JP2011142439A - Data collection system and data collection server thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物理量を検出するセンサを備えた複数のセンサノードからセンサデータを繰り返し収集するデータ収集システムおよびそのデータ収集サーバに関する。 The present invention relates to a data collection system that repeatedly collects sensor data from a plurality of sensor nodes including sensors that detect physical quantities, and a data collection server thereof.
携帯電話、PDAあるいはポケットコンピュータなどの無線式携帯端末に、歩数センサ、測位センサ、温度センサ、加速度センサ等の各種センサを設けてセンサノードとして機能させ、各センサで計測されたセンサデータをネットワーク経由でデータ収集サーバへ送信して統計的に処理する技術が知られている。 Various types of sensors such as step sensors, positioning sensors, temperature sensors, and acceleration sensors are provided in wireless portable terminals such as mobile phones, PDAs, and pocket computers to function as sensor nodes, and sensor data measured by each sensor is sent via a network. A technique for performing statistical processing by transmitting to a data collection server is known.
特許文献1には、ホストサーバおよび利用者携帯端末をインターネットに接続し、利用者が所持する利用者携帯端末を通じて、測定器および心電図測定器が測定した利用者の心拍数データ、血圧データ、体温データ、歩数データおよび心電図データをホストサーバ(データ収集サーバ)に送信し、ホストサーバでは、受信したこれらのデータの蓄積および分析を行う技術が開示されている。
In
特許文献2には、競技管理サーバ1(データ収集サーバ)が、競技者Hの参加を競技者Hの端末装置2から通信回線を介して受け付けて登録し、この競技者Hに対して固有の競技者コードを発行すると、競技者コードが競技者Hの端末装置2を介して記録され、かつ競技者Hに装着されたICチップを用いて取得された競技タイムに関するタイム情報を、競技者Hの端末装置2から通信回線を介して受信し、このタイム情報に基づいて各競技者Hの競技順位を決定する技術が開示されている。
In
しかしながら、上記の従来技術では、利用者が所持するセンサノード(利用者携帯端末,端末装置)からデータ収集サーバへのセンサデータの送信が所定の一定周期で繰り返される。したがって、例えば多数のランナーが参加する市民マラソンや、地理的に分散している多数のジョガーが仮想的に競い合うバーチャルマラソンのように、多数の利用者からセンサデータを集中的に繰り返し収集する利用形態では、ネットワークの輻輳やデータ収集サーバの処理負荷が一時的に過大になることがあった。 However, in the above prior art, transmission of sensor data from a sensor node (user portable terminal, terminal device) possessed by the user to the data collection server is repeated at a predetermined constant cycle. Therefore, for example, a citizen marathon where a large number of runners participate, and a virtual marathon where a large number of geographically dispersed joggers compete virtually to collect sensor data from many users intensively and repeatedly. However, network congestion and processing load on the data collection server may temporarily become excessive.
このような技術課題に対して、本発明の発明者等は、各センサノードにおいてセンサデータの変化を監視し、センサデータが変化予測範囲を逸脱しない限りはデータ収集サーバへの送信を控えてセンサデータを蓄積し、センサデータが変化予測範囲を逸脱すると、それまでに蓄積されていたデータをデータ収集サーバへ一括して送信することで、通信トラヒックの増加を防いでデータ収集サーバの処理負荷を軽減できるシステムを発明し、特許出願した(特許文献3)。 In response to such a technical problem, the inventors of the present invention monitor changes in sensor data at each sensor node, and refrain from sending to the data collection server unless the sensor data deviates from the change prediction range. When data is accumulated and the sensor data deviates from the change prediction range, the accumulated data is sent to the data collection server at a time, thereby preventing an increase in communication traffic and reducing the processing load on the data collection server. We have invented a system that can be reduced and applied for a patent (Patent Document 3).
データ収集サーバが、各センサノードから収集したセンサデータの統計量として、例えば平均値を得たい場合、図14に一例を示したように、2つのセンサノードA,Bで検出されたセンサデータDa,Dbが逆位相であれば、その平均値は一定値を示すので、データ収集サーバでは各センサノードA,BからセンサデータDa,Dbを頻繁に収集する必要がない。 When the data collection server wants to obtain, for example, an average value as a statistic of sensor data collected from each sensor node, sensor data Da detected by the two sensor nodes A and B as shown in FIG. , Db are in antiphase, the average value indicates a constant value, so the data collection server does not need to frequently collect sensor data Da, Db from each sensor node A, B.
しかしながら、特許文献3では各センサノードが自身のセンサデータDの変化に基づいてデータ送信の要否を判定するので、図14のようにセンサデータDが周期的に大きく変化すると、各センサノードA,Bからデータ収集サーバへのデータ送信が頻繁に行われてしまう。 However, in Patent Document 3, each sensor node determines the necessity of data transmission based on a change in its own sensor data D. Therefore, when the sensor data D periodically changes greatly as shown in FIG. , B frequently sends data to the data collection server.
例えば、各センサノードA,Bにおいて、「センサデータDの変化量が「1」以上になると送信する」というルールが設定されていれば、時刻t1,t2,t3,t4…で各センサノードA,Bからデータ送信が行われてしまう。 For example, in each sensor node A, B, if the rule “transmit when the change amount of sensor data D is“ 1 ”or more” is set, each sensor node A at time t1, t2, t3, t4. , B will send data.
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、ネットワークやデータ収集サーバに過大な負荷を生じさせることなく、データ収集サーバが多数のセンサノードからセンサデータを集中的に繰り返し収集できるデータ収集システムおよびそのデータ収集サーバを提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to enable the data collection server to collect sensor data from a large number of sensor nodes intensively and repeatedly without causing an excessive load on the network or data collection server. It is to provide a collection system and a data collection server thereof.
上記の目的を達成するために、本発明は、物理量を検出するセンサを備えた複数のセンサノードがデータ収集サーバへセンサデータを送信するデータ収集システムおよびそのデータ収集サーバにおいて、以下のような手段を講じた点に特徴がある。 In order to achieve the above object, the present invention provides a data collection system in which a plurality of sensor nodes each having a sensor for detecting a physical quantity transmit sensor data to a data collection server, and the following means in the data collection server There is a feature in the point that I took.
(1)本発明のデータ収集システムは、センサノードが、物理量を検出してセンサデータを出力するセンサと、センサデータを送信する通信タイミングを前記データ収集サーバから取得する手段と、センサデータを前記通信タイミングでデータ収集サーバへ送信する手段とを具備している。また、データ収集サーバが、各センサノードからセンサデータを受信する手段と、センサデータを統計的に処理して統計量を算出する手段と、統計量に基づいて、センサデータを収集する通信タイミングを決定する手段と、通信タイミングをセンサノードへ通知する手段とを具備している。 (1) In the data collection system of the present invention, a sensor node detects a physical quantity and outputs sensor data, means for acquiring communication timing for transmitting sensor data from the data collection server, and sensor data Means for transmitting to the data collection server at the communication timing. The data collection server also includes means for receiving sensor data from each sensor node, means for statistically processing the sensor data to calculate statistics, and communication timing for collecting sensor data based on the statistics. Means for determining, and means for notifying the sensor timing of the communication timing.
(2)本発明のデータ収集サーバは、各センサノードからセンサデータを受信する手段と、センサデータを統計的に処理して統計量を算出する手段と、統計量に基づいて、センサデータを収集する通信タイミングを決定する手段と、通信タイミングをセンサノードへ通知する手段とを具備している。 (2) The data collection server of the present invention collects sensor data on the basis of means for receiving sensor data from each sensor node, means for statistically processing sensor data to calculate statistics, and statistics Means for determining the communication timing to be performed, and means for notifying the sensor node of the communication timing.
(3)本発明のデータ収集サーバにおいて、前記通信タイミングを決定する手段は、統計量の推移を予測する手段と、統計量の予測値が所定の条件を満足する通信タイミングを算出する手段とを具備している。 (3) In the data collection server of the present invention, the means for determining the communication timing includes means for predicting a statistic transition, and means for calculating a communication timing at which the predicted value of the statistic satisfies a predetermined condition. It has.
(4)本発明のデータ収集サーバにおいて、前記通信タイミングを算出する手段は、統計量の現在値と予測値との差分が所定の閾値を超える時刻を算出する。 (4) In the data collection server of the present invention, the means for calculating the communication timing calculates a time when the difference between the current value of the statistic and the predicted value exceeds a predetermined threshold.
本発明によれば、以下のような効果が達成される。 According to the present invention, the following effects are achieved.
(1)データ収集サーバでは、各センサノードで検出されるセンサデータの変化にかかわらず、各センサデータに基づいて算出される統計量に基づいて、各センサノードからセンサデータを収集する通信タイミングが決定されるので、センサデータが変化しても、その統計量が変化しなければ各センサノードからセンサデータを収集するための通信が行われない。したがって、センサデータの通信に係るトラヒックおよびデータ収集サーバへのアクセスを減ぜられるようになる。 (1) In the data collection server, regardless of changes in sensor data detected at each sensor node, the communication timing for collecting sensor data from each sensor node is based on the statistics calculated based on each sensor data. Therefore, even if the sensor data changes, communication for collecting the sensor data from each sensor node is not performed unless the statistics change. Therefore, it is possible to reduce traffic related to sensor data communication and access to the data collection server.
(2)データ収集サーバにおいて、各センサノードから収集したセンサデータに基づいて算出される統計量が所定の閾値を超えて変化すると予測されるまでは、各センサノードからセンサデータを収集するための通信が行われないので、統計量の精度を大きく損なうことなく、通信トラヒックおよびデータ収集サーバへのアクセスを減ぜられるようになる。 (2) In the data collection server, until the statistic calculated based on the sensor data collected from each sensor node is predicted to change beyond a predetermined threshold, it is necessary to collect sensor data from each sensor node. Since communication is not performed, access to the communication traffic and the data collection server can be reduced without greatly reducing the accuracy of the statistics.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るデータ収集システムの主要部の構成を示したブロック図であり、歩数センサ、温度センサ、湿度センサ、加速度センサ、照度センサ、測位システム等の各種のセンサを搭載した複数の無線式センサノード1と、自身の無線エリア内に位置しているセンサノード1を収容する無線基地局2と、各無線基地局2およびインターネットを介して前記各センサノード1からセンサの検出結果(センサデータ)を収集し、これを統計的に処理するデータ収集サーバ3とを主要な構成としている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a main part of a data collection system according to an embodiment of the present invention, and various sensors such as a step sensor, a temperature sensor, a humidity sensor, an acceleration sensor, an illuminance sensor, and a positioning system. A plurality of
図2は、前記センサノード1の主要部の構成を示したブロック図であり、歩数センサP1、温度センサP2、湿度センサP2、加速度センサP3、照度センサP4あるいは測位システムP5等の各種センサは、検出対象の物理量を出力する。センサデータ取得部101は、各センサPxで検出された物理量をセンサデータDに変換して出力する。センサデータ蓄積部102には、前記センサデータDが時系列で蓄積される。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the main part of the
通信タイミング取得部103は、前記センサデータDをデータ収集サーバ3へ送信する通信タイミングtsに関して前記データ収集サーバ3から通知されるメッセージを取得する。センサデータ送信部104は、前記通知された通信タイミングtsを待って、前記センサデータ蓄積部102に蓄積されている未送信のセンサデータDをデータ収集サーバ3へ一括送信する。
The communication
図3は、前記データ収集サーバ3の主要部の構成を示したブロック図であり、センサデータ受信部301は、各センサノード1から送信されるセンサデータDを受信する。センサデータ蓄積部302には、前記センサデータDが時系列で蓄積される。統計量算出部303は、前記センサデータDを統計的に処理して統計量Dsを算出する。
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the main part of the data collection server 3. The sensor
通信タイミング決定部304において、予測部304aは、前記統計量Dsの履歴に基づいて、その推移を外挿(補外)、回帰分析あるいは最小二乗法により予測する。算出部304bは、統計量Dsの予測値が所定のデータ収集条件を満足する将来時刻tpを算出し、これを前記センサノード1からセンサデータDを収集する通信タイミングtsに決定する。通信タイミング通知部305は、前記通信タイミングtsを前記センサノード1へ通知する。
In the communication
図4は、前記通信タイミング決定部304による通信タイミングtpの決定方法の一例を模式的に表現した図である。
FIG. 4 is a diagram schematically representing an example of a method for determining the communication timing tp by the communication
本実施形態では、一のセンサノード1aから送信されたセンサデータD1および他の一のセンサノード1bから受信されたセンサデータD2の平均値が統計量Dsとして求められ、当該統計量Dsの現在時刻t0までの推移実績に基づいて、今後の推移が例えば外挿、回帰分析あるいは最小二乗法により予測される。そして、現在時刻t0における統計量Ds(t0)と予測値Ds(tx)との偏差ΔDsが所定の閾値Ds_refを越える時刻txが次回の通信タイミングtpに決定される。 In the present embodiment, the average value of the sensor data D1 transmitted from one sensor node 1a and the sensor data D2 received from the other sensor node 1b is obtained as the statistic Ds, and the current time of the statistic Ds Based on the transition results up to t0, future transitions are predicted by, for example, extrapolation, regression analysis, or least squares method. Then, a time tx at which the deviation ΔDs between the statistic Ds (t0) and the predicted value Ds (tx) at the current time t0 exceeds a predetermined threshold value Ds_ref is determined as the next communication timing tp.
次いで、フローチャートを参照して本発明の一実施形態の動作を詳細に説明する。図5は、前記センサノード1の動作を示したフローチャートであり、図6は、前記データ収集サーバ3の動作を示したフローチャートである。図7は、各センサノード1とデータ収集サーバ3との間で行われるデータ通信の手順を示したシーケンスフローである。
Next, the operation of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to a flowchart. FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the
図5において、センサノード1では、ステップS1において最初のセンサデータDがセンサデータ送信部104からデータ収集サーバ3へ送信される。本実施形態では、前記センサデータDがTCPパケットまたはUDPパケットに記述されて送信される。ステップS2では、データ収集サーバ3から次の通信タイミングtpが通知されたか否かが判定される。通知されていなければステップS5へ進み、各センサPxにおいて所定のサンプリング周期でサンプリングされたセンサデータDがセンサデータ蓄積部102に時系列で一時記憶され、これが繰り返される。
In FIG. 5, in the
図6において、データ収集サーバ3は、各センサノード1から送信されたセンサデータDがステップS21において前記センサデータ受信部301により受信されるとステップS22へ進む。ステップS22では、各センサデータDがセンサデータ蓄積部302に時系列で蓄積される。ステップS23では、前記センサデータ蓄積部302に蓄積されているセンサデータDに基づいて、その統計量Dsが前記統計量算出部303により算出される。本実施形態では、前記図4に関して説明したように、各センサデータDの平均値が算出されて統計量Dsとされる。
In FIG. 6, when the sensor data D transmitted from each
ステップS24では、前記統計量Dsの履歴に基づいて、その推移が前記予測部304aにより外挿、回帰分析あるいは最小二乗法により予測される。ステップS25では、前記統計量Dsが所定のデータ収集条件を満足する将来時刻txが前記算出部304bにより予測される。本実施形態では、現在時刻t0における統計量Ds(t0)と予測値Ds(tx)との差分が所定の閾値Ds_refを越える将来時刻txが予測される。
In step S24, based on the history of the statistic Ds, the transition is predicted by the prediction unit 304a by extrapolation, regression analysis, or least square method. In step S25, the
ステップS26では、前記現在時刻t0から将来時刻txまでの期間(tx−t0)が所定の上限値tmaxと比較される。(tx−t0)≧tmaxであればステップS27へ進み、将来時刻txが上限値tmaxに更新される。ステップS28では、前記将来時刻txが前記通信タイミング通知部305から各センサノード1へ、次回の通信タイミングtpとして通知される。
In step S26, a period (tx−t0) from the current time t0 to the future time tx is compared with a predetermined upper limit value tmax. If (tx−t0) ≧ tmax, the process proceeds to step S27, and the future time tx is updated to the upper limit value tmax. In step S28, the future time tx is notified from the communication
なお、前記次回の通信タイミングtpは、新規にメッセージパケットを生成して送信しても良いが、直前のステップS21で各センサノード1から受信したセンサデータDに対する確認応答パケットに記述して返信するようにしても良い。すなわち、前記センサデータDをTCPパケットで受信していれば、前記次回の通信タイミングtpをTCP ACKパケットに記述して返信し、UDPパケットで受信していればUDP ACKパケットに記述して返信しても良い。このようにすれば、次回の通信タイミングtpを通知するために新たなトラヒックを発生させてしまうことがない。
The next communication timing tp may be generated and transmitted a new message packet, but is described and returned in the confirmation response packet for the sensor data D received from each
図5へ戻り、センサノード1では、前記通信タイミングtpがステップS2において前記通信タイミング取得部103により受信されるとステップS3へ進む。ステップS3では、前記通信タイミングtpであるか否かが判定され、通信タイミングtpまではステップS6へ進んでセンサデータDのサンプリングおよびその蓄積が継続される。
Returning to FIG. 5, in the
その後、通信タイミングtpを迎えるとステップS4へ進み、前記センサデータ蓄積部102に蓄積されている未送信のセンサデータD、すなわち前回の通信タイミングから今回の通信タイミングまでの間にサンプリングされたセンサデータDが読み出される。このセンサデータDは、ステップS1においてデータ収集サーバ3へ送信される。
Thereafter, when the communication timing tp is reached, the process proceeds to step S4, where untransmitted sensor data D stored in the sensor
次いで、本発明のシミュレーション結果について説明する。ここでのシミュレーション条件は以下の通りである。 Next, the simulation result of the present invention will be described. The simulation conditions here are as follows.
(1)センサノード数:5台
(2)シミュレーション時間(duration):5000秒
(3)統計量Dsの予測モデル:最小二乗法
(1) Number of sensor nodes: 5
(2) Simulation time (duration): 5000 seconds
(3) Prediction model for statistics Ds: least squares method
なお、前記予測モデルとしての最小二乗法では、次数が「2」であり、使用する履歴データ数は「3」である。また、評価指標は以下の通りである。 In the least square method as the prediction model, the order is “2” and the number of history data to be used is “3”. The evaluation indexes are as follows.
(1)通信回数:センサノード1台あたりの総通信回数
(2)誤差(error):全てのセンサデータDが既知として求まる統計量Ds_realと、各センサデータDに基づいて最小二乗法により予測される統計量Ds_calとの差分である。当該誤差errorは、図8において実線(Ds_real)と点線(Ds_cal)とで囲まれた各三角形領域の面積に相当し、次式(1)で与えられる。
(1) Number of communications: Total number of communications per sensor node
(2) Error: A difference between a statistic Ds_real obtained by knowing that all sensor data D is known and a statistic Ds_cal predicted by the least square method based on each sensor data D. The error error corresponds to the area of each triangular area surrounded by a solid line (Ds_real) and a dotted line (Ds_cal) in FIG. 8, and is given by the following equation (1).
図9は、各センサノード1でサンプリングされたセンサデータDの推移を示した図であり、図10は、全センサデータDの統計量Ds_realの推移を示した図である。ここでは、統計量Ds_realがセンサデータDの平均値である。
FIG. 9 is a diagram illustrating the transition of the sensor data D sampled by each
図11は、図9の各センサデータDから算出される統計量Ds_realと、図9の各センサデータDを所定の周期で取得して最小二乗法により予測される統計量Ds_calとの誤差を通信タイミングの周期ごとに示した図であり、通信タイミングの周期が短くなるほど誤差が減少することがわかる。 11 communicates an error between the statistic Ds_real calculated from each sensor data D in FIG. 9 and the statistic Ds_cal predicted by the least square method by acquiring each sensor data D in FIG. 9 at a predetermined cycle. It is a figure shown for every cycle of timing, and it can be seen that the error decreases as the cycle of communication timing becomes shorter.
これに対して、図12は、本発明を適用して統計量Ds_real,Ds_calの差分が所定の閾値を越える通信タイミングtpでセンサデータDを取得する場合の誤差を示した図であり、図13は、従来手法および本発明のデータ収集方式に関して、センサデータDの送信回数と誤差errorとの関係を示した図である。いずれの方式でも送信回数が増えるほど誤差が減少するものの、本発明では従来手法に較べて同等の誤差を少ない通信回数で達成できることが判る。 On the other hand, FIG. 12 is a diagram showing an error when the sensor data D is acquired at the communication timing tp in which the difference between the statistics Ds_real and Ds_cal exceeds a predetermined threshold by applying the present invention. These are the figures which showed the relationship between the frequency | count of transmission of the sensor data D, and the error error regarding the conventional method and the data collection system of this invention. In either method, the error decreases as the number of transmissions increases, but it can be seen that the present invention can achieve the same error with a smaller number of communications compared to the conventional method.
1…無線式センサノード,2…無線基地局,3…データ収集サーバ,101…センサデータ取得部,102…センサデータ蓄積部,103…通信タイミング取得部,104…センサデータ送信部,301…センサデータ受信部,302…センサデータ蓄積部,303…統計量算出部,304…通信タイミング決定部,305…通信タイミング通知部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記センサノードが、
物理量を検出してセンサデータを出力するセンサと、
センサデータを送信する通信タイミングを前記データ収集サーバから取得する手段と、
センサデータを前記通信タイミングでデータ収集サーバへ送信する手段とを具備し、
前記データ収集サーバが、
各センサノードからセンサデータを受信する手段と、
センサデータを統計的に処理して統計量を算出する手段と、
前記統計量に基づいて、センサデータを収集する通信タイミングを決定する手段と、
前記通信タイミングを前記センサノードへ通知する手段とを具備したことを特徴とするデータ収集システム。 In a data collection system in which a plurality of sensor nodes having sensors for detecting physical quantities transmit sensor data to a data collection server,
The sensor node is
A sensor that detects physical quantities and outputs sensor data;
Means for acquiring communication timing for transmitting sensor data from the data collection server;
Means for transmitting sensor data to a data collection server at the communication timing,
The data collection server is
Means for receiving sensor data from each sensor node;
Means for statistically processing sensor data to calculate statistics;
Means for determining a communication timing for collecting sensor data based on the statistics;
Means for notifying the sensor node of the communication timing.
各センサノードからセンサデータを受信する手段と、
前記センサデータを統計的に処理して統計量を算出する手段と、
前記統計量に基づいて、センサデータを収集する通信タイミングを決定する手段と、
前記通信タイミングを前記センサノードへ通知する手段とを具備したことを特徴とするデータ収集サーバ。 In a data collection server that collects sensor data from multiple sensor nodes,
Means for receiving sensor data from each sensor node;
Means for statistically processing the sensor data to calculate statistics;
Means for determining a communication timing for collecting sensor data based on the statistics;
A data collection server comprising: means for notifying the sensor timing of the communication timing.
前記統計量の推移を予測する手段と、
前記統計量の予測値が所定の条件を満足する通信タイミングを算出する手段とを具備したことを特徴とする請求項2に記載のデータ収集サーバ。 The means for determining the communication timing is:
Means for predicting the transition of the statistics,
The data collection server according to claim 2, further comprising means for calculating a communication timing at which the predicted value of the statistic satisfies a predetermined condition.
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