JP2009253360A - センサネットワークシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の技術によるセンサネットワークシステムでは、あるセンサが検出信号を送信すると、電波の届く範囲のセンサが全て一旦起床し自分に送信されてきた信号か否かを判定するため、多くの不必要なセンサが起床して消費電力が増加する問題点があった。また、各センサが非同期に間欠受信動作をしていることから、あるセンサが検出信号を送信する場合は通信相手が起床するまで送信を持続する必要があり、無駄な送信が発生することで消費電力が増加する問題点があった。
【解決手段】 センサネットワークシステムにおいて、通信相手となるセンサを探索する探索手段が送信する送信電波強度を調整する機能を有する通信相手数制限手段を設け、通信可能なセンサ１の数を制限するようにした。また、各センサを時刻同期させ、各センサが同時刻に起床及びスリープを繰り返す時刻同期した間欠受信動作するようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、無線アドホックネットワークを構成する複数のセンサとこれらのセンサ情報を管理する管理装置からなるセンサネットワークシステムに関するものである。

無線アドホックネットワークは、センサ同士を無線で接続し、複数のセンサが自律的に中継処理することでネットワークを構成し、電波が直接届かない管理装置までセンサ情報を伝送することを可能とする技術である。広範囲に点在するセンサ間を結ぶセンサネットワークを、送信電波強度を低く抑えて低コストで簡便に構築できることから、重要施設や危険地帯の侵入者警備への適用が考えられている。

センサは長期間の電池運用が要求される場合が多い。他のセンサからの信号を常時受信可能とするとセンサが消費する電力が大きくなる。このため周期的にスリープ状態と起床状態を繰り返す間欠受信動作が用いられている。さらに低消費電力化のために、起床状態においても受信電波強度のモニタ回路だけを最初に動作させて、所定の強度の電波を所定時間に受信した場合に他の回路を動作させる制御を行ったり、また、各センサを時刻同期させて起床状態になるタイムスロットを割り当て、自分の通信相手のタイムスロットにおいて情報を送信することで、通信相手でないセンサが受信して起床するのを回避したりする手段が行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１０４１７４号公報

しかしながら、従来の技術によるセンサネットワークシステムでは、あるセンサが検出信号を送信すると、電波の届く範囲のセンサが全て一旦起床し自分に送信されてきた信号か否かを判定するため、多くの不必要なセンサが起床して消費電力が増加する問題点があった。
また、各センサが非同期に間欠受信動作をしていることから、あるセンサが検出信号を送信する場合は通信相手が起床するまで送信を持続する必要があり、即ち確実に送信するためには通信相手の間欠受信周期の期間において送信を持続する必要があり無駄な送信が発生することで消費電力が増加する問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、低消費電力なセンサネットワークシステムを提供することを目的とする。

この発明によるセンサネットワークシステムは、複数のセンサから成り、上記複数のセンサが無線アドホックネットワークを構成するセンサネットワークシステムであって、上記複数のセンサの各々は、通信可能でその通信相手となるセンサを判別するために送信する送信電波の強度を調整し、上記調整により上記通信相手となるセンサの数を所定数以下に制限する通信相手数制限手段を具備する。

この発明によれば、消費電力が低いセンサネットワークシステムを提供することができる。

実施の形態１．
図１は本実施の形態のセンサネットワークシステムのネットワーク構成を示す図であり、１ａ〜１ｊは侵入者を検出する機能及びアドホックネットワークを構成する無線通信機能を有する複数のセンサ、２はネットワークを管理制御する管理装置である。図中、実線で示した経路３は、アドホックネットワークにより自律的に形成された通信経路３であり、センサ１ｉが検出信号を管理装置２に通達する場合を示している。また、図１中において破線で示した範囲４ａ、４ｂは、センサ１ｉの送信電波の通達範囲４を表している。

図２はセンサ１の構成を示す図であり、５は目標検出手段、６は通信相手探索手段、７は通信相手数制限手段、８はモード切換手段、９は無線通信手段、２０はセンサ１の全体動作を制御する制御部である。

目標検出手段５は、例えばＩＲセンサや振動センサで構成し、温度変化や地面の振動により侵入者の接近を検出して検出信号を発生する。
通信相手探索手段６は、周囲に位置するセンサ１と無線通信手段９により電波を送受し、通信可能でその通信相手となるセンサ１を選定する。ここでアドホックネットワークでは、一般的に以下のようにして通信経路を探す。すなわち、まずデータ送信者がデータ受信者への通信経路を探すために、探索メッセージをネットワーク全体に伝播させる。その探索メッセージを受け取ったデータ受信者は、データ送信者に向けて返信メッセージを返す。返信メッセージが通った通信経路は、データの通信経路として用いられる。通信相手探索手段６はこの探索メッセージに相当する電波を周囲に送信し、返信メッセージが通った通信相手を通信可能なセンサとして判別する。

通信相手数制限手段７は、通信相手探索手段６が探索メッセージに相当する電波を送信する際の送信電波強度を調整する機能を有している。通信相手探索手段６が周囲に電波を送信して周囲に位置するセンサ１と電波を送受するに際して、通信相手数制限手段７は、通信相手探索手段６が送信する送信電波強度を徐々に低下させていき、通信可能な周囲に位置するセンサ１の数を所定の数以下となるように、通信相手探索手段６の送信電波強度を調整する。所定の数として、通信相手数制限手段７は、例えば、通信可能なセンサ１の数を４個以下となるように調整する。
例えば図１の例では、通信相手探索手段６が送信する電波の通達範囲が通達範囲４ｂで示される範囲である場合、通信相手探索手段６は通信可能な周囲のセンサとして、センサ１ａ〜１ｈとセンサ１ｊの９個のセンサ１を認識する。一方、通信相手数制限手段７が送信電波強度を低下させ、通信相手探索手段６の送信電波の通達範囲を通達範囲４ａで示される範囲に調整した場合、通信相手探索手段６は通信可能な周囲のセンサとして、センサ１ｅ、１ｆ、１ｈ、１ｊの４個のセンサ１を認識することになる。
通信相手探索手段６は最低１個の通信相手が見つかれば通信経路を確立できる。しかしながら通信可能な相手（センサ１）が１個のみの場合は、その１個が故障すると再度通信相手探索から始めて通信経路を確立しなければならない。通信経路を再度確立するまでの時間ロスを無くことを考慮して、ここでは一例として、通信可能なセンサ１の数として４個以下を設定している。
なお、通信相手探索手段６や通信相手数制限手段７の動作は、通信相手探索手段６や通信相手数制限手段７から通信可能なセンサ数や送信電波強度の情報を受ける全体制御部２０により制御される。

図３は、各センサが通信可能なセンサの数を制限する手順を示したフロー図である。
まず、通信相手探索手段６が探索メッセージに相当する電波を所定の強度で送信する（ステップＳ０１）。探索メッセージを受け取ったセンサは、探索メッセージを送信したセンサに向けて返信メッセージを返すが、この返信メッセージが返信されたセンサを通信可能なセンサと認識する（Ｓ０２）。次に、ステップＳ０２で取得した通信可能なセンサの数が所定の数以下であるかを判別する（Ｓ０３）。所定の数より多い場合は、通信相手数制限手段７は、探索メッセージを送信する送信電波強度を所定量だけ低下させる（Ｓ０４）。再度、通信相手探索手段６は探索メッセージに相当する電波を低下後の送信電波強度で送信する（Ｓ０５）。ステップＳ０５で送信した探索メッセージに対する返信メッセージにより、通信可能なセンサを認識し（Ｓ０６）た後、ステップＳ０３に戻る。ステップＳ０３〜Ｓ０６の処理を通信可能なセンサ数が所定の数以下となるまで繰り返す。

なお、図３の例では通信相手数制限手段７が送信電波強度を徐々に低下させ、通信可能なセンサ数が所定の数以下となった時点で送信電波強度の調整を完了させているが、逆に、通信相手数制限手段７が送信電波強度を徐々に上げていき、通信可能なセンサ数が所定の数以上となった時点で、送信電波強度の調整を完了させるようにしてもよい。

無線通信手段９は、通信相手数制限手段７が送信電波強度を調整することで選定された通信可能なセンサ１同士で相互に通信することでアドホックネットワークを構成し、ＩＲセンサや振動センサ等の目標検出手段５で検出した検出信号を、管理装置２まで通達することが可能となる。

このようにして、通信可能なセンサ数を所定の数以下に制限しながら、アドホックネットワークが構成され検出信号を管理装置２まで通達する通信経路が確立されると、そのセンサ１はセンサが備えるモード切換手段８により、現状のモードである他のセンサからの信号を常時受信可能とする常時受信動作モードから、ほぼ停止状態のスリープ状態と受信可能状態である起床状態とを一定周期で繰り返す間欠受信動作モードへ移行するよう設定され、以後、低消費電力運用に入る。

スリープ状態では機能はほぼ停止状態にあるため電力の消費は少ないが、起床状態においても省電力化のため、無線通信手段９において送信相手からの送信要求信号を受信する最低限度の部位が働いているのみの状態となっている。センサ１は起床状態において他の周囲のセンサ１から送信要求信号を受けると、無線通信手段９は判定部位を動作させ、送信要求が自身宛と判定すると全ての部位が動作状態になり情報の送受信が可能となる。
なお、この送信要求が自身宛か否かの判定は、送信要求の電波が通達する範囲にある全てのセンサ１が実施しなければならない。

図１の例では、センサ１ｉが目標検出するとセンサ１ｉは送信相手であるセンサ１ｅに送信要求を送信する。この送信要求は通信経路３にあるセンサ１ｅだけでなく電波の通達する範囲にある全てのセンサ１に届く。送信要求を受けたセンサ１は判定部位を動作させ、送信要求が自身宛であるか否かを判断する。この送信要求が自身宛か否かの判定は送信要求の電波が通達する範囲にある全てのセンサ１が実施することになるが、従来は、電波が通達する範囲が広く、本来不要なセンサ１までが判定部位を動作させ判断処理を行わなければならず、不要な電力が消費されることになっていた。
本実施の形態では、図１で説明したように、通信相手数制限手段７により電波の通達する範囲を通達範囲４ａに制限している。図１の例では、通達するセンサ１の数をセンサ１ｈ、センサ１ｉ、センサ１ｆ、センサ１ｊの４個に制限している。

このように本実施の形態では、通信相手数制限手段が通信可能な通信相手のセンサ数を制限するようにしたため、送信要求を受けて無線通信手段９の判定部位を動作させるセンサ１の数を最小限に抑えることができ、結果としてセンサ１を低消費電力で運用することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、周囲のセンサ１に送信要求を行うにあたり、この送信要求が送信相手が起床状態の時に届く必要があるため、確実に届けるには最長で間欠受信周期の１周期の期間送信を継続する必要がある。実施の形態２では、センサ間の同期を取ることにより、低消費電力化を図る。

図４は本実施の形態のセンサ１の構成を示す図であり、図２で示した実施の形態１におけるセンサの構成に、時刻同期手段１０を付加したものである。
時刻同期手段１０は、管理装置２からの時刻同期指令をネットワークを介して受け、自分の時計を管理装置の時刻に同期させる。これにより全てのセンサ１が時刻同期して間欠受信動作を行う。即ち全てのセンサ１が、同一時刻に起床し、同一時刻にスリープするため、各センサ１は送信相手の起床時刻がわかる。

なお、全てのセンサ１を時刻同期させる方法としては、例えば特開2006-234425号公報（「時刻誤差計算装置及び時刻同期システム」）に記載された方法を用いても良い。上記公報では、同期信号の伝搬にかかる時間を考慮に入れた時刻同期を行うようにしている。すなわち、複数の装置がお互いに無線通信で交信する無線ネットワークシステムにおいて、各装置が内蔵する時計により刻む時刻を基準時刻に同期させるために、以下の手順を行う。
手順１：時刻の基準となる装置（管理装置）が定期的に時刻同期用信号を発信する。
手順２：時刻同期対象の各装置において、手順１の信号を受信した際の無線信号の到着時刻を装置の内蔵時計から読み出し、共通サーバへ送信する。
手順３：共通サーバにおいて、時刻同期対象の各装置から手順２にて受信した時刻情報と、手順１の発信者と受信者の距離を無線伝播速度で割った無線伝播時間に手順１の発信時刻を加えた時刻の差から、時刻同期対象の各装置の基準時刻からのずれを計算し、補正する。
このような手順を経ることにより、全てのセンサ１が時刻同期して間欠受信動作を行うことが可能となる。これにより全てのセンサ１が、同一時刻に起床し、同一時刻にスリープするため、各センサ１は送信相手の起床時刻がわかる。

図５は、本実施の形態においてセンサ１ｉからセンサ１ｂまで検出信号が伝達される処理の流れを示している。図において横軸は時間経過である。センサ１ｉは、目標検出するとセンサ１ｅの起床時刻に送信要求を送り、引き続き送信処理を実施して検出信号を送信する。センサ１ｅは、送信要求を受け取ると自身宛の送信要求かを判定処理し、引き続き送信されてくる検出信号を受信処理する。次に、センサ１ｂの起床時刻に送信要求を送り、引き続き送信処理を実施して検出信号を送信することで検出信号を中継する。センサ１ｂもセンサ１ｅと同様に目標検出信号を中継する。

一方、図６は各センサ１が時刻非同期に間欠受信動作をしている場合に、センサ１ｉからセンサ１ｂまで検出信号が伝達される従来例の処理の流れを示している。センサ１ｉは、目標検出するとセンサ１ｅが起床するまで送信要求を送り続ける。次にセンサ１ｅが起床して送信要求を受け取ると送信処理して検出信号を送信する。センサ１ｅは、送信されてきた検出信号を受信処理するとセンサ１ｂに送信するためセンサ１ｂが起床するまで送信要求を送り続ける。次にセンサ１ｂが起床して送信要求を受け取ると送信処理して検出信号を送信することで検出信号を中継する。センサ１ｂもセンサ１ｅと同様に目標検出信号を中継する。

図６は、センサ１が時刻同期しておらず送信相手が起床する時刻がわからないため、送信相手が起床するまで送信要求を送り続ける必要があり消費電力が増大するが、図５の本実施の形態では、送信相手の起床時刻において送信要求を送ればよいため消費電力を低減できる効果がある。また、従来のタイムスロットを割り当てる手段のようにセンサ１の数に制約が発生しないため、拡張性のあるセンサネットワークを構成できる効果がある。

また、侵入者等の脅威が高い状況では、管理装置２からのモード切換指令により、全てのセンサ１を常時受信可能とする常時受信動作モードに切り換え、侵入者等の脅威が低い状況では管理装置２により全てのセンサ１を間欠受信モードに切り換えることで脅威の状況に応じた運用が可能となる。

また、センサ１は、送信要求を受け取ると間欠受信モードから常時受信モードに切り換わることで、次の脅威に対して迅速に対応できる効果がある。この場合、脅威が低くなれば管理装置２からの指令により、再度間欠受信モードに切り換えるか、あるいはセンサ１自身が脅威の低くなるまでの一定時間だけ常時受信モードを維持した後、間欠受信モードに切り換わるか、により消費電力を抑えた運用ができる効果がある。

この発明の実施形態１のセンサネットワークシステムのネットワーク構成を示す図である。 この発明の実施形態１のセンサ１の構成を示す図である。 この発明の実施形態１のセンサ１が通信可能なセンサ数を制限する手順を説明する図である。 この発明の実施形態２のセンサ１の構成を示す図である。 この発明の実施形態２の検出信号が伝達される処理の流れを示す図である。 従来の検出信号が伝達される処理の流れを示す図である。

符号の説明

１ センサ、２ 管理装置、３ 通信経路、４ 送信電波の通達範囲、５ 目標検出手段、６ 通信相手探索手段、７ 通信相手数制限手段、８ モード切換手段、９ 無線通信手段、１０ 時刻同期手段

Claims (6)

1. 複数のセンサから成り、上記複数のセンサが無線アドホックネットワークを構成するセンサネットワークシステムであって、
   上記複数のセンサの各々は、通信相手となるセンサを判別するために送信する送信電波の強度を調整し、上記調整により上記通信相手となるセンサの数を所定数以下に制限する通信相手数制限手段を具備することを特徴とするセンサネットワークシステム。
2. 上記センサは、起床及びスリープを繰り返す間欠受信動作モードと常時起床の状態である常時受信動作モードとを有し、上記センサは、上記通信相手数制限手段により上記通信相手となるセンサの数が所定数以下となった時点で、上記常時受信動作モードから上記間欠受信動作モードに移行させるモード切換手段を具備することを特徴とする請求項１記載のセンサネットワークシステム。
3. 上記複数のセンサを管理制御する管理装置を備え、
   上記複数のセンサは上記間欠受信動作モードにおいて、上記管理装置の時刻に同期して起床及びスリープを繰り返すことを特徴とする請求項２記載のセンサネットワークシステム。
4. 上記複数のセンサを管理制御する管理装置を備え、
   上記管理装置は上記センサに対して送信するモード切換指令により、当該センサを上記間欠受信動作モードあるいは上記常時受信動作モードに設定することを特徴とする請求項２記載のセンサネットワークシステム。
5. 上記センサは、他のセンサから送信要求信号を受信し、自らのセンサに対して送信されてきた送信要求信号であると判定した場合に、上記間欠受信動作モードから常時起床動作モードに切り換えるモード切換手段を有することを特徴とする請求項２記載のセンサネットワークシステム。
6. 上記センサは、他のセンサから送信要求信号を受信し、自らのセンサに対して送信されてきた送信要求信号であると判定した場合に、上記間欠受信動作モードから一定時間、常時起床動作モードに切り換えるモード切換手段を有することを特徴とする請求項２記載のセンサネットワークシステム。

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