JP2010108401A - 防災用センサネットワークシステム - Google Patents

Abstract

【目的】
バケツリレー方式であるところのマルチホップ通信方式を用いることによって、ゲートウェイ間と直接無線通信を行うことが出来ない遠隔地のセンサノードの情報を、ゲートウェイによって解析し、ユーザ端末に伝送することを可能とする。
【構成】
利用者端末と、前記利用者端末に落石や河川の増水などの防災情報を提供するセンサが、ネットワークを介して接続されている防災用センサネットワークシステムであって、センサユニットと特定小電力無線ユニットから成る複数のセンサノードと、ゲートウェイ装置と、情報処理端末と、から成る防災用センサネットワークシステムとする。
【選択図】図１

Description

本発明はセンサを持った複数の無線機によって構成されるマルチホップ無線アドホックネットワークにおけるデータ収集装置に関するものであり、特に斜面の崩落検知などの災害予防技術に関するものである。

ユビキタスネットワークの時代には、ネットワークに接続されたセンサが、あらゆる場所に設置され、様々な用途で使用されることにより、このセンサネットワークシステムから、多様な情報を得ることができるようになる。

一方、センサおよびネットワークの設置および運営には多額の費用が発生するため、山の崩落現象の検知に用いるセンサネットワークなど、インフラの設置が困難な場所においては、センサをネットワークに接続することは現実的に難しい（例えば特許文献１参照）。

そこで、山の斜面などにおいてセンサネットワークを実現する手段として、センサユニットと無線送信機ユニットを併せ持ったセンサノードを点在させ、それぞれの無線送信機に対応した受信機を敷設し、この複数の受信機をネットワーク接続した無線ネットワークシステムが実用化されている。

センサノードと受信機の通信手段としては、Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＲＦＩＤ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）などによるものが存在する。

また、全く別の方法として、光ファイバを地中に敷設して、この光ファイバに掛かる圧力によって光の屈折率が変化することを利用した災害検知装置も考えられている。

特開２００５−３２１９３４号公報

しかるに、この手段によれば、センサノードが検知した情報を受信するための受信機を通信可能な範囲内に設置せねばならないが、その領域が危険な場所であることも考えられ、また、受信機を、離れた安全な場所に設置する場合には、中継器の敷設が必要になるなどの問題があった。

また、外部から掛かる圧力によって光の屈折率が変わるという光ファイバの物理的特性を利用した災害検知装置に関しては、光ファイバケーブルの敷設にかかる費用が高いことが問題となり、広く利用されるに至っていない。

前記課題を解決するために、本発明は、
利用者端末と、前記利用者端末に落石や河川の増水などの防災情報を提供するセンサが、ネットワークを介して接続されている防災用センサネットワークシステムであって、
センサユニットと特定小電力無線ユニットから成る複数のセンサノードと、
前記センサノードによる無線信号を受信することができ有線ポートによりネットワークに接続しデータ解析処理が可能なゲートウェイ装置と、
前記インターネットに接続することによってセンサノードの状態を知ることが出来る情報処理端末と、
から成る防災用センサネットワークシステムとする。

また、本発明は、
前記複数のセンサノードは、該センサノードからゲートウェイに至る通信をバケツリレー方式であるところのマルチホップ通信方式によって実現することを特徴とし、例えばセンサノードＡは、予め決められた時間に前記マルチホップ通信方式によってデータを受信し、Ａの受信タイミングでＡのセンサデータを送信することによって、他のセンサデータを上書きすることなく、Ａ以降のセンサノードへ、Ａに至るまでの全てのデータを転送できることを特徴とする、防災用センサネットワークシステムとする。

また、本発明は、
前記複数のセンサノードは、該センサノードからゲートウェイに至る通信をバケツリレー方式であるところのマルチホップ通信方式によって実現することを特徴とし、不測の事態により任意のセンサノードが故障した際には、中継ノード数が最も少なく、また、中継ノード数が同じであれば受信信号強度が最も強い経路を迂回ルートとすることを特徴とする、防災用センサネットワークシステムとする。

また、本発明は、
前記センサノードは災害発生可能性のある危険地帯に配置し、また前記ゲートウェイは災害発生可能性の低い安全地帯に配置することによって、メンテナンスを容易にすることを特徴とする防災用センサネットワークシステムとする。

また、本発明は、
前記ゲートウェイはＧＰＳ受信機を内蔵し、該ＧＰＳ受信機によって時刻を取得し、センサノードに対してマルチホップ方式によって時刻を配信することによって、システム全体の時刻同期を計ることを特徴とする防災用センサネットワークシステムとする。

本発明によれば、バケツリレー方式であるところのマルチホップ通信方式を用いる特徴によって、ゲートウェイ間と直接無線通信を行うことが出来ない遠隔地のセンサノードの情報を、ゲートウェイによって解析することが可能となる。

また、本発明によれば、あらかじめマルチホップ通信方式のデータ転送経路を複数設定することにより、任意のセンサノードの故障に対して、遠隔地の正常動作しているセンサノードは、該故障したセンサノードを迂回してゲートウェイとの通信を行うことが可能となる。

また、本発明によれば、インターネットに接続された情報端末を用いて、センサノードを設置したエリアの防災情報を得ることが可能となる。

本発明の好適な実施例に関して、図を参照して説明する。

図１は本発明にかかる、防災を目的としたセンサネットワークの全体システム図である。１０１はセンサノードであり、センサユニット１０５と特定小電力無線ユニット１０３を持つ。センサノードは複数用いることによってセンサネットワークを形成している。図１ではセンサネットワークの一例として、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４の４つのセンサノードを用いている。

センサノード間の通信は無線で行っており、特定小電力無線ユニット１０３が送受信を行う。通信の内容はセンサユニット１０５のセンサデータである。各センサノードは予めデータを送信するタイミングが決められており、そのタイミングで前段からのデータを受信し、かつ、自データを送信する。１０７の塗りつぶした位置が既にデータが書き込まれたビット位置である。

データ送信に関して、さらに図５を用いて説明する。図５は横軸が時間軸であり、縦方向にバケツリレー方式でデータを転送する（マルチホップ通信と呼ばれている）ものである。

まずセンサノードＮ１が、予め決められた時間帯に「１」を送信する。センサノードＮ２は、センサノードＮ１から「１」が書き込まれたデータを受信し、センサノードＮ３にバケツリレー、すなわちマルチホップ通信を行う。つまり、自身よりも前のセンサノードが送信したデータに関しては中継器としての役割をする。またセンサノードＮ２自身のセンサデータ「２」は、図５に示したタイミングで次段に送信する。

次にセンサノードＮ３は、センサノードＮ２がバケツリレーをした「１」およびセンサノードＮ２が送信した「２」を受信し、センサノードＮ４に「１」と「２」をバケツリレー、すなわちマルチホップ通信を行う。センサノードＮ２と同様に、自身よりも前のセンサノードが送信したデータに関しては中継器としての役割をする。またセンサノードＮ３自身のセンサデータ「３」は、図５に示したタイミングで次段に送信する。

このように、マルチホップ通信の時間を予め決めておき、ある任意のセンサノードに関して、自身の一つ前段のセンサノードが中継したデータおよび自身の一つ前段のセンサノードが送信したセンサデータを中継し、さらに自情報の送信を決められた時間に行うことによって、他のデータに上書きをすることを回避できる。

マルチホップ方式によるデータ転送により、最終段であるところのゲートウェイ装置１０９で受信するセンサデータ１０７は、各センサノードのセンサデータが全て網羅されている。

ゲートウェイ装置１０９は、特定小電力無線ユニット１０３と、解析部１１３と、ＧＰＳ受信機１１５を備える。ゲートウェイ装置における特定小電力無線ユニット１０３は前記センサノードの最終段としてのデータ受信をし、解析部１１３にセンサデータ１０７を伝送する。また、後述するように、時刻情報をセンサノードに送信する機能を持つ。

ＧＰＳ受信機１１５はＧＰＳによる時刻取得機能を用いて、現在の正確な時刻を取得する。取得した時刻は、センサデータのマルチホップ通信の順番とは逆の順番の経路を辿るマルチホップ通信によって、各センサノードに伝送され、全てのシステム内の時刻の同期を計る。

解析部１１３は、センサデータを用いて、岩盤の崩落や水位の異常上昇など、防災に用いるデータを取得し、例えばインターネット１１７のネットワークインフラを用いて、監視員の用いる情報処理装置１１９に解析結果を伝送する。

次に、あるセンサノードが故障してしまった場合にマルチホップ通信の経路が変わる様子を、図２を用いて説明する。通常はセンサノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３という通常ルート２０３の経路をマルチホップ通信しているとする。

例えばセンサノードＮ２が故障したとする。この故障により、センサノードＮ１からＮ３に至る経路が寸断されたことになるが、センサノードＮ１からＮ３に至る他の経路として、センサノードＮ１、Ｎ４、Ｎ５、Ｎ３を辿る経路と、センサノードＮ１、Ｎ６、Ｎ７、Ｎ８、Ｎ３を辿る経路が存在している。

マルチホップ通信の経路決定手段は、中継段数が少ないことを最優先とし、中継段数が同じ経路が複数ある場合は、その中から受信電力が最も大きい経路を選択するものであるから、図２の場合には、センサノードＮ２が故障した場合には、故障時のルート２０１、つまりセンサノードＮ１、Ｎ４、Ｎ５、Ｎ３の経路で新たにマルチホップ通信を行う。

このように、例えばセンサノードＮ２が故障した場合でも、センサノードＮ３には故障時のルート２０１によって、経路のセンサデータが転送される。つまり、任意のセンサノードの故障に対しても、マルチホップ通信のルートを変更することによって、最終段であるゲートウェイ装置までデータの転送を完了できる。

図３は、観測地において、実際にどのようにセンサノードとゲートウェイ装置を置くかを示したものである。つまりセンサノードは図３のように平面状に設置するため、図１や図２のように単純に上流から下流への直線状のセンサデータの流れにすることは難しい。

実施の一例として図３のように、センサノードのなかでも、３０１や３０５のように一つのセンサノードからセンサデータを受信し次センサノードにセンサデータを伝送するタイプと、３０３や３０７のように二つのセンサノードからセンサデータを受信し次センサノードにデータを伝送するタイプの二種類のセンサノードを設置することによって、センサデータをゲートウェイに到達させる手法が考えられる。

これは、センサノードを行列とみなした場合に、３０１の行の最終段が３０３となり、この経路でマルチホップ通信し、また、３０５の行の最終段が３０７となり、この経路でマルチホップ通信し、各行毎のセンサデータの転送の流れの最終段が、マルチホップ通信をすることによってゲートウェイにセンサデータを到達させる方法であり、この手段を用いればセンサノードを広域に設置することが容易になる。

図４は前記のように行列の形態でセンサノードとゲートウェイを設置し、さらにゲートウェイを既存のネットワークに接続して、遠隔の管理者等がセンサデータを閲覧する様子を示したものである。

ある一つの観測エリアを４０７とした時、行列状に配置されたセンサノードが取得したセンサデータが、マルチホップ通信によってゲートウェイ４０１に到来し、ゲートウェイ内の解析部１１３によってどのセンサノードがどういった異常を検出したのかを分析し、分析結果をインターネットやイントラネット等の既存ネットワーク４０５に送信し、ユーザ端末４０３によって防災の管理者等ユーザがブラウザ等を用いて閲覧することができるものである。

なお、マルチホップ通信の際に、各センサノードがデータ列の中の予め決められたビット位置にセンサデータを書き出すのであるが、そのデータサイズや具体的な位置、また、データのフォーマットについては、本発明ではそれを限定するものではない。

また、センサノードの設置は行列の形態で行うが、その行と列の個数については、本発明ではそれを限定するものではない。

また、ゲートウェイ内の解析部１１３の解析手段については、本発明ではそれを限定するものではない。

本発明に関する全体システム図 任意のセンサノードが故障した場合のデータ経路 実際のセンサノードの配置手段 ユーザ監視の手段 データ書き込みの例

符号の説明

１０１…センサノード、 １０３…特定小電力無線ユニット、
１０５…センサユニット、 １０７…転送されるセンサデータ、
１０９…ゲートウェイ装置、 １１３…解析部、 １１５…ＧＰＳ、
１１７…ネットワーク、 １１９…ユーザ端末、
２０１…特定のセンサノードが故障した際のデータ転送ルート、
２０３…どのセンサノードも故障していない場合のデータ転送ルート、
３０１，３０５…左端以外のセンサノード、
３０３，３０７…左端のセンサノード、
３０９…ゲートウェイ装置、
４０１…ゲートウェイ装置、 ４０３…ユーザ端末、
４０５…既存のネットワーク、 ４０７…センサノードの単位。

Claims (5)

1. 利用者端末と、前記利用者端末に落石や河川の増水などの防災情報を提供するセンサが、ネットワークを介して接続されている防災用センサネットワークシステムであって、
   センサユニットと特定小電力無線ユニットから成る複数のセンサノードと、
   前記センサノードによる無線信号を受信することができ有線ポートによりネットワークに接続しデータ解析処理が可能なゲートウェイ装置と、
   前記インターネットに接続することによってセンサノードの状態を知ることが出来る情報処理端末と、
   から成る防災用センサネットワークシステム。
2. 前記複数のセンサノードは、該センサノードからゲートウェイに至る通信をバケツリレー方式であるところのマルチホップ通信方式によって実現することを特徴とし、例えばセンサノードＡは、予め決められた時間に前記マルチホップ通信方式によってデータを受信し、Ａの受信タイミングでＡのセンサデータを送信することによって、他のセンサデータを上書きすることなく、Ａ以降のセンサノードへ、Ａに至るまでの全てのデータを転送できることを特徴とする、請求項１に記載の防災用センサネットワークシステム。
3. 前記複数のセンサノードは、該センサノードからゲートウェイに至る通信をバケツリレー方式であるところのマルチホップ通信方式によって実現することを特徴とし、不測の事態により任意のセンサノードが故障した際には、中継ノード数が最も少なく、また、中継ノード数が同じであれば受信信号強度が最も強い経路を迂回ルートとすることを特徴とする、請求項１に記載の防災用センサネットワークシステム。
4. 前記センサノードは災害発生可能性のある危険地帯に配置し、また前記ゲートウェイは災害発生可能性の低い安全地帯に配置することによって、メンテナンスを容易にすることを特徴とする、請求項１に記載の防災用センサネットワークシステム。
5. 前記ゲートウェイはＧＰＳ受信機を内蔵し、該ＧＰＳ受信機によって時刻を取得し、センサノードに対してマルチホップ方式によって時刻を配信することによって、システム全体の時刻同期を計ることを特徴とする、請求項１に記載の防災用センサネットワークシステム。