JP2010049584A - センサノード及びセンサネットワークシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 サンプリング速度が比較的速いデータを継続的に観測する場合、高レートな通信が必要であり、センサノード数が増えるに従い無線帯域を逼迫する問題がある。
【解決手段】 センサノードは、所定期間に取得した観測値から特徴量を算出し、特徴量が所定の閾値を超えるか否かを判定する。特徴量が所定の閾値を超えた場合にのみ、所定期間に取得した観測値をサーバに送信する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、多数のセンサノードを無線ネットワークで接続し、センサノードが測定したデータを計算機で収集して、データ解析を行うセンサネットワークシステムに関し、多数のセンサノードが高頻度で測定及び通信を行う混雑した通信環境において、センサノードの通信量を削減することによりセンサノード間の通信輻輳を防止するセンサネットワークシステムに関する。

近年、センサ機能を搭載した小型無線センサノード (以下、センサノード)、中継機（ルータノード）、基地局、及びセンサネットサーバ(以下、管理サーバ)から構成されるセンサネットワークシステムの開発が進められている。センサノードは、センサにより人又は場所の状態等に関するデータ（以下、センサデータ）を取得し、取得したセンサデータを中継機によりマルチホップに中継し、基地局を経由して管理サーバに送信する。管理サーバは、受信したセンサデータに基づいて、各種処理を実行する。

センサネットワークシステムにおけるキーデバイスは、小型、低電力を特徴とするセンサノードである。小型であるが故に環境や人を含むあらゆるモノへ付けることが可能となり、低電力であるが故に外部給電することなく電池で数年間稼動させることができる。さらに無線で通信するが故に、センサノードの設置場所の自由度が高く、広範囲へ配置することが可能である。

センサノードにおける特徴的な動作として、間欠動作がある。これは、センシングやデータ送信のようなタスクを実行する時のみ必要なハードウェアを駆動し、実行すべきタスクがない時はセンサ、RF等の周辺ハードウェアは完全に停止し、マイコンも低電力モードで休眠させるという動作である。間欠動作を行うことにより、センサノードは、限られたバッテリの下で長時間動作が可能となる。

マイコンが所定の休眠時間を満了すると、タイマ部が割り込みを発生させることにより、マイコンは通常動作モードへ復帰する。そして所定の手順に従い、センシングを実行し、センシングしたデータを送信し、自分宛のデータがある場合にはPollingにより受信し、該データの処理を行う。その時点で実行すべき全てのタスクが終了すれば、再び所定時間の休眠に入る。休眠期間の合間のタスク処理期間の長さは数10ミリ秒から長くても1秒程度なので、センサノードはほとんどその時間は休眠状態にあることになる。

なお、間欠動作の基本的な特徴は「タスクを実行する必要がない時は休眠する」ことであるので、タスクのスケジューリングの方法によって間欠動作の実施方法には多様な変化が考えられる。例えばセンサノードが複数のセンサを搭載する場合には、センサ毎に別々のセンシング周期を持たせてもかまわない。また、センシング、データ送信、データ受信の各々は、本来的には独立のタスクであるので、各々のタスク毎に独立の動作周期を持たせても構わない。

センサノードと管理サーバの間は無線通信を利用することは、設置場所の自由度の観点から必要であるが、一方で不都合も発生する。センサネットワークで用いられている小電力無線通信方式であるIEEE802.15.4の場合、通信レートが最大250kbps(31.25kB/s)である。しかし、振動や音声など、サンプリング速度が比較的速いデータを連続的に観測する場合、高レートな通信が必要である。よって、一つの無線ネットワークに所属するセンサノードの数が増えるに従って、一つのセンサノードが利用できる帯域に制約を受けることになる。

無線ネットワークの帯域を有効に利用するために、センサノードが測定したデータのうち、変化の小さいデータを間引いて送信し、データの差分のみを送信することで通信量を削減する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、センサノードが複数の観測値を用いてヒストグラムを算出して送信し、サーバが受信したヒストグラムが異常値であると判断した場合、センサノードがヒストグラムを算出するために用いた複数の観測値を送信する技術が知られている(例えば、特許文献２参照)。

特開2003-122796 特開2002-256469

本発明の対象とするセンサネットワークシステムは、測定対象物に多数のセンサノードを設置し、高頻度にセンサデータを取得して、解析を行うものである。例えば、配管やポンプ、モータ等の機器の振動をモニタリングすることによる異常診断・予防保全システムである。具体的には、400 Hz - 1 kHz程度の振動を計測する電池駆動振動センサノードを，配管、機器等の100箇所ないし10,000箇所に常時設置し、異常検知を行う。

このような振動の観測値を用いて設備の予防保全を行う場合、フーリエ変換が用いられる。フーリエ変換は、連続した観測値から周波数スペクトルを求める手法であるため、一定期間の連続した観測値が必要である。さらに、管理サーバは、その連続した観測値を間引き処理等が施されていない実データとして収集する必要がある。そのため、例えば特許文献１に開示されるようにデータの間引きを行うことができない。また、たとえデータの間引きなどを行ったとしても、単位時間当たりのデータ送信量が大きいセンサノードを多数備えたセンサネットワークシステムでは、センサノードの数が増えるに従って通信帯域が逼迫するという課題が生じる。

また、特許文献２に開示されるように、センサノードがある期間の観測値から算出した統計値をサーバに送信し、サーバが異常と判断した期間の観測値を要求し、センサノードがその観測値を送信する場合、統計値の送信と観測値要求の送信による通信量が増加する。さらには、センサノードは要求を受信するまで休眠できないため、消費電力が大きくなるという課題が生じる。

本発明は上記課題を解決すべく、サンプリング速度が速いデータを測定するセンサノードを多数備えながらも、無線ネットワークの通信帯域を確保可能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。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。所定の間隔で観測値を取得するセンサと、所定期間に取得した観測値から特徴量を算出する近似計算部と、特徴量が所定の閾値を超えるか否かを判定する送信判断部と、特徴量が上記所定の閾値を超えた場合、上記所定期間に取得した観測値をサーバに送信する無線通信部と、を有するセンサノードである。

また、センサノードとサーバとを有するセンサネットワークシステムであって、センサノードは、所定の間隔で観測値を取得するセンサと、所定期間に取得した観測値から特徴量を算出する近似計算部と、特徴量が所定の閾値を超えるか否かを判定する送信判断部と、特徴量が所定の閾値を超えた場合、所定期間に取得した観測値をサーバに送信する無線通信部と、を有するセンサネットワークシステムである。

本発明によれば、センサノードによる監視対象の監視を可能にしながら、無線ネットワークの通信帯域を確保することができる。

特に、所定の周波数で観測を行うセンサノードを多数備えた場合であっても、通信データ量を削減することで無線ネットワークの通信帯域が逼迫するのを防ぎ、センサノードを多数備えたセンサネットワークシステムを安定して運営することが可能となる。

本発明の実施形態を説明する前に、本発明の特徴について説明する。本発明の特徴は、センサノードが、所定の期間内に取得した複数の観測値から特徴量を算出し、当該特徴量を用いて送信要否を判定し、送信要と判定した場合にのみ観測値を送信する。これにより、センサノードの送信量を削減して無線ネットワークの通信帯域を確保するとともに、サーバは解析するために必要なデータ（観測値）を収集することができる。ここで特徴量とは、観測値の特徴を数値化して表した量であり、判断基準として使用できる量のことである。複数の観測値を用いて単一のデータあるいは複数の観測値よりデータ量の少ない複数のデータを算出し、特徴量として使用する。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図1は、本発明の実施の形態のセンサネットワークシステムの構成のブロック図である。

センサネットワークシステムは、管理サーバAP1、ゲートウェイGW1、ルータノードRT1、センサノードSS1、管理計算機101、クライアント計算機102、有線センサ103、RFIDリーダ104及びLAN（Local Area Network）NW2を備える。

LAN NW2は、管理サーバAP1、ゲートウェイGW1、管理計算機101、クライアント計算機102及び有線センサ103を相互に接続する。

センサノードSS1は監視対象に取り付けられて、振動や音などの測定データを所定のサンプリング周期で測定し、IEEE802.15.4を物理層として採用した無線ネットワークNW1を介して基地局へ送信する。当該センサネットワークシステムに分散されて設置される。本説明図のセンサネットワークシステムには、9個のセンサノードが設置されているが、いくつ設置されてもよい。センサノードは、ZigBee通信部122、タスクマネージャー124、センサコントローラー125、パワーマネージャー126を備える。ZigBee通信部122は、ZigBeeプロトコルを用いて、ゲートウェイGW1、ルータノードRT1と通信する。タスクマネージャー124は、間欠動作を行うための起動と休眠といったタスクや、ユーザからの指示を処理する。センサコントローラー125は、センサからの観測値を取得する。パワーマネージャー126は、起動と休眠の際の電源制御を行う。センサノードに関する詳細は図2にて説明する。

ルータノードRT1は、ZigBee通信部122及びルーティングマネージャ121を備える。ZigBee通信部122は、ZigBeeプロトコルを用いて、ゲートウェイGW1、センサノードSS1又は他のルータノードと通信する。ルーティングマネージャ121は、外部から受信した情報の転送先を判定する。本説明図のセンサネットワークシステムには、7個のルータノードが設置されているが、いくつ設置されてもよい。

ルータノードRT1は、センサノードSS1によって観測された環境情報又は管理サーバAP1から発行された要求等を受信し、ゲートウェイGW1、センサノードSS1又は他のルータノードRT1に転送する。ゲートウェイGW1は、LAN通信部120、ルーティングマネージャ121、ZigBee通信部122及びPAN制御部123を備える。

LAN通信部120は、LAN NW2を介して、管理サーバAP1と通信する。ルーティングマネージャ121は、外部から受信した情報の転送先を判定する。ZigBee通信部122は、ZigBeeプロトコルを用いて、ルータノードRT1又はセンサノードSS1通信する。PAN制御部123は、当該ゲートウェイGW1から構成されるPAN(センサノード、ルータノード、ゲートウェイからなる無線通信網)を制御する。

ゲートウェイGW1は、センサノードSS1によって観測された環境情報又は管理サーバAP1から発行された要求等を受信し、管理サーバAP1、ルータノードRT1又はセンサノードSS1に転送する。

管理サーバAP1は、LAN通信部120を通じて、LAN NW2を介して，基地局GW1，管理計算機101，クライアント計算機102及び有線センサ103と通信する。また、基地局を介してセンサノードからの観測値の受信や、センサノードの制御を行う。管理サーバは、解析機能110、警報機能111、管理機能112を備える。解析機能110は、センサから得られた観測値の解析を行う。警報機能111は、観測値を解析した結果何らかの異常があった場合、ユーザへと通知する。管理機能112は、ネットワークの構成管理やセンサノードの状態管理を行う。また、管理サーバは、観測値や解析結果を保存するデータベースHistoryDatabase116を備える。

管理計算機101は、当該センサネットワークシステムの管理者によって操作される。管理計算機101は、管理者の操作を契機に、各種要求を管理サーバAP1に送信する。

クライアント計算機102は、当該センサネットワークシステムのクライアントによって操作される。クライアント計算機102は、各種アプリケーションを実行する。また、クライアント計算機102は、センサノードSS1によって観測された環境情報を、管理サーバAP1から受信する。クライアント計算機102は、受信した環境情報に基づいて、各種処理を行う。

有線センサ103は、環境情報を観測する。そして、有線センサ103は、観測した環境情報を、LAN NW2を介して管理サーバAP1に送信する。有線センサは、有線にてネットワーク網NW2と接続されているセンサ群であり、例えば熱電対温度センサがある。RFID104リーダは、RFID Tagに記載されたIDを読み込みネットワーク網NW2を通じてサーバへと通知する。

センサノードSS1は、振動センサとしてX軸、Y軸、Z軸方向の3軸の加速度をそれぞれ測定する加速度センサを備える。また、温度と湿度を測定する温湿度センサや、音を測定するマイク、明度を測定する照度センサを備えてもよい。センサノードのハードウェア構成の一例を図2に示す。

センサノードSS1はセンサ201、A/D変換器202、マイコン203、無線通信部204、表示部205、不揮発性メモリ206、Read-Onlyメモリ207、Real-Time Clock208、電池209、ボタン212からなる。無線通信部204は、図1のZigBeeCommunicator122に相当する。

各軸の加速度センサの出力は、A/D変換器202でアナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された観測値は、演算処理を行うマイコン203に読み込まれて、Real-Time Clock208の時刻情報と共にフラッシュメモリなどの不揮発性メモリ206に書き込まれる。

マイコン203は、起動時に不揮発性メモリ206に格納されているプログラムをメモリ210に読み込んで実行することにより、図3で説明する各種処理を行う。A/D変換機202から読み込んだ観測値をメモリ210に格納し、所定の回数観測を行うと、観測値から後述する送信判断を行う。そして、必要に応じてパケットに格納され、無線通信部204からアンテナAntennaを介して中継機ないし基地局へと無線で送信される。これら一連のタスクは、マイコン203上で動作するタスクマネージャ124にて管理されている。

表示部205は、ユーザに対して情報を表示するための出力デバイスであり、センサ201により計測した最新の観測値を表示することができる。その際、低電力化のために、通常時は何も表示せず、特定の操作（例えば、ボタン212押下）を行った時のみ、該最新測定値を表示するといった活用がある。

センサノードは、ハードウェアにおいてReal-Time Clock208以外の電源をOFF状態にする休眠状態と、全ての回路の電源をON状態にする起動状態の2つの動作を一定周期ごとに使い分ける。センサノードは休眠状態になることにより、5μAという低電力で、時刻情報を保持したまま動作をすることが可能となる。

センサノードSS1の機能要素の一例を、図3に示す。本実施例のセンサノードは、所定の期間内に取得した観測値を用いて近似計算を行い、観測値送信の要否を判定することを特徴とする。これにより、センサノードのデータ送信量を削減することが可能となる。近似計算の詳細については後述する。

センサデータ取得部301は、各軸のセンサSnX〜SnZをデジタル信号に変換する。センサデータ取得部301は、図1のSensorController125に相当する。不揮発性メモリ蓄積部305は、デジタル信号に変換された観測値に観測時刻を示すタイムスタンプを付加してフラッシュメモリなどの不揮発性メモリに格納する。近似計算部302は、所定の周期(例えば1秒等)となる度にデジタル信号に変換された観測値から当該周期内の観測値の近似計算を行う。送信判断部303は、近似値から観測値送信の要否を判定する。無線通信部304は、無線ネットワークを介して基地局と送受信を行う。要求受付部306は、管理サーバからの要求(コマンド)を受け付ける。データ破棄部307は、受け付けた要求が不揮発性メモリ内のデータを破棄する要求であった場合に観測値の削除を行う。閾値設定部309は、要求が送信判断の閾値設定要求であった場合に該閾値設定要求に含まれる閾値を送信判断部303に通知すると共に不揮発メモリに保存する。観測値要求処理部309は、受け付けた要求がメモリ内の観測値を取得する要求であった場合に、概観測値をメモリより取得し、データ生成部308へと伝達する。データ生成部308において、観測値はパケットへと格納され、無線通信部304を介して基地局へと送信される。管理サーバAP1のハードウェア構成の一例を図4に示す。管理サーバAP1は、演算を行うCPU401、外部通信部402、電源403、ハードディスクドライブ404、キーボード405、ディスプレイ406、メモリ407からなる。外部通信部402は、図1のLAN Communicator120に相当する。

管理サーバAP1は、外部通信部402を経由し有線ネットワークNW2と通信を行い、基地局GW1へのコマンドの送信や、基地局GW1が中継機RT1を介して収集したセンサノードSN1からの観測値を受信する。管理サーバは、基地局、中継器、センサノードの無線ネットワーク構成や、センサノードの間欠動作設定などを管理する管理機能112を有する。CPU401はメモリ407に記憶されたプログラムを読み込み、図５で説明する各処理を実行する。例えば、プログラムの指示に従って取得した観測値などのデータの加工を行ったり、ハードディスクドライブ404へデータを蓄積したり、ディスプレイ406に表示したりする。また、CPU401はキーボード405から入力されたユーザ要求に応じて、ハードディスクドライブ404上のHistoryDatabase116に格納された履歴を読み込み、ディスプレイ406に表示する。また、CPU401は、キーボード405から入力されたユーザコマンドの解釈を行い、外部通信部402を通じて基地局GW1へと配信する。

管理サーバAP1の機能の一例は、図5に示すようにイベント受付部502、イベント配送部503、観測値蓄積部504、表示部505、詳細解析部506、ユーザ要求受付部507、コマンド作成部508、コマンド発行部509からなる。詳細解析部506は、図1の解析機能110に相当する。

管理サーバAP1は、センサノードSS1からの観測値501を、外部通信部402のイベント受付部502にて受信する。受信した観測値501は、イベント配送部503を通じてハードディスクドライブ404上の観測値蓄積部504へ配送され格納されたり、ディスプレイ406上の表示部505へと配送されたりする。また、観測値501の詳細な解析を行う場合、イベント配送部503から詳細解析部506へと配送された後に解析される。解析結果は表示部505へと表示され、必要に応じて警報機能111を通じてユーザへ警報を発する。

ユーザからセンサノードに対しての要求は、キーボード406を介してユーザ要求受付部507へと入力される。ユーザ要求は、コマンド作成部508にてセンサノードに対するコマンドへと解釈され、外部通信部402のコマンド発行部509からセンサノードへと発行される。
以上のセンサネットワークシステムを用いたアプリケーションの例として、配管の振動を観測する例を図6に示す。

配管603はサポート607によって建物に固定されているが、接続しているポンプ601の影響や、中を流れる流体の影響によって振動する。鉄鋼材料の場合、この振動により発生する応力のうち一定値(疲労限界)を超えるものが繰り返し加わることで、亀裂などの不具合を生じる。従って、振動を計測し応力を評価する必要がある。図6のように、弁602付近や分岐部604、配管継目606、曲がり部605は偏流が発生するため、特に振動が大きい。そのため、複数のセンサノードSS1を設置し、振動を計測し応力の評価を行う。

本実施形態のセンサノードでは、振動を計測後、一般的な物理モデルを統計値により近似することにより応力の評価を行うことを特徴とする。これにより、少ない計算量で応力の評価が可能となり、マイコン等の性能が低いセンサノードであっても高速に応力の評価を行うことができる。さらには、物理モデルに則した評価が可能となり精度の高い判定を行うことができる。

一般に、配管の応力解析は、加速度のパワースペクトル密度PSD(Power Spectrum Density)に基づき、振動特性を評価する方法を用いる。物理モデルとなる配管の振動応力σ[N/mm²]の計算式を、式（１）に示す。

また、解析周波数毎のパワースペクトル密度の計算式を、式（２）に示す。

特許文献２に開示されるように、PSDは観測値をフーリエ変換することにより算出する。フーリエ変換を行うために必要な計算量は、観測値のデータ点数をNとすると、NlogNオーダーである。すなわち、512点をフーリエ変換するためには、512回観測を行った後に、512×log512＝1388オーダーの計算量が必要となる。
一方、本実施形態では構造物の応力解析を行う場合、簡易評価として1次固有振動数におけるパワースペクトルを用いて評価する。この場合、f、E、e、Ｌ，Δｆはそれぞれ定数とすることができるため、応力は式（３）で近似し簡易評価できる。

式（３）において、Σx_i ²は観測を行う毎に逐次計算することが可能である。従って、σを求めるために必要な計算量は、除算を1回行うのみで良いため、１オーダー程度である。このように、本実施形態で用いる評価式（３）は、物理モデル（１）よりも計算量が少なく、物理モデルに則した評価が可能である。

図9に、観測値送信判断のフローチャートの一例を示す。ここでは、センサノードが上述の近似式の計算を行い、近似値が閾値を超えた場合に観測値を送信し、近似値が閾値を越えない場合に送信しないことを特徴とする。これにより、センサノードの計算量を少なくし、かつ、通信量を減らすことが可能となる。さらにサーバは、詳細な解析が必要となる観測値の実データを収集することができる。

センサノードSS1は起動すると観測を行い（901）、観測値を不揮発メモリに保存する（902）と共に、観測値の二乗を計算し加算する（903）。観測回数が指定回数(例えば512回)を超えているかを判定し（904）、超えていない場合は再び観測901を行い、観測値の二乗を加算する（903）。前記指定回数は、管理サーバで行う詳細解析の内容により決定する値であり、管理サーバによって指定される。また、観測後に二乗を加算する逐次計算を行うことにより、指定回数経過後にまとめて処理を行う計算と比較し、1度の計算量を少なくすることができると共に、メモリ210上に記憶しておくデータ量を1回の観測分と計算結果格納用の2データ分に押さえることが可能となる。判定の結果、観測回数が指定回数を超えた場合、式（３）により近似値を算出する（905）。近似値が設定されている閾値を超過しているか否かを判定し（906）、閾値を超過している場合、観測値をサーバへと送信し（907）、終了する(908)。近似値が設定されている閾値以下の場合、観測値の送信は行わず、終了する(908)。

閾値は、ユーザにより予め設定されていてもよく、第2の実施形態として後述するようにセンサノードが判断して設定することも可能である。また、センサノードからの観測値の送信状況に応じて、サーバが閾値を設定することも可能である。例えば、サーバにおいて、閾値を越える観測値が所定時間観測されない場合は、通信帯域が逼迫しない範囲で閾値を低く設定することができる。

また、複数のセンサノードが異なる箇所に設置されている場合、閾値をセンサノード毎に個別に決定することが可能である。つまり、センサノードの設置場所に応じて閾値を設定し、センサノードは、近似値σが閾値を超えた場合にのみ観測値を送信する。これにより、設置箇所の振動の大きさが違う場合でも、各センサノードが送信する観測値の送信量を同一にすることや、ポンプ付近など重点的に観測したい箇所に設置したセンサノードの送信量を多く設定することが可能となる。この場合、閾値は設置場所に応じてユーザが予め設定すればよい。あるいは、サーバがセンサノードの設置場所を把握しておき、当該設置場所に設置されたセンサノード各々に閾値設定コマンドを送信することにより、設定することも可能である。

以上のように、センサノードSS1において継続的に観測された観測値は、所定の観測回数毎に送信の要否を判断し、閾値を超えることが無い限り送信されることが無いため、継続的に観測するセンサノードSS1〜SSnが多数存在していても、無線ネットワークNW1の通信帯域が逼迫するのを防いで、安定した通信環境を確保することができる。

ここで、近似値はサーバの解析において必要としないため、通信量及び消費電力を低減する観点からセンサノードは近似値を送信する必要はない。しかし、図11に示すように、センサノードが近似値を算出905し、送信判断906により観測値を送信しないと判断した場合、算出した近似値を送信することもできる。これにより、閾値を超えない観測値の測定が続いたとしても、センサノードから近似値が送信されるため、サーバはセンサノードの生死判定（センサノードが正常に機能しているか否かの判定）を行うことが可能となる。

次に、センサノードSS1で観測される振動データと管理サーバAP1で取得される振動データの関係を図7に示す。図7において、701はセンサノードSS1で観測された振動データを、702はセンサノードで計算された応力の近似値を、703は管理サーバAP1で取得される振動データの様子を示している。つまり、センサノードには、観測値がすべて記録され、管理サーバにはその近似値が閾値を超える観測値のみ記録されることを示している。

センサノードSS1は指定されたサンプリング周期(例えば200Hz)で継続的に観測を行い711、指定回数712(例えば512回)毎の観測値を用いて近似値721を算出する。算出した近似値721が判定閾値722を超えた場合、超えた区間712の観測値711を管理サーバAP1へと送信する。従って、管理サーバAP1では、703に示す通り閾値722を超えた振動データのみが取得される。

センサノードSS1は観測値711を不揮発性メモリ206に保存しているため、管理サーバAP1は閾値722を超えていない区間（713）の振動データが必要な場合にセンサノードSS1に問い合わせて取得することが可能である。

センサノードSS1〜SSnの観測と、基地局との通信は図8に示すシーケンス図のように行われる。

センサノードSS1は所定の回数観測し（713）、観測値801を不揮発性メモリに保存する（902）。所定の回数を超過すると、近似値を算出する（905）。該算出した近似値が閾値を超過しているかを判断し（906）、超過していない場合は観測値の送信を行わず再び観測を行う。所定の回数の観測値（712）から算出した近似値が閾値を超過した場合、観測値を送信する（802）。送信しなかった観測値が必要である場合、管理サーバAP1はセンサノードSS1に対し基地局を介して観測値要求を送信する（803）。センサノードSS1は、不揮発性メモリに保存されている観測値を取得し（804）、該観測値を基地局GW1へと送信する（801）。

次に、第２の実施例として、センサノードが判断して閾値を再設定する例を、図10を用いて説明する。本実施例は通信が輻輳することを防止するため、センサノードが観測値の送信量を監視し、送信量が多くなった場合または少なくなった場合、閾値を変化することにより送信量を調節することを特徴とする。

図10は、センサノードが判断して閾値を変更するフローチャートを示している。なお、近似値計算1002を行うフローは図9の観測901、不揮発性メモリに保存902、逐次計算903、回数超過判断904、及び近似値算出905と同様のフローのため、省略している。

センサノードは起動すると（1001）、図9の近似値計算と同様のフローにて近似値計算を行い（1002）、計算回数を加算する（1003）。計算した近似値が閾値を超過しているか否かを判定し（1004）、超過している場合は観測値をサーバへと送信すると共に、送信回数を加算する（1005）。その後、近似値計算の回数が所定回数(例えば10回)を超過しているか否かを判定し（1006）、超過していない場合は、終了して（1013）再び近似値計算を行う(1002)。所定回数を超過している場合は送信率の計算を行う（1007）。計算した送信率を基に、閾値の再計算を行うか否かを判定する（1008）。図10では、例として送信率が0.6より大きい場合または送信率が0の場合を条件に再計算する例が示されている。

送信率とは、近似値の計算回数（送信判定回数）に対する送信回数の割合のことである。送信率が判定値（例えば0.6）より大きい場合は送信過多、判定値より小さい場合（例えば、0の場合）は送信不足と判定する。送信率の判定値はセンサノード毎に設定することができ、例えばポンプ付近など重点的に監視したい箇所に設置したセンサに関しては、0.9より大きい場合に再計算するよう設定しておくことにより、観測値をより多く収集することが可能となる。

送信過多または送信不足と判定した場合、所定回数分の近似値の平均値を算出し（1009）、新たな閾値として設定する（1010）。その後、計算回数を0にリセットし（1011）、送信回数を0にリセットして（1012）、終了する（1013）。

このように送信率の判定結果に基づいて近似値の閾値を再設定することにより、各センサノードの送信率を一定に保つことができ、一つのノードが送信過多となっても通信帯域を逼迫することがなく、安定した観測値収集が可能となる。

上述した送信率の計算および閾値の再計算は、サーバで行うことも可能である。センサノードは近似値が閾値を超過しているか否かを判定し(1004)、超過していない場合は「超過していない旨」を通知するために近似値のみをサーバへと送信する。サーバは近似値を所定回数(例えば10回)受信すると送信率（特徴量を受信した回数に対する観測値を受信した回数の割合）の計算を行い、送信率が判定値(例えば0.6)を超えた場合、10回分の近似値の平均を算出する。そして、平均値を閾値として再設定するコマンドを作成し、コマンド発行部509を通じてセンサノードに対し送信する。センサノードは、受信するコマンドに基づいて、近似値の閾値を設定する。

これにより、近似値をサーバに送信することは通信量及びセンサノードの消費電力の観点から不利ではあるが、送信率の計算及び閾値の再計算による消費電力を低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、種々変形実施可能であり、上述した各実施形態を適宜組み合わせることが可能であることは、当業者に理解されよう。

実施例１における本発明を適用するセンサネットワークシステムの構成を表す図の一例。 実施例１におけるセンサノードのハードウェア構成を示すブロック図の一例。 実施例１におけるセンサノードの機能構成を示すブロック図の一例。 実施例１における管理サーバのハードウェア構成を示すブロック図の一例。 実施例１における管理サーバの機能構成を示すブロック図の一例。 実施例１における本発明を適用するアプリケーションである配管振動監視システムを示す図の一例。 実施例１における測定データと近似値とサーバが取得するデータの関係を示す図の一例。 実施例１におけるセンサノードと基地局との通信手順を示すシーケンス図の一例。 実施例１におけるセンサノードが行う送信判断のフローチャートの一例。 実施例２におけるセンサノードが閾値を再設定するフローチャートの一例。 実施例１におけるセンサノードと基地局との通信手順を示すシーケンス図の別の例。

符号の説明

１０１：管理計算機、１０２：クライアント計算機、１０３：有線センサ、１０４：ＲＦＩＤリーダ、２０１：センサ、２０４：無線通信部、２０５：表示部、３０１：センサデータ取得部、３０２：近似計算部、３０３：送信判断部、３０４：無線通信部、３０５：不揮発性メモリ蓄積部、３０６：要求受付部、３０７：データ破棄部、３０８：データ生成部、３０９：閾値設定部

Claims (12)

1. 所定の間隔で観測値を取得するセンサと、
   所定期間に取得した上記観測値から特徴量を算出する近似計算部と、
   上記特徴量が所定の閾値を超えるか否かを判定する送信判断部と、
   上記特徴量が上記所定の閾値を超えた場合、上記所定期間に取得した観測値をサーバに送信する無線通信部と、を有するセンサノード。
2. 請求項１に記載のセンサノードにおいて、
   上記近似計算部は、上記観測値の１次固有振動数におけるパワースペクトルを用いて上記特徴量を算出するセンサノード。
3. 請求項１に記載のセンサノードにおいて、
   上記特徴量が上記所定の閾値を超えない場合、上記無線通信部は上記所定期間に取得した観測値を上記サーバに送信しないセンサノード。
4. 請求項１に記載のセンサノードにおいて、
   上記特徴量が上記所定の閾値を超えない場合、上記無線通信部は上記特徴量を上記サーバに送信するセンサノード。
5. 請求項１に記載のセンサノードにおいて、
   上記特徴量の算出回数と、上記所定期間に取得した観測値の送信回数を保持し、
   上記算出回数に対する上記送信回数の割合が第１の判定値を超えた場合に、上記特徴量の平均値を用いて閾値を再設定する閾値再設定部を有するセンサノード。
6. 請求項５に記載のセンサノードにおいて、
   上記算出回数に対する上記送信回数の割合が上記第１の判定値より小さい第２の判定値を超えない場合、上記閾値再設定部は上記特徴量の平均値を用いて閾値を再設定するセンサノード。
7. 請求項１に記載のセンサノードにおいて、
   観測対象となる設備に複数のセンサノードが設置されている場合であって、
   上記設備におけるセンサノードの設置場所に応じて、上記センサノードごとに上記閾値が設定されているセンサノード。
8. センサノードとサーバとを有するセンサネットワークシステムであって、
   上記センサノードは、
   所定の間隔で観測値を取得するセンサと、
   所定期間に取得した上記観測値から特徴量を算出する近似計算部と、
   上記特徴量が所定の閾値を超えるか否かを判定する送信判断部と、
   上記特徴量が上記所定の閾値を超えた場合、上記所定期間に取得した観測値を上記サーバに送信する無線通信部と、を有するセンサネットワークシステム。
9. 請求項８に記載のセンサネットワークシステムにおいて、
   上記近似計算部は、上記観測値の１次固有振動数におけるパワースペクトルを用いて上記特徴量を算出するセンサネットワークシステム。
10. 請求項８に記載のセンサネットワークシステムにおいて、
    上記特徴量が上記所定の閾値を超えない場合、上記無線通信部は上記特徴量を上記サーバに送信するセンサネットワークシステム。
11. 請求項１０に記載のセンサネットワークシステムにおいて、
    上記サーバは、
    上記所定期間に取得した観測値及び上記特徴量を受信する外部通信部と、
    上記特徴量を受信した回数に対する上記観測値を受信した回数の割合が第１の判定値を超えた場合に、上記特徴量の平均値を用いて閾値を算出する解析部と、を有し、
    上記外部通信部は、上記解析部により算出された閾値を上記センサノードに送信するセンサネットワークシステム。
12. 請求項１１に記載のセンサネットワークシステムにおいて、
    上記特徴量を受信した回数に対する上記観測値を受信した回数の割合が上記第１の判定値より小さい第２の判定値を超えない場合、上記解析部は上記特徴量の平均値を用いて閾値を算出するセンサネットワークシステム。

Images