JP2009206749A - Multi-hop wireless network system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マルチホップ無線を適用したネットワークにおける中継端末の消費電力を低減した省電力技術に関するものである。 The present invention relates to a power saving technique for reducing the power consumption of a relay terminal in a network to which multi-hop radio is applied.
多地点にバッテリ駆動のセンサ端末を配置し、無線ネットワークにより端末同士を相互接続して、異常検出を行ったり、環境モニタリングを行うシステムをセンサネットワークシステムと呼んでいる。こうしたセンサネットワークシステムでは、センサ端末同士を相互接続するための無線通信規格として、ＺＩＧＢＥＥ（登録商標）規格がある。 A system in which battery-driven sensor terminals are arranged at multiple points and the terminals are interconnected by a wireless network to detect anomalies and monitor the environment is called a sensor network system. In such a sensor network system, there is a ZIGBEE (registered trademark) standard as a wireless communication standard for interconnecting sensor terminals.
このＺＩＧＢＥＥ（登録商標）規格では、前記システムを広範囲に敷設できるように、マルチホップ通信に関する規定があり、無線が直接届かない距離に配置された端末間であっても、間に配置された中継端末がパケットを中継することで、通信が可能な方式をとっている。 In this ZIGBEE (registered trademark) standard, there is a provision regarding multi-hop communication so that the system can be installed in a wide range, and even between terminals arranged at a distance where radio waves do not reach directly, relays arranged in between A method is adopted in which communication is possible by the terminal relaying the packet.
このようなシステムではセンサ端末は、ＺＩＧＢＥＥ（登録商標）規格において、エンドデバイスと呼ばれる端末により構成される場合が多く、通信要求があった場合だけ、通信機能を有効にし、それ以外の場合は通信機能を停止することでバッテリ駆動による長時間動作を実現している場合が多い。 In such a system, the sensor terminal is often configured by a terminal called an end device in the ZIGBEE (registered trademark) standard, and the communication function is enabled only when there is a communication request, otherwise communication is performed. In many cases, long-term operation by battery operation is realized by stopping the function.
一方、中継端末は、ＺＩＧＢＥＥ（登録商標）規格において、ルータと呼ばれている。ルータは、非同期に発生しうるエンドデバイスからの通信要求を中継するために、常時、無線通信機能を有効しておくことが求められている。従ってその電源はバッテリでは消耗が激しく、長時間動作のためには、商用電源等により外部から電力を供給する必要がある。 On the other hand, the relay terminal is called a router in the ZIGBEE (registered trademark) standard. A router is required to always have a wireless communication function enabled in order to relay a communication request from an end device that can occur asynchronously. Accordingly, the power source is very consumed in the battery, and it is necessary to supply power from the outside by a commercial power source or the like for long-time operation.
しかしながら、無線センサネットワークは、屋外等、インフラ設備の整っていない場所に設置されることがある。このような場合、中継機能を持つ端末についても省電力で電力供給をバッテリで行うことができれば、中継機能を持つ端末の設置場所に制限がなくなり、しかも低コストでシステムの構築を行うことが可能となる。 However, the wireless sensor network may be installed in a place where infrastructure facilities are not prepared, such as outdoors. In such a case, if a terminal having a relay function can be supplied with a battery while saving power, there is no restriction on the location of the terminal having the relay function, and a system can be constructed at a low cost. It becomes.
中継端末の省電力化に関する従来技術として、例えばタイムスロットを用いた手法がある（特許文献１）。この手法は、タイムスロットを設けたフレームの少なくとも１つの対応するスロット期間に１つのノードを低消費電力モードからウェイクアップする工程が含まれている。
しかし、タイムスロットを用いた手法では、非同期に発生する送信要求に対して送信側は自由に通信を行うことができず、多くの中継端末による中継が必要なデータ送信の場合、中継の度に送信側の端末は送信先の端末がウェイクアップするのを待つことになり、遅延なしにマルチホップ通信を行うことは不可能である。 However, with the method using time slots, the transmission side cannot communicate freely for transmission requests that occur asynchronously. For data transmission that requires relaying by many relay terminals, The transmitting terminal waits for the destination terminal to wake up and cannot perform multi-hop communication without delay.
前記の理由から、従来のマルチホップ通信可能な無線ネットワークにおいて中継機能を担う中継端末は、通信の遅延無しに十分な省電力化が不可能である。 For the above reasons, a relay terminal having a relay function in a conventional wireless network capable of multi-hop communication cannot achieve sufficient power saving without communication delay.
そのため、無線ネットワークにおいて遅延無しにマルチホップ通信をするには、中継機能を担う端末は商用電源等により外部から電力を供給する必要があった。 Therefore, in order to perform multi-hop communication without delay in a wireless network, it is necessary for a terminal having a relay function to supply power from the outside with a commercial power source or the like.
本発明は、収集局となる制御端末がセンサネットワーク内のセンサ端末及び中継端末に対してスリープモード継続時間を記載した命令パケットをネットワーク内の全ての端末宛に送信することで、受信した各センサ端末及び各中継端末はスリープモードに移行し、命令パケットに記載のスリープモード継続時間後、通常モードに復帰する。 In the present invention, each control sensor received by a control terminal serving as a collection station by transmitting a command packet describing a sleep mode duration to sensor terminals and relay terminals in a sensor network to all terminals in the network. The terminal and each relay terminal shift to the sleep mode, and return to the normal mode after the sleep mode duration described in the command packet.
また、前記命令パケットにセンシング回数を記載することで、各センサ端末はスリープモードモード移行から通常モード復帰までの間にセンシングを実行し、通常モード復帰後センシング結果を制御端末へ送信する。 In addition, by describing the number of times of sensing in the command packet, each sensor terminal performs sensing between the transition to the sleep mode mode and the return to the normal mode, and transmits the sensing result after the return to the normal mode to the control terminal.
また、制御端末及び、制御端末からの命令パケットによるスリープモードを継続中の端末は、同命令パケットの内容と現時点までのスリープモードの継続状況を記載したパケット（以下、未受信救済パケット）を既定の間隔毎に１ホップ内の端末にのみ到達可能な同報送信を行うことにより、近隣の通常モード動作中の端末をスリープモードに移行させる。このとき、送信元となる、制御端末を除く端末はスリープモード継続中のため微小時間の間、一時的に送信機能を起動させることによって未受信救済パケットを送信する。 In addition, the control terminal and the terminal that is continuing the sleep mode based on the command packet from the control terminal predetermine a packet (hereinafter referred to as an unreceived relief packet) that describes the contents of the command packet and the continuation status of the sleep mode up to the present time. By performing broadcast transmission that can reach only a terminal within one hop at every interval, a terminal operating in the normal mode in the vicinity is shifted to the sleep mode. At this time, the terminals other than the control terminal, which are the transmission sources, are in the sleep mode and thus transmit the unreceived relief packet by temporarily activating the transmission function for a very short time.
未受信救済パケットの各端末の送信タイミングは、既定の間隔時間内に一様又は一様に近い形で分布させる。 The transmission timing of each terminal of the unreceived relief packet is distributed uniformly or nearly uniformly within a predetermined interval time.
本発明では、制御端末から命令パケットを全端末に送信することにより、全端末が同期してスリープモード及び通常モードへ移行するため、制御局からのセンシングの命令（命令パケット）の送信やセンサ端末からのセンシング結果の送信の際には、マルチホップ通信が可能である。また、全端末が同期してスリープモード及び通常モードを繰り返すことにより、通常モード時に限れば既存の無線ネットワークの通信プロトコルを容易に適用可能であり、スリープモードの継続時間を通常モードの継続時間よりも十分に長く取れば、センサ端末及び中継端末の十分な省電力化が可能である。 In the present invention, the command packet is transmitted from the control terminal to all the terminals, so that all the terminals are synchronously shifted to the sleep mode and the normal mode. Multi-hop communication is possible when transmitting the sensing result from. In addition, by repeating the sleep mode and the normal mode in synchronism with all terminals, the communication protocol of the existing wireless network can be easily applied only in the normal mode, and the duration of the sleep mode is made longer than the duration of the normal mode. However, if it is sufficiently long, sufficient power saving of the sensor terminal and the relay terminal is possible.
各端末がスリープモードを継続中に、バッテリ交換のためにリセットされたり、制御端末からの命令パケットを受信し損ねてスリープモードへの移行に失敗したために通常モードで動作中の端末が存在した場合、スリープモードを継続中の端末が既定の間隔で送信する未受信救済パケットを受信し解析することで、ネットワーク内の他の端末と同様にスリープモードに移行することが可能である。 When there is a terminal operating in the normal mode because each terminal was reset for battery replacement or failed to receive a command packet from the control terminal and failed to enter the sleep mode while the terminal was in sleep mode By receiving and analyzing the unreceived relief packet transmitted by the terminal in the sleep mode at a predetermined interval, it is possible to shift to the sleep mode like other terminals in the network.
また、各端末がスリープモードを継続中に送信する未受信救済パケットの送信タイミングが重ならないように、既定の間隔時間内に一様又は一様に近い形で分布することで、同上通常モードで動作中の端末が未受信救済パケットを受信するまでの時間の期待値が小さくなる。 In addition, in order to prevent the transmission timing of unreceived relief packets transmitted while each terminal is in the sleep mode from overlapping, it is distributed in a uniform or nearly uniform manner within a predetermined interval time. The expected value of the time until the operating terminal receives an unreceived relief packet is reduced.
本発明は、図１で示すようなマルチホップ通信可能な無線ネットワークを構成するセンサ端末及び中継端末が省電力化のために受信回路やメインクロックを一時的に停止することが可能なスリープモードを持つセンサネットワークにおいて、
制御端末からネットワーク内の全端末宛に送信される命令パケットには、スリープモードを継続する時間Ｔｓ及びＴｓの間に行うセンシング回数Ｎｓなどが記載されており、命令パケットを受信した各端末はネットワーク内最大伝送時間Ｔｄの間、通常モードを維持した後、スリープモードに移行し、（Ｔｓ−２Ｔｄ−Ｔｌ）の間スリープモードを継続することとする。（Ｔｌは端末が持つ内部タイマの精度を加味した余裕時間。Ｔｄ及びＴｌはＴｓよりも十分に小さい値とする。）
The present invention provides a sleep mode in which a sensor terminal and a relay terminal constituting a wireless network capable of multi-hop communication as shown in FIG. 1 can temporarily stop a receiving circuit and a main clock for power saving. In the sensor network that has
The command packet transmitted from the control terminal to all the terminals in the network describes the time Ts during which the sleep mode is continued and the number of sensing times Ns performed during Ts, and each terminal that receives the command packet The normal mode is maintained for the maximum transmission time Td, and then the sleep mode is entered and the sleep mode is continued for (Ts−2Td−Tl). (Tl is a margin time taking into account the accuracy of the internal timer of the terminal. Td and Tl are sufficiently smaller than Ts.)
スリープモード期間中に各センサ端末は命令パケットに記載されたＮｓ回のセンシングを行う。センシングのタイミングは、命令パケット受信後から（Ｔｓ／Ｎｓ）間隔で行う。最後のセンシングのタイミングの（Ｔｄ＋Ｔｌ）前にはスリープモードから通常モードに移行しておく。最後のセンシング終了後、これまでにセンシングした結果を制御端末に送信する。このとき、ネットワーク内の全端末は通常モードに復帰しているはずなので各センサ端末と制御端末間でマルチホップ通信が可能である。 During the sleep mode period, each sensor terminal performs sensing Ns times described in the command packet. The sensing timing is performed at intervals of (Ts / Ns) after receiving the command packet. Before the last sensing timing (Td + Tl), the mode is shifted from the sleep mode to the normal mode. After the last sensing is completed, the results sensed so far are transmitted to the control terminal. At this time, since all terminals in the network should have returned to the normal mode, multi-hop communication is possible between each sensor terminal and the control terminal.
一方、各中継端末はセンサを具備していないため、命令パケット受信後からＴｄの間、通常モードを維持した後、（Ｔｓ − ２Ｔｄ−Ｔｌ）の間スリープモードを継続し、通常モードに復帰する。 On the other hand, since each relay terminal is not equipped with a sensor, the normal mode is maintained for Td after receiving the command packet, and then the sleep mode is continued for (Ts−2Td−Tl) to return to the normal mode. .
制御端末は、命令パケット送信後、（Ｔｓ＋Ｔｃ）の間、全センサ端末からセンシング結果が送信されてくるのを待つ。Ｔｃは制御端末がセンサ端末からのセンシング結果を待つタイムアウト時間で、（Ｔｓ＋Ｔｃ）よりも早く全センサ端末からのセンシング結果が受信できた際は必ずしも（Ｔｓ＋Ｔｃ）の間、待たない。 The control terminal waits for transmission of sensing results from all sensor terminals for (Ts + Tc) after transmitting the command packet. Tc is a time-out period for the control terminal to wait for the sensing result from the sensor terminal. When sensing results from all the sensor terminals can be received earlier than (Ts + Tc), the control terminal does not necessarily wait for (Ts + Tc).
本発明によるセンサネットワークシステムは、前記制御端末による命令パケットの送信、制御端末を除くネットワーク内の全端末のスリープモード、センサ端末からのセンシング結果の収集、を繰り返すことでネットワーク内の全センサ端末および全中継端末の省電力化を可能にする。図２は、図１に示すネットワークの構成の例において、制御端末の命令パケット送信から、各センサ端末のスリープモードの継続及びセンシングを経て、制御端末へのセンシング結果の送信までのタイミングを示したものである。 The sensor network system according to the present invention repeats transmission of a command packet by the control terminal, sleep mode of all terminals in the network excluding the control terminal, and collection of sensing results from the sensor terminals, and all sensor terminals in the network Enables power saving for all relay terminals. FIG. 2 shows the timing from the command packet transmission of the control terminal to the transmission of the sensing result to the control terminal through the continuation and sensing of the sleep mode of each sensor terminal in the example of the network configuration shown in FIG. Is.
各端末がスリープモードを継続中に、ネットワーク内のある端末が通常モードで動作している場合がある。例えば、スリープモードを継続中にバッテリ交換などにより端末上で動作していたソフトウエアがリセットし通常モードで立ち上がった場合や、制御端末から送信される命令パケットを受信し損ねてスリープモードへの移行に失敗した場合などが考えられる。これら通常モード動作中の端末の致命的なバッテリ消費を防ぐために、近隣に通常モード動作中の端末が存在するか否かにかかわらずスリープモードを継続中の端末は次のことを行う。 While each terminal continues in the sleep mode, a certain terminal in the network may be operating in the normal mode. For example, when the software that was running on the terminal is reset due to battery replacement etc. while the sleep mode is continued, and the normal mode is started, or the command packet sent from the control terminal is missed and the sleep mode is entered. It may be the case that failed. In order to prevent fatal battery consumption of these terminals operating in the normal mode, the terminal that is in the sleep mode does the following regardless of whether there is a terminal operating in the normal mode in the vicinity.
スリープモードを継続中の各端末は既定の間隔Ｔｋ毎に、１パケット送信可能な微小時間の間、一時的に送信機能を起動し、未受信救済パケットを１ホップ内の端末にのみ到達可能な同報送信を行う。同未受信救済パケットには、同スリープモードに移行する際に受信した命令パケットの内容Ｔｓ及びＮｓと、同命令パケット受信時からの経過時間Ｔｐなどを記載しておく。未受信救済パケットの送信を終えた端末は送信機能を停止し、同命令パケットによる前記スリープモードの動作を続行する。また、命令パケット送信後Ｔｓ以内における制御端末においても既定の間隔Ｔｋ毎に、同命令パケットの内容及び同命令パケット送信からの経過時間Ｔｐを記載した未受信救済パケットを同様に１ホップ内の端末にのみ到達可能な同報送信を行う。 Each terminal that continues the sleep mode temporarily activates the transmission function for a minute time during which one packet can be transmitted at a predetermined interval Tk, and can receive unreceived relief packets only to terminals within one hop. Broadcast transmission. In the unreceived relief packet, the contents Ts and Ns of the command packet received when shifting to the sleep mode, the elapsed time Tp since the command packet was received, and the like are described. The terminal that has finished transmitting the unreceived relief packet stops the transmission function and continues the operation in the sleep mode using the command packet. Also, in the control terminal within Ts after sending the command packet, the unreceived relief packet in which the contents of the command packet and the elapsed time Tp from the command packet transmission are described at the predetermined interval Tk is similarly sent to the terminal within one hop. Broadcast transmission that can only be reached.
通常モード動作中の端末が未受信救済パケットを受信するとスリープモードに移行する。その際、未受信救済パケットに記載されているＴｓ、Ｎｓ、Ｔｐをもとに現時点からスリープモードを継続すべき時間及び次回センシングまでの時間などを計算し、これ以降、同端末は、元々命令パケットを受信することによってスリープモードを継続していた他の端末となんら変わらない動作を行う。ただし、センサ端末が未受信救済パケットを受信した時点でいくつかのセンシングのタイミングが過ぎている場合（Ｔｐ＞（Ｔｓ／Ｎｓ）の場合など）がある。そのような場合、スリープモード継続期間終了後のセンシング結果の送信の際は、送信パケット内の、タイミングを逃したセンシングデータに該当する位置にセンシング未実行を表すデータをいれ制御端末に送信することとする。 When the terminal operating in the normal mode receives the unreceived relief packet, the terminal shifts to the sleep mode. At that time, based on Ts, Ns, and Tp described in the unreceived relief packet, the time to continue the sleep mode from the current time and the time until the next sensing are calculated. By receiving the packet, an operation that is not different from other terminals that have continued in the sleep mode is performed. However, there are cases where some sensing timings have passed when the sensor terminal receives the unreceived relief packet (such as Tp> (Ts / Ns)). In such a case, when transmitting the sensing result after the end of the sleep mode duration period, the data indicating that the sensing is not performed is transmitted to the control terminal in the position corresponding to the sensing data missed timing in the transmission packet. And
また、未受信救済パケットを各端末が送信するタイミングは、既定の間隔Ｔｋ内に一様に分布するのが望ましい。各端末が送信するタイミングを既定の間隔Ｔｋ内に一様に分布するようにずらすことによって、通常モード動作中の端末が未受信救済パケットを受信するまでの時間の期待値が小さくなり、スリープモードに移行する時刻を早めることができる。例えば、命令パケットを受信し損ねた通常モード動作中のある端末Ａの近隣にスリープモードを継続中の端末がＮａ台存在するとし、各端末の未受信救済パケットを送信するタイミングを一様に分布させた場合、端末Ａが未受信救済パケットを受信するまでの時間の期待値ＴａはＴａ＝Ｔｋ／２Ｎａとなる。一方、各端末の未受信救済パケットを送信するタイミングが同一のタイミングであった場合は、Ｔａ＝Ｔｋ／２となる。図３に示すネットワークの構成の例において図４は、各端末から既定の間隔Ｔｋで未受信救済パケットが同報送信されるタイミングを示している。図３に示すネットワークの構成の例において図５は、命令パケットの受信を失敗したセンサ端末１１が未受信救済パケットを受信し、スリープモードへ移行するシーケンスを示している。 In addition, it is desirable that the timing at which each terminal transmits an unreceived relief packet is uniformly distributed within a predetermined interval Tk. By shifting the transmission timing of each terminal so as to be uniformly distributed within a predetermined interval Tk, the expected value of the time until the terminal in normal mode operation receives an unreceived relief packet is reduced, and the sleep mode The time to shift to can be advanced. For example, assuming that there are Na terminals that are in sleep mode in the vicinity of a terminal A that is operating in normal mode that failed to receive a command packet, the timing for transmitting unreceived relief packets from each terminal is uniformly distributed In this case, the expected value Ta of the time until the terminal A receives the unreceived relief packet is Ta = Tk / 2Na. On the other hand, if the timing of transmitting the unreceived relief packet of each terminal is the same timing, Ta = Tk / 2. In the example of the network configuration shown in FIG. 3, FIG. 4 shows the timing at which unreceived relief packets are broadcast from each terminal at a predetermined interval Tk. In the example of the network configuration shown in FIG. 3, FIG. 5 shows a sequence in which the sensor terminal 11 that has failed to receive the command packet receives the unreceived relief packet and shifts to the sleep mode.
以上、本発明は、制御端末からの命令パケットにより、全端末のスリープモード継続期間および通信のタイミングを同一にしたことと、同スリープモードから外れた端末の未受信救済パケットによる救済処置を備えたことにより高性能な省電力化を可能にした。 As described above, the present invention has the same sleep mode duration and communication timing for all terminals by the command packet from the control terminal, and the rescue processing by the unreceived rescue packet of the terminal out of the sleep mode. This enables high-performance power saving.
本発明により、マルチホップ通信が可能なセンサネットワークにおいて、ネットワーク内の中継機能を持つ端末を含む全ての端末の十分な省電力化が可能となり、商用電源等による外部からの電力の供給が不要なことから屋内外を問わず様々な場所でのセンシングを目的としたセンサネットワークシステムを構築することができる。 According to the present invention, in a sensor network capable of multi-hop communication, it is possible to sufficiently save power of all terminals including terminals having a relay function in the network, and it is not necessary to supply power from the outside by a commercial power source or the like. Therefore, it is possible to construct a sensor network system for sensing in various places, both indoors and outdoors.
Claims (8)
前記センサ端末及び前記中継端末が、省電力化のために送受信回路やメインクロックを一時的に停止することが可能なスリープモードを持ち、かつ自身が持つ内部タイマの割り込み機能によりスリープモードから、通信が可能な通常モードに復帰可能であり、前記制御端末からネットワーク内の全端末宛に送信される命令パケットを各端末が受信することにより、全センサ端末及び全中継端末が同期してスリープモードに移行し、命令パケットに記載された時間の間、スリープモードを継続した後、全センサ端末及び全中継端末が同期して通常モードに復帰することによって、中継端末によるネットワーク内のマルチホップ通信機能を維持し、かつ全端末の省電力化を可能にすることを特徴とするセンサネットワークシステム。 In a wireless sensor network capable of multi-hop communication composed of one control terminal and one or more sensor terminals and relay terminals,
The sensor terminal and the relay terminal have a sleep mode in which a transmission / reception circuit and a main clock can be temporarily stopped for power saving, and communication is performed from the sleep mode by an interrupt function of its own internal timer. Can be returned to the normal mode, and when each terminal receives a command packet transmitted from the control terminal to all terminals in the network, all the sensor terminals and all the relay terminals are synchronized to enter the sleep mode. After the transition and continuing the sleep mode for the time described in the command packet, the multi-hop communication function in the network by the relay terminal is established by returning all the sensor terminals and all the relay terminals to the normal mode synchronously. A sensor network system characterized by maintaining power consumption of all terminals.
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