JP2007163201A - 無線ネットワーク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定ノードの実時間時計を校正する無線ネットワーク装置を提供すること
【解決手段】
次に、図４に於いてその構造を示す。測定用無線ノード４００は、自立電源装置４７０を備えた電源供給を持ち、温度センサー４４０及び湿度センサー４５０を搭載する。アンテナ４１０は、無線モジュール４２０による変調方式の電波を放射する。自立電源装置４７０は、実時間時計と電圧検知器を持ち、両者がオンになった時にのみ、装置４００全体に電源を供給する。
【選択図】 図４

Description

本発明の無線ネットワーク装置は装置に搭載されたリアルタイムクロックで装置の稼働及び通信時間が決められる無線ネットワーク装置で、長時間作動する為にリアルタイムクロックの値に固有差が生じ、本来ならば無線ネットワーク全体が同時に稼働するべきものがリアルタイムクロックの固有さによる誤差の為に同時に稼働できなくなることを防ぐ目的の時間情報を含む標準電波による時間合わせの技術分野に属す。

マルチホップ型の通信方法を用いた無線ネットワークは、環境センサーの値を収集するなどの目的として、近年広がりを見せている（例えば、特許文献１参照）。無線を用いる方法は、無線ネットワークを構成する無線装置、例えば温度を測定しその値を転送する測定ノードは、移動又は半固定で使用することを目的としている為に電池、例えばコイン電池を使用している場合が一般的である。しかし、従来型の電池で駆動する無線ネットワーク装置では、電池寿命がある為に定期又は不定期の電池交換作業を行う必要がある。マルチホップ型の通信方法では、ひとつのネットワークに属する測定ノードと、測定した値を無線通信にて転送する測定装置との間を１対１で通信をしながら、命令又はデータを承継して行く方法をとる。近年、自立型電源搭載した測定ノードが登場している。自立電源装置とは、蓄電池や乾電池等の電源に頼らず、発電器を搭載し、自前で測定ノードが必要とする電源を確保する電源の事である。太陽電池と２次電池を組み合わせた場合が一般的である。そのほかにも、温度差や位置又は運動エネルギーを電気に代える方法もあるが、一般的ではない。太陽電池による発電についても、屋外と屋内では光強度の差に由来する発電量に大きな差があり、屋内では大きな電力を供給することは難しい。例えば、室内に張り巡らされた無線センサーネットワークに属する測定ノードに自立電源装置を搭載する場合において、測定ノードの大きさを標準的なサイズ、例えば表面が名詞サイズか、それを若干下回るサイズにした場合、室内用太陽電池が供給できる電流量は５０マイクロアンペアー程度である為、この電流量でネットワークを稼働させるには不使用時にはネットワークに属する測定ノードの電源を切るか又は間欠動作必要がある。つまり、測定や通信が必要な条件になった場合は、ネットワークに属する測定ノードを必要な通信等を行う為に稼働させる必要がある。

一方、ネットワークに属する測定ノードに間欠動作や定時稼働をさせる為にはリアルタイムクロック、つまり実時間時計が必要となる。最近では、マイクロコンピュータに実時間時計機能が搭載されていることが多いが、発信子は水晶片を使っているため、温度保障された水晶発信子でも±５ＰＰＭ程度の時間精度である。従って、定期的にネットワークに属する測定ノードに搭載されている実時間時計の全部について定期的に校正をしないと、ネットワーク全体をある一定の時間に稼働させることができなくなる。しかし、前記測定ノードに自立型電源が搭載されると電池等の交換が不要となる為に、電池を交換する時に実時間時計の校正を行うといった行為ができなくなる。
特表２００５−５１５６９５号公報

本発明は、無線ネットワークが屋内に敷設されており、蛍光灯又はその他の光源から発電をする自立電源装置を持ち、無線ネットワークの方式がマルチホップ型の無線通信方法で構成されている無線ネットワークにおいて、自立電源装置等を採用し、長い時間、例えば５年間の間、保守を必要としない無線センサーネットワークに於いて、無線センサーネットワークに属している測定ノードの実時間時計を校正することを課題とする。

本発明の無線ネットワーク装置は、連続的又は間欠的に動作する無線ネットワークに於いて 一定の間隔又は任意の間隔で一斉又は個々に時間合わせを行う。また、時間情報を含む標準電波から情報を収得し、収得した時間情報を搭載しているリアルタイムクロックに書込むようにしてもよい。

また、本発明の無線ネットワーク装置は、時間情報を含む標準電波から得られた時間情報を基に起動又は停止の間隔を決定する。

本発明の無線ネットワーク装置は、マルチホップ式のネットワークに於いて、通信をする２個のノード間で時間情報を交換し、リアルタイムクロックの時間合わせを行う機能を有する。

本発明の無線ネットワーク装置は、マルチホップ式のネットワークに於いて、送信側が提供する時間情報を用いて受信側のリアルタイムクロックの時間を校正する。

一般的な電池で駆動する無線センサーネットワークでは、定期的な電池交換が必要であり、保守が必ず必要であった。自立型電源の搭載により、電源の問題は解決を見たように見えるが、室内での稼働に於いては、発電量の不足から省エネ稼働が必要となる。省エネ稼働は、実時間時計の機能で支えられていることから、実時間時計の時間情報は常に正確な値を持つことが要求される。本発明を実施することで実時間時計を正確に保つことができ、人為的に実時間時計の校正を行う必要がなくなる為、保守不要の度合いが高まり、当該無線センサーネットワークを維持する為に費用を削減する効果を持つ。

本発明を実施する形態として、実施例は次に上げる実施環境、装置構成、実施方法について説明する。

実施環境は、図１に示す様にマルチホップ型無線センサーネットワークの環境である。ネットワークは基地局から３系統に分かれ、各系統は４個の測定ノードで構成されている。３系統の内の１系統は第１ノードから第４ノードで構成されていて、図２で示す様な配置になっている。

マルチホップに関する情報の流れは命令については基地局から第1ノード、第２ノード、第３ノード、最後に第４ノードの順番に流れる。情報の集積については第４ノード、第３ノード、第２ノード、第１ノードの順番で積算され、基地局には全てのノードの情報が届く仕組みになっている。

図２は、図１で示す３系統のマルチホップ型の無線センサーネットワークの内１系統を抜き出して水平方向から見た図である。この系統を第１系統と命名する。第１系統は４つの測定ノード１１５ａ〜１１５ｄで構成されている。第１ノード１１５ａは壁上面に、第２ノード１１５ｂは天井に、第３ノード１１５ｃは机の上に、最後の第４ノード１１５ｄは床の上にと様々なロケーションに敷設されている。命令、例えば「温度情報を収得する」を送った時に基地局から、第１ノード１１５ａ、第２ノード１１５ｂ、第３ノード１１５ｃを経由して各ノードに命令を伝え、第４ノード１１５ｄから順次基地局に向かって情報を集めながら情報を転送して行く時に、各ノード１１５ａ〜１１５ｄがその記憶装置内にどの様な情報を持ち回っているかを示したのが、図３である。

図３で示す格情報は命令が「温度を収得する」であれば温度情報である。基地局１４０から発せされた命令は、第１ノード１１５ａから第２ノード１１５ｂに、第２ノード１１５ｂから第３ノード１１５ｃへ、第３ノード１１５ｃから第４ノード１１５ｄに伝達される。そして、第４ノード１１５ｄは第４ノード１１５ｄが有する情報４を第３ノード１１５ｃに送る。第３ノード１１５ｃは第４ノード１１５ｄの情報４を受け取り、第３ノード１１５ｃ自身の情報３と、第４ノード１１５ｄの情報４を有する。第３ノード１１５ｃは、情報３と情報４を第２ノード１１５ｂに送る。第２ノード１１５ｂは情報３と情報４を受け取る。第２ノード１１５ｂは、第３ノード１１５ｃから受け取った情報３と情報４及び第２ノード１１５ｂ自身の情報である情報２を有する。第２ノード１１５ｂは情報２乃至情報４を第１ノード１１５ａに送る。第１ノード１１５ａは、第２ノード１１５ｂから送られた情報２乃至情報４を受け取る。第１ノード１１５ａは、第２ノード１１５ｂから受け取った情報２乃至情報４と第１ノード１１５ａ自身の情報である情報１を有する。そして、第１ノード１１５ａは情報１乃至情報４を基地局１４０に送る。このようにして、基地局１４０は、第１ノード１１５ａから第４ノード１１５ｄが有する各ノードの情報である情報１から情報４を入手する。

次に、図４に於いてその構造を示す。測定用無線ノード４００の装置構成としては、屋内型太陽電池及び電気二重層キャパシタを用いた自立電源装置４７０を備えた電源供給を持ち、センサーとしてＣ−ＭＯＳ型の温度センサー４４０及び湿度センサー４５０を搭載した。太陽電池の規格は解放電圧が５．０Ｖ、負荷電圧３．３Ｖの時の平均電流値が４７μＡ（マイクロアンペア）とし、電気二重層キャパシタの耐圧は５．５Ｖで容量を０．４７Ｆ（ファラッド）の規格品を用いた。この電源回路が供給できる電気量は電圧３．３Ｖで電流１０mAを１０秒間とした。無線モジュール４２０としては３１５ＭＨｚの微弱無線を用い、変調方式はＡＳＫ（振幅変異変調）方式を採用した。アンテナ４１０は、無線モジュール４２０による変調方式の電波を放射する。中央処理装置４３０は、温度センサー４４０、湿度センサー４５０、無線モジュール４２０および記憶装置４６０のいずれかから情報を得て、その情報を他の装置に送り指示を出す。記憶装置４６０は、中央処理装置４３０が動作するためのプログラムを格納したり、温度センサー４４０や湿度センサー４５０の測定データを記憶する。自立電源装置４７０は実時間時計と電圧検知器を持ち、両者がオンになった時にのみ装置全体に電源を供給する構成となっている。

実施方法としては、図２に示す第１ノード、第２ノード、第３ノード及び第４ノードの各ノードに電波時計受信モジュールを組み込んだ。実施例１については電波時計機能を用いた各ノードに搭載された実時間時計を校正する方法を示す。実施例２については実施例１で用いた装置を用いたが、電波時計機能が使えない状態にし、ノード間の通信で実時間時計を校正する方法を説明している。

図５は中央処理装置、電波時計モジュール、実時間時計の接続を示す。電波時計の標準電波は、４０又は６０キロヘルツの長波帯の信号であるので、本実施例で用いた電波時計モジュール５１０は電界強度の強さで何れかの信号を選別し、時間情報を得るタイプのモジュールを使用した。その接続は、中央処理装置４３０を中心に電波時計モジュール５１０と実時間時計５２０がＩ²Ｃ（アイースクエアシー）５３０バスで接続されている。従って、電波時計モジュールから得られた時間情報をＩ²Ｃバス５３０を経由して直接、実時間時計５２０に書き込むことが可能になり、知り時間も短くて済むと言う利点がある。

本発明の無線ネットワーク環境は、温度と湿度をサンプリングするセンサーネットワークである。従って、照明が消えている時間帯は、部屋の中で稼働する人はいないため、温度と湿度をこまめに制御する必要がない。また、照明が消えている時間帯は夜間や休日と想定ができる為、この時間帯が実時間校正を行う時間帯として適している。本実施例では、午前０時に実時間校正を行うこととした。本実施例の場合、実際に実時間校正に必要な時間は約３分であった。

次に、実時間校正の方法について説明する。図６は、その実時間校正方法のフローチャートを示す。
自立電源装置４７０は、午前０時になると中央処理装置４３０及び電波時計モジュール５１０に電源を供給できるように実時間時計５２０が設定されている（工程１０１）。実時間時計５２０の時間情報を読み出す（工程１０２）。午前０時になると実時間時計５２０がオンとなり（工程１１０１）、自立電源装置４７０が、中央処理装置４３０及び電波時計モジュール５１０に電源を供給する（工程１０３）。電波時計モジュール５１０は標準電波を受信する（工程１０４）。標準電波を受信できた場合（工程１１０２）は、時間情報を取り出す（工程１０５）。標準電波をできなかった場合は、通信を行う測定ノード間で時間情報を受け渡して行く方法を取る。その方法については、下記にて詳細に説明する。実時間情報はＩ²Ｃバス５３０を経由して中央処理装置４３０に取り込まれるが（工程１０６）、中央処理装置４３０は、実時間情報を実時間時計５２０に書き込むまでの時間を加味した時間情報を実時間時計５２０にＩ²Ｃバスを経由して書き込む（工程１０７）。最後に、中央処理装置４３０は自立電源装置４７０に信号を送り（工程１０８）、中央処理装置４３０と電波時計モジュール５１０への電源供給を切断する（工程１０９）。この様にして、ネットワークに所属する全ての測定ノードの実時間時計を校正することができる。

では、測定ノードに電波時計モジュールが搭載されていない場合や、搭載されていても妨害電波や受信感度不十分等の理由で、電波時計モジュールを用いて実時間校正を行えないときの実時間校正について説明する。その方法は通信を行う２つの通信ノード間で送信する側が最新の時間情報を受信側に伝え、その時間情報を基にして受信側の測定ノードの実時間時計を校正する方法である。マルチホップ型のノード間を順を追って通信を行う為、各通信に於ける送信側が最新の時間情報を実時間時計から得て、その値を受信側に送る事で、ネットワークに所属する全ての測定ノードの実時間時計を校正することが可能になる。

具体的な方法は、図２に示される４つのノードについて説明する。先ずは基地局１４０が第１ノード１１５ａと通信を確立する（工程２０１）。基地局１４０は基地局１４０が持つ実時間時計より最新の時間情報を読み出す（工程２０２）。取り出した時間情報に、通信の所要時間等の想定時間を加算して修正する（工程２０３）。次に、基地局１４０は第１ノード１１５ａが実時間を校正する為の命令と修正した実時間情報とで構成されるパケットを作成し（工程２０４）、そのパケットを第１ノード１１５ａに送信する（工程２０５）。第１ノード１１５ａは基地局１４０からのパケットを受信し（工程２０６）、命令と時間情報を取り出す（工程２０７）。第１ノード１１５ａが受信した命令が実時間時計の時間校正であれば（工程２００１）、受信した時間情報を第１ノード１１５ａの実時間時計に書き込む（工程２０８）。次に、基地局１４０と第１ノード１１５ａ間の通信を終了する（工程２０９）。

この段階では、第１ノード１１５ａの実時間時計５２０が校正されたこととなる。同様に、次には第１ノード１１５ａと第２ノード１１５ｂの間で通信を行い、第１ノード１１５ａの実時間情報を用いて、第２ノード１１５ｂの実時間時計を校正する。続いて、第２ノード１１５ｂと第３ノード１１５ｃ間の校正を行い、最終的には第４ノード１１５ｄの実時間時計の校正を行って実時間時計の校正作業を終了する。

この方法での実時間校正は、中央処理装置４３０の処理時間が一定ではなく、また再送等の処理がある場合は、通信に掛かる時間が不明確な点があり、正確な実時間校正とは成り得ないが、時間の経過とともに誤差が積算されることはなく、電源の稼働時間を制御する等の目的においては充分な精度を持つとの結果を得た。

本発明の実時間校正方法は、保守不要の無線センサーネットワークを構築する上では有用な方法として利用価値があり、ネットワークに接続されているが、外から時間情報を得る事ができない特立した装置等の実時間校正に利用が可能と考える。

マルチホップ型無線センサーネットワークの模式図 水平方向から見た１系統のマルチホップ型無線センサーネットワークの例 マルチホップ無線ネットワークの場合のデータ保持状態 自立電源装置搭載構成図 中央処理装置、電波時計モジュール、実時間時計の接続図 電波時計を用いた実時間時計校正のフローチャート 電波時計を用いない実時間時計校正のフローチャート

符号の説明

４００ 測定用無線ノード
４１０ アンテナ
４２０ 無線モジュール
４３０ 中央処理装置
４４０ 温度センサー
４５０ 湿度センサー
４６０ 記憶装置
４７０ 自立電源装置
５１０ 電波時計モジュール
５２０ 実時間時計
５３０ Ｉ²Ｃバス

Claims (5)

1. 連続的又は間欠的に動作する無線ネットワークに於いて 一定の間隔又は任意の間隔で一斉又は個々に時間合わせを行う無線ネットワーク装置。
2. 連続的又は間欠的に動作する無線ネットワークに於いて、時間情報を含む標準電波から情報を収得し、収得した時間情報を搭載しているリアルタイムクロックに書込む無線ネットワーク装置。
3. 時間情報を含む標準電波から得られた時間情報を基に起動又は停止の間隔を決定する請求項２記載の無線ネットワーク装置。
4. マルチホップ式のネットワークに於いて、通信をする２個のノード間で時間情報を交換し、リアルタイムクロックの時間合わせを行う機能を有する無線ネットワーク装置。
5. マルチホップ式のネットワークに於いて、送信側が提供する時間情報を用いて受信側のリアルタイムクロックの時間を校正する無線ネットワーク装置。

Images