (baseTemp)  

def MCP3008(channel):
  register = 0x80
  buff=(1 << 16) +(register<<8)+(channel<<12)
  buff=buff.to_bytes(3,byteorder='big') 
  w.wiringPiSPIDataRW(0,buff)
  return (((buff[1]&3)*256)+buff[2])
 
if __name__ == '__main__':
  main()

Raspberry Pi は自分の好きな言語でプログラムできる。以下はScratchの例。こちらはセンサーの値は取らずに単なる間欠ON/OFF制御。

image

調理の成果

こうやって制御することで、様々な料理に対応できます。

  • ピザ 450℃で 90秒〜2分
  • パイ 300℃で 5分

このようにかなり素早い調理が可能であり、これを使って様々なイベントを行ってきました。

イベントを行う

DELiveをイベントで使うメリット

その場で組み立てる

簡単に移動、組立ができる。撤収時にも放熱が簡単！

image

自分で焼く

楽しい！！
焼いてもらって食べるのではなく、自分で作って自分で食べる！！

コストが安い

凝った食材を使わなければ、一人あたり￥500の原材料費でお腹いっぱい食べることができる。

長時間提供できる

3分ごとに1枚焼き上がり、一斉にどどっと提供するのではなく、都度都度新作が提供できて飽きない！

室内で使える

高い断熱性能のため、外側は手で触っても熱くない。
触媒を使って煙や匂いを中和しているため、電子レンジを設置できる場所ならほぼどこでも設置できる。

ワークショップ

ワークショップの例
2016/11/23,会津大学で行われたIoTピザハッカソンでは、石窯班、回路班、ソフトウェア班、レシピ班に分かれておいしいピザを作りました。

image

手分けして組立、インストール、コード書きをし、子供も多数参加して食べまくり。

ハッカソン

2016/10/01 (土) に Mozilla Japanで行われたイベントでは、どの言語が一番美味しくパイを焼けるか競いました。この時は、窯としてDELiveより発展したDE-Aeroを使っています。
IMG_2226.JPG
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懇親会

石窯を持ち込んでイベントの懇親会を楽しみます。

このような配置とすることで、多人数の懇親会を捌くことができます。
食べ物瞬殺であと手持ちぶたさではなく、最後まで自分で作る→食べるのサイクルが回って楽しい！
image

何よりも、ピザスタッフは回ってくる参加者ひとりひとりとじっくり話ができるというメリットがあります。話ベタでもどんなピザが好きですか？ イベント良く参加してるのですか？ など話題がたくさん！

高断熱理論

DELiveは500℃超えが出せるのですが、これは決して火力が強いわけではありません。
消費電力は1200W程度です。一般のコンセントで十分賄うことができます。
通常、100Vコンセントでは強い火力を持つ料理は無理と言われてますがどうしてでしょう？
一般の調理はこんな感じです。

image

家庭用に限らず、図のような調理器具は、火力よりはエネルギーロスの方が大きな影響があるのですね。

image

DELiveは500℃出せますが、必ずしも500℃の領域でのみ優れているわけではない。
以下のように、200℃とか300℃でも高いパフォーマンスを得ることができます。

  • パイ 300℃で 5分
  • ノンフライヤー 300℃で7分

おもちなどもこの通り。マンガの中でしか見なかったような膨らみとなります。
image

断熱性能が優れ、損失を抑えることで調理のパフォーマンスがかなり高いレベルになります。

戦闘機の開発

戦闘機の開発でも同じことが言えます。
一昔前の戦闘機は、ムダを強力なエンジンで解消したような思想でした。

image

それに対し、ベトナム戦争では格下のはずだったMig-21に苦戦。

image

エネルギー機動理論

これはいかん！ということで、

  • 速度をエネルギーとしてとらえる
  • 高度と速度は相互に変換される

という理論から、エネルギーを失わない機動を行うことが鍵である、その単位として比エネルギーという概念が導き出されました。

image

比エネルギーは高度や速度などにより変化します。エネルギー機動理論を提唱したジョン・ボイドはエネルギー機動ダイアグラムという図を考案し、一目で優劣がわかるように工夫しました。

下の図の、高度4600mの例では、F-4Eはマッハ0.6前後のごくわずかの領域でしか勝てないことがわかります。

image

この問題に対し、ジョン・ボイド率いるファイターマフィアと呼ばれる勢力は、エネルギー機動理論を最大限に活かした戦闘機の開発を働きかけます。

image

この成果であるF-16Cは、以下の4600mの例では全ての領域でF-4EおよびMig-21を凌駕している性能を実現しました。

image

調理についても火力だけで勝負が決まるものではなく、同じようにエネルギー機動理論を用いるべきなのです。
image

理論

  • 温度をエネルギーとしてとらえる
  • 温度と味は相互に変換される
  • エネルギーを失わない機動

これを用いたピザ焼成のエネルギー機動ダイアグラムです。
image

温度を500℃に上げることで、200Vを電源とする業務窯にも迫っていることがわかります。

PUE

データセンターのエネルギー効率として、Power Usage Effectivenessという単位があり、％で表します。これがいかに低いかで、現代文明を支えるデータセンターのパフォーマンスが比較できます。

ピザについても、調理のエネルギーをPizza Usage Enelgy という単位を作り、J/gで表しましょう。

さて、ピザの調理に本当に必要なエネルギーはどれだけでしょうか。

  • 小麦粉のα化　2J/g
  • ピザ生地には60%の小麦粉
  • 125g生地には75gの小麦粉　→ 理論PUE:150J/g

それに対し、DEシリーズの消費エネルギーは以下のとおりです。
DEシリーズ電気 (125gを1000W180秒毎調理)100kJ → PUE:1440J/g
DEシリーズガス (150gを2.9kW180秒毎調理)522kJ → PUE:3480J/g

理論PUEに比べてかなり大きな値ですが、これはデンプンのα化以外のトッピングの調理や、アツアツにするエネルギー、コゲで消費される分も入っています。とはいえ、既存のものに対して、かなり良い成績を収めていることがわかります。

ガスオーブン (150gを4kW3分調理）720kJ → PUE:4000J/g
電気オーブン (150gを800W20分調理)960kJ → PUE:3840J/g

巨大なライバル

なお、理想にかなり近いものとして、実は炊飯器があります。小麦粉ではなく、お米の調理になりますが、炊飯器5.5合IH炊飯ジャー 極め炊き／NP-HQ10、NP-HQ18の性能から計算すると、

デンプン800g/140Wh = PUE換算：630J/g

これにはまだかなり負けてしまっています。

省エネルギー調理

高断熱調理の効果として、DELiveでは一般家庭のコンセントでかなりの調理を行うことができるということにあります。ヒーターの能力は1250Wで、一般家庭のコンセントから電源を取れるので設置場所を選びません。

この応用として、EVカーから電源をとってみました。
11/23に会津大学で行われた「IoT Pizza作りハッカソン in Aizu」
https://www.evensi.jp/iot-pizza%E4%BD%9C%E3%82%8A%E3%83%8F%E3%83%83%E3%82%AB%E3%82%BD%E3%83%B3-in-aizu/191390183
のイベントでは石窯を2台使いましたが、1台はEVカーのコンセントから取りました。
15134572_1304301209633088_3714323911764989929_n.jpg
電気自動車として、日産e-NV200から電気を供給。実稼働時間は3時間程度で10〜20枚ぐらい焼いたかな。e-NV200のバッテリ残量は１２目盛りのうち１目盛の消費だったそうです。

災害対応へ

EVカーを使えば、コンセントのないところでもピザパーティができますね。
ピザ＋EVカーで、災害対応を考えてみました。
いままでみてきた以下のような特徴は、災害時にも活かせるのではないか？

  • おいしい！
  • お腹いっぱい！
  • 自分で作れる
  • アベレージ3分で作れる
  • ポータブル
  • 安全

既存の災害対応ピザ事例

熊本の料理人が集まり避難所でピザを炊き出し！被災者の心を満たす SIRABEE.COM
http://sirabee.com/2016/04/22/112608/

宮崎の美味しい野菜を使った ジャガイモとカボチャのピザ 名付けて#カボジャガピザ 炊き出し... MINMIオフィシャルブログ
http://ameblo.jp/masterbeau/entry-12163605453.html

島崎さんおすすめ“ダ リキーノ”で震災復興応援ピッツァ「石巻風」｜1000％HYOGO[食]
http://www.hyogo-tourism.jp/1000hyogo/report/?id=993

熊本震災を中心に、避難所でピザを炊き出しした例が見られ、これらかなり好評のようです。
2つ目のリンクでは、MINMIさんが「炊き出しならぬ 焼きだし」と名づけています。

ピザの「焼き出し」

  • おいしい！→ おにぎり、鍋以外のバリエーション。
  • お腹いっぱい！→ やすい材料で高級感な感じ、満足！！
  • 自分で作れる→ 気持ちの転換になる？？
  • アベレージ3分で作れる → 多人数Welcome
  • ポータブル → 緊急展開
  • 安全 → しろうとオペレーションでも何とかなる

以上は、机上の空論ですがこれから「練習」をして検証していきたいと思います。

EVを使わない場合

災害時に、EVもそう都合良く有るわけ無いでしょう。
DELiveでは、他の熱源を使うタイプのバリエーションを開発しています。

カセットコンロバージョン。
image

炭火バージョン
image

元々、七輪は災害時にも多燃料を使えるものとして災害対策に導入されていました。
その特性を受け継いでいきたいです。
また、ブロックをその場で積み上げるので状況に応じて色んなパターンに対応できます。

太陽電池でRaspberryPiを動かす

これはDELiveより更に進化したDEAeroを使っています。
IMG_20160507_145856.jpg

熱源を太陽電池で補うのはさすがに無理ですが、温度モニターやIoTのための回路を動かすことができるようになります。

パッキング

DELiveは分解して52Lコンテナx2に収納するようになっています。
CSnOLvCUEAAlJrr.jpg

52Lコンテナは規格品で、横幅は鉄道の改札を通るサイズになっています。キャリアカートなどと組み合わせて徒歩、車、公共交通機関などでの取り回しも便利。
頑丈で、備蓄や管理などにも便利。

10名パーティ規模の器材を52Lコンテナ2つに収めたDELiveミッションパッケージ。石窯、石窯設置器材のほか20cmピザ14枚分＋パイ生地10枚＋トッピングを含んだ食材とその他調理器材。
CSnPZPnUcAAuw_s.jpg
上の写真では、ピザ生地として冷凍ピザ玉を用い、コンテナ内で解凍・発酵しながら輸送できるようになっています。

一般パーティ用のミッションパッケージは、ピザ生地以外にトッピング食材として生モノを一式収納していますが、災害に対応する備蓄としては、ピザ生地は小麦粉とドライイーストだけを収納しておく、トマトは缶詰、チーズは冷凍、あとはアドリブで手に入る食材を調達するとすれば、同じ容量で50名程度の食材を収納できそう。

日頃の焼き出し

災害時だけに使うソリューションというのはイザという時に役に立たない。

「芋煮会は絶好の炊き出し訓練」
image
という言葉があるが、日頃から使い慣れているものこそイザというときに

日頃から練習をするためには、楽しみながらできる練習というのがベストである。

IoT化

IoT化すると？？　意味が無いなんて言わないで考えてみましょう。
IoT化することで、どこでピザが焼いているということがリアルタイムでわかる！！
被災地と、支援者と、遠隔地の見える化である。

#　災害対策の充実

DELiveに限らず、我が家では日頃から避難や非常食、ライフラインの遮断について訓練しています。
子供はツナ缶でランプの代わりにするとかいうソリューションを学んで、めちゃくちゃ喜んで訓練しています。

イザという時の備えがあると、その知識を使いたくなってくるものです。
ということで、「はやく地震来ないかな」と言ってたら娘に怒られました。

---おしまい---

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