JP2008244756A - Power saving system for wireless sensor network - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power saving system for a wireless sensor network capable of reducing a communication data amount and the number of transmitting times and performing the power saving of a battery by shortening an RF communication time being a factor of power consumption and accordingly shortening a CPU processing time during communication. <P>SOLUTION: The power saving system for a wireless sensor network includes a network configuration by multi-stage connection used in a wide range space, configured by providing one gateway node (GN) as a top and connecting a router node (RN) having a relay function or a sensor node (SN) having no relay function at its subordinate position, wherein each node is given a unique address which is determined by the number of maximum slave nodes (C<SB>max</SB>), the number of maximum routers (R<SB>max</SB>) and the number of maximum hops (D<SB>max</SB>) for communication by radio. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ビル・工場・病院等において分散配置されたセンサからの情報を、中央の制御・管理装置であるサーバ、コントローラ等に無線を使って送信する、ネットワークを利用したワイヤレスセンサネットワークの省電力化システムに関するものである。   The present invention saves a wireless sensor network using a network that wirelessly transmits information from sensors distributed in buildings, factories, hospitals, etc. to servers, controllers, etc., which are central control / management devices. The present invention relates to an electric power system.

近年、ワイヤレスセンサネットワークは、ビルオートメーションの保守管理等の分野に限らず、建築物環境の計測から医療に至るまで幅広い分野で利用・応用されている。   In recent years, wireless sensor networks have been used and applied in a wide range of fields from building environment measurement to medical care, not limited to the field of building automation maintenance and management.

ワイヤレスセンサネットワークは、例えば、温度・湿度センサによりビルの各階の部屋の温度・湿度を計測し、中央管理室内のサーバ装置へ温度・湿度データを送信して温度・湿度の調節を適切に行ったり、照明センサからの情報を基にして部屋の照明を自動的にON/OFFしたり、加速度・歪みセンサによる情報を基にして設備の故障を未然に防いだりすることで、省エネルギーを実践可能にした最新のネットワークシステムである。   The wireless sensor network, for example, measures the temperature and humidity of the rooms on each floor of the building using temperature and humidity sensors, and sends temperature and humidity data to server devices in the central control room to adjust the temperature and humidity appropriately. Energy saving can be implemented by automatically turning on / off the room lighting based on information from the lighting sensor and preventing equipment failure based on information from the acceleration / strain sensor. The latest network system.

このワイヤレスセンサネットワークが期待される理由として、取り付けたセンサによる計測機能を持つセンサノード(以下、SNと称す)、計測機能の他に中継機能を併せ持つルータノード(以下、RNと称す)の省スペース性・可搬性・設置容易性(配線レス)の利点が挙げられる。   This wireless sensor network is expected to save space for sensor nodes (hereinafter referred to as SN) having a measurement function using attached sensors and router nodes (hereinafter referred to as RN) having a relay function in addition to the measurement function. Advantages of portability, portability, and ease of installation (no wiring).

これらの利点を実現するための一要素として、SNおよびRNへのボタン電池等のバッテリーの適用による省電力化を挙げることができるが、SNおよびRNを連続動作させた場合、バッテリーを、例えば、月に1度というように頻繁に交換しているのが実状である。
特になし
One element for realizing these advantages is power saving by applying a battery such as a button battery to SN and RN. When SN and RN are operated continuously, for example, The reality is that they are changed as often as once a month.
nothing special

このように、従来のワイヤレスセンサネットワークにおいては、SNおよびRNのバッテリーを頻繁に交換する必要があることから、保守に手間が掛かると共に、バッテリーの省電力化について、未だ解決すべき課題となっている。   As described above, in the conventional wireless sensor network, it is necessary to frequently replace the SN and RN batteries, so that maintenance is troublesome and power saving of the battery is still a problem to be solved. Yes.

そして、SNおよびRNが電力を消費する要因は、第1にRN(=PN:親ノード)⇔SN(=CN:子ノード)間、RN(=PN:親ノード)⇔RN(=CN:子ノード)間、ゲートウエイノード(以下、GNと称す)(=PN:親ノード)⇔RNまたはSN(=CN:子ノード)間のRF通信、第2に通信時およびRF通信の混信・妨害電波等による通信リトライ、第3にRN⇔SN間、RN⇔RN間、GN⇔RNまたはSN間のRF通信時のCPU処理、第4にSNおよびRNにおけるセンシング時のCPU処理等があり、省電力を図るためには、RF通信時間やCPU処理時間を短縮化する必要がある。   The factors that cause the SN and RN to consume power are, first, between RN (= PN: parent node) ⇔ SN (= CN: child node), RN (= PN: parent node) ⇔ RN (= CN: child) Node), gateway node (hereinafter referred to as GN) (= PN: parent node) ⇔ RN or SN (= CN: child node) RF communication, secondly during communication and RF communication interference and jamming radio waves, etc. Communication retry by third, thirdly, CPU processing during RF communication between RN-SN, RN-RN, GN-RN or SN, and fourth, CPU processing during sensing in SN and RN, etc. In order to achieve this, it is necessary to shorten the RF communication time and CPU processing time.

そこで、本発明は如上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、電力消費の要因であるRF通信時間の短縮化を図ることで、通信時のCPU処理時間も短縮化されることから、通信データ量および送信回数を減らすことができ、バッテリーの省電力化を図ることができるワイヤレスセンサネットワークの省電力化システムを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention was created in view of the existing circumstances as described above, and by shortening the RF communication time which is a factor of power consumption, the CPU processing time during communication is also shortened. Therefore, an object of the present invention is to provide a power saving system for a wireless sensor network that can reduce the amount of communication data and the number of transmissions, and can save battery power.

本発明に係るワイヤレスセンサネットワークの省電力化システムは、1台のゲートウエイノード(GN)を頂点とし、その配下に、中継機能を持つルータノード(RN)または中継機能を持たないセンサノード(SN)を接続して成る広範囲スペース内で使用される多段接続によるネットワーク構成を備え、無線による通信のために、各ノードには最大子ノード数(Cmax)、最大ルータ数(Rmax)、最大ホップ数(Dmax)で決定される、一意なアドレスを付与されることで、上述した課題を解決した。 The power saving system for a wireless sensor network according to the present invention has a gateway node (GN) as a vertex and a router node (RN) having a relay function or a sensor node (SN) having no relay function under the gateway node (GN). A network configuration with multi-stage connection used in a wide space formed by connecting nodes, and for wireless communication, each node has a maximum number of child nodes (C max ), a maximum number of routers (R max ), and a maximum hop The above-mentioned problem was solved by giving a unique address determined by a number (D max ).

また、前記の各ノードが共通で持つ、最大子ノード数(Cmax)、最大ルータ数(Rmax)、最大ホップ数(Dmax)は、事前に設定した値を、ゲートウエイノードが稼動した後においても、ソフトウェアにて変更可能とし、設定される最大ルータ数に応じてリニアーツリー構造またはクラスターツリー構造への自律的な対応を可能としていることで、同じく上述した課題を解決した。 In addition, the maximum number of child nodes (C max ), the maximum number of routers (R max ), and the maximum number of hops (D max ) that each node has in common are set to preset values after the gateway node is operated. However, the above-mentioned problem has been solved by making it possible to change it by software and making it possible to autonomously support a linear tree structure or a cluster tree structure according to the maximum number of routers set.

さらに、時刻同期方式については、親ノード(PN)となるGNまたはRNにマスタークロック、子ノード(CN)となるRNまたはSNにスレーブクロックを実装させることにより、CNが有している時刻情報とPNが有している時刻情報とのズレ量を計算し、マスタークロックの時刻に同期するため、PNとCN間またはGNとGN以外の全ノード(RNまたはSN)間において、それぞれが持つ時刻情報を、マスタークロックとスレーブクロック間の誤差許容時間内に最低1回送信する方式をとり、計測データの送信フレームに重畳させることで、同じく上述した課題を解決した。   Furthermore, with respect to the time synchronization method, the GN or RN serving as the parent node (PN) implements the master clock, and the RN or SN serving as the child node (CN) is mounted with the slave clock, so that the CN has time information and The amount of time difference between the time information held by the PN is calculated and synchronized with the time of the master clock, so that the time information held by each of the PN and CN or all nodes (RN or SN) other than the GN and GN The above-mentioned problem has been solved by using a method of transmitting at least once within an allowable error time between the master clock and the slave clock and superimposing them on the transmission frame of the measurement data.

また、ネットワーク構成については、各ノードのグループを作り、各ノードが所属するグループ毎に通信可能な時間帯および同一グループに所属するノード間における通信可能な時間帯をそれぞれ設定し、クラスターツリーまたはリニアーツリーのネットワーク構成に依らず、自律的に動作する方式を採用したことで、同じく上述した課題を解決した。   For network configuration, create a group for each node, set the time zone for communication for each group to which each node belongs and the time zone for communication between nodes belonging to the same group. The above-mentioned problem was solved by adopting a method that operates autonomously regardless of the network configuration of the tree.

加えて、クラスターツリー時のグループ番号計算式は、
GN=1、
OWN=(GPN−1)×Rmax+n+1;n=1,…,Rmax
とし、
一方、リニアーツリー時のグループ番号計算式は、
GN=1、
OWN=GPN+1
とした(ここで、GGN:GNが親ノードとなる場合のグループ番号、GPN:親ノードのグループ番号、GOWN:自ノードが親ノードとなる場合のグループ番号)ことで、同じく上述した課題を解決した。
In addition, the group number formula for the cluster tree is
G GN = 1,
G OWN = (G PN -1) × R max + n + 1; n = 1, ..., R max
age,
On the other hand, the group number calculation formula at the time of linear tree is
G GN = 1,
G OWN = G PN +1
(Where G GN : group number when GN is a parent node, G PN : group number of parent node, G OWN : group number when its own node is a parent node) Solved the problem.

また、センサによる計測および計測データ送受信、時刻同期情報送受信、ネットワーク構築、中継機能によるフレーム転送を行っていない間は、時計機能以外の全ての機能(CPU部、RF部、センサ部)をスリープさせる方式とし、センサによる計測を行っている場合には、RF部をスリープさせる方式とし、中継機能によるフレーム転送を行う場合には、センサ部をスリープさせる方式を採用したことで、同じく上述した課題を解決した。   In addition, all functions (CPU unit, RF unit, sensor unit) other than the clock function are put to sleep while measurement by the sensor and measurement data transmission / reception, time synchronization information transmission / reception, network construction, and frame transfer by the relay function are not performed. When the measurement is performed by the sensor, the RF unit is set to sleep, and when the frame transfer is performed by the relay function, the sensor unit is set to sleep. Settled.

本発明によれば、電力消費の要因であるRF通信時間の短縮化を図ることで、通信時のCPU処理時間も短縮化されることから、通信データ量および送信回数を減らすことができ、バッテリーの省電力化を図ることができる。   According to the present invention, by shortening the RF communication time that is a factor of power consumption, the CPU processing time at the time of communication is also shortened, so the amount of communication data and the number of transmissions can be reduced, and the battery The power saving can be achieved.

すなわち、1台のゲートウエイノード(GN)を頂点とし、その配下に、中継機能を持つルータノード(RN)または中継機能を持たないセンサノード(SN)を接続して成る広範囲スペース内で使用される多段接続によるネットワーク構成を備え、無線による通信のために、各ノードには最大子ノード数(Cmax)、最大ルータ数(Rmax)、最大ホップ数(Dmax)で決定される、一意なアドレスを付与されるので、例えば、データのノード間伝送に関し、クラスターツリーによるネットワークを構成する各ノードには、最大子ノード数、最大ルータ数、最大ホップ数の動作パラメータの値が全て共通であり、且つ最大ルータ数が2以上とするクラスターツリー構造とするか、あるいは、データのノード間伝送に関し、リニアーツリーによるネットワークを構成する各ノードには、最大子ノード数、最大ルータ数、最大ホップ数のパラメータの値が全て共通であり、且つ最大ルータ数が1とすることで、通信時のCPU処理時間が短縮化され、通信データ量および送信回数を減らすことができる。尚、このデータは、計測データおよび動作パラメータを意味する。 In other words, it is used in a wide space where one gateway node (GN) is the apex, and a router node (RN) having a relay function or a sensor node (SN) having no relay function is connected to the top node. Each node has a network configuration with multi-stage connection, and for wireless communication, each node is determined by a maximum number of child nodes (C max ), a maximum number of routers (R max ), and a maximum number of hops (D max ). Since addresses are assigned, for example, regarding the transmission of data between nodes, the values of the operation parameters such as the maximum number of child nodes, the maximum number of routers, and the maximum number of hops are all common to each node constituting the cluster tree network. And a cluster tree structure with a maximum number of routers of 2 or more, or linear transmission of data between nodes Each node composing the tree network has the same number of parameters for the maximum number of child nodes, the maximum number of routers, and the maximum number of hops, and the maximum number of routers is 1, so that the CPU processing time during communication is Can be shortened, and the amount of communication data and the number of transmissions can be reduced. This data means measurement data and operation parameters.

このように、一意に決まる通信アドレスから、目的のノードと通信を行う際に、通信相手が、親ノードまたは子ノードの時には、直接通信可能なため直接送信することができ、直接通信可能ではない場合には、中継機能をもつ親ノードか子ノードにデータを送信するだけで済む。   In this way, when communicating with a target node from a uniquely determined communication address, when the communication partner is a parent node or a child node, direct communication is possible and direct transmission is possible, and direct communication is not possible. In this case, it is only necessary to transmit data to a parent node or a child node having a relay function.

また、送信されたフレームを受信したノードは、その宛先アドレスが自分宛でなければ、ツリー構造の最短経路を使って、その転送先を決定し、その転送先にデータを送信する。こうすることにより、データは、ツリー上の最短経路を通りながら、目的のノードへ運ばれることになる。   Further, if the destination address is not addressed to itself, the node receiving the transmitted frame determines the transfer destination using the shortest path in the tree structure, and transmits data to the transfer destination. By doing so, the data is carried to the target node through the shortest path on the tree.

さらに、前記の各ノードが共通で持つ、最大子ノード数(Cmax)、最大ルータ数(Rmax)、最大ホップ数(Dmax)は、事前に設定した値を、ゲートウエイノードが稼動した後においても、ソフトウェアにて変更可能とし、設定される最大ルータ数に応じてリニアーツリー構造またはクラスターツリー構造への自律的な対応を可能としているので、通信時のCPU処理時間も短縮化され、通信データ量および送信回数を減らすことができる。 Further, the maximum number of child nodes (C max ), the maximum number of routers (R max ), and the maximum number of hops (D max ) that each of the nodes has in common are set to preset values after the gateway node operates. However, it can be changed by software, and depending on the maximum number of routers that can be set, it is possible to autonomously support a linear tree structure or cluster tree structure. The amount of data and the number of transmissions can be reduced.

また、時刻同期方式については、親ノード(PN)となるGNまたはRNにマスタークロック、子ノード(CN)となるRNまたはSNにスレーブクロックを実装させることにより、CNが有している時刻情報とPNが有している時刻情報とのズレ量を計算し、マスタークロックの時刻に同期するため、PNとCN間またはGNとGN以外の全ノード(RNまたはSN)間において、それぞれが持つ時刻情報を、マスタークロックとスレーブクロック間の誤差許容時間内に最低1回送信する方式をとり、計測データの送信フレームに重畳させるので、データの送信回数を削減することができる。   As for the time synchronization method, the GN or RN serving as the parent node (PN) implements the master clock, and the RN or SN serving as the child node (CN) is mounted with the slave clock, so that the CN has time information and The amount of time difference between the time information held by the PN is calculated and synchronized with the time of the master clock, so that the time information held by each of the PN and CN or all nodes (RN or SN) other than the GN and GN Is transmitted at least once within the allowable error time between the master clock and the slave clock, and is superimposed on the measurement data transmission frame, so that the number of data transmissions can be reduced.

加えて、ネットワーク構成については、各ノードのグループを作り、各ノードが所属するグループ毎に通信可能な時間帯および同一グループに所属するノード間における通信可能な時間帯をそれぞれ設定し、クラスターツリーまたはリニアーツリーのネットワーク構成に依らず、自律的に動作する方式を採用したので、データの送信を無くすことができる。しかも、この方式を適用することで、他のノードとのRF通信時における混信が軽減され、リトライによるデータ送信回数を削減することができる。   In addition, for the network configuration, create a group of each node, set the time zone for communication for each group to which each node belongs and the time zone for communication between nodes belonging to the same group, respectively, Since a system that operates autonomously is employed regardless of the network configuration of the linear tree, data transmission can be eliminated. Moreover, by applying this method, interference during RF communication with other nodes can be reduced, and the number of data transmissions due to retries can be reduced.

また、クラスターツリー時のグループ番号計算式は、
GN=1、
OWN=(GPN−1)×Rmax+n+1;n=1,…,Rmax
とし、
一方、リニアーツリー時のグループ番号計算式は、
GN=1、
OWN=GPN+1
としたグルーピングを行うことにより、各グループが通信可能な時間帯を時分割することができる。これにより他のグループでは、ノードの通信が発生しないため、当該グループのノードの通信を確実に行うことができる。
Also, the group number calculation formula at the time of cluster tree is
G GN = 1,
G OWN = (G PN -1) × R max + n + 1; n = 1, ..., R max
age,
On the other hand, the group number calculation formula at the time of linear tree is
G GN = 1,
G OWN = G PN +1
By performing the above grouping, the time zone in which each group can communicate can be time-divided. As a result, in other groups, no node communication occurs, so that the nodes in the group can reliably communicate.

尚、同一グループ内に属するノードの通信も、時分割されているため、システム全体で、同一時間に通信を行うノードは存在しない。   In addition, since communication of nodes belonging to the same group is also time-shared, there is no node that performs communication at the same time in the entire system.

この他、センサによる計測および計測データ送受信、時刻同期情報送受信、ネットワーク構築、中継機能によるフレーム転送を行っていない間は、時計機能以外の全ての機能(CPU部、RF部、センサ部)をスリープさせる方式とし、センサによる計測を行っている場合には、RF部をスリープさせる方式とし、中継機能によるフレーム転送を行う場合には、センサ部をスリープさせる方式を採用したので、RF通信時間の削減およびCPU動作時間の削減に加えて、動作時間外については、RF部・CPU部・センサ部のスリープによるバッテリーの省電力化を図ることができる。   In addition to this, all functions (CPU unit, RF unit, sensor unit) other than the clock function sleep while measurement by the sensor and measurement data transmission / reception, time synchronization information transmission / reception, network construction, and frame transfer by the relay function are not performed. When the measurement is performed by the sensor, the RF unit is set to sleep. When the frame transfer by the relay function is performed, the sensor unit is set to sleep, so the RF communication time is reduced. In addition to the reduction in the CPU operation time, the battery power can be saved by sleeping the RF unit, the CPU unit, and the sensor unit outside the operation time.

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明に係るワイヤレスセンサネットワークの省電力化システムは、主として広範囲スペース内で使用される二次元的なネットワーク構成である、所謂ZigBee方式と称するクラスターツリー構成と、主として狭範囲スペース内で使用される一次元的なネットワーク構成であるリニアーツリー構成との互いに独立した構成を、ネットワークブラウザ上での設定パラメータに基づいて変更される動作パラメータ(Cmax、Rmax、Dmax、etc)のうちの最大ルータ数(Rmax)に応じて、自律的に切替えられるものである。 The wireless sensor network power saving system according to the present invention is a two-dimensional network configuration mainly used in a wide space, that is, a so-called ZigBee cluster tree configuration, and mainly used in a narrow space. The maximum of the operation parameters (C max , R max , D max , etc) that are changed based on the setting parameters on the network browser are mutually independent from the linear tree configuration that is a one-dimensional network configuration. It is switched autonomously according to the number of routers (R max ).

複数の無線通信ノードを用いてネットワークを構成する際、1台のノードを頂点とし、その配下に、中継機能を持つノードまたは中継機能を持たないノードを接続する。このとき、頂点となるノードをゲートウエイノード(GN)とし、中継機能を持つノードをルータノード(RN)とし、中継機能を持たないノードをセンサノード(SN)とする。また、頂点(=第0層)のノード:GNを、親ノード:PNとする。この親ノード:GNに接続する、下層(=第1層)のRNまたはSNを子ノード:CNとする。そして、無線による通信のために、各ノードには、0,1,2,…と重複のない番号によるアドレスが付与されている。   When configuring a network using a plurality of wireless communication nodes, a node is a vertex, and a node having a relay function or a node not having a relay function is connected to the node. At this time, a node as a vertex is a gateway node (GN), a node having a relay function is a router node (RN), and a node having no relay function is a sensor node (SN). Further, the node (GN) of the vertex (= 0th layer) is set as the parent node: PN. The RN or SN of the lower layer (= first layer) connected to this parent node: GN is defined as a child node: CN. For wireless communication, each node is assigned an address with a number that does not overlap with 0, 1, 2,.

本形態におけるワイヤレスセンサネットワークでは、各ノード(RNまたはSN)が、センシングデータとして、例えば、センサが計測したデータをGNに送信(上り方向の通信:GN←RNまたはSN)する。また、通信関連の動作パラメータをGNから各ノード(RNまたはSN)に送信(下り方向の通信:GN→RNまたはSN)する。   In the wireless sensor network in this embodiment, each node (RN or SN) transmits, for example, data measured by the sensor to the GN as sensing data (uplink communication: GN ← RN or SN). Also, communication-related operation parameters are transmitted from the GN to each node (RN or SN) (downward communication: GN → RN or SN).

第1層の親ノード:RNの配下には、さらにその下層(第2層)に、RNまたはSNが接続可能となるため、RNが、配下に子ノードを持つ場合、RNはその子ノードに対する親ノードとなる。   First layer parent node: Since RN or SN can be connected to the lower layer (second layer) under the RN, if the RN has a child node under the RN, the RN is the parent to the child node. Become a node.

中継機能を持つノード:RNの配下(下層)に、さらに中継機能を持つノード:RNが子ノードとして接続することにより、多段接続(マルチホップ)が可能となり、これによって複数の無線通信ノードから構成される無線ネットワークを構築することができる。   Node with relay function: Node under RN (lower layer): Node with further relay function: RN is connected as a child node, so multi-stage connection (multi-hop) is possible, thereby comprising multiple wireless communication nodes Wireless network can be constructed.

次に、図8に示すように、動作パラメータ:Cmax=4、Rmax=2、Dmax=3における、ワイヤレスセンサネットワークの構成例について説明する。 Next, as shown in FIG. 8, a configuration example of the wireless sensor network in the operation parameters: C max = 4, R max = 2 and D max = 3 will be described.

この無線通信ノードによるネットワークを構成する際、1台のPN(=GNまたはRN)に接続可能な、CN(RNまたはSN)の総数を、最大子ノード数:Cmaxとする。さらに、Cmaxのうち、中継機能を持つノード:RNの総数を、最大ルータ子ノード数:Rmax(Cmax≧Rmax)とする。また、1台のGNの階層を0として、このGNから中継ノード:RNを介して接続することができるSNまでの接続段数を、最大階層(=ホップ)数:Dmaxとする。CmaxおよびRmaxは、クラスターツリー構成およびリニアーツリー構成によらず、ネットワークの全階層において一定の値となるため、階層位置によらず変化しない。 When configuring a network using this wireless communication node, the total number of CNs (RN or SN) that can be connected to one PN (= GN or RN) is the maximum number of child nodes: C max . Further, among C max , the total number of nodes having relay functions: RN is set to the maximum number of router child nodes: R max (C max ≧ R max ). Also, assuming that the hierarchy of one GN is 0, the number of connection stages from this GN to the SN that can be connected via the relay node: RN is the maximum number of layers (= hops): Dmax . C max and R max are constant values in all layers of the network regardless of the cluster tree configuration and the linear tree configuration, and thus do not change regardless of the layer position.

ここで、Rmax≧2の場合がクラスターツリー構成に相当し、Rmax=1の場合、前述のリニアーツリー構成に相当する。クラスターツリー構成は、例えば、オフィスや農作物畑等の2次元的なスペース内での利用に適したネットワーク構成である。一方、リニアーツリー構成は、例えば、トンネルやビニールハウス等の長辺が短辺に対して極端に長い1次元的なスペース内での利用に適したネットワーク構成である。 Here, the case of R max ≧ 2 corresponds to the cluster tree configuration, and the case of R max = 1 corresponds to the linear tree configuration described above. The cluster tree configuration is a network configuration suitable for use in a two-dimensional space such as an office or a crop field. On the other hand, the linear tree configuration is a network configuration suitable for use in a one-dimensional space whose long side is extremely long with respect to the short side, such as a tunnel or a plastic house.

また、上記のどちらのネットワーク構成も可能な、動作パラメータ:Cmax、Rmax、Dmaxで決定され、各ノードには、動作パラメータ:Cmax、Rmax、Dmaxで決定される一意なアドレスが付与されている。また、動作パラメータ:Cmax、Rmax、Dmaxは、事前に設定した値を、GNが稼動した後においても、ソフトウェアにて変更することができるため、リニアーツリー構造またはクラスターツリー構造への対応を柔軟に行えるようにしている。 In addition, each of the network configurations described above is determined by operation parameters: C max , R max , D max , and each node has a unique address determined by operation parameters: C max , R max , D max Is granted. In addition, since the operation parameters: C max , R max , and D max can be changed by software even after the GN is activated, it is possible to correspond to the linear tree structure or the cluster tree structure. Can be done flexibly.

具体的にクラスターツリー構成について説明すると、図1に示すように、階層d=0にあるアドレス0のGNをデータ収集用のノードにして、例えば、階層d=1に中継機能を有するアドレス1と14の2つのRNと、中継機能を有しないアドレス27と28の2つのSNのそれぞれを配している。   Specifically, the cluster tree configuration will be described. As shown in FIG. 1, the GN of the address 0 in the hierarchy d = 0 is set as a data collection node, for example, the address 1 having a relay function in the hierarchy d = 1. 14 RNs and two SNs of addresses 27 and 28 not having a relay function are arranged.

また、階層d=2に中継機能を有するアドレス2,7,15,20の4つのRNと、中継機能を有しないアドレス12,13,25,26の4つのSNのそれぞれを配している。   Further, four RNs of addresses 2, 7, 15, and 20 having a relay function and four SNs of addresses 12, 13, 25, and 26 having no relay function are arranged in the hierarchy d = 2.

さらに、階層d=3に中継機能を有しないアドレス3,4,5,6,8,9,10,11,16,17,18,19,21,22,23,24の16個のSNを配している。このとき、RNはSNの機能を併せ持っている。   Further, 16 SNs of addresses 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 16, 17, 18, 19, 21, 21, 22, 23, 24 that do not have a relay function in the hierarchy d = 3 are obtained. Arranged. At this time, the RN also has an SN function.

以上のようなクラスターツリー構成でのデータ(計測データおよび動作パラメータ等)のノード間伝送に関する具体的なノードアドレス計算式は、
skip(d)=(1+(Cmax−Rmax)−(Cmax×Rmax (Dmax−d−1)))/(1−Rmax):d=0,…,(Dmax−1)
GN=0
RN(d)=APN+1+Cskip(d−1)×(n−1):d=1,…,Dmax、n=1,…,Rmax
SN(d)=APN+Cskip(d−1)×Rmax+n:d=1,…,Dmax、n=1,…,(Cmax−Rmax
ここで、Cmaxは最大子ノード数、Rmaxは最大ルータ数、Dmaxは最大ホップ数である。また、AGNはゲートウエイノードアドレス、ARNはルータノードアドレス、ASNはセンサノードアドレス、APNは親ノードアドレスである。
The specific node address calculation formula for the inter-node transmission of data (measurement data, operation parameters, etc.) in the cluster tree configuration as described above is as follows:
C skip (d) = (1+ (C max −R max ) − (C max × R max (Dmax−d−1) )) / (1−R max ): d = 0,..., (D max −1 )
A GN = 0
A RN (d) = A PN + 1 + C skip (d−1) × (n−1): d = 1,..., D max , n = 1 ,.
A SN (d) = A PN + C skip (d−1) × R max + n: d = 1,..., D max , n = 1,..., (C max −R max )
Here, C max is the maximum number of child nodes, R max is the maximum number of routers, and D max is the maximum number of hops. A GN is a gateway node address, A RN is a router node address, A SN is a sensor node address, and A PN is a parent node address.

このクラスターツリー構成において、動作パラメータ:Cmax、Rmax、Dmaxが全ノードで共通であり、このうち最大ルータ数Rmaxは2以上となる。 In this cluster tree configuration, operation parameters: C max , R max , D max are common to all nodes, and the maximum number of routers R max is 2 or more.

尚、上位ノードと下位ノードとの2点間に着目した場合において、上位側を親ノード(PN)、下位側を子ノード(CN)と称する。   When attention is paid to two points between the upper node and the lower node, the upper side is referred to as a parent node (PN) and the lower side is referred to as a child node (CN).

例えば、Cmax=4、Rmax=2、Dmax=3、GNの階層d=0とすると、スキップ値は、Cskip(0)=1+4−2−4×2(3−0−1)/(1−2)=13となる。同様に、d=1の場合、Cskip(1)=5となり、また、d=2の場合、Cskip(2)=1となる。 For example, if C max = 4, R max = 2, D max = 3, and the GN hierarchy d = 0, the skip value is C skip (0) = 1 + 4-2-4 × 2 (3-0-1) / (1-2) = 13. Similarly, when d = 1, C skip (1) = 5, and when d = 2, C skip (2) = 1.

RNのアドレス計算は、d=1の場合、APN=AGN=0であるから、ARN(1)=0+1+Cskip(0)×(n−1)=1+13×(n−1)となり、ここでnは1または2であるから、n=1のときARN(1)=1、n=2のときARN(1)=14となる。d=2の場合は、APN=ARN=1又は14となり、APN=1のとき、ARN(2)=1+1+Cskip(1)×(n−1)=2+5×(n−1)となる。ここでn=1のときはARN(2)=2、n=2のときはARN(2)=7となる。同様に、d=2の場合、APN=14であって、n=1のときはARN(2)=15、n=2のときはARN(2)=20となる。同様に、d=3の場合、APN=ARN(2)=2,7,15,20の4つとなり、APN=2であって、n=1のときはARN(3)=3、n=2のときはARN(3)=4となる。また、APN=7であって、n=1のときはARN(3)=8、n=2のときはARN(3)=9となる。また、APN=15であって、n=1のときはARN(3)=16、n=2のときはARN(3)=17となる。また、APN=20であって、n=1のときはARN(3)=21、n=2のときはARN(3)=22となる。ここで、d=3=Dmaxであるから、ARN(3)はルータノードとしてではなくセンサノードとして動作するものとなり、中継機能を無効にする。 Since the calculation of the address of RN is A PN = A GN = 0 when d = 1, A RN (1) = 0 + 1 + C skip (0) × (n−1) = 1 + 13 × (n−1) Here, since n is 1 or 2, A RN (1) = 1 when n = 1, and A RN (1) = 14 when n = 2. When d = 2, A PN = A RN = 1 or 14, and when A PN = 1, A RN (2) = 1 + 1 + C skip (1) × (n−1) = 2 + 5 × (n−1) It becomes. Here, when n = 1, A RN (2) = 2, and when n = 2, A RN (2) = 7. Similarly, when d = 2, A PN = 14, and when n = 1, A RN (2) = 15, and when n = 2, A RN (2) = 20. Similarly, when d = 3, A PN = A RN (2) = 2, 7, 15, and 20, and when A PN = 2 and n = 1, A RN (3) = 3. When n = 2, A RN (3) = 4. Further, when A PN = 7 and n = 1, A RN (3) = 8, and when n = 2, A RN (3) = 9. Further, when A PN = 15 and n = 1, A RN (3) = 16, and when n = 2, A RN (3) = 17. Further, when A PN = 20 and n = 1, A RN (3) = 21, and when n = 2, A RN (3) = 22. Here, since d = 3 = D max , A RN (3) operates as a sensor node, not as a router node, and invalidates the relay function.

また、SNのアドレス計算は、d=1の場合、APN=AGN=0だから、ASN(1)=0+Cskip(0)×2+n=0+13×2+n=n+26となり、Cmax−Rmax=4−2=2だから、n=1または2となるので、n=1のときASN(1)=1+26=27、n=2のときASN(1)=2+26=28となる。また、d=2の場合、APN=ARN(1)=1,14となり、APN=1であってn=1のときASN(2)=12、n=2のときASN(2)=13となる。また、APN=14であってn=1のときASN(2)=25、n=2のときASN(2)=26となる。また、d=3の場合、APN=ARN(2)=2,7,15,20の4つとなり、APN=2であってn=1のときASN(3)=5、n=2のときASN(3)=6となる。また、APN=7であってn=1のときASN(3)=10、n=2のときASN(3)=11となる。また、APN=15であってn=1のときASN(3)=18、n=2のときASN(3)=19となる。また、APN=20であってn=1のときASN(3)=23、n=2のときASN(3)=24となる。 In addition, since the SN address calculation is A PN = A GN = 0 when d = 1, A SN (1) = 0 + C skip (0) × 2 + n = 0 + 13 × 2 + n = n + 26 and C max −R max = Since 4-2 = 2, n = 1 or 2. Therefore, ASN (1) = 1 + 26 = 27 when n = 1, and ASN (1) = 2 + 26 = 28 when n = 2. Further, when d = 2, A PN = A RN (1) = 1, 14, and when A PN = 1 and n = 1, A SN (2) = 12, and when n = 2, A SN ( 2) = 13. Further, when A PN = 14 and n = 1, A SN (2) = 25, and when n = 2, A SN (2) = 26. In addition, when d = 3, A PN = A RN (2) = 2, 7, 15, and 20, and when A PN = 2 and n = 1, A SN (3) = 5, n When A = 2, A SN (3) = 6. When A PN = 7 and n = 1, A SN (3) = 10, and when n = 2, A SN (3) = 11. Further, when A PN = 15 and n = 1, A SN (3) = 18, and when n = 2, A SN (3) = 19. When A PN = 20 and n = 1, A SN (3) = 23, and when n = 2, A SN (3) = 24.

こうして、階層d=0にあるアドレス0のGNから、階層d=1におけるアドレス1,14のRN、アドレス27,28のSNそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層d=1にあるアドレス1のRNから階層d=2におけるアドレス2,7のRN、アドレス12,13のSNそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層d=1にあるアドレス14のRNから階層d=2におけるアドレス15,20のRN、アドレス25,26のSNそれぞれに動作パラメータを伝送する。また、階層d=2にあるアドレス2のRNから、階層d=3のアドレス3,4,5,6のSNに動作パラメータを伝送し、階層d=2にあるアドレス7のRNから、階層d=3におけるアドレス8,9,10,11のSNに動作パラメータを伝送し、階層d=2にあるアドレス15のRNから、階層d=3におけるアドレス16,17,18,19のSNに動作パラメータを伝送し、階層d=2にあるアドレス20のRNから、階層d=3におけるアドレス21,22,23,24のSNに動作パラメータを伝送する。   In this way, the operating parameters are transmitted from the GN at address 0 in the hierarchy d = 0 to the RNs at addresses 1 and 14 and SNs at addresses 27 and 28 in the hierarchy d = 1, and the RN at address 1 in the hierarchy d = 1. From the RN of the address 14 in the hierarchy d = 2 to the SNs of the addresses 12 and 13, respectively, and the RN of the address 14 in the hierarchy d = 1 to the RN of the addresses 15 and 20 in the hierarchy d = 2, The operating parameters are transmitted to the SNs of addresses 25 and 26, respectively. Further, the operation parameter is transmitted from the RN of the address 2 in the hierarchy d = 2 to the SNs of the addresses 3, 4, 5 and 6 in the hierarchy d = 3, and from the RN of the address 7 in the hierarchy d = 2 to the hierarchy d. Operation parameter is transmitted to the SNs of addresses 8, 9, 10, and 11 at = 3, and the operation parameter is transmitted from the RN at address 15 at the layer d = 2 to the SNs of addresses 16, 17, 18, and 19 at the layer d = 3. And the operation parameters are transmitted from the RN of the address 20 in the hierarchy d = 2 to the SNs of the addresses 21, 22, 23, and 24 in the hierarchy d = 3.

一方、計測データは、階層d=3におけるアドレス3,4,5,6のSNから、階層d=2におけるアドレス2のRNに伝送され、階層d=3におけるアドレス8,9,10,11のSNから、階層d=2におけるアドレス7のRNに伝送され、階層d=3におけるアドレス16,17,18,19のSNから、階層d=2におけるアドレス15のRNに伝送され、階層d=3におけるアドレス21,22,23,24のSNから、階層d=2におけるアドレス20のRNに伝送される。また、計測データは、階層d=2にあるアドレス2,7のRNおよびアドレス12,13のSNから、階層d=1におけるアドレス1のRNに伝送され、階層d=2にあるアドレス15,20のRNおよびアドレス25,26のSNから、階層d=1におけるアドレス14のRNに伝送される。さらに、計測データは、階層d=1におけるアドレス1,14のRNおよびアドレス27,28のSNから、階層d=0におけるアドレス0のGNに伝送される。   On the other hand, the measurement data is transmitted from the SNs of addresses 3, 4, 5 and 6 in the hierarchy d = 3 to the RN of the address 2 in the hierarchy d = 2 and the addresses 8, 9, 10 and 11 in the hierarchy d = 3. SN is transmitted to the RN of the address 7 in the hierarchy d = 2, and is transmitted from the SN of the addresses 16, 17, 18 and 19 in the hierarchy d = 3 to the RN of the address 15 in the hierarchy d = 2, and the hierarchy d = 3. Is transmitted from the SN of the addresses 21, 22, 23, and 24 to the RN of the address 20 in the hierarchy d = 2. The measurement data is transmitted from the RN of addresses 2 and 7 in the hierarchy d = 2 and the SN of addresses 12 and 13 to the RN of address 1 in the hierarchy d = 1, and addresses 15 and 20 in the hierarchy d = 2. RN and SN of addresses 25 and 26 are transmitted to RN of address 14 in layer d = 1. Further, the measurement data is transmitted from the RN of the addresses 1 and 14 in the hierarchy d = 1 and the SN of the addresses 27 and 28 to the GN of the address 0 in the hierarchy d = 0.

リニアーツリー構成は、図2に示すように、階層d=0にあるアドレス00のGNをデータ収集用のノードにして、例えば、階層d=1に中継機能を有するアドレス10の1つのRNと、中継機能を有しないアドレス11,12,13の3つのSNのそれぞれを配し、階層d=2に中継機能を有するアドレス20の1つのRNと、中継機能を有しないアドレス21,22,23の3つのSNのそれぞれを配し、階層d=3に中継機能を有しないアドレス30,31,32,33の4個のSNを配している。このとき、RNはSNの機能を併せ持っている。   As shown in FIG. 2, the linear tree configuration is such that the GN at the address 00 in the hierarchy d = 0 is a data collection node, for example, one RN of the address 10 having a relay function in the hierarchy d = 1, Each of the three SNs of the addresses 11, 12, and 13 having no relay function is arranged, one RN of the address 20 having the relay function in the layer d = 2, and addresses 21, 22, and 23 having no relay function Each of the three SNs is arranged, and four SNs of addresses 30, 31, 32, and 33 having no relay function are arranged in the hierarchy d = 3. At this time, the RN also has an SN function.

以上のようなリニアーツリー構成でのデータ(計測データおよび動作パラメータ等)のノード間伝送に関するノードアドレス計算式は、
skip=固定値
GN=0
RN(d)=d×Cskip:d=1,…,Dmax
SN(d)=ARN(d)+n:d=1,…,Dmax、n=1,…,Cmaxである。
The node address calculation formula for inter-node transmission of data (measurement data, operation parameters, etc.) in the above linear tree configuration is as follows:
C skip = fixed value A GN = 0
A RN (d) = d × C skip : d = 1,..., D max
A SN (d) = A RN (d) + n: d = 1,..., D max , n = 1 ,.

ここで、Cskipは階層dに依存することなく固定値をとる。リニアーツリー構成においても、動作パラメータ:Cmax、Rmax、Dmaxが全ノードで共通であり、最大ルータ数Rmaxは1となる。 Here, C skip takes a fixed value without depending on the hierarchy d. Also in the linear tree configuration, the operation parameters: C max , R max , D max are common to all nodes, and the maximum number of routers R max is 1.

例えば、動作パラメータ:Cmax=4、Rmax=1、Dmax=3としたとき、リニアーツリー構成でのCskip値は、階層dに依らずに一定値となっているため、例えば、この固定値を10と設定すれば、d=1の場合、ARN(1)=1×Cskip=1×10=10となり、d=2の場合、ARN(2)=20、d=3の場合、ARN(3)=30となる。ここでd=3=Dmaxであるため、ARN(3)はRNではなくSNとして動作する。尚、固定値は、環境、例えば、子ノード(CN)の数量等に応じて変更可能である。 For example, when the operation parameters are C max = 4, R max = 1, and D max = 3, the C skip value in the linear tree configuration is a constant value regardless of the hierarchy d. If the fixed value is set to 10, when d = 1, A RN (1) = 1 × C skip = 1 × 10 = 10, and when d = 2, A RN (2) = 20, d = 3 In this case, A RN (3) = 30. Here, since d = 3 = D max , A RN (3) operates as SN, not RN. The fixed value can be changed according to the environment, for example, the number of child nodes (CN).

また、SNのアドレス計算は、ASN(d)=ARN(d)+n=d×Cskip+nなので、d=1の場合、ASN(1)=1×10+n=10+nとなり、n=1のとき、ASN(1)=11、n=2のとき、ASN(1)=12、n=3のとき、ASN(1)=13となる。また、d=2の場合は、n=1のときASN(2)=21、n=2のときASN(2)=22、n=2のときASN(2)=23となる。また、d=3の場合は、n=1のときASN(3)=31、n=2のときASN(3)=32、n=3のときASN(3)=33となる。 In addition, since the SN address calculation is A SN (d) = A RN (d) + n = d × C skip + n, when d = 1, A SN (1) = 1 × 10 + n = 10 + n and n = 1 When A SN (1) = 11, n = 2, A SN (1) = 12, and when n = 3, A SN (1) = 13. When d = 2, A SN (2) = 21 when n = 1, A SN (2) = 22 when n = 2, and A SN (2) = 23 when n = 2. When d = 3, A SN (3) = 31 when n = 1, A SN (3) = 32 when n = 2, and A SN (3) = 33 when n = 3.

こうして、階層d=0にあるアドレス0のGNから、階層d=1におけるアドレス10のRNおよびアドレス11,12,13のSNのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層d=1にあるアドレス10のRNから階層d=2におけるアドレス20のRNおよびアドレス21,22、23のSNのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層d=2にあるアドレス20のRNから階層d=3におけるアドレス30,31,32,33のSNに動作パラメータを伝送する。   In this way, the operating parameters are transmitted from the GN at address 0 in the hierarchy d = 0 to the RN at address 10 and the SNs at addresses 11, 12, and 13 in the hierarchy d = 1, and the address 10 at the hierarchy d = 1. The operating parameters are transmitted from the RN to the RN of the address 20 in the hierarchy d = 2 and the SNs of the addresses 21, 22, 23, respectively, and from the RN of the address 20 in the hierarchy d = 2 to the addresses 30, 31, The operating parameters are transmitted to 32 and 33 SNs.

一方、計測データは、階層d=3におけるアドレス30,31,32,33のSNから、階層d=2におけるアドレス20のRNに伝送され、階層d=2におけるアドレス20のRNおよびアドレス21,22,23のSNから、階層d=1におけるアドレス10のRNおよびアドレス11,12,13のSNから、階層d=0におけるアドレス0のGNに伝送される。   On the other hand, the measurement data is transmitted from the SN of the addresses 30, 31, 32, and 33 in the hierarchy d = 3 to the RN of the address 20 in the hierarchy d = 2, and the RN and the addresses 21 and 22 of the address 20 in the hierarchy d = 2. 23 from the SN of address 10 and SNs of addresses 11, 12, and 13 to the GN of address 0 in layer d = 0.

また、通信を行う計測データの種別としては、センシングデータ、時刻同期情報、ネットワーク構成があるが、時刻同期情報、ネットワーク構成のデータ送信回数および送信時間を減らすことにより、省電力化を図っている。   In addition, types of measurement data to be communicated include sensing data, time synchronization information, and network configuration. By reducing time synchronization information, the number of times of data transmission of the network configuration, and transmission time, power saving is achieved. .

親ノード(PN)となるGNまたはRNにマスタークロック、子ノード(CN)となるRNまたはSNにスレーブクロックを実装させることにより、CNが有している時刻情報とPNが有している時刻情報とのズレ量を計算し、マスタークロックの時刻に同期するため、PNとCN間またはGNとGN以外の全ノード(RNまたはSN)間において、それぞれが持つ時刻情報を、マスタークロックとスレーブクロック間の誤差許容時間内に最低1回送信する方式をとり、計測データの送信フレームに重畳させる。   By implementing a master clock in the GN or RN serving as the parent node (PN) and a slave clock in the RN or SN serving as the child node (CN), the time information possessed by the CN and the time information possessed by the PN In order to calculate the amount of misalignment and synchronize with the time of the master clock, the time information of each between the PN and CN or between all nodes (RN or SN) other than GN and GN, between the master clock and the slave clock The method of transmitting at least once within the allowable error time is superimposed on the measurement data transmission frame.

ネットワーク構成については、クラスターツリーの場合は、図3に示すように、また、リニアーツリーの場合は、図4に示すように、それぞれ各ノードのグループを作り、各ノードが所属するグループ毎に通信可能な時間帯および同一グループに所属するノード間における通信可能な時間帯をそれぞれ設定し、ネットワーク構成に依らず自律的に動作する方式とする。すなわち、GNに同時に計測データを送れないようにし、通信タイミングを変えるか、あるいは通信時間を分割する。   As for the network configuration, as shown in FIG. 3 in the case of a cluster tree and as shown in FIG. 4 in the case of a linear tree, each node is grouped, and communication is performed for each group to which each node belongs. A possible time zone and a time zone during which communication is possible between nodes belonging to the same group are set, and the system operates autonomously regardless of the network configuration. That is, the measurement data cannot be simultaneously sent to the GN, and the communication timing is changed or the communication time is divided.

この場合、クラスターツリー時のグループ番号計算式は、GNグループとしてはGGN=1、自分のグループとしてはGOWN=(GPN−1)×Rmax+n+1;n=1,…,Rmaxである。一方、リニアーツリー時のグループ番号計算式は、GNグループとしてはGGN=1、自分のグループとしてはGOWN=GPN+1である。これらはGNと直接通信するノード群のうち、子ノードを持つRNのグループ計算式となる。ここで、GGN はGNのグループ番号、GPN は親ノードのグループ番号、GOWN は自ノードが親ノードとなる場合のグループ番号である。 In this case, the group number calculation formula at the time of the cluster tree, G GN = 1 The GN group, G OWN = (G PN -1 ) as the own group × R max + n + 1; n = 1, ..., with R max is there. On the other hand, the group number calculation formula at the time of the linear tree is G GN = 1 for the GN group and G OWN = G PN +1 for its own group. These are the group calculation formulas for the RN having child nodes among the nodes that communicate directly with the GN. Here, G GN is the group number of GN, G PN is the group number of the parent node, and G OWN is the group number when the own node is the parent node.

クラスターツリー時のグループ番号計算式で、例えば、d=1に位置するRNの自身のグループ番号は、Rmax=2であるから、GOWN=(1−1)×2+n+1=n+1となり、n=1のときGOWN=1+1=2、n=2のときGOWN=2+1=3となる。d=2に位置するRNの自身のグループ番号は、GPN=2の場合、GOWN=(2−1)×2+n+1=2+n+1=n+3となり、n=1のときGOWN=1+3=4、n=2のときGOWN=2+3=5となる。また、GPN=3の場合、GOWN=(3−1)×2+n+1=4+n+1=n+5となり、n=1のときGOWN=1+5=6、n=2のときGOWN=2+5=7となる。 In the group number calculation formula at the time of the cluster tree, for example, since the group number of the RN located at d = 1 is R max = 2, G OWN = (1-1) × 2 + n + 1 = n + 1, and n = When it is 1, G OWN = 1 + 1 = 2, and when n = 2, G OWN = 2 + 1 = 3. The group number of the RN located at d = 2 is G OWN = (2-1) × 2 + n + 1 = 2 + n + 1 = n + 3 when G PN = 2, and G OWN = 1 + 3 = 4 when n = 1 When G = 2, G OWN = 2 + 3 = 5. In addition, when G PN = 3, G OWN = (3-1) × 2 + n + 1 = 4 + n + 1 = n + 5, when n = 1, G OWN = 1 + 5 = 6, and when n = 2, G OWN = 2 + 5 = 7 .

一方、リニアーツリー時のグループ番号計算式で、GGN=1とする。このとき、Cmax=4、Rmax=1、Dmax=3とすると、GOWN=GPN+1から、d=1に位置するRNのグループ番号は、GPN=GGN=1であるからGOWN=1+1=2となる。また、d=2に位置するRNのグループ番号は、GPN=2であるからGOWN=2+1=3となる。 On the other hand, G GN = 1 in the group number calculation formula for the linear tree. At this time, if C max = 4, R max = 1, and D max = 3, the group number of the RN located at d = 1 from G OWN = GPN +1 is G PN = G GN = 1. G OWN = 1 + 1 = 2. Also, the group number of the RN located at d = 2 is G PN = 2 and therefore G OWN = 2 + 1 = 3.

また、センサによる計測および計測データ送受信、時刻同期情報送受信、ネットワーク構築、中継機能によるフレーム転送を行っていない間は、時計機能以外の全ての機能(CPU部、RF部、センサ部)をスリープさせる方式とし、センサによる計測を行っている場合には、RF部をスリープさせる方式とし、中継機能によるフレーム転送を行う場合には、センサ部をスリープさせる方式とする。
例えば、SNのセンシング時および通信時のみアクティブとなり、それ以外の時間帯ではスリープ状態にする。また、RNのセンシング時および通信時のみアクティブとなり、さらに配下のノードが通信する時間帯にもアクティブとなる。それ以外の時間帯では、スリープ状態にする。特に、電力の消費は無線通信が一番大きいため、不必要な時にはこのように電波の送受信を休止させるのが好都合である。
In addition, all functions (CPU unit, RF unit, sensor unit) other than the clock function are put to sleep while measurement by the sensor and measurement data transmission / reception, time synchronization information transmission / reception, network construction, and frame transfer by the relay function are not performed. When the measurement is performed by the sensor, the RF unit is set to sleep. When the frame transfer is performed by the relay function, the sensor unit is set to sleep.
For example, it becomes active only during SN sensing and communication, and enters a sleep state in other time zones. Moreover, it becomes active only at the time of RN sensing and communication, and also becomes active during a time zone in which subordinate nodes communicate. In other time zones, the sleep mode is set. In particular, since power consumption is the largest in wireless communication, it is convenient to stop transmission / reception of radio waves in this way when unnecessary.

また、センサ情報を送る際の時刻同期機能としては、LTSP(Lightweight Time Sync Protocol)を採用し、図5に示すように、子ノード(CN)を親ノード(PN)と同期する場合と、図6に示すように、RN/SNがGNと同期する場合との2つに分かれる。例えば、各ノード間に1秒の誤差を発生させないためには、1日に2回の同期補正が必要である。   In addition, as a time synchronization function when sending sensor information, LTSP (Lightweight Time Sync Protocol) is adopted, and a child node (CN) is synchronized with a parent node (PN) as shown in FIG. As shown in FIG. 6, there are two cases: RN / SN is synchronized with GN. For example, in order to prevent an error of 1 second between the nodes, synchronization correction is required twice a day.

図5に示すように、親ノード(PN)と同期する場合では、下位におけるノードAからノードBに計測データ+時刻情報が送られ、ノードBからノードAに時刻情報だけが送られる。一方、ノードBからノードCおよびノードCから上位におけるGNには、それぞれ計測データのみが送られる。   As shown in FIG. 5, when synchronizing with the parent node (PN), the measurement data + time information is sent from the lower node A to the node B, and only the time information is sent from the node B to the node A. On the other hand, only the measurement data is sent from the node B to the node C and from the node C to the upper GN.

また、図6に示すように、GNと同期する場合では、下位におけるノードAからノードBおよびノードCおよび上位におけるGNの順に、それぞれ計測データ+時刻情報が送られる。一方、上位におけるGNからノードCおよびノードBおよび下位におけるノードAの順に、時刻情報だけが送られる。   As shown in FIG. 6, when synchronizing with GN, measurement data + time information is sent from node A in the lower order to node B and node C and GN in the higher order, respectively. On the other hand, only time information is sent in the order of the node C and the node B and the node A in the lower order from the GN in the higher order.

尚、動作パラメータとしては、時刻同期動作時では、時刻情報となるが、動作パラメータの変更通知時では、GNから配下の全ノードに配布するため、多数の動作パラメータ(Cmax、Rmax、Dmax、etc)がデータとして流れる。 The operation parameters are time information during the time synchronization operation, but are distributed to all the subordinate nodes from the GN at the time of the change notification of the operation parameters. Therefore, a large number of operation parameters (C max , R max , D max , etc) flows as data.

そして、LTSによる具体的な時刻同期方式としては、図7に示すように、親ノード(PN)と子ノード(CN)との間の時刻同期は、送信時刻Ts、受信時刻Trとすれば、ペイロード:LCN(Ts)およびペイロード:LCN(Ts),LPN(Tr),LPN(Ts)を使った平均化により、親ノード(PN)に対する差分値がOCN=(LPN(Ts)−LCN(Tr)+LPN(Tr)−LCN(Ts))/2で与えられ、これの値を基にして時刻同期補正がなされる。また、この方式においては、親ノード(PN)と子ノード(CN)との間の時刻同期(図中1で示す)と、GNとRN/SNとの間の時刻同期(図中2で示す)とのいずれか一方を選択可能としている。 As a specific time synchronization method by LTS, as shown in FIG. 7, if time synchronization between a parent node (PN) and a child node (CN) is a transmission time Ts and a reception time Tr, By averaging using the payload: L CN (Ts) and the payload: L CN (Ts), L PN (Tr), L PN (Ts), the difference value with respect to the parent node (PN) becomes O CN = (L PN ( Ts) −L CN (Tr) + L PN (Tr) −L CN (Ts)) / 2, and time synchronization correction is performed based on this value. In this method, time synchronization between the parent node (PN) and child node (CN) (indicated by 1 in the figure) and time synchronization between GN and RN / SN (indicated by 2 in the figure) ) Or any one of them can be selected.

次に、以上のように構成された本発明の最良の形態について、使用・動作の一例を説明する。   Next, an example of use and operation of the best mode of the present invention configured as described above will be described.

先ず、クラスターツリー構成について説明する。   First, the cluster tree configuration will be described.

図1に示すように、階層d=0にあるアドレス0のGNから、階層d=1におけるアドレス1,14のRN、アドレス27,28のSNのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層d=1にあるアドレス1のRNから階層d=2におけるアドレス2,7のRN、アドレス12,13のSNのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層d=1にあるアドレス14のRNから階層d=2におけるアドレス15,20のRN、アドレス25,26のSNのそれぞれに動作パラメータを伝送する。また、階層d=2にあるアドレス2のRNから、階層d=3のアドレス3,4,5,6のSNに動作パラメータを伝送し、階層d=2にあるアドレス7のRNから、階層d=3におけるアドレス8,9,10,11のSNに動作パラメータを伝送し、階層d=2にあるアドレス15のRNから、階層d=3におけるアドレス16,17,18,19のSNに動作パラメータを伝送し、階層d=2にあるアドレス20のRNから、階層d=3におけるアドレス21,22,23,24のSNに動作パラメータを伝送する。   As shown in FIG. 1, operating parameters are transmitted from the GN at address 0 in the hierarchy d = 0 to the RNs at addresses 1 and 14 and SNs at addresses 27 and 28 in the hierarchy d = 1, and the hierarchy d = 1. Operating parameters are transmitted from the RN of address 1 to the RNs of addresses 2 and 7 and SNs of addresses 12 and 13 in the layer d = 2, and from the RN of address 14 in the layer d = 1 to the layer d = 2 The operation parameters are transmitted to the RNs of the addresses 15 and 20 and the SNs of the addresses 25 and 26, respectively. Further, the operation parameter is transmitted from the RN of the address 2 in the hierarchy d = 2 to the SNs of the addresses 3, 4, 5 and 6 in the hierarchy d = 3, and from the RN of the address 7 in the hierarchy d = 2 to the hierarchy d. Operation parameter is transmitted to the SNs of addresses 8, 9, 10, and 11 at = 3, and the operation parameter is transmitted from the RN at address 15 at the layer d = 2 to the SNs of addresses 16, 17, 18, and 19 at the layer d = 3. And the operation parameters are transmitted from the RN of the address 20 in the hierarchy d = 2 to the SNs of the addresses 21, 22, 23, and 24 in the hierarchy d = 3.

一方、計測データは、階層d=3におけるアドレス3,4,5,6のSNから、階層d=2におけるアドレス2のRNに伝送され、階層d=3におけるアドレス8,9,10,11のSNから、階層d=2におけるアドレス7のRNに伝送され、階層d=3におけるアドレス16,17,18,19のSNから、階層d=2におけるアドレス15のRNに伝送され、階層d=3におけるアドレス21,22,23,24のSNから、階層d=2におけるアドレス20のRNに伝送される。また、計測データは、階層d=2にあるアドレス2,7のRNおよびアドレス12,13のSNから、階層d=1におけるアドレス1のRNに伝送され、階層d=2にあるアドレス15,20のRNおよびアドレス25,26のSNから、階層d=1におけるアドレス14のRNに伝送される。さらに、計測データは、階層d=1におけるアドレス1,14のRNおよびアドレス27,28のSNから、階層d=0におけるアドレス0のGNに伝送される。   On the other hand, the measurement data is transmitted from the SNs of addresses 3, 4, 5 and 6 in the hierarchy d = 3 to the RN of the address 2 in the hierarchy d = 2 and the addresses 8, 9, 10 and 11 in the hierarchy d = 3. SN is transmitted to the RN of the address 7 in the hierarchy d = 2, and is transmitted from the SN of the addresses 16, 17, 18 and 19 in the hierarchy d = 3 to the RN of the address 15 in the hierarchy d = 2, and the hierarchy d = 3. Is transmitted from the SN of the addresses 21, 22, 23, and 24 to the RN of the address 20 in the hierarchy d = 2. The measurement data is transmitted from the RN of addresses 2 and 7 in the hierarchy d = 2 and the SN of addresses 12 and 13 to the RN of address 1 in the hierarchy d = 1, and addresses 15 and 20 in the hierarchy d = 2. RN and SN of addresses 25 and 26 are transmitted to RN of address 14 in layer d = 1. Further, the measurement data is transmitted from the RN of the addresses 1 and 14 in the hierarchy d = 1 and the SN of the addresses 27 and 28 to the GN of the address 0 in the hierarchy d = 0.

次に、リニアーツリー構成について説明する。   Next, a linear tree configuration will be described.

図2に示すように、階層d=0にあるアドレス0のGNから、階層d=1におけるアドレス10のRNおよびアドレス11,12,13のSNのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層d=1にあるアドレス10のRNから階層d=2におけるアドレス20のRNおよびアドレス21,22、23のSNのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層d=2にあるアドレス20のRNから階層d=3におけるアドレス30,31,32,33のSNに動作パラメータを伝送する。   As shown in FIG. 2, operating parameters are transmitted from the GN at address 0 in the hierarchy d = 0 to the RN at address 10 and the SNs at addresses 11, 12, and 13 in the hierarchy d = 1, and the hierarchy d = 1. Operating parameters are transmitted from the RN of the address 10 in the hierarchy d = 2 to the RN of the address 20 in the hierarchy d = 2 and the SNs of the addresses 21, 22, 23, respectively, and from the RN of the address 20 in the hierarchy d = 2 to the hierarchy d = 3 The operating parameters are transmitted to the SNs at addresses 30, 31, 32, and 33.

一方、計測データは、階層d=3におけるアドレス30,31,32,33のSNから、階層d=2におけるアドレス20のRNに伝送され、階層d=2におけるアドレス20のRNおよびアドレス21,22,23のSNから、階層d=1におけるアドレス10のRNおよびアドレス11,12,13のSNから、階層d=0におけるアドレス0のGNに伝送される。   On the other hand, the measurement data is transmitted from the SN of the addresses 30, 31, 32, and 33 in the hierarchy d = 3 to the RN of the address 20 in the hierarchy d = 2, and the RN and the addresses 21 and 22 of the address 20 in the hierarchy d = 2. 23 from the SN of address 10 and SNs of addresses 11, 12, and 13 to the GN of address 0 in layer d = 0.

図5に示すように、親ノード(PN)と同期する場合では、下位におけるノードAからノードBに計測データ+時刻情報が送られ、ノードBからノードAに時刻情報だけが送られる。一方、ノードBからノードC、およびノードCから上位におけるGNには、それぞれ計測データのみが送られる。   As shown in FIG. 5, when synchronizing with the parent node (PN), the measurement data + time information is sent from the lower node A to the node B, and only the time information is sent from the node B to the node A. On the other hand, only the measurement data is sent from the node B to the node C and from the node C to the upper GN.

尚、動作パラメータとしては、時刻同期動作時では、時刻情報となるが、動作パラメータの変更通知時では、GNから配下の全ノードに配布するため、多数の動作パラメータ(Cmax、Rmax、Dmax、etc)がデータとして流れる。 The operation parameters are time information during the time synchronization operation, but are distributed to all the subordinate nodes from the GN at the time of the change notification of the operation parameters. Therefore, a large number of operation parameters (C max , R max , D max , etc) flows as data.

また、図6に示すように、GNと同期する場合では、下位におけるノードAからノードBおよびノードCおよび上位におけるGNの順にそれぞれ計測データ+時刻情報が送られる。一方、上位におけるGNからノードCおよびノードBおよび下位におけるノードAの順に時刻情報だけが送られる。   As shown in FIG. 6, when synchronizing with GN, measurement data + time information is sent from node A in the lower order to node B and node C, and GN in the upper order, respectively. On the other hand, only time information is sent in the order of the node C and the node B and the node A in the lower order from the GN in the higher order.

本発明に係るワイヤレスセンサネットワークの省電力化システムは、ビルオートメーションの保守管理等の分野に限らず、建築物環境の計測から医療に至るまで、幅広い分野で利用・応用することができる。   The power saving system of the wireless sensor network according to the present invention can be used and applied not only in the field of building automation maintenance management and the like but also in a wide range of fields from measurement of building environment to medical treatment.

クラスターツリー構成の内容を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the content of a cluster tree structure. リニアーツリー構成の内容を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the content of a linear tree structure. クラスターツリー構成の他の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other example of a cluster tree structure. リニアーツリー構成の他の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other example of a linear tree structure. 親ノードと同期する場合の説明図である。It is explanatory drawing in the case of synchronizing with a parent node. GNと同期する場合の説明図である。It is explanatory drawing in the case of synchronizing with GN. (a)は親ノード(GNまたはRN)と子ノード(RNまたはSN)との間の時刻同期、GNとGN以外の全ノード(RNまたはSN)との間の時刻同期の流れの一例を示す説明図、(b)はLTSP方式による時刻同期の一例を示す説明図で、縦軸は時間軸を表す。(A) shows an example of the flow of time synchronization between a parent node (GN or RN) and a child node (RN or SN), and time synchronization between all nodes (RN or SN) other than GN and GN. Explanatory drawing, (b) is explanatory drawing which shows an example of the time synchronization by a LTSP system, and a vertical axis | shaft represents a time axis. クラスターツリー構成によるワイヤレスセンサネットワークの具体的な構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific structural example of the wireless sensor network by a cluster tree structure.

符号の説明Explanation of symbols

GN…ゲートウエイノード
RN…ルータノード
SN…センサノード
d…階層
Cskip(d):クラスターツリー構造において、階層dにおけるアドレス・スキップ値
Cskip:リニアーツリー構造におけるアドレス・スキップ値
Cmax:最大子ノード数
Rmax:最大ルータ子ノード数
Dmax:最大ホップ数
GN ... Gateway node RN ... Router node SN ... Sensor node d ... Hierarchy Cskip (d): Address skip value in layer d in the cluster tree structure Cskip: Address skip value in linear tree structure Cmax: Maximum number of child nodes Rmax: Maximum number of router child nodes Dmax: Maximum number of hops

Claims (6)

1台のゲートウエイノード(GN)を頂点とし、その配下に、中継機能を持つルータノード(RN)または中継機能を持たないセンサノード(SN)を接続して成る広範囲スペース内で使用される多段接続によるネットワーク構成を備え、無線による通信のために、各ノードには最大子ノード数(Cmax)、最大ルータ数(Rmax)、最大ホップ数(Dmax)で決定される、一意なアドレスを付与されることを特徴とするワイヤレスセンサネットワークの省電力化システム。 Multi-stage connection used in a wide space consisting of one gateway node (GN) at the top and a router node (RN) with relay function or sensor node (SN) without relay function connected under it Each node has a unique address determined by the maximum number of child nodes (C max ), the maximum number of routers (R max ), and the maximum number of hops (D max ). A wireless power saving system for a wireless sensor network. 前記の各ノードが共通で持つ、最大子ノード数(Cmax)、最大ルータ数(Rmax)、最大ホップ数(Dmax)は、事前に設定した値を、ゲートウエイノードが稼動した後においても、ソフトウェアにて変更可能とし、設定される最大ルータ数に応じてリニアーツリー構造またはクラスターツリー構造への自律的な対応を可能としている請求項1に記載のワイヤレスセンサネットワークの省電力化システム。 The maximum number of child nodes (C max ), the maximum number of routers (R max ), and the maximum number of hops (D max ) that each of the above nodes have in common are the values set in advance even after the gateway node operates. The wireless sensor network power-saving system according to claim 1, wherein the wireless sensor network can be changed by software and can autonomously support a linear tree structure or a cluster tree structure in accordance with a set maximum number of routers. 時刻同期方式については、親ノード(PN)となるGNまたはRNにマスタークロック、子ノード(CN)となるRNまたはSNにスレーブクロックを実装させることにより、CNが有している時刻情報とPNが有している時刻情報とのズレ量を計算し、マスタークロックの時刻に同期するため、PNとCN間またはGNとGN以外の全ノード(RNまたはSN)間において、それぞれが持つ時刻情報を、マスタークロックとスレーブクロック間の誤差許容時間内に最低1回送信する方式をとり、計測データの送信フレームに重畳させる請求項1乃至3のいずれかに記載のワイヤレスセンサネットワークの省電力化システム。   Regarding the time synchronization method, the master clock is installed in the GN or RN serving as the parent node (PN), and the slave clock is implemented in the RN or SN serving as the child node (CN). In order to calculate the amount of deviation from the time information that it has and synchronize with the time of the master clock, the time information that each has between PN and CN or between all nodes (RN or SN) other than GN and GN, The wireless sensor network power-saving system according to any one of claims 1 to 3, wherein a transmission method is performed at least once within an allowable error time between a master clock and a slave clock, and is superimposed on a transmission frame of measurement data. ネットワーク構成については、各ノードのグループを作り、各ノードが所属するグループ毎に通信可能な時間帯および同一グループに所属するノード間における通信可能な時間帯をそれぞれ設定し、クラスターツリーまたはリニアーツリーのネットワーク構成に依らず、自律的に動作する方式を採用した請求項1乃至3のいずれかに記載のワイヤレスセンサネットワークの省電力化システム。   For the network configuration, create a group of each node, set the communication time zone for each group to which each node belongs and the communication time zone between nodes belonging to the same group. The wireless sensor network power saving system according to any one of claims 1 to 3, wherein a system that operates autonomously regardless of a network configuration is employed. クラスターツリー時のグループ番号計算式は、
GN=1、
OWN=(GPN−1)×Rmax+n+1;n=1,…,Rmax
とし、
一方、リニアーツリー時のグループ番号計算式は、
GN=1、
OWN=GPN+1
とした(ここで、GGN:GNが親ノードとなる場合のグループ番号、GPN:親ノードのグループ番号、GOWN:自ノードが親ノードとなる場合のグループ番号)
請求項4に記載のワイヤレスセンサネットワークの省電力化システム。
The group number formula for the cluster tree is
G GN = 1,
G OWN = (G PN -1) × R max + n + 1; n = 1, ..., R max
age,
On the other hand, the group number calculation formula at the time of linear tree is
G GN = 1,
G OWN = G PN +1
(Here, G GN : Group number when GN is a parent node, G PN : Group number of parent node, G OWN : Group number when its own node is a parent node)
The power saving system of the wireless sensor network according to claim 4.
センサによる計測および計測データ送受信、時刻同期情報送受信、ネットワーク構築、中継機能によるフレーム転送を行っていない間は、時計機能以外の全ての機能(CPU部、RF部、センサ部)をスリープさせる方式とし、センサによる計測を行っている場合には、RF部をスリープさせる方式とし、中継機能によるフレーム転送を行う場合には、センサ部をスリープさせる方式を採用した請求項1乃至5のいずれかに記載のワイヤレスセンサネットワークの省電力化システム。   All functions (CPU part, RF part, sensor part) other than the clock function are set to sleep while measurement by the sensor and measurement data transmission / reception, time synchronization information transmission / reception, network construction, and frame transfer by the relay function are not performed. 6. The method according to claim 1, wherein when the measurement is performed by the sensor, the RF unit is set to sleep, and when the frame transfer is performed by the relay function, the sensor unit is set to sleep. Wireless sensor network power saving system.
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