どんなもので囲うと電波が弱くなる?Beacon を使った電波強度実験をやってみました!

初めまして。研修生の野村・大野・菅原です。今回は、同時期に入社したこの3人で、先輩のご指導のもと、Beaconを使った電波強度実験をやっていきたいと思います。 

今回の実験について

Beacon などの BLE デバイスを活用するうえで、障害物による電波減衰の影響は無視できませんよね。そこで気になるのが、どのような障害物だと大きく電波が減衰するのかではないでしょうか。

そんな疑問に役立つ実験として、弊社の Beacon 製品である「BLEAD」を使用して、Beacon を様々な物質で囲い、それぞれの電波強度を測定してみました。  Beacon の設置環境や活用方法で悩んでいる方の参考になれば幸いです。

なお、Bluetooth や BLE 通信、Beacon の仕組みに関しては、下記の記事に詳細を掲載しておりますので、こちらもぜひご参照ください。 

 「そもそも BLE って何?」Bluetooth の技術概要 

実験環境と対象物

<実施環境>

場所:屋内
使用モジュール:BLEAD-B Ver.2
出力レベル:-16(初期出荷値)と +4(設定可能な最大値)
検証に使用した機種:Pixel 3(Android 11)
アプリケーション:nRF Connect for Mobile

<実験内容>

  1. 箱の中に入れてみる
    • 木箱
    • ダンボール
    • スチール缶
    • マグネットの箱
  2. 液体の中に入れてみる
    • 樹脂(保冷剤の中身使用)
  3. その他のもので覆ってみる
    1. 粘土
    2. 布(タオル)
    3. アルミホイル

<検証方法>
Beacon を用意した素材で覆い、電波を受信する Pixel 3 から 1m 離した場所に置きました。 nRF Connect for Mobile を使い 10 秒間 Beacon の電波を受信し、それぞれの最大値と最小値、平均値を計測しました。

基準値を測定

まずは、何も囲わない状態での電波強度を測定しました。
最小値、最大値、平均値は RSSI(単位:dBm)です。
測定した基準値を下回るほど、減衰します。

出力レベル最小値最大値平均値
-16-65-65-65.0
4-50-49-49.5

① 箱の中に入れてみる

■ 木箱(MDF 材)
※ここだけ実験中の画像を撮り忘れてしまいましたが、MDF 材の箱を使用しました(木質繊維を原料とする成型板です)

出力レベル最小値最大値平均値基準値との差分
-16-67-67-67.0-2.0
4-49-49-49.00.5

基準値との差分は小さいので、木箱によって電波が減衰することは少なそうです。

■ ダンボール

ビーコンを複数のダンボールで囲んでいる画像
出力レベル最小値最大値平均値基準値との差分
-16-69-69-69.0-4.0
4-52-49-50.5-1.0

画像のようにダンボールを何個か重ねて測定しましたが、個数での数値変動はほとんどありませんでした。また、基準値との差分も小さいので、ダンボールが電波強度に影響を及ぼすことは少なそうです。

■ スチール缶

ビーコンをスチール缶の中に入れている画像
出力レベル最小値最大値平均値基準値との差分
-16Not FoundNot Found
4-82-81-81.5-32.0

出力レベルが -16 の時には電波を受信することができず、出力レベルが +4 の時でも電波強度が基準値より 32 も下回っているので、スチール缶は電波をかなり減衰させるといえそうです。

■ マグネットの箱
厚紙で作られている箱のすべての面に、マグネットシートを貼り付けました。

磁石の板で覆われた箱の中にビーコンを入れてある画像
出力レベル最小値最大値平均値基準値との差分
-16-76-71-73.5-8.5
4-48-48-48.01.5

木箱やダンボールよりも基準値との差分は大きくなっているので、若干減衰しているといえそうです。

② 液体の中に入れてみる

<事前準備>
防水対策として Beacon をラップでくるみ、さらに密閉できる小袋に入れました。 まずは、上記の状態で電波強度を測定し、その測定結果を「水」「油」「保冷剤」の基準値とします。

ビーコンをラップと密閉できる小袋で包んで防水加工している画像
出力レベル最小値最大値平均値
-16-68-66-67.0
4-51-50-50.5

■ 水(水道水)

水を張った桶の中に、防水したビーコンを沈めている画像
※Beacon が浮いてしまうので、検証時には水に浸かるよう箸で押さえて実施しました。
出力レベル最小値最大値平均値基準値との差分
-16-82-82-82.0-16.0
4-73-68-70.5-20.5

基準値との差分が 10dBm 以上下回っているので、水は電波を減衰させているといえそうです。

■ 油(サラダ油)

油を張ったボールの中に、防水したビーコンを沈めている画像
※Beacon が浮いてしまうので、検証時には油に浸かるよう箸で押さえて実施しました。
出力レベル最小値最大値平均値基準値との差分
-16-68-67-67.5-1.5
4-55-52-53.5-3.5

基準値との差分が木箱やダンボールと同じくらいという結果が出ました。油によって電波が減衰することは少ないといえそうです。

■ 常温の保冷剤(高吸収性樹脂)

ボールの中に保冷剤で使われている樹脂を敷き詰め、その中に防水したビーコンを沈めている画像
出力レベル最小値最大値平均値基準値との差分
-16-82-81-81.5-15.5
4-75-74-74.5-24.5

基準値との差分が 10dBm 以上下回っているので、保冷剤は電波を減衰させるといえるでしょう。保冷剤の主成分は水なので、水と同じような結果が出ることにも納得です。

③ その他のもので覆ってみる

■ 油粘土

ビーコンを油粘土で丸く包んだ画像(野球のボール大)

※Beacon に粘土が付着するのを防ぐため、防水対策を行った状態で粘土を覆いました。 そのため、防水対策を行った状態で計測した結果を基準値としています。

出力レベル最小値最大値平均値基準値との差分
-16-67-64-65.5-0.5
4-51-50-50.5-1.0

粘土で覆った場合の基準値との差分は、他のどの素材で覆った場合よりも小さいという結果になりました。粘土によって電波が減衰することは少ないといえそうです。

■ 布(ポリエステル 100%)

ポリエステル100%のタオルで、ビーコンを包んだ画像

※Beacon を何も囲わない状態で計測した結果を基準値としています。

出力レベル最小値最大値平均値基準値との差分
-16-72-70-71.0-6.0
4-54-50-52.0-2.5

基準値との差分が 10dBm 以上下回っていないので、布が電波を減衰させることは少ないといえそうです。

■ アルミホイル
アルミホイルをひと巻きでくるみました。

アルミホイルで、ビーコンを包んだ画像
出力レベル最小値最大値平均値基準値との差分
-16Not FoundNot Found
4Not FoundNot Found

アルミホイルで覆うと電波を受信することができなかったので、アルミホイルは電波をかなり減衰させるといえそうです。

まとめ

実験結果より、「木箱」「粘土」「段ボール」「油」はあまり電波を減衰させないことがわかりました。逆に、よく電波を減衰させてしまう素材は「アルミホイル」「スチール缶」「水」「保冷剤」でした。

同じ液体でも、油は電波を減衰させないのに、水は減衰させるという結果はとても面白いと感じました。

電波を減衰させない素材と減衰させてしまう素材の違いは何なのかが気になったので調べてみたところ、素材に導電性があるかないかの違いが大きく関わっているようでした。

導電性とは電気を通す性質のことをいいます。導電性を持つ素材は電気をとてもよく通すので、電波がその表面に到着すると中を通過せず流れていってしまうらしいです。
(参考文献:http://www.ritsumei.ac.jp/tanq/298295/

そのため、導電性のある「アルミホイル」「スチール缶」「水」「保冷剤(主成分:水)」は電波を減衰させてしまうのですね!油は液体ですが電気を通さない絶縁性が高いので、水のように電波を減衰させることはないのです。

もし電波を遮断させたい場合は、アルミホイルにくるむことやスチール缶に入れるのがおすすめです!遮断まではしたくないけど電波を弱めたいときには水や保冷剤がおすすめです!

終わりに

今回はいろんな素材で Beacon を覆い、どの程度電波が減衰するかを調べてみました。ちなみに、水は水でも純水は導電性がないので、Beacon を純水で覆った場合は減衰することがないかもしれません・・!

とても気になるので、またいつかこのような実験ができればいいなと思っています!

【関連記事】
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BLE通信の基礎 – アプリ開発 – 活用例コンテンツ10選
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