JP2010141469A - センサネットワークシステム - Google Patents

Abstract

【課題】センサネットワークシステム上に配備された電池で駆動されているノードの電源をオン、オフ等の動作状態を変更するシステムの提供。
【解決手段】センサの感知信号を送信するノードと、前記ノードから前記センサのデータフレームを受信するベースとの間にルータを設け、ノードからルータへのデータフレームの伝送には人体通信を使用し、ルータからベースまでのデータフレームの伝送には従来からの無線を使用するセンサネットワークシステムにあり、かつノードの電源オン、オフ等の動作状態はルータからの信号によって行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサデータを送信するノードと、そのノードからセンサデータを受信するルータ、ルータからセンサデータを受信するベースから構成されるセンサネットワークシステムに関するものである。

近年、センサに無線通信機能を有する小型の電子回路を付加して、現実世界の様々な情報をリアルタイムに情報処理装置に取り込むセンサネットワークシステムが検討されている。センサネットワークシステムには幅広い応用が考えられており、例えば、無線回路、プロセッサ、センサ、電池を集積した指輪型の小型電子回路により、脈拍等を常時モニタし、モニタ結果は無線通信により診断装置に送信され、モニタ結果に基づいて健康状態を判定するといったような医療応用も考えられている（例えば、非特許文献１参照。）。

センサネットワークシステムを広く実用化するためには、無線通信機能、センサ、および、電池等の電源を搭載する血圧計、心拍計または体脂肪計等（以下、ノードという）を、長時間に渡ってメンテナンスフリー、かつセンサデータを送信し続けられるものとし、かつ外形も小型化することが重要になる。このため、超小型でどこにでも設置できるノードの開発が進められている。現段階では、実用上、１年程度の期間、電池交換をせずに使用可能であることが、メンテナンスコストおよび使い勝手の両面から必要と考えられている。

例えば、非特許文献２には、「Ｍｉｃａ２Ｄｏｔ」と呼ばれる、直径３ｃｍ程度の小型のノードのプロトタイプが紹介されている。このＭｉｃａ２Ｄｏｔは、無線通信に必要な機能を集積したＲＦチップと、低消費電力なプロセッサチップから構成される。このプロトタイプにおいては、９９％の時間は待機状態で、残りの１％の時間のみを間欠的に起動してセンサを動かして結果を無線通信するという間欠動作により、小型電池にて１年程度の動作が可能としている。

センサネットワークシステムには、上記のような小型で無線通信を行うノードと、センシングされたデータを無線で収集して、インターネットなどの有線ネットワークに接続するデバイス（以下、ベースと呼ぶ）の２種のデバイスが必要である。ノードは、小型かつ移動性を加味して電池で駆動されることが多いのに対し、ベースは据え置きでＡＣ電源駆動されるケースが多い。
Sokwoo Rhee他「Artifact-Resistant Power-Efficient Design of Finger-Ring Plethysmographic Sensors」,IEEE Transactions On Biomedical Engineering, Vol.48, No.7, July 2001, pp.795-805 Crossbow 「Smarter Sensors In Silicon」、インターネット、URL : http://www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/Motetraining/Hardware.pdf

センサネットワークシステムを人体情報の収集システムに利用しようとすると、以下のような課題が発生する。前述したように、ノードは血圧計、心拍計、体脂肪計等扱い易さから電池駆動が強く求められている。しかし、電池駆動ではその寿命に制限が発生する。

ましてやこれらノードに無線機能を搭載すると、この無線機能の動作電力により更に電池寿命が減少してしまうという課題がある。背景技術でも述べたように「Ｍｉｃａ２Ｄｏｔ」の無線機能を用いても一年程度の寿命しかない。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、センサの感知信号（以下データフレームと呼ぶ）を送信するノードと、前記ノードから前記センサのデータフレームを受信するベースとの間にルータを設け、ノードからルータへのデータフレームの伝送には人体通信を使用し、ルータからベースまでのデータフレームの伝送には従来からの無線を使用するセンサネットワークシステムにあり、かつノードの電源オン、オフはルータからの信号によって行う。

本発明の第２の態様は、電界通信用の第１電極及び第２電極を備え、センサの感知信号を電圧波形に変換し、前記第１電極及び第２電極を介して送信するノードと、電界通信用の第３電極及び第４電極と無線通信用の第１アンテナを備え、前記電圧波形を前記第３及び第４電極を介して受信し、前記電圧波形から前記センサの感知信号を検出し、このセンサの感知信号を含む信号を、前記第１アンテナを介して再送信するルータと、
無線通信用の第２アンテナを備え、前記ルータが再送信したセンサの感知信号を含む信号を、前記第２アンテナを介して検出するベースから構成され、前記ノードと前記ルータ間は、前記各電極を人体に接触または近接させて前記人体を介して通信し、前記ルータと前記ベース間は、前記各アンテナを介した無線通信を用いるセンサネットワークシステムであり、前記人体通信および無線通信が伝送する前記感知信号から構成されるデータフレームは前記ノードを識別できる固有のＩＤ情報を含み、前記ＩＤ情報により前記ノードの動作状態を変更するように構成した。

本発明の第３の態様は、電界通信用の第１電極及び第２電極を備え、センサの感知信号を電圧波形に変換し、前記第１電極及び第２電極を介して送信するノードと、電界通信用の第３電極及び第４電極と無線通信用の第１アンテナを備え、前記電圧波形を前記第３及び第４電極を介して受信し、前記電圧波形から前記センサの感知信号を検出し、このセンサの感知信号を含む信号を、前記第１アンテナを介して再送信するルータと、
無線通信用の第２アンテナを備え、前記ルータが再送信したセンサの感知信号を含む信号を、前記第２アンテナを介して検出するベースから構成され、前記ノードと前記ルータ間は、前記各電極を人体に接触または近接させて前記人体を介して通信し、前記ルータと前記ベース間は、前記各アンテナを介した無線通信を用いるセンサネットワークシステムであり、前記人体通信および無線通信が伝送する前記感知信号から構成されるデータフレームは前記ノードを識別できる固有のＩＤ情報を含み、前記ＩＤ情報の検出状態により前記ノードの動作状態を変更するように構成した。

本発明の第４の態様は、前記ノードは、第１の電極と第２の電極との電位差もしくは電流値を検出する人体接触検出手段を備え、前記人体接触検出手段が出力する出力信号に基づき、ノードの動作状態を変更するように構成した。

本発明の第５の態様は、前記ノードは、人体情報を測定するセンサを備え、前記センサが出力する人体情報測定データに基づき、ノードの動作状態を変更するように構成した。

本発明の第６の態様は、前記ノードは、心拍数を測定するセンサを備え、前記センサが出力する心拍数データに基づき、ノードの動作状態を変更するように構成した。

本発明によれば、電池駆動型のノードを使用しても長寿命なセンサネットワークシステムを構築できるという効果がある。

本発明の代表的な実施形態の概要は次のとおりである。

図１は、本発明のノードからサーバへ感知信号を伝送するシステム構成図であり、ノードとして心拍計測定器の例を示している。

また、図２はノード１０２の詳細ブロック図であり又、図３はルータ１０６の詳細ブロック図である。尚、図１〜図３において同一部分には同一符号を付している。

図１〜図３において、人体１０１の胸部には、第１の通信手段としてのノード１０２がチェストバンド１１０によって取り付けられている。人体１０１の一方の腕（左腕）の手首には第２の通信手段としてのルータ１０６が取り付けられている。ノード１０２は、送受信器本体１０３、人体１０１に接触又は静電結合する第１の電極１０４及び人体１０１に接触又は静電結合する第２の電極１０５を有している。人体１０１の一方の腕（左腕）の手首には、第２の通信手段としてのルータ１０６が取り付けられている。また、ルータ１０６は、受信器本体１０７、人体１０１に接触又は静電結合する第３の電極１０８及び人体１０１の外側（人体１０１とは反対側）に向けて配置された第４の電極１０９を有している。

第１の電極１０４と第３の電極１０８は人体１０１（主として胸部及び左腕）を介して電気的に接続されると共に、第２の電極１０５と第４の電極１０９は破線で示すように静電結合によって電気的に接続されている。これによって、ノード１０２とルータ１０６間での通信が可能なように構成されている。

即ち、信号線側においては、ノード１０２は、第１の電極１０４、人体１０１及び第３の電極１０８を介してルータ１０６に接続されている。また、基準電位線（例えば接地電位）側においては、ルータ１０６は、破線で示すような静電容量結合による経路によって、第4の電極１０９、人体１０１及び第２の電極１０５を介してノード１０２に接続されている。

送受信器本体１０３は、第１の電極１０４で受信した信号を増幅して出力する増幅部２０１、増幅部２０１の出力信号中の所定周波数の信号を通過するフィルタ（本実施の形態では低域フィルタ）２０２、フィルタ２０２の出力信号から心拍信号を検出する心拍検出部２０３、心拍検出部２０３で検出した心拍信号に基づいて心拍数を算出して心拍数を表すデジタル化された心拍数データ信号を出力する第１の演算処理部２０４、心拍数データ信号を変調して出力する変調部２０５、変調部２０５で変調された心拍数データ信号を第１の電極１０４から出力するデータ送信部２０６を有している。

フィルタ２０２は心拍信号以外のノイズ信号を除去するためのフィルタである。また、変調部２０５が心拍数データ信号を変調するために使用するキャリア信号の周波数、即ち、ノード１０２とルータ１０６間の通信で使用するキャリア信号の周波数は、心拍信号の周波数と異なるように設定されている。これにより、ノード１０２とルータ１０６間で通信される信号とノードでの感知信号である心拍信号とが混信しないように構成されている。

受信器本体１０７は、第３の電極１０８で受信した心拍数データ信号を増幅して出力する増幅部３０１、増幅部３０１の出力信号を復調する復調部３０２、記憶手段としてのメモリ３０４、表示手段としての表示部３０５、復調部３０２で復調した心拍数データ信号から心拍数を得て該心拍数をメモリ３０４に記憶すると共に、前記心拍数を表示部３０５に表示処理する第２の演算処理部３０３を有している。

以上のように構成された心拍計システムにおいて、ノード１０２が検出モードにある場合、増幅部２０１は、第１の電極１０４で受信（検出）した心拍信号を増幅して出力する。フィルタ２０２は、増幅部２０１の出力信号中の所定周波数の信号を通過して出力する。心拍検出部２０３は、フィルタ２０２の出力信号から心拍信号を検出して出力する。第１の演算処理部２０４は、心拍検出部２０３で検出した心拍信号に基づいて心拍数を算出する。

次に、ノード１０２が送信モードになると、第１の演算処理部２０４は、心拍検出部２０３で検出した心拍信号に基づいて算出した心拍数を表すデジタル化された心拍数データ信号を変調部２０５に出力する。変調部２０５は、第１の演算処理部２０４からのデジタル化された心拍数データ信号を所定周波数のキャリア信号で変調して出力する。データ送信部２０６は、変調部２０５で変調された心拍数データ信号を第1の電極１０４から出力する。

第1の電極１０４から出力されたデジタル化された心拍数データ信号は、人体１０１（主として胸部及び左腕）を通ってルータ１０６の第３の電極１０８で受信される。

受信器本体１０７は、第3の電極１０８で受信したデジタル化された心拍数データ信号を増幅部３０１で増幅して出力する。復調部３０２は、増幅部３０１から出力されたデジタル化された心拍数データ信号を復調して出力する。第２の演算処理部３０３は、復調部３０２から出力されたデジタル化された心拍数データ信号から心拍数を得て、前記心拍数データ信号を受信した順序で、前記心拍数を順次メモリ３０４に記憶すると共に、表示部３０５に該心拍数を表示させる。このように人体通信を使用したデータ伝送の大きなメリットは無線に比較して消費電力が極めて小さいことである。実際には無線通信が１５ｍＷ程度の電力消費に対して人体通信では４ｍＷ程度の抑えることができる。これによってノードの電池は無線を使ったシステムに比較して約4倍長い時間使用することができる。

この時、送信されたデータフレームの構成を図４に示す。データフレームはデジタル化された心拍数データ信号に加えてノードのＩＤ、パリティチェック用のＣＲＣで構成されている。ここで、各データは８ｂｉｔで構成される。信号を受け取ったルータは、このノードのＩＤを参照することによって、どの人体情報測定器からのデータなのかを識別することができる。具体的にはＩＤは測定器の種類を区別するために測定器に独自につけられたＩＤなので血圧計なのか、心拍計なのかがノードＩＤを見れば識別できる。

さらに、このＩＤを利用してノードの電源のオン、オフや、ノードとルータの通信状態や、人体情報測定器の動作状態を変更することができる。ルータから定期的にこのＩＤ信号を人体通信でノードに送信している。ルータを人体から離脱させた時、またはノードを人体から離脱させた時には、ルータから送信されるＩＤの定期信号をノードで受信することが不可能となる。したがって、ノードは、ＩＤ信号の検出状態に応じて、ルータへの信号の送信を停止するスタンバイ状態に移行して省電力化をはかるようにする。

また、ルータから測定する必要がないと判断したノードに対して、このノードに対応するＩＤの定期信号を送信しないように設定することもできる。ノードが、ルータから送信される信号を受信し、このノードに対応するＩＤ信号を含んでいないと判断すると、ルータへの信号の送信を停止するスタンバイ状態に移行して省電力化をはかるようにする。

なお、ノードがルータへの送信を停止するスタンバイ状態において、ルータから定期的に送信されているＩＤ信号を受信すると、ウェイクアップして自動的に電源オンの状態へ移行し、ルータへの信号の送信を開始する。ここで、ルータから定期的に送信されているＩＤ信号には、利用されるノードのすべてのＩＤもしくは利用されるすべてのノード共通のＩＤが含まれている。

一方、ノードのスタンバイ状態が一定時間を経過すると、ルータとの送受信を停止する休止状態に移行し、一定の条件が成立すると電源オンの状態へ移行するようにノードを構成することも可能である。

このような休止状態から電源オンの状態への移行を実現するノードの構成の一例を図５に示す。この図５に示すノードの構成では、第１の電極１０４と第２の電極１０５間の電位差もしくは電流値の変化を検出する人体接触検出部２０７を使用し、この人体接触検出部の出力信号を第１の演算処理部で検出し、一定の条件が成立すると電源オンの状態へ移行し、ルータとの送受信を再開するように構成されている。

また、休止状態から電源オンの状態への移行を実現するノードの構成の他の一例を図６に示す。この図６に示すノードの構成では、休止状態で心拍数センサ等の人体情報検出部２０３ａから出力される出力信号を第１の演算処理部で検出し、一定の条件が成立すると電源オンの状態へ移行し、信号の送受信を再開するように構成されている。

なお、図５及び図６に示すノードの構成において、さらに消費電力を低減する目的で、ノードが休止状態のときに、ノードに含まれる心拍計等の人体情報測定器の動作状態を変更することも可能である。

また、ルータとの通信及び人体情報測定器の動作を停止した電源オフの状態から電源オンの状態へ移行するノードの構成としては、ノードに電源スイッチを搭載し、スイッチを操作することにより実現可能である。

次に、ルータからベースまでの情報伝達システム及び送受信器について説明する。ベースのハードウェア構成を図７に示す。無線部４０１は、アンテナ４０２、無線モジュール４０３、マイコン４０４、制御回路４０５、リアルタイムクロック４０６、電圧レギュレータ４０７で構成されている。また、サーバとの通信を行えるようにＴＣＰ／ＩＰの変換ＩＣ４０９を搭載したＬＡＮ基板４０８が搭載されている。このＬＡＮ基板により、ＬＡＮコネクタ４１０を介して、サーバとベース間の有線通信を行う。また、ＬＡＮ基板４０８と無線部４０１はコネクタＣＮ１，２で接続されている。ここでルータ１０６は図３に示してあるように無線機能を持っており、無線部３０６からベース１１１に対してメモリ３０４に蓄積されたデータフレームに含まれているデジタル化された心拍数データが送信される。これによりルータとベースの距離が数メートル離れていても大量の心拍数データをベース１１１に送ることができる。ここで用いられる無線方式はＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等様々な方式を用いることができる。更にベース１１１に送信されたデータフレームはＬＡＮ経由でサーバ１１２に転送され、サーバで種々加工されて個人の身体健康データとして活用することができる。ノードとルータ間は人体通信にするために、いずれも人体に接触する機器がこのシステムには適している。この観点から見ると人体情報を計測する血圧計、体温計、体脂肪計、体重計、心拍計、心電計等はすべて人体に接触させて人体情報を計測する機器である。また、ルータとしては腕時計のような身体に装着する機器が適している。また本方式による人体通信では通信に電界を用いているため、直接皮膚に接触していなくても人体を通して通信可能である。したがって腕時計の代わりに携帯電話やＩＤカードなどを携行して、これらに図３のルータの機能を回路的に付加しておけば図１のシステムが構築できる。このようにノードとして血圧計、心拍計、体脂肪計のような必ず身体に接触し身体情報を測定する機器にし、ルータとしては身体に装着する腕時計、携帯電話のような機器にすればシステムとして自然である。

本発明のノードからサーバへ感知信号を伝送するシステム構成図である。 本発明のノードの詳細ブロック図である。 本発明のルータの詳細ブロック図である。 データフレームの構成を示す図である。 本発明のノードの一例を示す詳細ブロック図である。 本発明のノードの一例を示す詳細ブロック図である。 本発明のベースの詳細ブロック図である。

符号の説明

１０１・・・人体
１０２・・・ノード
１０３・・・送受信器本体
１０４・・・第１の電極
１０５・・・第２の電極
１０６・・・ルータ
１０７・・・受信器本体
１０８・・・第３の電極
１０９・・・第４の電極
１１０・・・チェストベルト
１１１・・・ベース
１１２・・・サーバ
２０１、３０１・・・増幅部
２０２・・・フィルタ
２０３・・・心拍検出部
２０４・・・第１の演算処理部
２０５・・・変調部
２０６・・・データ送信部
２０７・・・人体接触検出部
３０２・・・復調部
３０３・・・第２の演算処理部
３０４・・・記憶手段としてのメモリ
３０５・・・表示手段としての表示部
３０６・・・無線部

Claims (6)

1. センサの感知信号を送信するノードと、前記ノードから前記センサの感知信号を受信するルータと前記ルータの受信した感知信号を受信するベースから構成され、前記ノードとルータ間は人体通信を用い、ルータとベース間は無線通信を用いるセンサネットワークシステムにおいて 前記人体通信および無線通信が伝送する前記感知信号から構成されるデータフレームは前記ノードを識別できる固有のＩＤ情報を含み、前記ＩＤ情報により前記ノードの電源のオン、オフをすることを特徴としたセンサネットワークシステム。
2. 電界通信用の第１電極及び第２電極を備え、センサの感知信号を電圧波形に変換し、前記第１電極及び第２電極を介して送信するノードと、
   電界通信用の第３電極及び第４電極と無線通信用の第１アンテナを備え、前記電圧波形を前記第３及び第４電極を介して受信し、前記電圧波形から前記センサの感知信号を含む信号を、前記第１アンテナを介して再送信するルータと、
   無線通信用の第２アンテナを備え、前記ルータが再送信したセンサの感知信号を含む信号を、前記第２アンテナを介して検出するベースから構成され、
   前記ノードと前記ルータ間は、前記各電極を人体に接触または近接させて前記人体を介して通信し、前記ルータと前記ベース間は、前記各アンテナを介した無線通信を用いることを特徴としたセンサネットワークシステムにおいて、
   前記人体通信および無線通信が伝送する前記感知信号から構成されるデータフレームは前記ノードを識別できる固有のＩＤ情報を含み、前記ＩＤ情報により前記ノードの動作状態を変更することを特徴としたセンサネットワークシステム。
3. 電界通信用の第１電極及び第２電極を備え、センサの感知信号を電圧波形に変換し、前記第１電極及び第２電極を介して送信するノードと、
   電界通信用の第３電極及び第４電極と無線通信用の第１アンテナを備え、前記電圧波形を前記第３及び第４電極を介して受信し、前記電圧波形から前記センサの感知信号を検出し、このセンサの感知信号を含む信号を、前記第１アンテナを介して再送信するルータと、
   無線通信用の第２アンテナを備え、前記ルータが再送信したセンサの感知信号を含む信号を、前記第２アンテナを介して検出するベースから構成され、
   前記ノードと前記ルータ間は、前記各電極を人体に接触または近接させて前記人体を介して通信し、前記ルータと前記ベース間は、前記各アンテナを介した無線通信を用いることを特徴としたセンサネットワークシステムにおいて、
   前記人体通信および無線通信が伝送する前記感知信号から構成されるデータフレームは前記ノードを識別できる固有のＩＤ情報を含み、前記ＩＤ情報の検出状態により前記ノードの動作状態を変更することを特徴としたセンサネットワークシステム。
4. 前記ノードは、第１の電極と第２の電極との電位差もしくは電流値を検出する人体接触検出手段を備え、前記人体接触検出手段の出力する出力信号に基づき、ノードの動作状態を変更することを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサネットワークシステム。
5. 前記ノードは、人体情報を測定するセンサを備え、前記センサが出力する人体情報測定データに基づき、ノードの動作状態を変更することを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサネットワークシステム。
6. 前記ノードは、心拍数を測定するセンサを備え、前記センサが出力する心拍数データに基づき、ノードの動作状態を変更することを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサネットワークシステム。

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