スマートメータ（例）

	PANA：Protocol for Carrying Authentication for Network Access 6LoWPAN： IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks

BP35A1 ワイヤレスLANモジュール 802.15.4g/e 内蔵アンテナ 受信感度: -103 dBm UARTインターフェイス Wi-SUN対応 - Wi-SUNファームウェア内蔵 ラピスセミコンダクタ(LAPIS Semiconductor)製ML7396B無線通信LSI搭載 MACアドレス書き込み済み 国内電波法認証取得済み ECHONET Profile認証取得済み

BP35A7A		BP35A7-accessories

		Raspberry Pi Zero WH 　　　　　　　 BP35A7A 　8p GPIO14 TXD CN2 4p RXD 10p GPIO15 RXD CN2 5p TXD 3.3V CN2 3.3V GND CN2 GND

	RaspberryPi Zero用のユニバーサル基板の上にBP35A7Aを ピンヘッダで半田付け。その上にBP35A1		Raspberry Pi Zero WHに取り付け
	これだけでHEMSコントローラとして動く

console=tty1 root=PARTUUID=0568b868-02 rootfstype=ext4 elevator=deadline fsck.repair=yes rootwait
のように編集。すなわちconsole=serial0,115200という部分を外します。
ステップ２　　config.txtを次のように編集
$ sudo nano /boot/config.txt
config.txtの最後に
dtoverlay=disable-bt
を追加
ステップ３　リブートして/devディレクトリのなかに、ttyAMA0 があるのを確認します。このデバイス名は、後ほどプログラムに必要です。
ステップ４　つぎにPythonからUARTを使えるようにするために、シリアルポート操作ライブラリpython-serialをインストール
$ sudo apt-get install python-serial

（５）　BP35A1を基本動作させるために、ターミナルエミュレータ(minicom)をインストールしておきます。
$ sudo apt-get install minicom

BP35A1の動作確認

　ここでBP35A1と正しく通信できているか確認したいと思います。RaspberryPiのコンソール、あるいはPuttyのコンソールから操作します。BP35A1/BP35A7Aのユニバーサル基板を取り付け電源をいれます。
minicomコマンドでminicomを起動しBP35A1と通信可能とします。

$ minicom -D /dev/ttyAMA0 -b 115200

SKVERと打ってみます

SKVER EVER 1.2.10 OK

“EVER xxx”が表示されるということは、無事にminicom とBP35A1 が接続されているということになります。またファームウェアのバージョンが確認できました。次にSKINFOコマンドを試します。

SKINFO EINFO XXXX:0000:0000:0000:YYYY:1290:xxxx:xxxx 001D1290xxxxxxx 3B FFFF FFFE OK

応答は次のような内容です。

EINFO <IPADDR><ADDR64><CHANNEL> <PANID><ADDR16>

<IPADDR> ： 端末に設定されているIPｖ６アドレス
<ADDR64> ： 端末のMAC アドレス
<CHANNEL> ： 現在使用している周波数の論理チャネル番号
<PANID> ： 現在のPAN ID
<ADDR16> ： FFFE が表示されます

IPv6アドレスは、128ビットを16ビットずつの8つのグループに区切ってそれぞれのグループを4桁の16進数で表記し、グループとグループの間をコロンで仕切ります。そして、1グループXXXXと5グループYYYYをメモしておいてください。これがBP35A1 のソフトウェア関連情報を入手するためのユーザーID とパスワードとなります。これでコマンドリファレンスが手に入ります。

さらにBP35A1 の出力設定をつぎのコマンドで変更しておきます。

WOPT 1 OK

これにより、スマートメーターから受信したバイナリデータが16進ASCII文字で表示さるようになります。初めこれがわからず、苦労しました。本コマンドは、実行する度に設定が内部FLASH メモリに書込み保存され、電源を切っても設定は保存されています。FLASH メモリへの書込み回数には制限がありますので、設定時に一度だけ本コマンドを実行するようにしてください。

minicomを終了するときは、Ctrl-aを押した後、zを押して、xを押して、Enterです。

今回使用するコマンドは下記のとおりですべてSKで始まります。BP35A1 コマンドリファレンス参照

コマンド		説明
SKSETPWD		指定したパスワードからPSK（Pre-Shared Key）を生成して登録します
SKSETRBID		指定されたID からRoute-B ID を生成して設定します
SKSCAN		指定したチャネルに対してアクティブスキャンまたはED（Energy Detect） スキャンを実行します
SKSREG		仮想レジスタの内容を表示・設定します
SKLL64		MAC アドレスからIPv6 リンクローカルアドレスへ変換した結果を表示します
SKJOIN		指定した接続先IPv6 アドレスに対してPaC（PANA 認証クライアント）としてPANA 接続シーケンスを開始します
SKSENDTO		指定した宛先にUDP でデータを送信します

コマンドに対する通知として、EVENTが返されます。次のとおりです。

EVENT <イベント番号>　<発信元アドレス> <イベント固有の引数>　

おもなイベント番号は次のとおり

イベント番号		説明
0x20		ビーコン を受信した
0x21		UDP 送信処理が完了した
0x22		アクティブスキャンが完了した
0x24		PANA による接続過程でエラーが発生した
0x25		PANA による接続が完了した

PythonによるHEMSプログラム

コマンドリファレンスの59ページにWi-SUN デバイスの起動シーケンス例があります。これにしたがってコマンドのシーケンスをPythonにより発生させていきます。
いろいろな方の開発事例があり、こちらを参考にさせていただきました。

HEMSプログラム 　HEMS.py

#!/usr/bin/env python # -*- coding: utf-8 -*- # 2021/03/21　(C) Dr.Hiroshi Ishikawa 2021/05/01修正 2021/05/22修正 2021/10/23修正 import sys import serial import time import datetime import subprocess #(13)タイムアウト処理のためtimeout_decoratorをimport #sys.path.append('/home/pi/.local/lib/python2.7/site-packages') from timeout_decorator import timeout, TimeoutError def setup(msg):#(1) global ser global ipv6Addr print(timestamp() + " setup start") # (2)シリアルポート初期化 ser = serial.Serial('/dev/ttyAMA0', baudrate=115200, bytesize=8, parity='N', timeout=None, xonxoff=0) # (3)キー設定　ご自身の値で要修正 # Bルート認証ID rbid = "00112233445566778899AABBCCDDEEFF" # Bルート認証パスワード rbpwd = "0123456789AB" # Bルート認証ID設定 ser.write("SKSETRBID " + rbid + "\r\n") waitOK(msg) # Bルート認証パスワード設定 ser.write("SKSETPWD C " + rbpwd + "\r\n") waitOK(msg) # (4)ネットワーク検出 duration = 0; # 失敗回数 response = {} # スキャン結果 while not response.has_key("Channel") : ser.write("SKSCAN 2 FFFFFFFF " + str(5) + "\r\n") endline = False while not endline : line = ser.readline() sys.stdout.write(line) if line.startswith("EVENT 22") : endline = True elif line.startswith(" ") :#　以下PAN 情報 # Channel:39 # Channel Page:09 # Pan ID:FFFF # Addr:FFFFFFFFFFFFFFFF # LQI:A7 # PairID:FFFFFFFF PAN = line.strip().split(':') response[PAN[0]] = PAN[1] duration += 1 #スキャン失敗の場合、スキャン時間を増やしてリトライ if duration > 4:#5回失敗したら再起動 restart() # (5)スキャン結果からチャネル設定 # Channelを設定 ser.write("SKSREG S2 " + response["Channel"] + "\r\n") waitOK(msg) # Pan IDを設定 ser.write("SKSREG S3 " + response["Pan ID"] + "\r\n") waitOK(msg) # MACアドレス(64bit)をIPV6アドレスに変換。 ser.write("SKLL64 " + response["Addr"] + "\r\n") ser.readline() ipv6Addr = ser.readline().strip() print("ipv6Addr = " + ipv6Addr) # (6)PANA 認証 ser.write("SKJOIN " + ipv6Addr + "\r\n") waitOK(msg) PANAconnected = False while not PANAconnected : line = ser.readline() if msg: sys.stdout.write(line) if line.startswith("EVENT 24") : print(timestamp() + " PANA failure") restart() elif line.startswith("EVENT 25") : print(timestamp() + " PANA Connected") PANAconnected = True print(timestamp() + " ECHONET Light start") @timeout(20) #(14) def ECHONETLite(msg):#(7) ECHONETframe = "\x10\x81\x00\x01\x05\xFF\x01\x02\x88\x01\x62\x01\xE7\x00" #(8) command = "SKSENDTO 1 {0} 0E1A 1 {1:04X} {2}".format(ipv6Addr, len(ECHONETframe), ECHONETframe) ser.write(command) #(9)データの受信処理 while True : line = ser.readline() if msg: sys.stdout.write(line) if line.startswith("ERXUDP") : udp = line.strip().split(' ') DATA = udp[8] #ERXUDPの8番目がデータ SEOJ = DATA[8:8+6] ESV = DATA[20:20+2] if SEOJ == "028801" and ESV == "72" :# スマート電力量メーター(028801)から来た応答(72)なら EPC = DATA[24:24+2] if EPC == "E7" :#瞬時電力 hexPower = line[-8:] # 最後の4バイト（16進数で8文字）が瞬時電力計測値 intPower = int(hexPower, 16) outputdata = timestamp() + "," + str(intPower) #タイムスタンプをつけて出力 datafile(outputdata + "\n") sys.stdout.write( '\r\033[K' + outputdata ) sys.stdout.flush() break; def waitOK(msg):#(10) while True : line = ser.readline() if msg: sys.stdout.write(line) if line.startswith("OK") : break def restart():#(16)再起動 subprocess.call(['sudo','reboot']) def timestamp(): return datetime.datetime.now().strftime("%Y/%m/%d %H:%M:%S") def datafile(line):#(11) filename = 'data/' + datetime.datetime.now().strftime("%Y%m") + 'data.txt' file_data = open(filename , "a" ) file_data.write(line) file_data.close() if __name__ == '__main__':#(12) setup(True)#コンソールメッセージが不要の場合は　msg=False timeoutcount = 0 while True: try: ECHONETLite(False) time.sleep(4) timeoutcount = 0 except TimeoutError:#(15)ECHONETLite()からの応答が@timeout()を超えた場合 timeoutcount = timeoutcount + 1 time.sleep(20) if timeoutcount > 3:#(17)@timeout()の回数が3を超えた場合再起動 restart()

（1）　開始時に1度だけ実行するプログラムをsetup()関数にまとめて記述します。この関数のパラメータとして、 msgをTrueあるいは Falseで指定します。これはコマンド、レスポンスをすべてコンソール上に出力すると、煩雑になるので、動作確認の必要な時にこの値をTrueとします。

（２）　BP35A1とシリアル通信するための設定を行います。BP35A1コマンドリファレンス43ページによれば、「ボーレート =115200、キャラクター間インターバル=なし、 フロー制御 =無効、」と規定されています。さらに「SK コマンド実行後は、必ずその応答を待ってから、次のSK コマンドを実行してください。なお、応答の待機時間は発行するコマンドによって異なり、数秒〜数十秒程度を要することがあります。」という注意書きがあります。

　一方、Pythonのシリアル通信pySerial APIでreadline()の際のtimeoutは次のような動作となっています。

timeout = None：要求された行が受信されるまで待つ（デフォルト）

timeout = 0：ノンブロッキングモード、どのような場合でもすぐに戻る

timeout = x：タイムアウトをx秒に設定すると、行末になるとすぐに戻る。それ以外の場合は、タイムアウトになるまで待機し、それまでに受信したすべてのバイトを返す。

さまざま実験してみましたが、下の「タイムアウト処理」に述べるtimeout_decoratorと組み合わせ、強制的に待ち合わせからぬけだす処理を前提に、次のように指定しています。
ser = serial.Serial('/dev/ttyAMA0', baudrate=115200, bytesize=8, parity='N', timeout=None, xonxoff=0)

（３）　認証キー設定

電力会社から郵送された認証ＩＤ（16進ASCII３２桁）とメールで通知されるパスワード（英数字12桁）を設定します。区切りのスペースは不要です。（以下値は仮）

次のようなコマンドをシリアルに送信するため、Pythonからser.writeしOKを待ちます。

SKSETRBID 00112233445566778899AABBCCDDEEFF 　　 OK SKSETPWD C 0123456789AB OK

（４）ネットワーク検出
Wi-SUNネットワークではいくつかの周波数があり、そのなかのどの周波数がつかわれているか、アクティブスキャンコマンドをもちいてネットワークの検出を行います。スキャン時間を変えながら見つかるまで繰り返します。 見つかるとEVENT 20が返り、接続先(スマートメータ）のPAN 情報が出力されます。

SKSCAN 2 FFFFFFFF 2 EVENT 20 XXXX:0000:0000:0000:YYYY:1290:xxxx:xxxx EPANDESC 　　Channel:21 　　Channel Page:09 　　 Pan ID:1234 　　 Addr:001D129012345678 　　 LQI:A7 　　 PairID:FFFFFFFF EVENT 22 XXXX:0000:0000:0000:YYYY:1290:xxxx:xxxx

ここで
Channel ： 発見したPAN の周波数（論理チャネル番号）
Channel Page ： 発見したPAN のチャネルページ
Pan ID ： 発見したPAN のPAN ID
Addr ： アクティブスキャン応答元のアドレス
LQI ： 受信したビーコンの受信RSSI
PairID：相手から受信したPairing ID

（５）チャネル設定 （33ch（0x21）（922.5MHz）の例）

アクティブスキャンの完了（EVENT 22）を待ってから、以下のコマンドを送信します。

PAN 情報からチャネルとPAN ID を取得して、それをS2 とS3 に設定します。

SKSREG S2 21 SKSREG S3 1234

さらにAddr（Macアドレス）からIPv6 アドレス変換します。

SKLL64 001D129012345678

（６）PANA 認証（PaC）
発見したスマートメータに対してPANA 認証クライアントとして、SKJOINコマンドによりPANA接続シーケンスを開始します。

SKJOIN FE80:0000:0000:0000:021D:1290:1234:5678

PANA による接続完了（EVENT 25）を確認したら、初期設定を終了します。

（７）データ受信 のためのECHONETLite()関数

スマートメータとのデータ送受信 のためのECHONETLite()関数を準備します。setup()関数と同様にコンソールメッセージの要不要を指定できます。

データの送受は、IP 通信（PANA暗号化UDP）によって行います。コマンドはSKSENDTOを用います。電文のフォーマットは、ECHONETLite 規格にしたがった図のような構成です。汎用性・拡張性のためか、かなり冗長です。

（８）　第２部 ECHONET Lite 通信ミドルウェア仕様により、次の内容のフレームを指定します。

ECHONETframe = "\x10\x81\x00\x01\x05\xFF\x01\x02\x88\x01\x62\x01\xE7\x00"

ここで　EPCには０ｘE7としていますが、瞬時の電力値を要求しています。

Header	Value	説明
EHD1	10	ECHONET Lite規格 を表す
EHD2	81	形式1 を指定
TID	0001	トランザクションID
SEOJ	05FF01	送信元ECHONET Liteオブジェクト指定
DEOJ	028801	受信元ECHONET Liteオブジェクト指定
ESV	62	読み出し要求(GET)
OPC	01	処理プロパティ数
EPC	E7	瞬時電力計測値
PDC	00	EDTのバイト数

SKSENDTO コマンドを用い、上記フレームをスマートメータに送信します。SKSENDTOコマンドの書式は次のとおりです。 UDPのポート番号はECHONET Lite 用の3610（0x0E1A）を使用します。セキュリティフラグで暗号化指定します。<DATA>には上記フレームが入ります。

SKSENDTO 1 <IPv6アドレス > <PORT番号> <セキュリティフラグ> <データ長> <DATA>

上の例ではスマートメータ（例FE80:0000:0000:0000:021D:1290:1234:5678）に対して

SKSENDTO 1 FE80:0000:0000:0000:021D:1290:1234:5678 0E1A 1 000E 1081000105FF010288016201E700

なお最後のデータ部分はコンソール上は表示（エコーバック）されません。　

（９）データの受信処理
SKSENDTOコマンドに対してのレスポンスとして、ERXUDPで始まる次のような応答があります。
ERXUDP <送信元IPv6 アドレス> <送信先IPv6 アドレス>　<送信元ポート番号>　<送信先ポート番号>　<送信元のMAC 層アドレス> 1 <受信したデータの長さ> <受信データ>

<受信データ>の内容は次のとおりです。

Header	Value	説明
ECHONET Liteヘッダ1	10	ECHONET Lite規格 を表す
ECHONET Liteヘッダ2	81	形式1 を指定
TID	0001	トランザクションID
SEOJ	028801	送信元　スマート電力量メーター
DEOJ	05FF01	受信元オブジェクト
ESV	72	読み出し応答
OPC	01	処理プロパティ数
EPC	E7	瞬時電力計測値
PDC	04	EDTのバイト数
EDT	000000A0	160W

このメッセージは長いですが、最後からPDCで示されるバイト数をとりだせば、瞬間の電力値が得られます。
　なお瞬時電力計測値以外の積算電力量、瞬時電流計測量、定時積算電力量などの計測については、まだやっていません。スマート電力量メータクラス規定 (APPENDIX ECHONET機器オブジェクト詳細規定) を参考。

（１０）コマンドを送信した後、”OK"を待つ場合が多くあります。そのための関数を定義しておきます。

（１１）読み取った瞬間電力量にタイムスタンプをつけて、ファイルに書き込みます。いつトラブルが起きてもいいように、open、closeをそのつど行います。

（１２）メインはECHONETLite()を無限ループで呼びます。（１３）でのべるECHONETLite()がタイムアウトしたときにも、強制的に繰り返します。
最大1.5秒に1度データが得られるので、time.sleep(4)を入れています。

タイムアウト処理

　BP35A1 コマンドリファレンスによると、「必ずその応答を待ってから、次のSK コマンドを実行してください。なお、応答の待機時間は発行するコマンドによって異なり、数秒〜数十秒程度を要するこ」とあります。また、先人たちも「連続計測できない。なんだか不安定です」などの記述があり、定期的にLINUXのcronコマンドで、Pythonプログラムの再起動をするなど工夫をしています。
　原因はよくわかりませんが連続運転が長くなると、ECHONETLite()関数から応答が返らない場合があり、ストールしてしまいます。そのためECHONETLite()からの応答が一定時間帰らないときは、強制的に再度実行するようタイムアウトの処理を入れることにしました。具体的にはtimeout_decoratorを使ってみたところ、かなり安定して連続運転が可能となりました。
　さらにこれでも、数か月に1度ストールすることがあり、最終的にRaspberryPiを再起動する処理を入れました。（2021/10/23追記）

timeout_decoratorのインストール
timeout_decoratorはpipでインストールします。私の場合、pipがうまく働かず、pipのインストールから行いました。
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install python-pip
その後
$ python -m pip install timeout-decorator
つぎに
$ pip show timeout-decorator
により、timeout_decoratorがどこのディレクトリにインストールされているか確認します。

（１３）プログラムでは
from timeout_decorator import timeout, TimeoutError
でimportします。
importエラーが発生した場合
sys.path.append('/home/pi/.local/lib/python2.7/site-packages')
のように、timeout_decoratorのインストール先を明示する必要があります。

（１４）ECHONETLite()の直前で@timeout(20) でデコレートし、タイムアウトの秒数を20秒に指定します。

（１５）もし、ECHONETLite()からの応答がこの秒数で返らなければ、TimeoutErroが発生します。呼ぶ側で例外を検知し、whileループに戻します。

（１６）再起動の処理
再起動はコマンドラインから
$ sudo reboot
ですので、Pythonから
subprocess.call(['sudo','reboot'])
とします。これを関数restart()と定義します。
（１７）のようにタイムアウトが3回を超えた場合、再起動することとしました。

実行

　このHEMSコントローラは、入力出力とも無線ですので、５Vが得られれば自由に設置できます。スマートメータの位置から遠くない室内に設置します。
親パソコンのコンソールから次のように起動します。
$ sudo python HEMS.py

　RaspberryPiのdataディレクトリに月に１本のファイルができます。親PCからEXCELで開けます。このファイルを定期的に読みに行き、gnuplotで作図します。たとえば5時間分をグラフ化したものを以下に示します

		要因は推定

　詳細な使用電力量変化をみることができます。照明やテレビのような電力消費のほかに、細かなスパイク状の変動があることがわかりました。周期的なスパイクはIH炊飯器の保温、ウォシュレットの保温です。冷蔵庫、湯沸かしポット、テレビの待機電力など意外なところで電気を消費しているのが、明白になりました。これをみながらどの器機が電気を食っているか下手人探しを行い、省エネにつとめることといたします。

お断り

セキュリティ対策のため、測定結果をWebへのリアルタイム表示は行っていません。