JP2007243794A - 無線センサーネットワークの経路構築方法、データ収集方法、経路再構築方法、無線センサーネットワークシステム及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】従来は、無線センサーノード間の電波状態や距離を考慮していないため、安定して経路が構築できず、また、データ収集時に同じ内容のフレームが何度もネットワーク上に流れてしまい、全体のスループットが大きく落ちる。
【解決手段】基地局ノード５は、経路構築手段５５と、データ収集手段５６と、経路再構築手段５７とを備えている。経路構築手段５５は、無線センサーノード３の位置情報と、お互いの電波強度を基に安定した経路をツリー状に構築し、それをグループ分割する。データ収集手段５６は、グループ分割された無線センサーノード単位にデータ収集を行い、グループ親無線センサーノード４からセンサーデータを取得する。無線センサーノード間の電波状態が悪くデ−タ収集に失敗した場合は、直ぐに経路再構築手段５７は経路再構築は行わず、Ｍ回を超えて失敗した場合は、経路再構築手段５７の処理に移る。
【選択図】図１

Description

本発明は無線センサーネットワークの経路構築方法、データ収集方法、経路再構築方法、無線センサーネットワークシステム及びプログラムに係り、特に複数の無線センサーからのセンサーデータを収集する無線センサーネットワークの経路構築方法、データ収集方法、経路再構築方法、無線センサーネットワークシステム及びプログラムに関する。

近年、温度、湿度、音、位置その他の測定した情報をデータとして提供する無線通信機能を持つ小型の多数の無線センサーを、それぞれ所望の位置に配置させ、それらを相互に連携させて各無線センサー間や、所定の装置との間で自律的に通信を行う無線センサーネットワークが注目されている。

このような無線センサーネットワークの一例として、従来アドホック通信を用いた環境監視システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この従来の無線センサーネットワークシステムでは、散点的に複数の場所に備えられたアドホック通信が可能なセンサーモジュールが、通信装置と環境汚染物濃度を計測するセンサーとを備えており、アドホック通信により得られた各センサーの測定値のデータを、ホットスポットに送信させることにより、ホットスポットはインターネットにより環境監視センターに送信する。環境監視センターは、各センサーからの測定値のデータを分析管理する。

この従来の無線センサーネットワークでは、隣接する無線センサー（ノード）にブロードキャストフレームを送信し、応答が返ってくるノード間で経路を構築している。また、センサーデータ収集では、前記で作成した経路に従い１つ１つのノードを経由してセンサーデータを中央の環境監視センターに送信している。また、無線センサーノード間の電波状態が悪く、データ収集に失敗した場合、その都度最適の経路を提供するために、経路を更新している。

また、無線ネットワークを用いた遠隔データ収集システムも従来知られている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２記載のシステムは、電気、ガス、水道等の広い地域にわたって設置されたメータからの監視測定データを、子機からグループ内の親機へ無線送信し、親機のみが通信事業者の回線を介してデータ収集センタに監視測定データを纏めて送信する無線センサーネットワークシステムである。

特開２００４−１７８４９１号公報 特開２００２−２１８０８０号公報

しかしながら、上記の特許文献１記載の従来の無線センサーネットワークシステムは、無線センサーノード間の電波状態や距離を考慮していないため、安定して経路が構築できないという問題がある。また、この従来の無線センサーネットワークのアドホック・マルチホップ通信では、データ収集時に同じ内容のフレームが何度もネットワーク上に流れてしまう。マルチホップでは、センサーデータを収集する毎にバケツリレー式にフレームを中央に戻すことで、中継フレームが多く流れ、中継フレームが流れている間は、他の通信ができず、全体のスループットが大きく落ちるという問題がある。

また、無線センサーノード間の電波状態が悪くデータ収集に失敗した場合、その都度最適な経路を提供するために経路を更新しているため、電波状態の悪い状況が続くと、経路構築の更新割合が劇的に増加し、より多くのフレームがネットワークの中に送信されてしまう問題がある。

また、上記の特許文献２記載の従来のネットワークシステムは、ネットワーク間に無駄なフレームが多く送信されるという問題がある。その理由は、１つのグループについて子機の数やホップ数の制限を特に設けていないので、１グループで子機の数が増え、ホップ数が多くなることで、センサーデータを収集する毎に、バケツリレー式にフレームを中央の戻すことで、中継フレームが多く流れるからである。また、特許文献１記載の従来の無線センサーネットワークシステムと同様に、電波状態の悪い状況が続くと、経路構築の更新割合が劇的に増加し、より多くのフレームがネットワークの中に送信されてしまうという問題もある。

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、無線センサーノードの位置情報と互いの電波強度を基に安定した経路を構築し、更に、経路のグループ化を取り入れることで、センサーデータ収集と経路再構築の時に無駄なフレームを無くし、効率的なアドホック・マルチホップのプロトコルを提供し得る無線センサーネットワークの経路構築方法、データ収集方法、経路再構築方法、無線センサーネットワークシステム及びプログラムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の無線センサーネットワークの経路構築方法は、所定のデータを測定し、その測定データをセンサーデータとして送信する無線センサーノードが複数、それぞれ任意の位置に散点的に配置されており、それら複数の無線センサーノードからセンサーデータを収集すると共に、ネットワーク管理を行う基地局ノードが設けられた無線センサーネットワークの経路構築方法であって、
各々互いに異なるノードＩＤが設定された複数の無線センサーノードを任意の位置にそれぞれ配置する第１のステップと、基地局ノードの第１の記憶部に予め記憶された、複数の無線センサーノードの各ノードＩＤを送信先として、順次検出フレームを送信する第２のステップと、複数の無線センサーノードのうち、自己のノードＩＤが送信先である検出フレームを受信した無線センサーノードが、自己の位置情報と基地局ノードとの間の電波強度とを付属情報としてリンク通知のフレームを応答情報として基地局ノードに送信する第３のステップと、基地局ノードが受信したリンク通知のフレームのうち、電波強度と位置情報とが、規定値以内のリンク通知のフレームの送信元の無線センサーノードの電波強度と位置情報を、基地局ノードの第２の記憶部に経路情報として登録する第４のステップと、リンク通知のフレームを受信できないノードＩＤの第１の無線センサーノードに対して、その第１の無線センサーノードに隣接し、かつ、第２の記憶部に電波強度と位置情報が登録されている第２の無線センサーノードに依頼して、第１の無線センサーノードのノードＩＤを送信先とする検出フレームを送信する第５のステップと、第５のステップで送信された検出フレームを受信した第１の無線センサーノードから送信された、自己の位置情報と第２の無線センサーノードとの間の電波強度とを付属情報としてリンク通知のフレームを、第２の無線センサーノードを経由して基地局ノードが受信する第６のステップと、第６のステップで受信したリンク通知のフレームの電波強度と位置情報とを基地局ノードの第２の記憶部に経路情報として追加登録する第７のステップと、基地局ノードの第２の記憶部に登録された経路情報に基づいて、複数の無線センサーノードを、基地局ノードに直接接続される複数の無線センサーノードをそれぞれグループ親無線センサーノードとし、そのグループ親無線センサーノードと、そのグループ親無線センサーノードに繋がる下位の無線センサーノードを１つのグループとするグループ分けを行う第８のステップとを含み、ツリー状に経路を構築することを特徴とする。

この発明では、基地局ノードが、複数の無線センサーノードの位置情報と互いの電波強度を基に複数の無線センサーノードの経路をツリー状に構築し、かつ、その経路を、基地局ノードに直接繋がる無線センサーノードをグループ親無線センサーノードとし、かつ、そのグループ親無線センサーノードにツリー状に繋がる一又は二以上の無線センサーノードを含むグループに分割する経路構築を行うことができる。

また、上記の目的を達成するため、上記の第８のステップは、複数の無線センサーノードのうち、基地局ノードの電波範囲内にある無線センサーノードをグループ親無線センサーノードとし、グループ親無線センサーノードの電波範囲内にある一又は二以上の他の無線センサーノードを同じグループとするグループ分けを行い、他の無線センサーノードの電波範囲内にのみある更に別の無線センサーノードが存在するときは、その別の無線センサーノードも同じグループにグループ分けすることを特徴とする。

また、上記の目的を達成するため、本発明は、所定のデータを測定し、その測定データをセンサーデータとして送信する無線センサーノードが複数、それぞれ任意の位置に散点的に配置されており、それら複数の無線センサーデータからのセンサーデータを収集すると共に、ネットワーク管理を行う基地局ノードが設けられており、本発明の経路構築方法により経路が構築された無線センサーネットワークのデータ収集方法であって、
基地局ノードからグループ親無線センサーノードにデータ収集要求のフレームを送信する第１のステップと、データ収集要求を受信したグループ親無線センサーノードは、自分のグループに属する他の無線センサーノードからセンサーデータを収集する第２のステップと、第２のステップで他の無線センサーノードから収集したセンサーデータと、グループ親無線センサーノード自体が収集したセンサーデータとを基地局データに送信する第３のステップとを含み、基地局ノードは、第２のステップでグループ親無線センサーノードが自分のグループに属する他の無線センサーノードからセンサーデータを収集する際に、データ収集を所定回数失敗するまでは経路再構築は行わず、同じ経路でセンサーデータを収集させることを特徴とする。この発明では、データ収集を所定回数失敗するまでは経路再構築は行わないので、経路再構築の回数を減らすことができる。

また、上記の目的を達成するため、本発明は、所定のデータを測定し、その測定データをセンサーデータとして送信する無線センサーノードが複数、それぞれ任意の位置に散点的に配置されており、それら複数の無線センサーデータからのセンサーデータを収集すると共に、ネットワーク管理を行う基地局ノードが設けられており、本発明の経路構築方法により経路が構築された無線センサーネットワークの経路再構築方法であって、基地局ノードからグループ親無線センサーノードにデータ収集要求のフレームを送信して、グループ親無線センサーノードにより、そのグループに属する他の無線センサーノードからセンサーデータを収集させたときに、データ収集を所定回数失敗したときは、そのグループ内でグループ親無線センサーノードに繋がる無線センサーノードの経路を変更する第１のステップと、第１のステップによる同じグループ内の経路変更によっても、経路変更後の無線センサーノードからセンサーノードを収集できないときには、経路変更後の無線センサーノードの電波範囲内にある、他のグループ内の別の無線センサーノードに経路接続を行う第２のステップとを含むことを特徴とする。この発明では、基地局ノードが、複数の無線センサーノードの位置情報と互いの電波強度を基に経路の再構築を行うことができる。

また、上記の目的を達成するため、本発明の無線センサーネットワークシステムは、それぞれ任意の位置に散点的に配置されて、所定のデータを測定し、その測定データをセンサーデータとして送信する複数の無線センサーノードと、複数の無線センサーノードからセンサーデータを収集すると共に、ネットワーク管理を行う基地局ノードとを有する無線センサーネットワークシステムであって、基地局ノードは、
複数の無線センサーノードの位置情報と互いの電波強度を基に複数の無線センサーノードの経路をツリー状に構築し、かつ、その経路を、基地局ノードに直接繋がる無線センサーノードをグループ親無線センサーノードとし、かつ、そのグループ親無線センサーノードにツリー状に繋がる一又は二以上の無線センサーノードを含むグループに分割する経路構築手段と、分割された複数のグループ内の各グループ親無線センサーノードから、そのグループの無線センサーノード及びグループ親無線センサーノードで測定されたセンサーデータをグループ単位で収集するデータ収集手段と、無線センサーノードからのデータ収集が所定回数失敗したときは、経路構築手段で構築された、データ収集に失敗した無線センサーノードを含む経路の再構築を行う経路再構築手段とを有することを特徴とする。この発明では、基地局ノードに経路構築手段と、データ収集手段と、経路再構築手段とを有するようにし、無線センサーノードの管理を行わせる。

また、上記の目的を達成するため、本発明は、本発明の経路構築方法をコンピュータにより実行させる経路構築プログラム、本発明のデータ収集方法をコンピュータにより実行させるデータ収集プログラム、本発明の経路再構築方法をコンピュータにより実行させる経路再構築プログラムを包含する。

本発明によれば、基地局ノードが、複数の無線センサーノードの位置情報と互いの電波強度を基に複数の無線センサーノードの経路をツリー状に構築し、かつ、その経路を、基地局ノードに直接繋がる無線センサーノードをグループ親無線センサーノードとし、かつ、そのグループ親無線センサーノードにツリー状に繋がる一又は二以上の無線センサーノードを含むグループに分割する経路構築を行うことで、センサーデータ収集時に同じ内容のフレームが何度もネットワーク上に流れることを防止できる。

また、本発明によれば、バケツリレー式にフレームを多数の無線センサーノードを中継していくのではなく、グループ単位でデータ収集を行うようにしているため、ネットワークのスループットを向上させることができ、更に、本発明によれば、無線センサーノード間の電波状態が悪くデータ収集に失敗した場合は、その都度最適の経路を提供するために経路を更新するのではなく、それまでの経路で所定回数データ収集を行うようにしているため、電波状態の悪い状況が続いても、センサーデータ収集の無駄なフレームを無くし、経路再構築の回数を減らすことで効率的なアドホック・マルチホップの通信が可能になる。

次に、本発明の一実施の形態について図面と共に説明する。図１は本発明になる無線センサーネットワークシステムの一実施の形態のシステム構成図を示す。同図に示すように、本実施の形態は、無線センサーノードを用いた環境モニタリングの無線センサーネットワークについて、ネットワークが固定的で中央にデータを収集する形態において、キーボード等の入力装置１と、環境等のデータを測定するセンサーを具備し、収集したセンサーデータを無線で伝送する無線センサーノード３と、無線センサーノードの伝送経路をグループ化した時のグループ親無線センサーノード４と、無線センサーノード３とグループ親無線センサーノード４を制御し、マルチホップ無線通信ネットワークを管理するセンサーデータを収集する基地局ノード５とを含む。なお、ここでは、グループは２Ａ、２Ｂ、２Ｃの３つとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。

各無線センサーノード３は、それぞれセンサー情報記憶部３１と位置情報記憶部３２とを備えている。センサー情報記憶部３１は、センサー情報をＮ件（Ｎは１以上の自然数）まで記憶できるメモリテーブルである。位置情報記憶部３２は、自分自身の無線センサーノードを設置する場所の緯度・経度の位置情報を予め記憶している。

各グループ親無線センサーノード４は、それぞれセンサー情報記憶部４１と位置情報記憶部４２と下位経路情報記憶部４３とを備えている。センサー情報記憶部４１は、センサー情報をＮ件まで記憶できるメモリテーブルである。位置情報記憶部４２は、自分自身の無線センサーノード４を設置する場所の緯度・経度の位置情報を予め記憶している。下位経路情報記憶部４３は、自分に属するグループの下位の経路情報を記憶するメモリテーブルである。

基地局ノード５は、構成センサーノード記憶部５１と、経路情報記憶部５２と、グループ情報記憶部５３と、電波強度／位置情報記憶５４とを備えている。構成センサーノード記憶部５１は、計測する無線センサーノード３の一覧情報を予め記憶するメモリテーブルである。経路情報記憶部５２は、無線センサーノ−ド３をツリー情報として記憶する。グループ情報記憶部５３は、ツリー情報の無線センサーノードＩＤ情報をグループ単位に記憶するメモリテーブルである。電波強度／位置情報記憶５４は、構成要素の無線センサーノード３の電波強度と位置情報を記憶するメモリテーブルである。

また、基地局ノード５は、経路構築手段５５と、データ収集手段５６と、経路再構築手段５７とを備えている。経路構築手段５５は、無線センサーノード３の位置情報と、お互いの電波強度を基に安定した経路をツリー状に構築する。次に、ツリー状に構築した経路情報をグループ分割する。データ収集手段５６は、グループ分割された無線センサーノード単位にデータ収集を行い、グループ親無線センサーノード４からセンサーデータを取得する。無線センサーノード間の電波状態が悪くデ−タ収集に失敗した場合は、直ぐに経路再構築手段５７は経路再構築は行わず、センサー情報記憶部３１及び４１がそれぞれ保持するＭ回は、同じ経路でデータ収集を行う。但し、Ｍ回を超えて失敗した場合は、経路再構築手段５７の処理に移る。

経路再構築手段５７は、グループ内での経路再構築を行う。グループ内での経路構築が不可能な場合は、ノードがフレームを送信できる範囲で自分自身の距離から近い順に再構築を実施する。フレームが送信できる範囲に接続できるノードがない場合は、計測の対象から外れたことを促すメッセージを保守者６に通知する。

次に、本実施の形態の動作について詳細に説明する。まず、経路構築方法について、図２のフローチャートと共に説明する。センサーデータを収集するために、最初に無線センサーノード３の無線経路を構築する。まず、ノードＩＤを設定した無線センサーノード３を環境データ測定地に配置する（ステップＡ１）。続いて、入力装置１から基地局ノード５に対し経路構築指示の要求を入力する（ステップＡ２）。経路構築指示の要求を受け付けた基地局ノード５は、自身の構成センサーノード記憶部５１に登録されているノードが存在するかどうか判定し（ステップＡ３）、存在する場合は構成センサーノード記憶部５１に予め登録されているノードＩＤを送信先として、１つずつ検出フレームを送信する（ステップＡ４）。

各無線センサーノード３にはノードＩＤが付けられており、自分のノードＩＤに対する検出フレーム（リンクアップ通知）を受信したかどうか監視しており（ステップＡ５）、自分のノードＩＤに対する検出フレームを受信した場合は、電波強度と位置情報を付属情報としてリンク通知のフレームを応答情報として送信元ノードに返す（ステップＡ６）。リンク通知は最終的に基地局ノード５まで戻る（ステップＡ７）。

基地局ノード５は、受信した各無線センサーノード３の電波強度と位置情報を基に、それらが規定範囲内であるかどうか判定し（ステップＡ８）、それらが規定範囲内であれば、経路情報記憶部５２、電波強度／位置情報記憶５４に受信した情報を保存する（ステップＡ９）。電波強度と位置情報が規定範囲をこえている場合は、リンクアップの解除処理を行い、接続しない（ステップＡ１０）。以下同様にして、ステップＡ３〜Ａ９（又はＡ１０）の処理が繰り返され、すべての無線センサーノードの経路構築を行う。

続いて、すべての無線センサーノードの経路構築を終了して、リンクアップされていないノードがあるかどうか判定し（ステップＡ１１）、リンクアップされていないノードがあるときには、位置情報をもとに隣接した無線センサーから経路に追加する（ステップＡ１２）。ステップＡ１１でリンクアップされていないノードがないと判定された場合、又はステップＡ１２の処理が終了すると、最後に、経路情報をグループ化する（ステップＡ１３）。

このグループ化では、まず、基地局ノード５と直接繋がる無線センサーノードをグループ親無線センサーノード４として、そのグループ親無線センサーノード４に繋がる無線センサーノードを同一グループとして割り当てる。このとき、１つのグループの無線センサーノードのホップ数（階層）がＸを超える場合は、グループを分割する。ただし、グループのノード数が１個の場合は、グループ分割しない。

また、１つのグループの無線センサーノードの数が所定値Ｌを超える場合は、グループ分割する。例えば、１グループのセンサーデータの収集時間を１分以内に抑えるものとし、また、データ収集するのに１つの無線センサーノード当たり１秒かかるものとすると、上記の１グループ当たりの最大無線センサーノードの所定値Ｌは６４個となる。

次に、本発明のセンサーデータの収集方法について図３のフローチャートと共に説明する。図１の基地局ノード５が、まず、グループ親無線センサーノード４に対し、データ収集要求のフレームを送信する（ステップＢ１）。上記指示フレームを受信したグループ親無線センサーノード４は、自分のグループに属する下位無線センサーノード３のデータ収集を行う（ステップＢ２）。

データ収集要求のフレームを受信した無線センサーノード３は、自ノードが収集したセンサーデータをセンサー情報記憶部３１に保持する（ステップＢ３）。続いて、無線センサーノード３は収集したセンサーノードを、その無線センサーノード３が属するグループのグループ親無線センサーノード４へ送信し、そのセンサー情報記憶部４１に保持されることが、同じグループ内のすべての無線センサーノード３について行われる（ステップＢ４）。

グループ内の全ての無線センサーノード３のデータ収集が終了した時点で、グループ親無線センサーノード４は、基地局ノード５にデータ収集応答結果（センサー情報記憶部４１に保持したグループ内のすべてのセンサーデータ）のフレームを返す（ステップＢ５）。グループ親無線センサーノード４がセンサー情報記憶部４１にセンサーデータを保持している間、経路再構築は行わず、基地局ノード５は最初に作成した経路でデータ収集を行う（ステップＢ６）。

次に、上記の規則内でデータ収集ができない無線センサーノードが発生した場合の本発明による経路再構築について図４のフローチャートと共に説明する。まず、基地局ノード５からのデータ収集要求をトリガにして、グループ内での経路再構築を行う（ステップＣ１）。再構築した場合に、予め設定した回数連続してセンサーデータを収集できないときは（再構築の対象無線センサーノードがリンクアップされていないノードになった場合に）、経路再構築に失敗したと基地局ノード５が判定して（ステップＣ２、ｙｅｓ）、基地局ノード５はグループ外に対し無線センサーノードがフレーム送信できる範囲で自分自身の距離から近い順に再構築を実施させる（ステップＣ３）。

グループ内の無線センサーノード３が他のグループの隣接する無線センサーノード３との接続処理を行い、メッセージが送信できる範囲に接続できるノードがあるかどうか判定する（ステップＣ４）。接続できるノードがない場合は、一旦基地局ノード５に処理が戻り、基地局ノード５が計測の対象から外れたことを促すメッセージを保守者６に通知する（ステップＣ５）。

このように、本実施の形態によれば、無線センサーネットワークをグループ分割することで、センサーデータ収集の際の無駄なフレームの送受信を無くし、また、経路再構築の回数を減らすことで無線センサーネットワークのスループットを向上させることができ、効率的なアドホック・マルチホップの通信ができる。

次に、具体例を用いて本実施の形態の動作を説明する。図５のような配置で無線センサーノードが配置されている場合の経路構築手段、データ収集手段、経路再構築について説明する。まず、経路構築手段について説明する。基地局ノード５はＩＤ＝０であり、予め無線センサーノード３の構成ノードＩＤ（１〜１０）を構成センサーノード記憶部５１に保持している。

経路構築では、１ホップについて図６と共に説明する。図６中、図５と同一構成部分には同一符号を付してある。まず、ＩＤ＝０の基地局ノード５が、電波が届く範囲内にあるＩＤ＝１の無線センサーノード３に対し検出フレームを送信する。上記検出フレームを受信した無線センサーノード３（ＩＤ＝１）は、電波強度（基地局ノード５からの電波の受信電界強度）と位置情報（自ノードの緯度・経度情報）とを付属情報としてリンクアップ通知を基地局ノード５（ＩＤ＝０）に応答する。基地局ノード５（ＩＤ＝０）は、無線センサーノード３（ＩＤ＝１）の電波強度と位置情報を電波強度／位置情報記憶部５４に登録する。基地局ノード５（ＩＤ＝０）は、電波が届く最寄りの他の２つの無線センサーノード３（ＩＤ＝４、ＩＤ＝９）に対しても、上記と同様な処理を行う。

次に、図７と共に基地局ノード５（ＩＤ＝０）からの電波が届かない無線センサーノードの経路構築についてＩＤ＝２の無線センサーノード３を例にとって説明する。図７中、図５、図６と同一構成部分には同一符号を付してある。図７において、基地局ノード５は、ＩＤ＝２の無線センサーノード３を送信先ＩＤとして検出フレームを送信する。リンクアップ通知の応答が受信できない場合は、接続されている無線センサーノード３（ＩＤ＝１）に検出を依頼する。この場合、基地局ノード５は無線センサーノード３（ＩＤ＝１）に検出先：ＩＤ＝２、検出元：ＩＤ＝１として無線センサーノード３（ＩＤ＝１）に検出フレームを送信する。

無線センサーノード３（ＩＤ＝１）は、送信先：ＩＤ＝２、送信元：ＩＤ＝１、検出先：ＩＤ＝２、検出元：ＩＤ＝１として無線センサーノード３（ＩＤ＝２）に検出フレームを送信する。無線センサーノード３（ＩＤ＝２）が検出フレームを受信すると、電波強度（無線センサーノード３（ＩＤ＝１）からの電波の受信電界強度）と位置情報（自ノードの緯度・経度情報）を付属情報としてリンクアップ通知を送信元の無線センサーノード３（ＩＤ＝１）に応答送信する。

無線センサーノード３（ＩＤ＝１）は、上記のリンクアップ通知を受信すると、送信先：ＩＤ＝０、送信元：ＩＤ＝１、検出先：ＩＤ＝２、検出元：ＩＤ＝１とし、受信した電波強度及び位置情報を付属情報とするリンクアップ通知を基地局ノード５（ＩＤ＝０）に返す。基地局ノード５（ＩＤ＝０）は、ＩＤ＝１の無線センサーノード３からのリンクアップ通知を受信すると、その内部メモリに無線センサーノード３（ＩＤ＝１）の子ノードとして、付属情報として受信した無線センサーノード３（ＩＤ＝２）の電波強度と位置情報を電波強度／位置情報記憶５４に登録する。基地局ノード５（ＩＤ＝０）からの電波が届かない他の無線センサーノード３（ＩＤ＝３、５、７、１０）に対しても上記と同様な処理を行う。

そして、基地局ノード５（ＩＤ＝０）が無線センサーノード３（ＩＤ＝８）の検出をＩＤ＝４の無線センサーノード３及びＩＤ＝７の無線センサーノード３経由で依頼する。無線センサーノード３（ＩＤ＝８）が基地局ノード５から送信された検出フレームを無線センサーノード３（ＩＤ＝４，７）経由で受信すると、電波強度（無線センサーノード３（ＩＤ＝７）からの電波の受信電界強度）と位置情報（自ノードの緯度・経度情報）を付属情報としてリンクアップ通知を同じ経路を経て基地局ノード５（ＩＤ＝０）に返す。

このリンクアップ通知を受信した基地局ノード５（ＩＤ＝０）は、無線センサーノード３（ＩＤ＝７）と無線センサーノード３（ＩＤ＝８）との間の電波強度が第１の閾値を下回っているかどうか判定し、かつ、受信した位置情報に基づいて無線センサーノード３（ＩＤ＝７）と無線センサーノード３（ＩＤ＝８）との間の距離を算出し、その算出した距離が第２の閾値を下回っているかどうか判定する。

そして、電波強度と距離の両方がそれぞれの閾値を下回っているか、電波強度が第１の閾値を下回っているときには、経路構築失敗と判断して、基地局ノード５（ＩＤ＝０）は今度は無線センサーノード３（ＩＤ＝８）の検出を無線センサーノード３（ＩＤ＝１０）に依頼する。無線センサーノード３（ＩＤ＝８）が基地局ノード５から送信された検出フレームを無線センサーノード３（ＩＤ＝１０）経由で受信すると、電波強度（無線センサーノード３（ＩＤ＝１０）からの電波の受信電界強度）と位置情報（自ノードの緯度・経度情報とを付属情報としてリンクアップ通知を同じ経路を経て基地局ノード５（ＩＤ＝０）に返す。

このリンクアップ通知を受信した基地局ノード５（ＩＤ＝０）は、無線センサーノード３（ＩＤ＝１０）と無線センサーノード３（ＩＤ＝８）との間の電波強度と、距離がそれぞれの閾値を上回っていると判定した場合は、ＩＤ＝８の無線センサーノード３の上位ノードとしてＩＤ＝１０の無線センサーノード３を基地局ノード５（ＩＤ＝０）の経路情報記憶部５２に記憶して管理する。なお、上記と同様にして、基地局ノード５（ＩＤ＝０）は、ＩＤ＝６の無線センサーノード３の上位ノードとしてＩＤ＝５の無線センサーノード３を管理する。このようにして、基地局ノード５の経路構築手段５５により図８に示すツリー構造の経路情報を作成して経路情報記憶部５２に記憶する。

次に、ツリー構造のネットワークを基地局ノード５（ＩＤ＝０）によりグループ分割する。グループ分割する規則は、前述したように以下の３つである。

（１）基地局ノード５と直接繋がる無線センサーノードを親無線センサーノードとする。親無線センサーノード以下の無線センサーノードを同一グループとして割り当てる。

（２）１つのグループの無線センサーノードのホップ数がＸを超える場合は、グループを分割する。ただし、グループのノード数が１個の場合は、グループ分割しない。

（３）１グループの無線センサーノードの数が所定値Ｌ（例えば、６４）を超える場合は、グループ分割する。

上記規則に従い、図９に示すような、ツリー構造の経路情報をグループ分割する。なお、図９中、図８と同一ノードには同一符号を付してある。図９に示すように、基地局ノード５は、基地局ノード５と直接繋がる無線センサーノード３（ＩＤ＝１、４、９）をグループ親無線センサーノード４とすると共に、それらのグループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝１、４、９）に対し、グループの親の設定要求としてグループに属する下位ノードＩＤ情報を送信する。このグループの親の設定要求を受信した各グループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝１，４，９）は、自分がグループの親であり、子ノードのツリー構造を下位経路情報記憶部４３に保持する。

これにより、図９に示すように、グループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝１）は、下位経路情報記憶部４３にＩＤ＝２とＩＤ＝３の無線センサーノード３を記憶してグループ２Ａを構成し、グループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝４）は、下位経路情報記憶部４３にＩＤ＝５とＩＤ＝７の無線センサーノード３を記憶し、更にＩＤ＝５の無線センサーノード３の下位にＩＤ＝６の無線センサーノード３を記憶してグループ２Ｂを構成し、グループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝９）は、下位経路情報記憶部４３にＩＤ＝９、ＩＤ＝９の下位にＩＤ＝１０、ＩＤ＝１０の下位にＩＤ＝８の各無線センサーノード３を記憶してグループ２Ｃを構成する。基地局ノード５はグループ情報記憶部５３に上記のグループ２Ａ、２Ｂ、２ＣのグループＩＤ＝１，２，３を記憶すると共に、そのグループを構成する親無線センサーノード４及び無線センサーノード３のＩＤをグループ別に記憶する。

次に、データ収集手段の一実施例について図１０と共に説明する。まず、基地局ノード５（ＩＤ＝０）がグループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝１）に対し、１０−１で示すようにデータ収集要求のフレームを送信する。グループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝１）は、上記のデータ収集要求のフレームを受信すると、１０−２で示すように、その下位経路情報記憶部４３の記憶情報を基に、グループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝１）を含め、自グループに属する無線センサーノード３（ＩＤ＝２、３）にデータ収集の要求フレームを送信する。

無線センサーノード３（ＩＤ＝２、３）がデータ収集要求フレームを受信すると、まず自分が測定したセンサーデータを自分のセンサー情報記憶部３１に保持し、次にグループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝１）に対し１０−３で示すように、センサーデータの応答フレームを送信する。

応答フレームを受信したグループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝１）は、まず自分が測定したセンサーデータをセンサー情報記憶部３１に保持した後、下位ノード（ＩＤ＝２、３）のセンサーデータと自分（ＩＤ＝１）のセンサーデータを、１０−４で示すように、基地局ノード５（ＩＤ＝０）に応答フレームとして送信する。

無線センサーノード間の電波状態が悪く、データ収集に失敗した場合は、直ぐに経路再構築は行わず、センサー情報記憶部３１、４１で保持するＭ回は、同じ経路でデータ収集を行う。但し、Ｍ回を超えて失敗した場合は、経路再構築の処理に移る。この経路再構築の処理について図１１と共に説明する。

いま、図１１（Ａ）に示すように無線センサーノード３（ＩＤ＝２）がセンサー情報記憶部３１で保持するＮ回を超えてグループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝１）が無線センサーノード３（ＩＤ＝２）からデータ収集ができない場合は、同図（Ｂ）に示すように、グループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝１）が属するグループＩＤ＝１のグループ２Ａの中での経路再構築を行う。すなわち、図１１（Ｂ）に示すように、基地局ノード５の経路再構築手段５７は、グループ親無線センサーノード４（ＩＤ＝１）に対し、無線センサーノード３（ＩＤ＝２）を、無線センサーノード３（ＩＤ＝３）の下位のノードとして経路を再構築する設定を行う。

グループ２Ａ内での経路構築が不可能な場合は、基地局ノード５の経路再構築手段５７は、グループ２Ａ内の無線センサーノード（ＩＤ＝１，２，３）がフレーム送受信できる範囲にある別のグループの無線センサーノードのうち、自分自身の距離から近い順に再構築を実施する。無線センサーノード（ＩＤ＝１，２，３）がフレームを送受信できる範囲に接続できる無線センサーノードが存在しない場合は、計測の対象から外れたことを促すメッセージを保守者６に通知する。

なお、本発明は以上の実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、基地局ノード５が行う経路構築、データ収集、経路再構築などをコンピュータで実行させるコンピュータプログラムも包含するものである。

本発明の無線センサーネットワークシステムの一実施の形態のシステム構成図である。 本発明の経路構築方法の一実施の形態のフローチャートである。 本発明のデータ収集方法の一実施の形態のフローチャートである。 本発明の規則内でデータ収集ができない無線センサーノードが発生した場合の経路再構築方法を説明するフローチャートである。 本発明の経路構築方法、データ収集方法、経路再構築方法が適用される無線センサーノードの配置例を示す図である。 本発明の経路構築方法の１ホップについての説明図である。 本発明の基地局ノード（ＩＤ＝０）からの電波が届かない無線センサーノードの経路構築方法の一例の説明図である。 本発明により基地局ノードの経路構築手段により作成されたツリー構造の経路情報を示す図である。 本発明によりツリー構造の経路情報をグループ分割した例を示す図である。 本発明のデータ収集方法の一実施例の説明図である。 本発明の経路再構築方法の一実施例の説明図である。

符号の説明

１ 入力装置
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ グループ
３ 無線センサーノード
４ グループ親無線センサーノード
５ 基地局ノード
３１、４１ センサー情報記憶部
３２、４２ 位置情報記憶部
４３ 下位経路情報記憶部
５１ 構成センサーノード記憶部
５２ 経路情報記憶部
５３ グループ情報記憶部
５４ 電波強度/位置情報記憶
５５ 経路情報構築手段
５６ データ収集手段
５７ 経路再構築手段

Claims (9)

1. 所定のデータを測定し、その測定データをセンサーデータとして送信する無線センサーノードが複数、それぞれ任意の位置に散点的に配置されており、それら複数の前記無線センサーノードから前記センサーデータを収集すると共に、ネットワーク管理を行う基地局ノードが設けられた無線センサーネットワークの経路構築方法であって、
   各々互いに異なるノードＩＤが設定された前記複数の無線センサーノードを前記任意の位置にそれぞれ配置する第１のステップと、
   前記基地局ノードの第１の記憶部に予め記憶された、前記複数の無線センサーノードの各ノードＩＤを送信先として、順次検出フレームを送信する第２のステップと、
   前記複数の無線センサーノードのうち、自己のノードＩＤが送信先である前記検出フレームを受信した無線センサーノードが、自己の位置情報と前記基地局ノードとの間の電波強度とを付属情報としてリンク通知のフレームを応答情報として前記基地局ノードに送信する第３のステップと、
   前記基地局ノードが受信した前記リンク通知のフレームのうち、前記電波強度と位置情報とが、規定値以内のリンク通知のフレームの送信元の前記無線センサーノードの電波強度と位置情報を、前記基地局ノードの第２の記憶部に経路情報として登録する第４のステップと、
   前記リンク通知のフレームを受信できないノードＩＤの第１の無線センサーノードに対して、その第１の無線センサーノードに隣接し、かつ、前記第２の記憶部に電波強度と位置情報が登録されている第２の無線センサーノードに依頼して、前記第１の無線センサーノードのノードＩＤを送信先とする検出フレームを送信する第５のステップと、
   前記第５のステップで送信された検出フレームを受信した前記第１の無線センサーノードから送信された、自己の位置情報と前記第２の無線センサーノードとの間の電波強度とを付属情報としてリンク通知のフレームを、前記第２の無線センサーノードを経由して前記基地局ノードが受信する第６のステップと、
   前記第６のステップで受信した前記前記リンク通知のフレームの前記電波強度と位置情報とを前記基地局ノードの第２の記憶部に経路情報として追加登録する第７のステップと、
   前記基地局ノードの第２の記憶部に登録された前記経路情報に基づいて、前記複数の無線センサーノードを、前記基地局ノードに直接接続される複数の無線センサーノードをそれぞれグループ親無線センサーノードとし、そのグループ親無線センサーノードと、そのグループ親無線センサーノードに繋がる下位の無線センサーノードを１つのグループとするグループ分けを行う第８のステップと
   を含み、ツリー状に経路を構築することを特徴とする無線センサーネットワークの経路構築方法。
2. 前記第８のステップは、前記複数の無線センサーノードのうち、前記基地局ノードの電波範囲内にある無線センサーノードをグループ親無線センサーノードとし、前記グループ親無線センサーノードの電波範囲内にある一又は二以上の他の無線センサーノードを同じグループとするグループ分けを行い、前記他の無線センサーノードの電波範囲内にのみある更に別の無線センサーノードが存在するときは、その別の無線センサーノードも同じグループにグループ分けすることを特徴とする請求項１記載の無線センサーネットワークの経路構築方法。
3. 所定のデータを測定し、その測定データをセンサーデータとして送信する無線センサーノードが複数、それぞれ任意の位置に散点的に配置されており、それら複数の前記無線センサーデータからの前記センサーデータを収集すると共に、ネットワーク管理を行う基地局ノードが設けられており、請求項１記載の経路構築方法により経路が構築された無線センサーネットワークのデータ収集方法であって、
   前記基地局ノードから前記グループ親無線センサーノードにデータ収集要求のフレームを送信する第１のステップと、
   前記データ収集要求を受信した前記グループ親無線センサーノードは、自分のグループに属する他の前記無線センサーノードからセンサーデータを収集する第２のステップと、
   前記第２のステップで他の前記無線センサーノードから収集したセンサーデータと、前記グループ親無線センサーノード自体が収集したセンサーデータとを前記基地局データに送信する第３のステップと
   を含み、前記基地局ノードは、前記第２のステップで前記グループ親無線センサーノードが自分のグループに属する他の前記無線センサーノードからセンサーデータを収集する際に、データ収集を所定回数失敗するまでは経路再構築は行わず、同じ経路でセンサーデータを収集させることを特徴とする無線センサーネットワークのデータ収集方法。
4. 所定のデータを測定し、その測定データをセンサーデータとして送信する無線センサーノードが複数、それぞれ任意の位置に散点的に配置されており、それら複数の前記無線センサーデータからの前記センサーデータを収集すると共に、ネットワーク管理を行う基地局ノードが設けられており、請求項１記載の経路構築方法により経路が構築された無線センサーネットワークの経路再構築方法であって、
   前記基地局ノードから前記グループ親無線センサーノードにデータ収集要求のフレームを送信して、前記グループ親無線センサーノードにより、そのグループに属する他の前記無線センサーノードからセンサーデータを収集させたときに、データ収集を所定回数失敗したときは、そのグループ内で前記グループ親無線センサーノードに繋がる無線センサーノードの経路を変更する第１のステップと、
   前記第１のステップによる同じグループ内の経路変更によっても、経路変更後の前記無線センサーノードからセンサーノードを収集できないときには、該経路変更後の無線センサーノードの電波範囲内にある、他のグループ内の別の無線センサーノードに経路接続を行う第２のステップと
   を含むことを特徴とする無線センサーネットワークの経路再構築方法。
5. それぞれ任意の位置に散点的に配置されて、所定のデータを測定し、その測定データをセンサーデータとして送信する複数の無線センサーノードと、
   前記複数の無線センサーノードから前記センサーデータを収集すると共に、ネットワーク管理を行う基地局ノードとを有する無線センサーネットワークシステムであって、
   前記基地局ノードは、
   前記複数の無線センサーノードの位置情報と互いの電波強度を基に前記複数の無線センサーノードの経路をツリー状に構築し、かつ、その経路を、前記基地局ノードに直接繋がる無線センサーノードをグループ親無線センサーノードとし、かつ、そのグループ親無線センサーノードにツリー状に繋がる一又は二以上の無線センサーノードを含むグループに分割する経路構築手段と、
   分割された複数の前記グループ内の各グループ親無線センサーノードから、そのグループの無線センサーノード及びグループ親無線センサーノードで測定されたセンサーデータをグループ単位で収集するデータ収集手段と、
   前記無線センサーノードからのデータ収集が所定回数失敗したときは、前記経路構築手段で構築された、データ収集に失敗した無線センサーノードを含む経路の再構築を行う経路再構築手段と
   を有することを特徴とする無線センサーネットワークシステム。
6. 所定のデータを測定し、その測定データをセンサーデータとして送信する無線センサーノードが複数、それぞれ任意の位置に散点的に配置されており、それら複数の前記無線センサーノードから前記センサーデータを収集すると共に、ネットワーク管理を行う基地局ノードが設けられた無線センサーネットワークの経路構築をコンピュータにより実行させる経路構築プログラムであって、
   コンピュータに、
   前記基地局ノードの第１の記憶部に予め記憶されており、各々互いに異なるノードＩＤが設定された前記複数の無線センサーノードの各ノードＩＤを送信先として、順次検出フレームを送信する第１のステップと、
   前記複数の無線センサーノードのうち、自己のノードＩＤが送信先である前記検出フレームを受信した無線センサーノードが、自己の位置情報と前記基地局ノードとの間の電波強度とを付属情報として送信した、リンク通知のフレームを受信する第２のステップと、
   受信した前記リンク通知のフレームのうち、前記電波強度と位置情報とが、規定値以内のリンク通知のフレームの送信元の前記無線センサーノードの電波強度と位置情報を、前記基地局ノードの第２の記憶部に経路情報として登録する第３のステップと、
   前記リンク通知のフレームを受信できないノードＩＤの第１の無線センサーノードに対して、その第１の無線センサーノードに隣接し、かつ、前記第２の記憶部に電波強度と位置情報が登録されている第２の無線センサーノードに依頼して、前記第１の無線センサーノードのノードＩＤを送信先とする検出フレームを送信する第４のステップと、
   前記第４のステップで送信された検出フレームを受信した前記第１の無線センサーノードから送信された、自己の位置情報と前記第２の無線センサーノードとの間の電波強度とを付属情報としてリンク通知のフレームを、前記第２の無線センサーノードを経由して受信する第５のステップと、
   前記第５のステップで受信した前記前記リンク通知のフレームの前記電波強度と位置情報とを前記基地局ノードの第２の記憶部に経路情報として追加登録する第６のステップと、
   前記基地局ノードの第２の記憶部に登録された前記経路情報に基づいて、前記複数の無線センサーノードを、前記基地局ノードに直接接続される複数の無線センサーノードをそれぞれグループ親無線センサーノードとし、そのグループ親無線センサーノードと、そのグループ親無線センサーノードに繋がる下位の無線センサーノードを１つのグループとするグループ分けを行う第７のステップと
   を実行させることを特徴とする無線センサーネットワークの経路構築プログラム。
7. 前記第７のステップは、前記複数の無線センサーノードのうち、前記基地局ノードの電波範囲内にある無線センサーノードをグループ親無線センサーノードとし、前記グループ親無線センサーノードの電波範囲内にある一又は二以上の他の無線センサーノードを同じグループとするグループ分けを行い、前記他の無線センサーノードの電波範囲内にのみある更に別の無線センサーノードが存在するときは、その別の無線センサーノードも同じグループにグループ分けすることを特徴とする請求項６記載の無線センサーネットワークの経路構築プログラム。
8. 所定のデータを測定し、その測定データをセンサーデータとして送信する無線センサーノードが複数、それぞれ任意の位置に散点的に配置されており、それら複数の前記無線センサーデータからの前記センサーデータを収集すると共に、ネットワーク管理を行う基地局ノードが設けられており、請求項１記載の経路構築方法により経路が構築された無線センサーネットワークのデータ収集を、コンピュータにより実行させるデータ収集プログラムであって、
   前記コンピュータに、
   前記基地局ノードから前記グループ親無線センサーノードにデータ収集要求のフレームを送信する第１のステップと、
   前記データ収集要求を受信した前記グループ親無線センサーノードが、自分のグループに属する他の前記無線センサーノードから収集したセンサーデータと、前記グループ親無線センサーノード自体が収集したセンサーデータとを、前記グループ親無線センサーノードから収集する第２のステップと
   を順次実行し、データ収集を所定回数失敗するまでは経路再構築は行わず、同じ経路でセンサーデータを収集させることを特徴とする無線センサーネットワークのデータ収集プログラム。
9. 所定のデータを測定し、その測定データをセンサーデータとして送信する無線センサーノードが複数、それぞれ任意の位置に散点的に配置されており、それら複数の前記無線センサーデータからの前記センサーデータを収集すると共に、ネットワーク管理を行う基地局ノードが設けられており、請求項１記載の経路構築方法により経路が構築された無線センサーネットワークの経路再構築をコンピュータにより実行させる経路構築プログラムであって、
   前記基地局ノードから前記グループ親無線センサーノードにデータ収集要求のフレームを送信して、前記グループ親無線センサーノードにより、そのグループに属する他の前記無線センサーノードからセンサーデータを収集させたときに、データ収集を所定回数失敗したときは、そのグループ内で前記グループ親無線センサーノードに繋がる無線センサーノードの経路を変更する第１のステップと、
   前記第１のステップによる同じグループ内の経路変更によっても、経路変更後の前記無線センサーノードからセンサーノードを収集できないときには、該経路変更後の無線センサーノードの電波範囲内にある、他のグループ内の別の無線センサーノードに経路接続を行う第２のステップと
   を実行させることを特徴とする無線センサーネットワークの経路再構築プログラム。
   
   
   

Images