JP2012038188A - 亀裂変位計測システムおよび端末 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネルや橋梁等のコンクリート構造物の亀裂の変位を計測するのに適した亀裂変位計測システムを、比較的低価格で実現する。
【解決手段】本発明の亀裂変位計測システムは、トンネル３の天井や側壁に取り付けられた複数のセンサ端末１と、これら複数のセンサ端末１で計測された亀裂の長さ（幅）のデータを、無線通信を利用して収集する１台のデータ収集端末２とで構成されている。各センサ端末１で計測されたデータは、隣接するセンサ端末１に送信され、バケツリレー式にデータ収集端末２まで転送される。データ収集端末２で収集・格納された亀裂長さの時系列データは、データ収集端末２のポートまたはスロットにリムーバブルメディアを差し込むことにより定期的に収集される。収集したデータをパソコン等によって分析することにより、トンネル３内の亀裂の変位を把握できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネルや橋梁等のコンクリート構造物の複数個所に生じた亀裂の変位を、無線ＬＡＮを利用して収集する亀裂変位計測システムに関し、さらにはそのシステムを構成する端末に関する。

トンネルや橋梁等のコンクリート構造物では、車両の通過による繰り返し荷重や振動、あるいは地震などにより、コンクリートに亀裂が生じる。亀裂が進行してコンクリートの損傷が激しくなった場合には補修を行う必要があるため、亀裂の程度を常に把握しておく必要がある。

従来、亀裂の程度を把握するため、コンクリート構造物に計測センサを取り付けてデータを収集していたが、トンネルや橋梁等の大型の構造物では、データの収集に時間を要し、また常時自動車が通過するような場所では、データを収集すること自体が困難であった。

一方、近年、分散配置されたセンサのデータを、無線ＬＡＮを利用して収集するセンサシステムが開発され、建築物やビル、工場の保守点検に広く利用されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムは、センサに無線ＬＡＮの機能を付加し、ZigBee（登録商標）等のネットワーク技術を利用して計測データを収集するものである。

特開２００８−７２４１５号公報

上述したセンサシステムは、無線ＬＡＮとインターネット等を組み合わせることにより、温度、湿度、加速度、振動、歪等の様々な物理量に関するデータをリアルタイムで収集できる。

しかし、構造物の近くにインターネット等のインフラが整備されていないトンネルや橋梁に、そのままの形態で適用することは困難であり、さらにシステムを構築するのに高額の費用がかかるという問題があった。

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもので、トンネルや橋梁の亀裂の変位を計測するのに適した構成を備え、かつ比較的低価格で実現できる亀裂変位計測システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかる亀裂変位計測システムは、コンクリート構造体の壁面に生じた亀裂を含む領域の長さを、センサ端末を用いて所定の第１の時間間隔で計測し、計測した長さの時系列データを、無線通信を利用してデータ収集端末で収集し、この長さの時系列データに基づいて、時間の経過に対する亀裂の変位を計測する亀裂変位計測システムであって、
前記センサ端末は、
前記亀裂を含む領域の長さを計測する距離センサと、
前記距離センサで計測された長さの時系列データを第１のメモリに格納し、かつ前記長さの時系列データを含むパケットを生成する第１のコントローラと、
前記パケットに必要な情報を付加し、第１のアンテナを介して隣接するセンサ端末または前記データ収集端末に送信する第１のデータ伝送部と、
前記距離センサ、第１のコントローラおよび第１のデータ伝送部に電力を供給する第１のバッテリと、を備え、
前記データ収集端末は、
前記センサ端末から送信されたパケットを、第２のアンテナを介して受信する第２のデータ伝送部と、
前記第２のデータ伝送部で受信したパケットから前記長さの時系列データを取り出して第２のメモリに格納する第２のコントローラと、
前記第２のデータ伝送部および前記第２のコントローラに電力を供給する電力供給手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、前記第１および第２のメモリとして不揮発性メモリを用いることが好ましい。また前記電力供給手段として第２のバッテリを用いることが好ましい。

また、前記データ収集端末は、リムーバブルメディアを接続できるリムーバブルメディア接続部を更に備え、前記第２のコントローラは、前記第２のメモリに格納された長さの時系列データを前記リムーバブルメディアに書き込むことが好ましい。

また前記センサ端末は、気温を計測する温度センサを更に備え、前記第１のコントローラは、前記第１の不揮発性メモリに、前記温度センサで計測した気温の時系列データを、前記長さの時系列データと関連付けて格納することが好ましい。

また前記センサ端末は、前記第１の時間間隔で長さの計測と格納を行い、かつ所定の第２の時間間隔で前記長さの時系列データの送信を行い、それ以外の時間はスリープ状態にあることが好ましい。

また前記データ収集端末は、前記第２の時間間隔で前記長さの時系列データの受信と前記第２の不揮発性メモリへの格納を行い、それ以外の時間はスリープ状態にあることが好ましい。

また前記第１および第２のデータ伝送部は、短距離無線通信規格の一つである ZigBee に準拠したものであることが好ましい。

本発明にかかる亀裂変位計測システムは、インフラである電力線や通信網を必要としないため、どのような場所にでも設置できる。さらに、一旦、センサ端末およびデータ収集端末を設置すれば、バッテリの寿命が尽きるまで、亀裂変位データの計測を継続して行うことができる。

従って、データ収集端末を作業者が接近し易い場所に設置すれば、トンネルのような、常時自動車が通過するような場所でも、データの収集を長期間、問題なく行える。

本発明の実施の形態にかかる亀裂変位計測システムが設置されたトンネルの外観図である。 図１のトンネルの天井と側壁部分を水平方向に展開して下から見上げた状態を示した図である。 センサ端末の回路構成を示すブロック図である。 センサ端末がトンネルの壁に取り付けられた状態を示す断面図である。 データ収集端末の回路構成を示すブロック図である。 データ収集端末の不揮発性メモリに蓄積されたデータの一例を示す図である。 動作状態とスリープ状態が繰り返されるセンサ端末の動作シーケンスを示す図である。 センサ端末で計測されたデータを、データ収集端末で収集する際の動作シーケンスを示す図である。

以下、本発明の実施の形態にかかる亀裂変位計測システムについて、図面を参照しながら説明する。

＜亀裂変位計測システムの構成＞
図１は、本実施の形態にかかる亀裂変位計測システムが設置されたトンネルの外観を示した図である。また図２は、図１のトンネルの天井と側壁部分を水平方向に展開して下から見上げた状態を示した図である。図中、矢印Ｒは道路と並行な方向を示している。

本実施の形態にかかる亀裂変位計測システムは、トンネル３の天井および側壁に取り付けられた複数のセンサ端末１ａ〜１ｆと、これら複数のセンサ端末１ａ〜１ｆで計測された亀裂の変位データを、無線通信を利用して収集する１台のデータ収集端末２とで構成されている。

センサ端末１ａ〜１ｆ（以降、総称して「センサ端末１」ともいう）は、コンクリート構造物であるトンネル３の天井や側壁のうち亀裂４が生じた場所に、打ち込みネジ等を用いて取り付けられており、亀裂の長さ（幅）を計測する距離センサが内蔵されている。

またセンサ端末１には ZigBee に準拠したデータ伝送部が内蔵されており、ZigBee のネットワークにおける End Device または Router として機能する。図２においてセンサ端末１ａ、１ｂ、１ｄおよび１ｅは End Deviceとして機能し、センサ端末１ｃおよび１ｆは Router として機能する。センサ端末１の構成については、後に図３を用いて詳述する。

ここで、ZigBee について簡単に説明する。ZigBee は短距離無線通信規格の一つであり、低速で転送速度が短い代わりに、端末が安価で消費電力が小さいという特徴を備えている。基礎部分の仕様はIEEE802.15.4として規格化されている。

データ収集端末２は、複数のセンサ端末１で計測された亀裂変位の時系列データを、無線通信により収集すると共に、内蔵のメモリに格納する。データ収集端末２にも、ZigBee に準拠したデータ伝送部が内蔵されており、ZigBee のネットワークにおける Coordinator として機能する。データ収集端末２の構成については、後に図５を用いて詳述する。

各センサ端末１で計測されたデータは、隣接するセンサ端末１に送信され、図２に破線の矢印で示すルートをたどり、バケツリレー式にデータ収集端末２まで転送される。ルートの設定方法については、後に詳述する。

データ収集端末２で収集・格納された亀裂変位の時系列データは、データ収集端末２の差込用スロットにＵＳＢメモリなどのリムーバブルメディアを差し込むことにより定期的に収集される。このようにして収集したデータをパソコン等を用いて解析することにより、トンネル３内の亀裂の変位を把握できる。解析データは、補修の必要性等を検討する際の基礎データとして用いられる。

センサ端末１およびデータ収集端末２の構成について説明する前に、本発明にかかる亀裂変位計測システムの構成上の特徴について説明する。

本発明にかかる亀裂変位計測システムは、電力の供給が困難なトンネルや橋梁等に設置されることから、センサ端末１は、全てバッテリで駆動される。さらに、亀裂変位計測システムが設置されるほとんどの場所では、周辺にインターネット等と接続可能な通信網がないことを考慮し、１台のデータ収集端末２に、全てのセンサ端末１ａ〜１ｆで計測した亀裂変位データを収集し蓄積するように構成している。

なお、データ収集端末２についても、通常はバッテリで駆動されるが、設置場所によっては、照明器具用の配電盤から電力を供給することも可能である。またデータ収集端末２は、データの収集だけを目的とするため、亀裂の変位を測定する機能を備えておらず、またセンサ端末１とは無線通信で結ばれているため、作業者がデータを収集するのに最適の場所に設置できる。

上述した構成とすれば、センサ端末１およびデータ収集端末２に電力を供給する電力線が不要であるため、コンクリート構造物がどのような場所にあっても本システムを設置できる。また収集した亀裂変位データについては、データ収集端末２が設置された場所に、作業者が定期的（例えば１ヶ月に一度）に出向き、データ収集端末２に蓄積されたデータをリムーバブルメディアに書き込むことで簡単に入手できる。

このように本発明にかかる亀裂変位計測システムは、基本的にインフラである電力線や通信網を必要としないため、どのような場所にでも設置できるメリットがある。

さらに、本発明にかかる亀裂変位計測システムは、一旦、センサ端末１およびデータ収集端末２を設置すれば、バッテリの寿命が尽きるまで（通常３年〜４年）、亀裂変位データの計測を継続して行うことができる。従って、データ収集端末２を作業者が接近し易い場所（図１では、トンネル内の歩道の上）に設置すれば、トンネルのような、常時自動車が通過するような場所でも、データの収集を長期間、問題なく行える。

＜センサ端末およびデータ収集端末の構成＞
次に、センサ端末１およびデータ収集端末２について説明する。最初に、図３および図４を参照して、センサ端末１の構成と機能について説明する。図３は、センサ端末１の回路構成を示すブロック図、図４は、センサ端末１がトンネル３の壁５に取り付けられた状態を示す断面図である。

図３に示すように、センサ端末１は、コントローラ１０、データ伝送部２０、距離センサ３０、温度センサ４０およびバッテリ５０で構成されている。

コントローラ１０は、以下の各機能を備えている。（１）亀裂の長さを計測する距離センサ３０、およびセンサ端末１が設置されたトンネル３内の気温を計測する温度センサ４０の動作を制御する。（２）距離センサ３０および温度センサ４０で計測されたデータをパケット化してデータ伝送部２０に送信する。（３）センサ端末１の各部に電力を供給するバッテリ５０の動作を制御する。なお、コントローラ１０の構成については、後に詳述する。

データ伝送部２０は ZigBee に準拠して構成されており、コントローラ１０で生成されたパケットにヘッダ等の情報を付加して、データ転送用のパケットを生成する。データ転送用パケットには、送信元のセンサ端末１のアドレス、送信先であるデータ収集端末２のアドレス、データを一義的に特定するデータＩＤ、距離および気温の時系列計測データ、ならびにパリティチェック用のＣＲＣが含まれる。

データ伝送部２０はパケットの中継機能を備えており、自身で生成したパケットを、他のセンサ端末１を介してデータ収集端末２に伝送すると共に、他のセンサ端末１から送信されてきたパケットを、更に他のセンサ端末１またはデータ収集端末２に転送する。

図示しないが、データ伝送部２０は、自分よりデータ収集端末２に近いセンサ端末１のうち、どのセンサ端末１にデータを送信するかを定めたアドレスリストを内蔵のメモリに格納している。

例えば、図２において End Device として機能するセンサ端末１ａ、１ｂから送信されたパケットは、上記リストで指示された Router として機能するセンサ端末１ｃおよび１ｆに転送され、最終的に Coordinator として機能するデータ収集端末２に伝送される。

距離センサ３０は、トンネル３の天井や側壁のコンクリートに発生した亀裂の長さ（幅）を計測する。図４に、距離センサ３０により亀裂の幅を計測する状態を示す。センサ端末１のケース６０は、先端の尖った複数本のネジ６により、亀裂４が生じたコンクリート５の近傍に固定されている。この際、ケース６０を、距離センサ３０の計測用ニードル３１が亀裂４を横切る状態でコンクリート５に取り付ける。

亀裂４を挟んでケース６０と対向する位置に、断面がＬ字状の固定板３２が、先端の尖ったネジ６によりコンクリートに固定されている。一方、ケース６０には、距離センサ３０の本体（図示せず）が内蔵されている。距離センサ３０の本体は、電磁誘導を利用して、ニードル３１のセンサ本体からの突出量を計測するものである。ニードル３１の突出量は、亀裂４を含む領域の長さを表わしている。ニードル３１の後端部には磁石が取り付けられており、距離センサ３０は、ニードル３１が前後に移動することにより生じる磁力線の変化を周辺に配置したコイルで検出することによって、ニードル３１の突出量を計測する。

ニードル３１は、ばね等によって前方に付勢されて固定板３２に当接しており、何らかの理由で亀裂４が拡がると、センサ本体からのニードル３１の突出量が変化する。距離センサ３０は、定期的に（例えば１時間毎に）ニードル３１の突出量を計測して、コントローラ１０のＣＰＵ（Central Processing Unit）１１（図３参照）に送信する。距離センサ３０で時系列に計測した長さ（ニードル３１の突出量）の変化を算出すれば、亀裂４の経時的な変位を計測できる。

温度センサ４０は、亀裂４の周辺の気温を計測する。コンクリート５は気温によって延び縮みし、これに対応する形で亀裂４の幅も変化する。距離センサ３０で計測したニードル３１の突出量を、温度センサ４０で計測した気温に基づいて補正することにより、気温による影響を是正した計測値を得ることができる。

バッテリ５０は、破線の矢印で示すように、コントローラ１０、データ伝送部２０、距離センサ３０および温度センサ４０に駆動用電力を供給する。バッテリ５０は、通常、複数本の乾電池で構成される。バッテリ５０による給電はコントローラ１０（具体的にはＣＰＵ１１）によって制御され、センサ端末１がスリープ状態にあるときには、コントローラ１０の一部（計時部１５とＣＰＵ１１のうち割り込みを制御する部分）にのみ給電される。スリープ状態における給電制御については、後に図７および図８を参照して詳述する。

次に、コントローラ１０の構成を説明する。図３に示すように、コントローラ１０は、ＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２、揮発性メモリ１３、不揮発性メモリ１４、計時部１５および表示部１６を含む。

ＣＰＵ１１は、コントローラ１０全体の動作を制御する。またＣＰＵ１１はパケットを生成する機能を備えており、距離センサ３０ならびに温度センサ４０で計測されたデータ、および計時部１４で計時された時刻データを含むパケットを生成し、データ伝送部２０に送信する。

ＲＯＭ１２は読み出し専用メモリであり、コントローラ１０の製造工程において、制御用のプログラムコードや動作パラメータが書き込まれる。

揮発性メモリ１３は、ランタイムデータを一時的に格納するメモリである。揮発性メモリ１３は、電力が供給されている期間のみデータを保持するので、バッテリ５０からの給電が停止した場合、それまで保持していたデータは失われる。

不揮発性メモリ１４は、距離センサ３０および温度センサ４０で計測されたデータを、計時部１４で計時された時刻データと共に記憶する。不揮発性メモリ１７は、一度書き込んだデータは給電がなくなっても保持し続けるので、長時間保持しておくべきデータを記憶するために用いられる。

計時部１５はＲＴＣ（リアルタイムクロック、計時専用の半導体チップ）で構成されたタイマーを内蔵しており、常時バッテリ５０から電力が供給されている。計時部１５のタイマーは、後述するように、定期的に（例えば、１日に１回）リセットされ、新たな時刻がセットされる。

表示部１６は、距離センサ３０で計測した突出量や、温度センサ４０で計測した温度を表示するもので、距離センサ３０や温度センサ４０の計測値を確認するため、またこれらのセンサが正常に動作しているかどうかを確認するために用いられる。

次に、図５を参照してデータ収集端末２の構成と機能を説明する。図５は、データ収集端末２の回路構成を示すブロック図である。

データ収集端末２は、コントローラ１０Ａ、データ伝送部２０およびバッテリ５０を備えている。データ収集端末２の機能は、センサ端末１で計測した長さデータと温度データを収集し蓄積することにあるため、距離センサ３０および温度センサ４０を備えていない。その点を除き、データ収集端末２の構成は、センサ端末１の構成とほぼ同じである。

コントローラ１０Ａの構成要素のうちコントローラ１０と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。なお、コントローラ１０Ａの表示部１６の機能は、コントローラ１０のそれと若干異なり、スリープ期間の確認等のために用いられる。

図６に、コントローラ１０Ａの不揮発性メモリ１４に蓄積されたデータの一例を示す。センサ端末１ａで所定間隔（例えば１時間）の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３・・に計測されたニードル３１の長さ（突出量）データＤａ１、Ｄａ２、Ｄａ３・・および温度データＴａ１，Ｔａ２，Ｔａ３・・が１セットとして蓄積される。同様に、センサ端末１ｂで所定間隔の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３・・に計測された長さデータＤｂ１、Ｄｂ２、Ｄｂ３・・および温度データＴｂ１，Ｔｂ２，Ｔｂ３・・が１セットとして蓄積される。全てのセンサ端末において計測された同様のデータがテーブルの形で、不揮発性メモリ１４に蓄積される。

データ収集端末２のコントローラ１０Ａは、センサ端末１のコントローラ１０の構成にリムーバブルメディア接続部１７が追加されたものである。リムーバブルメディア接続部１７は、複数のセンサ端末１から伝送され、データ収集端末２の不揮発性メモリ１４に蓄積されたデータを、リムーバブルメディアに書き込む際に用いられる。

リムーバブルメディア接続部１７は、リムーバブルメディアにＵＳＢメモリを用いた場合にはＵＳＢポートが該当し、リムーバブルメディアにＳＤ（登録商標）カードのようなメモリカードを用いた場合には、メモリカード用のスロットが該当する。

作業者は、定期的に（例えば、１ヶ月に１回）データ収集端末２が設置されている場所に出向き、リムーバブルメディア接続部１７に持参したリムーバブルメディアを差し込んで、不揮発性メモリ１４に格納されたデータ（図６参照）をリムーバブルメディアに書き込む。

作業者は、パソコン等を用いて、リムーバブルメディアを用いて収集した長さデータを温度データで補正した後、時間の経過に対する長さデータの変位量を算出する。更に作業者は、長さデータの変位量に基づいて亀裂の状態を分析し、補修の必要性等について検討を行う。

なお、本実施の形態では、コントローラ１０の主要部をＣＰＵ１１と３つのメモリ１２〜１４で構成したが、これに代えて、ＲＯＭおよびＲＡＭを含むマイクロコントローラと不揮発性メモリで構成し、かつデータ伝送部２０の機能を、マイクロコントローラにおいてファームウェアで実現するようにしても良い。このような構成とすれば、部品点数が少なくなるため、センサ端末およびデータ収集端末のコストダウンが図れる。

また、データの収集手段としてリムーバブルメディアを用いているが、リムーバブルメディア接続部１７の代わりに無線ＬＡＮの機能を備えたデータ伝送部を用いてもよい。このような構成とすれば、不揮発性メモリ１４に格納されたデータを、作業者の持参したノートパソコン等に直接、転送することができる。

また亀裂の長さを計測する距離センサ３０として、磁力線の変化を利用してニードルの突出量を測定するセンサを用いたが、これに限定されない。価格面で問題がなければ、光学式や超音波式等、他の方式により長さを計測するセンサを用いてもよい。

また、本実施の形態では、バッテリ５０を用いてデータ収集端末２の各部に電力を供給したが、前述したようにデータ収集端末２を配電盤の近くに設置できる場合には、データ収集端末２を商用電源に接続して各部に電力を供給するようにしても良い。

＜センサ端末およびデータ収集端末の動作＞
次に、センサ端末およびデータ収集端末の動作について説明する。最初に、図２を参照して、センサ端末１およびデータ収集端末２をトンネル３内に設置する際の手順について説明する。

センサ端末１およびデータ収集端末２は、あらかじめ不揮発性メモリ１４に自己の端末を特定するアドレスが記憶されている。また、データ収集端末２の不揮発性メモリ１４には、センサ端末１およびデータ収集端末２を間歇駆動する際の時間間隔に関するデータが記憶されている。

センサ端末１およびデータ収集端末２がトンネル３内に設置された後、データ収集端末２のＣＰＵ１１は、全てのセンサ端末１に対して自己のアドレスを報告するコマンドを送信する。このコマンドを含むパケットは、データ伝送部２０を介して隣接するセンサ端末１に次々に転送される。このコマンドを受信したセンサ端末１は、それぞれのアドレスを含むパケットを、逆のルートを辿ってデータ収集端末２に送信する。

全てのセンサ端末１からのアドレスを受け取ったデータ収集端末２のＣＰＵ１１は、パケットが送られてきたルートから、それぞれのセンサ端末１の配置を確認し、各センサ端末１へのアクセスのルート（図２に破線の矢印で示す。）を設定し、そのデータを不揮発性メモリ１４に格納する。

次に、データ収集端末２は、あらかじめ不揮発性メモリ１４に記憶してある間歇駆動を行う際の時間間隔およびデータの送信時刻に関するデータを含むパケットを、設定したルートを通じて各センサ端末１に送信する。パケットを受信したセンサ端末１は、パケットから時間間隔およびデータ送信時刻に関するデータを取り出して不揮発性メモリ１４に格納する。

次に、図７および図８を参照して、センサ端末１およびデータ収集端末２の間歇駆動について説明する。

亀裂変位計測システムの性格上、センサ端末１およびデータ収集端末２は、バッテリ５０を用いて数年間稼動させる必要がある。このため、センサ端末１については、長さおよび温度の計測を間歇的に行い、計測を行わない時および計測データをデータ収集端末２に送信する時間以外は、スリープ状態にして省電力駆動を行っている。スリープ状態においては、データ伝送部２０、距離センサ３０および温度センサ４０への給電は行われず、またコントローラ１０も低電力モードで駆動され、計時部１５およびＣＰＵ１１の一部のみに給電される。

同様に、データ収集端末２についても、センサ端末１の計測データを収集・格納する時以外はスリープ状態にして省電力駆動を行っている。スリープ状態においては、データ伝送部２０への給電は行われず、またコントローラ１０Ａも低電力モードで駆動され、計時部１５およびＣＰＵ１１の一部のみに給電される。ただし、データ収集端末２が商用電源に接続されている場合は、常に電力の供給が行われるため、省電力駆動を行う必要はない。

図７に、動作状態とスリープ状態が繰り返されるセンサ端末１の動作シーケンスを示す。図中、縦軸方向は時間の流れを示している。また斜線で囲んだ区間は、センサ端末１がスリープ状態にあることを示す。コントローラ１０のＣＰＵ１１は、所定の時間ｔａ（例えば２４時間）毎に、データ伝送部２０を介してデータ収集端末２からリセットコマンドを受信すると、計時部１５のタイマーをリセットし、データ収集端末２から通知された時刻をセットする（ステップＳ１）。

その後、センサ端末１は、所定の時間ｔｂ（例えば、１時間）毎に、動作状態とスリープ状態（斜線で示す）を繰り返す。動作状態（数分間）においては、距離センサ３０でニードル３１の長さ（突出量）を計測し、温度センサ４０で温度を計測する（ステップＳ２）。ＣＰＵ１１は、計測された長さデータと温度データを取り込み、計時部１５から出力された時刻データと共に、不揮発性メモリ１４に格納する（ステップＳ３）。

ＣＰＵ１１は、不揮発性メモリ１４へのデータ格納が終了するとモードの切り換えを行い、その後、センサ端末１はスリープ状態に遷移する。センサ端末１は、所定の時間ｔｂ毎に、長さおよび温度の計測と、計測データの不揮発性メモリ１４への格納を繰り返すことにより、長さデータ等を蓄積する。

なお、所定の時間ｔａ毎に計時部１５のタイマーをリセットするのは、各センサ端末１における計測のタイミングを一致させるため、および各センサ端末１で計測したデータを、データ収集端末２に送信する際のタイミングを一致させるためである。

各センサ端末１において計測され、不揮発性メモリ１４に格納されたデータは、所定の時間ｔａ毎にデータ収集端末２に伝送され、データ収集端末２の不揮発性メモリ１４に格納される。

図８を参照し、図１および図２に示す亀裂変位計測システムにおいて、センサ端末１ａ〜１ｆで計測されたデータを、データ収集端末２で収集する際の動作シーケンスを説明する。前述したように、センサ端末１ａ，１ｂ，１ｄおよび１ｅは、 ZigBee における End Device としての機能を備え、センサ端末１ｃおよび１ｆは Router としての機能を備えている。

全てのセンサ端末１ａ〜１ｆおよびデータ収集端末２は、それぞれの不揮発性メモリ１４に格納された時刻情報に基づき、タイマーリセット後、所定の時間（例えば２３時間）が経過すると、スリープ状態から動作状態に遷移する。従って、データ収集端末２がデータの収集を行う際には、データ収集端末２およびセンサ端末１ａ〜１ｆは全て動作状態にある。

最初に、データ収集端末２は、センサ端末１ａに対してデータ要求コマンドを含むパケットを送信する（ステップＳ１１）。

データ収集端末２から送信されたパケットはセンサ端末１ｆに伝送される。センサ端末１ｆは、パケットのヘッダから送信先の情報を読み取り、その情報に基づいてパケットをセンサ端末１ｃに転送する（ステップＳ２１）。

センサ端末１ｃは、センサ端末１ｆと同様に、パケットのヘッダから送信先の情報を読み取り、その情報に基づいてパケットをセンサ端末１ａに転送する（ステップＳ３１）。

パケットを受信したセンサ端末１ａは、ヘッダの情報からそのパケットが自分宛のパケットであり、また計測データの要求コマンドであることを確認する（ステップＳ４１）。

センサ端末１ａは、コントローラ１０の不揮発性メモリ１４に格納された時系列の計測データを読み出すと共に、データ伝送部２０で、そのパケットにヘッダ情報等を付加し、センサ端末１ｃに向けて送信する（ステップＳ４２）。

センサ端末１ａから送信されたパケットはセンサ端末１ｃに伝送される。センサ端末１ｃはステップＳ３１と同様に、パケットのヘッダから送信先の情報を読み取り、その情報に基づいてパケットをセンサ端末１ｆに転送する（ステップＳ３２）。

センサ端末１ｆも、センサ端末１ｃと同様の手順で、パケットをデータ収集端末２に転送する（ステップＳ２２）。

センサ端末１ａのパケットを受信したデータ収集端末２は、ヘッダの情報から、それがセンサ端末１ａから送信されたデータであることを確認し、計測データを読み出して不揮発性メモリ１４に格納する（ステップＳ１２およびＳ１３）。

データ収集端末２は、次に、センサ端末１ｂに対して、データ要求コマンドを含むパケットを送信する。この際の手順は、センサ端末１ａのデータを収集する際の手順と同じであるため、図では省略している。

データ収集端末２は、次に、センサ端末１ｃに対して、データ要求コマンドを含むパケットを送信する（ステップＳ１４）。

データ収集端末２から送信されたパケットはセンサ端末１ｆに伝送される。センサ端末１ｆは、ステップＳ２１と同様の手順によりデータ要求コマンドを含むパケットをセンサ端末１ｃに転送する（ステップＳ２３）。

パケットを受信したセンサ端末１ｃは、ヘッダの情報からそのパケットが自分宛のパケットであり、また計測データの要求コマンドであることを確認する（ステップＳ３３）。

センサ端末１ｃは、コントローラ１０の不揮発性メモリ１４に格納された時系列の計測データを読み出すと共に、データ伝送部２０で、そのデータを含むパケットを生成し、センサ端末１ｆに向けて送信する（ステップＳ３４）。

パケットを受信したセンサ端末１ｆは、ステップＳ２２と同様の手順により計測データを含むパケットをデータ収集端末２に向けて転送する（ステップＳ２４）。

センサ端末１ｃのパケットを受信したデータ収集端末２は、ヘッダの情報から、それがセンサ端末１ｃから送信されたデータであることを確認し、計測データを読み出して不揮発性メモリ１４に格納する（ステップＳ１５およびＳ１６）。

図では省略しているが、センサ端末１ｄ，１ｅおよび１ｆの不揮発メモリ１４に格納された時系列の計測データについても、センサ端末１ａ〜１ｃと同様の手順によりデータ収集端末２の不揮発性メモリ１４に格納される。

全てのセンサ巻末１ａ〜１ｆからの計測データの収集が終了した後、データ収集端末２は、リセットコマンドを含むパケットを生成し、全てのセンサ端末１ａ〜１ｆに送信する（ステップＳ１７）。データ収集端末２は、その後スリープ状態に遷移する。

データ収集端末２から送信されたパケットを受信したセンサ端末１ｆは、ヘッダに含まれる情報から、そのパケットが全てのセンサ端末１に対するコマンドであることを確認し、そのパケットをセンサ端末１ｃに転送する（ステップＳ２５）。

リセットコマンドを含むパケットを受信したセンサ端末１ｃは、センサ端末１ｆと同様に、リセットコマンドを含むパケットをセンサ端末１ａに転送する（ステプＳ３５）。

センサ端末１ｆおよび１ｃのコントローラ１０は、受信したリセットコマンドに従い、計時部１５のタイマーをリセットし、データ収集端末２から送信された時刻をセットする（ステップＳ２６、Ｓ３６）。その後、センサ端末１ｆおよび１ｃは、スリープ状態に遷移する。

センサ端末１ｃから送信されたパケットを受信したセンサ端末１ａは、ヘッダに含まれる情報から、そのパケットが全てのセンサ端末に対するコマンドであることを確認し、かつ時刻データを読み出す。

センサ端末１ａのコントローラ１０は、センサ端末１ｆと同様に、計時部１５のタイマーをリセットし、データ収集端末２から送信された時刻をセットする（ステップＳ４４）。図示しないが、センサ端末１ｂ，１ｄおよび１ｅについても、ステップＳ２５、Ｓ３５およびＳ４３と同様の手順によりタイマーがリセットされる。

上述した各ステップにより、センサ端末１ａ〜１ｆからデータ収集端末２への計測データの伝送が行われ、またデータ収集端末２とセンサ端末１ａ〜１ｆとの間の同期がとられる。その後、センサ端末１ａ〜１ｆは時間ｔｂ毎に動作状態とスリープ状態の遷移を繰り返すと共に、所定の時間（例えば２３時間）が経過したら、動作状態に遷移する。またデータ収集端末２は、所定の時間（例えば２３時間）が経過するまでスリープ状態に入り、その後動作状態に遷移して、センサ端末１ａ〜１ｆにデータ要求コマンドを送信する（ステップＳ１１）。

なお、システムを構成するセンサ端末１の数が非常に多い（例えば１０００台）と、全てのセンサ端末からのデータを収集するのに数時間かかる場合がある。その間、センサ端末１は動作状態を維持する必要があるため、バッテリの消耗が激しくなる。このような場合には、センサ端末１を、 Router 機能を有する１台の端末と隣接する End Device 機能を有する１０台程度の端末でグループ化し、計測データをデータ収集端末２に送信する時刻をグループ毎に変えるようにすれば、グループ当りのデータ送信時間を短縮できるため、バッテリの消耗を抑えることができる。ただしこの場合、各グループとデータ収集端末２とを結ぶルートにある Router 機能を有するセンサ端末１の動作時間は、グループのそれに合わせる必要がある。

上述したように、センサ端末およびデータ収集端末を間歇駆動することにより、バッテリとして乾電池のように容量の小さいものを用いた場合でも、バッテリを取り換えることなく、亀裂変位計測システムを長期間（３〜４年間）稼動させることができる。

なお、本実施の形態では、無線通信ネットワークとして ZigBee に準拠した無線ＬＡＮを採用したが、他の方式に準拠した無線通信ネットワークを採用しても同様の効果が得られることは云うまでもない。

１、１ａ〜１ｆ センサ端末
２ データ収集端末
３ トンネル
４ 亀裂
５ コンクリート
１０、１０Ａ コントローラ
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ 揮発性メモリ
１４ 不揮発性メモリ
１５ 計時部
１６ 表示部
１７ リムーバブルメディア接続部
２０ データ伝送部
３０ 距離センサ
３１ ニードル
３２ 固定板
４０ 温度センサ
５０ バッテリ
６０ ケース

Claims (10)

1. コンクリート構造体の壁面に生じた亀裂を含む領域の長さを、センサ端末を用いて所定の第１の時間間隔で計測し、計測した長さの時系列データを、無線通信を利用してデータ収集端末で収集し、この長さの時系列データに基づいて、時間の経過に対する亀裂の変位を計測する亀裂変位計測システムであって、
   前記センサ端末は、
   前記亀裂を含む領域の長さを計測する距離センサと、
   前記距離センサで計測された長さの時系列データを第１のメモリに格納し、かつ前記長さの時系列データを含むパケットを生成する第１のコントローラと、
   前記パケットに必要な情報を付加し、第１のアンテナを介して隣接するセンサ端末または前記データ収集端末に送信する第１のデータ伝送部と、
   前記距離センサ、第１のコントローラおよび第１のデータ伝送部に電力を供給する第１のバッテリと、を備え、
   前記データ収集端末は、
   前記センサ端末から送信されたパケットを、第２のアンテナを介して受信する第２のデータ伝送部と、
   前記第２のデータ伝送部で受信したパケットから前記長さの時系列データを取り出して第２のメモリに格納する第２のコントローラと、
   前記第２のデータ伝送部および前記第２のコントローラに電力を供給する電力供給手段と、を備えることを特徴とする亀裂変位計測システム。
2. 前記第１および第２のメモリとして不揮発性メモリを用いることを特徴とする、請求項１に記載の亀裂変位計測システム。
3. 前記電力供給手段として第２のバッテリを用いることを特徴とする、請求項１または２に記載の亀裂変位計測システム。
4. 前記データ収集端末は、リムーバブルメディアを接続できるリムーバブルメディア接続部を更に備え、前記第２のコントローラは、前記第２のメモリに格納された長さの時系列データを前記リムーバブルメディアに書き込むことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の亀裂変位計測システム。
5. 前記センサ端末は、気温を計測する温度センサを更に備え、
   前記第１のコントローラは、前記第１の不揮発性メモリに、前記温度センサで計測した気温の時系列データを、前記長さの時系列データと関連付けて格納することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の亀裂変位計測システム。
6. 前記センサ端末は、前記第１の時間間隔で長さの計測と格納を行い、かつ所定の第２の時間間隔で前記長さの時系列データの送信を行い、それ以外の時間はスリープ状態にあることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の亀裂変位計測システム。
7. 前記データ収集端末は、前記第２の時間間隔で前記長さの時系列データの受信と前記第２のメモリへの格納を行い、それ以外の時間はスリープ状態にあることを特徴とする、請求項６に記載の亀裂変位計測システム。
8. 前記第１および第２のデータ伝送部は、短距離無線通信規格の一つであるZigBee に準拠したものであることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の亀裂変位計測システム。
9. コンクリート構造体の壁面に生じた亀裂を含む領域の長さを、所定の第１の時間間隔で計測し、計測した長さの時系列データを、無線通信を利用してデータ収集端末に送信するセンサ端末であって、
   前記亀裂を含む領域の長さを計測する距離センサと、
   前記距離センサで計測された長さの時系列データをメモリに格納し、かつ前記長さの時系列データを含むパケットを生成するコントローラと、
   前記パケットに必要な情報を付加し、アンテナを介して隣接するセンサ端末または前記データ収集端末に送信するデータ伝送部と、
   前記距離センサ、コントローラおよびデータ伝送部に電力を供給するバッテリと、を備えたことを特徴とするセンサ端末。
10. センサ端末を用いて所定の第１の時間間隔で計測された、コンクリート構造体の壁面に生じた亀裂を含む領域の長さの時系列データを、無線通信を利用して前記センサ端末から受信するデータ収集端末であって、
    前記センサ端末から送信された長さの時系列データを含むパケットを、アンテナを介して受信するデータ伝送部と、
    前記データ伝送部で受信したパケットから前記長さの時系列データを取り出してメモリに格納するコントローラと、
    前記データ伝送部および前記コントローラに電力を供給する電力供給手段と、を備えることを特徴とするデータ収集端末。

Images