JP2013059125A - センサネットワークシステム、および、通信経路設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設備コストやエリア設計コストを最小限に抑えつつ、スマートメータの安定的な運用と、システムの障害耐性の向上を図る。
【解決手段】センサネットワークシステム１００は、スマートメータに対応付けた複数のセンサノード１１０と、複数のセンサノードからデータを収集し、また、センサノードにデータを配信するゲートウェイ機器１１２と、ゲートウェイ機器からデータを受信し、また、ゲートウェイ機器にデータを送信するセンター装置１１４とを備え、センサノード間およびセンサノードとゲートウェイ機器との間は無線通信が実行され、ゲートウェイ機器とセンター装置との間は有料通信網を通じた無線通信が実行される。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のセンサノードから情報を収集するセンサネットワークシステム、および、通信経路設定方法に関する。

ガス事業者や電力事業者は、需要者が消費したガスや電力の使用量を積算するため、需要箇所にガスメータや電力メータを配置している。また、近年では、通信機能を備え、ガス事業者や電力事業者との間で双方向にデータ通信を行い、ガスや電気の使用量を自動的に遠隔検針したり、ガス事業者や電力事業者から需要先の家電製品を制御することが可能なスマートメータが脚光を浴びている。かかるスマートメータは、ガスや電力といったインフラ網の安全性や利用効率を高めるための情報源としても利用できる。

また、上述したスマートメータとガス事業者や電力事業者とのデータ通信を実現すべく様々な手段が提案されている。例えば、（１）スマートメータに近距離の無線機を設け、メッシュ型のネットワークを形成したり、（２）３ＧやＬＴＥ（Long Term Evolution）といった携帯電話網によってスター型のネットワークを形成したり、（３）電力線通信によるスター型のネットワークを形成することが考えられる。

また、メッシュ型のネットワークの応用として、基幹ネットワークと無線ＬＡＮによるアドホック通信とを併設し、基幹ネットワークの障害時においてアドホック通信に切り替えることでスマートメータを安定して運用する技術が知られている（例えば、特許文献１）。また、ネットワークのルーティングに関する技術も公開されている（例えば、特許文献２）。

特開２０１２−０６５４２２号公報 特開２０１２−１０５２５８号公報

しかし、上述した（１）メッシュ型のネットワークでは、近距離の無線機に対するカバーエリアの設計コスト、データを無線機から集約する基地局の設備および敷設コスト、基地局の維持管理コスト等が高いという問題が顕在し、特に、基地局のエリア設計、基地局を配設する電柱の移設や埋設等によるカバーエリアの再設定等の維持管理は困難を極める。

また、メッシュ型のネットワークは、無線機同士が近距離に配されてはじめて成り立つので、相当量の無線機を配置しないとネットワークを稼働することができない。したがって、稼働可能となるまで時間を要し、投資回収が遅延する。

また、（２）携帯電話網によるスター型のネットワークでは、データを移動する度に通信料金を要するので、全ての携帯電話端末で通信を実行するとコストが膨大となる。かかる通信コストが、人手で検針するより高くなるのであれば自動化する意義がなくなってしまう。また、携帯電話端末は、多くの電力を要するので、電池では足りず、別途、電源の供給手段を準備しなければならない。

また（３）電力線通信によるスター型のネットワークでは、ガスメータに接続した場合の誘雷の危険性を回避することができない。

本発明は、このような課題に鑑み、設備コストやエリア設計コストを最小限に抑えつつ、スマートメータの安定的な運用と、システムの障害耐性の向上を図ることが可能なセンサネットワークシステム、および、通信経路設定方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のセンサネットワークシステムは、スマートメータに対応付けた複数のセンサノードと、複数のセンサノードからデータを収集し、また、センサノードにデータを配信するゲートウェイ機器と、ゲートウェイ機器からデータを受信し、また、ゲートウェイ機器にデータを送信するセンター装置と、を備え、センサノード間およびセンサノードとゲートウェイ機器との間は無線通信が実行され、ゲートウェイ機器とセンター装置との間は有料通信網を通じた無線通信が実行されることを特徴とする。

センサノードは、ゲートウェイ機器と無線通信可能な位置にあるセンサノードをランク１と対応付け、ランクｎ（ｎ＝１以上の整数）と無線通信可能な位置にあり、かつランク１〜ｎに対応付けられていないセンサノードをランクｎ＋１に対応付けるランク設定部を備えていてもよい。

ランク設定部は、ランクが上位のセンサノードと無線通信不能になると、無線通信可能なセンサノードのうち、ランクが最上位のセンサノードの１つ下位のランクに自己を対応付けてもよい。

ランク設定部は、センサノードのランクを所定ランクまでに制限してもよい。

センサノードは、自己のランクより上位のセンサノードからデータを受信し、データをブロードキャストするとともに、無線通信可能な範囲に自己のランクより下位のセンサノードがない場合、データのブロードキャストを制限するデータ送受信部をさらに備えていてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の通信経路設定方法は、スマートメータに対応付けた複数のセンサノードと、複数のセンサノードからデータを収集し、また、センサノードにデータを配信するゲートウェイ機器と、ゲートウェイ機器からデータを受信し、また、ゲートウェイ機器にデータを送信するセンター装置と、を備えたセンサネットワークシステムにおいて、センサノード間およびセンサノードとゲートウェイ機器との間は無線通信が実行され、ゲートウェイ機器とセンター装置との間は有料通信網を通じた無線通信が実行され、センサノードが、ゲートウェイ機器と無線通信可能な位置にあるセンサノードをランク１と対応付け、ランクｎ（ｎ＝１以上の整数）と無線通信可能な位置にあり、かつランク１〜ｎに対応付けられていないセンサノードをランクｎ＋１に対応付けることを特徴とする。

本発明によれば、設備コストやエリア設計コストを最小限に抑えつつ、スマートメータの安定的な運用と、システムの障害耐性の向上を図ることが可能となる。

センサネットワークシステムの概略的な構成を示した説明図である。 センサネットワークの接続関係を示した説明図である。 ゲートウェイ機器の概略的な構成を示した機能ブロック図である。 下位ランクテーブルを説明するための説明図である。 センサノードの概略的な構成を示した機能ブロック図である。 上位ランクテーブルを説明するための説明図である。 通信経路設定方法の処理の流れを示したフローチャートである。 通信経路設定方法の処理の流れを示したフローチャートである。 通信経路設定方法の処理の流れを示したフローチャートである。 通信経路設定方法の処理の流れを示したフローチャートである。 ランクを２に制限した場合のゲートウェイ機器とセンサノードとの位置関係を示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（センサネットワークシステム１００）
図１は、センサネットワークシステム１００の概略的な構成を示した説明図である。図１に示すように、センサネットワークシステム１００は、複数のセンサノード１１０と、複数のゲートウェイ機器１１２と、センター装置１１４とを含んで構成される。例えば、センサネットワークシステム１００は、スマートメータに対応付けられる。スマートメータは、ガス事業者から需要者にガスを供給したり、電力事業者から需要者に電気を供給する場合に用いられ、少なくともガスや電気の使用量を自動検針する装置である。

センサノード１１０は、スマートメータそれぞれに対応し、少なくともスマートメータで利用されるデータの送受信を行う。ゲートウェイ機器１１２は、センサノード１１０同様、スマートメータに対応させることができ、１または複数のセンサノード１１０のデータを収集し、また、１または複数のセンサノード１１０に対してデータを配信する。センター装置１１４は、コンピュータ等で構成され、ガス事業者や電力事業者といったセンサネットワークシステム１００の管理者側に属する機器で、１または複数のゲートウェイ機器１１２のデータを収集し、また、１または複数のゲートウェイ機器１１２に対してデータを配信する。

ここで、ゲートウェイ機器１１２とセンター装置１１４との間は、例えば、基地局１１６を含む携帯電話網やＰＨＳ（Personal Handyphone System）網等の、通信量に応じて通信料が生じる既存の有料通信網を通じた無線通信が実行される。また、センサノード１１０同士およびセンサノード１１０とゲートウェイ機器１１２との間は、例えば、９２０ＭＨｚ帯を利用するスマートメータ用無線システム（Ｕ−Ｂｕｓ Ａｉｒ）を通じた無線通信が実行される。かかるセンサノード１１０同士およびセンサノード１１０とゲートウェイ機器１１２との間の無線通信は無料であることを想定しているが、有料か無料かは問わず、少なくともゲートウェイ機器１１２とセンター装置１１４との間の無線通信より通信コストが低ければよい。このような無線通信により、ゲートウェイ機器１１２は、有料通信網を通じて、センター装置１１４と接続されると共に、スマートメータ用無線システムを通じて各センサノード１１０と接続される。

本実施形態では、複数の需要者それぞれに対してスマートメータが配置されている。また、スマートメータにはそれぞれセンサノード１１０もしくはゲートウェイ機器１１２が対応付けられ、センター装置１１４は、そのセンサノード１１０もしくはゲートウェイ機器１１２を通じてスマートメータの情報を収集、または、スマートメータを制御する。したがって、センサノード１１０やゲートウェイ機器１１２が、需要者が存在するあらゆる位置に配置されることとなる。

ここでは、ゲートウェイ機器１１２において、スマートメータ用無線システムと有料通信網とを併用し、スマートメータ用無線システム専用の基地局を別途設けることなく、既存の有料通信網を利用することで、センター装置１１４とセンサノード１１０との通信を簡易かつ安価に確立することができる。また、ゲートウェイ機器１１２とその周囲の複数のセンサノード１１０との組み合わせにおいて、ゲートウェイ機器１１２のみが有料通信網を利用し、他のセンサノード１１０はすべて通信料が生じないスマートメータ用無線システムを利用している。したがって、通信コストを格段に削減することが可能となる。

上記スマートメータ用無線システムは、近距離無線を想定しているので、無線通信に費やす電力は比較的少ない。したがって、センサノード１１０の電源は、電池等で賄うことができ、センサネットワークシステム１００の消費電力を削減することが可能となる。また、有料通信網は、スマートメータ用無線システムと比べると相対的に電力を消費し易いので、大容量の電池もしくは別途の電源を要する。ただし、センサノード１１０に対してゲートウェイ機器１１２の絶対数が少ないので、全てのスマートメータから携帯電話網を利用する場合に比べ、消費電力を極めて低く抑えることができる。以下、センサノード１１０やゲートウェイ機器１１２の配置について詳述する。

（センサネットワークシステム１００の接続関係）
図２は、センサネットワークの接続関係を示した説明図である。図２に示すように、本実施形態では、センター装置１１４に複数のゲートウェイ機器１１２が接続され、そのゲートウェイ機器１１２それぞれに対して複数のセンサノード１１０が接続される。

ただし、上述したようにセンサノード１１０は、近距離無線で実現されているため、必ずしもゲートウェイ機器１１２と無線通信を確立できるとは限らない。その場合、センサノード１１０は、無線通信可能な他のセンサノード１１０をホップしてゲートウェイ機器１１２に接続される。

センサネットワークシステム１００では、センサノード１１０のホップ数を表すために、各センサノード１１０に段階的なランクを付与し、そのランクによってセンサノード１１０を管理する。例えば、図２に示すように、ゲートウェイ機器１１２をランク０と仮定し、ゲートウェイ機器１１２とホップ無しで直接接続されるセンサノード１１０をランク１とする。それ以降は、ホップ数に応じてランクの序数を１ずつインクリメントする。ここでは、ランクが上位な程、序数が小さく、ランクが下位な程、序数が大きくなる。

こうして、図２のようにランクが付与されると、センター装置１１４と各センサノード１１０とで交換されるデータは、ランクに従った順にホッピングして伝達される。例えば、センター装置１１４からランク２のセンサノード１１０にデータを伝達する場合、そのデータは、ランク０に相当するゲートウェイ機器１１２およびランク１のセンサノード１１０を経由して伝達される。以下、ゲートウェイ機器１１２およびセンサノード１１０の概略的な構成を挙げ、センサネットワークシステム１００上の接続関係がどのように築かれるかを述べる。

（ゲートウェイ機器１１２）
図３は、ゲートウェイ機器１１２の概略的な構成を示した機能ブロック図である。ゲートウェイ機器１１２は、通信部１３０と、記憶部１３２と、中央制御部１３４とを含んで構成される。通信部１３０は、センター装置１１４（基地局１１６）と有料通信網を通じて無線通信を確立するとともに、センサノード１１０と無線通信を確立する。記憶部１３２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成され、ゲートウェイ機器１１２に用いられるプログラムや各種データ、例えば、後述する下位ランクテーブルを記憶する。

中央制御部１３４は、ＣＰＵやＤＳＰ（Digital Signal Processor）で構成され、記憶部１３２に格納されたプログラムを用い、ゲートウェイ機器１１２全体を制御する。また、中央制御部１３４は、ビーコン発信部１４２、テーブル生成部１４４、テーブル送信部１４６、データ送受信部１４８として機能する。

ビーコン発信部１４２は、予め定められた所定時間、例えば５秒毎に、自己を識別するための情報、例えば、識別子（ＩＤ）、ランク（ランク０）を含むビーコンを、通信部１３０を通じて外部に発信（ブロードキャスト）する。

テーブル生成部１４４は、予め定められた所定時間、例えば１時間毎に、センサノード１１０から受信したビーコンに応じて、下位ランクテーブルを生成する。

図４は、下位ランクテーブルを説明するための説明図である。下位ランクテーブル１７０には、ビーコンを受信した１または複数のランク１のセンサノード１１０それぞれの識別子、ランク（ランク１に固定）、電界強度、電池残量（または過去の通信回数）、下位ランクテーブル１７０が含まれる。ここでは、下位ランクテーブル１７０に、さらに下位ランクのセンサノード１１０に関する下位ランクテーブル１７０が含まれる。したがって、ゲートウェイ機器１１２を通じて情報を伝達可能な全てのセンサノード１１０に関する下位ランクテーブル１７０が含まれることとなる。

図３に戻って説明すると、テーブル送信部１４６は、予め定められた所定時間、例えば１日（２４時間）毎に、当該ゲートウェイ機器１１２で保持する最新の下位ランクテーブル１７０をセンター装置１１４に送信する。

データ送受信部１４８は、ビーコン発信部１４２によるビーコンの発信タイミングで、通信部１３０を通じ、センター装置１１４からデータを受信するとともに、受信したデータを送信（ブロードキャスト）する。また、データ送受信部１４８は、センサノード１１０から受信したデータをセンター装置１１４に送信する。

（センサノード１１０）
図５は、センサノード１１０の概略的な構成を示した機能ブロック図である。センサノード１１０は、通信部１５０と、記憶部１５２と、中央制御部１５４とを含んで構成される。通信部１５０は、ゲートウェイ機器１１２や他のセンサノード１１０と無線通信を確立する。記憶部１５２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成され、センサノード１１０に用いられるプログラムや各種データ、例えば、下位ランクテーブル１７０や後述する上位ランクテーブルを記憶する。

中央制御部１５４は、ＣＰＵやＤＳＰで構成され、記憶部１５２に格納されたプログラムを用い、センサノード１１０全体を制御する。また、中央制御部１５４は、ランク設定部１６０、ビーコン発信部１６２、テーブル生成部１６４、テーブル送信部１６６、データ送受信部１６８として機能する。

ランク設定部１６０は、自己のセンサノード１１０のランクを設定する。具体的に、ランク設定部１６０は、ゲートウェイ機器１１２と無線通信可能な位置にあるセンサノード１１０をランク１と対応付け、ランクｎ（ｎ＝１以上の整数）と無線通信可能な位置にあり、かつランク１〜ｎに対応付けられていないセンサノード１１０をランクｎ＋１に対応付ける。すなわち、ランク０に相当するゲートウェイ機器１１２と無線通信可能な位置にあるセンサノード１１０全てをランク１とし、ランクｎ（ｎは１以上の整数）のセンサノード１１０と無線通信可能な位置にあるセンサノード１１０全てをランクｎ＋１とする。

したがって、ランク設定部１６０は、自己が無線通信可能なゲートウェイ機器１１２または他のセンサノード１１０のうち、ランクが最上位（序数が最小値）となる１または複数のセンサノード１１０を上位ランクのセンサノード１１０（またはゲートウェイ機器１１２）とし、１つ下位のランクを自己のランクとして設定することとなる。こうして、ゲートウェイ機器１１２またはセンサノード１１０と無線通信可能な全てのセンサノード１１０をランク付けすることが可能となる。

このとき、図２にも示したように、センサノード１１０は、自己のランクより１つ上位の１または複数のセンサノード１１０と、自己のランクより１つ下位の１または複数のセンサノード１１０と通信接続されることとなる。なお、自己と同一のランクのセンサノード１１０とは通信接続されない。

このように、無線通信可能なセンサノード１１０を上位と下位に複数有することで、何らかの事情により、いずれか１のセンサノード１１０が機能しなくなったとしても、センサネットワークシステム１００として、他の通信ルートを確保することができる。したがって、スマートメータの安定的な運用と、システムの障害耐性の向上を図ることが可能となる。

ところで、ゲートウェイ機器１１２とセンサノード１１０間や、センサノード１１０同士は無線通信により接続されるため、電波環境やセンサノード１１０の出力電力に応じて、無線通信可能なセンサノード１１０が無線通信不能となったり、無線通信不能であったセンサノード１１０が無線通信可能となったりする。したがって、センサノード１１０は、そのときの状況に応じて、自己が位置すべきランクに遷移し、上位ランクのセンサノード１１０や下位ランクのセンサノード１１０を更新する。

例えば、ランク設定部１６０は、ランクが上位のセンサノード１１０と無線通信不能になると、無線通信可能なセンサノード１１０のうち、ランクが最上位（序数が最小値）のセンサノード１１０の１つ下位のランクを自己のランクとして設定する。自己のランクが遷移すると、自己と無線通信可能な下位ランクのセンサノード１１０も遷移することがある。こうして、ランクによる無線通信可能なセンサノード１１０の管理を維持することができる。

ビーコン発信部１６２は、予め定められた所定時間、例えば５秒毎に、自己を識別するための情報、例えば、識別子、ランク設定部１６０が設定したランクを含むビーコンを、通信部１５０を通じて外部に発信（ブロードキャスト）する。

図５に戻って説明すると、テーブル生成部１６４は、予め定められた所定時間、例えば１時間毎に、他のセンサノード１１０から受信したビーコンに応じて、上位ランクテーブルと下位ランクテーブル１７０を生成する。下位ランクテーブル１７０は、ゲートウェイ機器１１２で用いられる下位ランクテーブル１７０と実質的に等しいので、ここでは、上位ランクテーブルのみ説明する。

図６は、上位ランクテーブルを説明するための説明図である。上位ランクテーブル１７２には、自己のランクより１つ上位の１または複数のセンサノード１１０それぞれの識別子、ランク、電界強度、電池残量（または過去の通信回数）が含まれる。

例えば、図６（ａ）に示すように、ランク１のセンサノード１１０では、ランク設定部１６０が自己をランク１と設定するので、テーブル生成部１６４は、上位ランクテーブル１７２にランク０であるゲートウェイ機器１１２を示す。また、図６（ｂ）に示すように、ランク２のセンサノード１１０では、ランク設定部１６０が自己をランク２と設定するので、テーブル生成部１６４は、上位ランクテーブル１７２にランク１のセンサノード１１０を示す。

テーブル送信部１６６は、予め定められた所定時間、例えば１時間毎に、ゲートウェイ機器１１２または他のセンサノード１１０の要求に応じて、当該センサノード１１０で保持している情報のうち、ビーコン（識別子、ランク）に含まれない（ビーコンのみでは伝達されない）が、下位ランクテーブル１７０の生成に必要な情報、例えば、センサノード１１０の電池残量、および、センサノード１１０の最新の下位ランクテーブル１７０（以下、単に不足情報という）を、要求のあったゲートウェイ機器１１２またはセンサノード１１０に送信する。

データ送受信部１６８は、ビーコン発信部１６２によるビーコンの発信タイミングで、通信部１５０を通じて、ゲートウェイ機器１１２またはセンサノード１１０からデータを受信するとともに、受信したデータを他のセンサノード１１０に送信（ブロードキャスト）する。また、データ送受信部１６８は、センサノード１１０から受信したデータをゲートウェイ機器１１２または他のセンサノード１１０に送信する。

ただし、上述したように、センサノード１１０は、ゲートウェイ機器１１２と直接無線通信ができない場合、無線通信が可能な他のセンサノード１１０をホップしてゲートウェイ機器１１２に接続される。そこで、データ送受信部１６８は、センサノード１１０毎に設定されたランクに基づいて、データを受信し、また、送信する。ここでは、センター装置１１４から送信対象であるセンサノード１１０へのデータのダウンリンクと、センサノード１１０からセンター装置１１４へのデータのアップリンクに分けて、データの接続経路（ルーティング）を説明する。

ダウンリンクでは、まず、センター装置１１４が、送信対象であるセンサノード１１０とともに下位ランクテーブル１７０に含まれる全てのセンサノード１１０の識別子を電文に示し、その下位ランクテーブル１７０を有するゲートウェイ機器１１２に送信する。ゲートウェイ機器１１２は、ランク１のセンサノード１１０にデータを送信し、順次、下位のランクのセンサノード１１０にデータを送信させて最終的な送信対象であるセンサノード１１０にデータを伝達する。

このとき、ゲートウェイ機器１１２や各センサノード１１０のデータ送受信部１４８、１６８は、ａ．平均電界強度が最大となるセンサノード１１０、ｂ．消費電力が分散されるセンサノード１１０、ｃ．通信トラフィックが分散されるようなセンサノード１１０から選択される１または複数のパラメータを勘案した関数により、最適なセンサノード１１０を送信先として選択する。

また、データを受信した、送信対象であるセンサノード１１０は、応答データを、ｄ．データが到来したルートによって返信する、または、ｅ．上位ランクテーブル１７２中、最も電界強度が高い相手を通じて返信するのいずれかの手段を選択する。このとき、返信に失敗した場合には、別ルートを選択して再送することで、返信の到達率を高めることができる。

アップリンクでは、センサノード１１０のデータ送受信部１６８が、上位ランクテーブル１７２中、最も電界強度が高い相手を通じてデータを送信し、受信したセンサノード１１０もまた、最も電界強度が高い相手を通じてデータを送信する。その際、ルートに含まれることになったセンサノード１１０は、自己の識別子を電文に示す。このとき、送信に失敗した場合には、別ルートを選択して再送することで、送信の到達率を高めることができる。また、データを受信したセンター装置１１４は、電文に示されたルートに従い、同ルートで応答データを送信する。

（通信経路設定方法）
上述したセンサネットワークシステム１００では、それぞれの無線通信に関して、（１）５秒毎にビーコン発信、（２）１時間毎に上位ランクテーブル１７２および下位ランクテーブル１７０を更新、（３）１日毎にゲートウェイ機器１１２がセンター装置１１４に下位ランクテーブル１７０を送信、の３つの通信タイミングを有している。

（１）５秒毎にビーコンを発信しているのは、センサネットワークシステム１００全体のレスポンスタイムを上げるためであり、データ送受信部１４８、１６８は、データの送信事由が生じた場合に、ビーコン発信部１６２によるビーコンの発信タイミングで、遅くても事由が生じてから５秒以内にデータを送信する。

（２）１時間毎に上位ランクテーブル１７２および下位ランクテーブル１７０を更新しているのは、センサネットワークシステム１００の健全性を図るのが目的であり、ゲートウェイ機器１１２は、１時間毎に下位ランクテーブル１７０が変更されていないことを確認し、変更が生じた場合（アラームが生じた場合）には、センター装置１１４にその旨を送信する。

（３）１日毎にゲートウェイ機器１１２がセンター装置１１４に下位ランクテーブル１７０を送信しているのは、センサネットワークシステム１００が正常に機能していることを確認するためである。ここでは、ゲートウェイ機器１１２からの下位ランクテーブル１７０の送信を１日毎とすることで、ゲートウェイ機器１１２の有料通信網の利用を最小限に留めることができ、通信コストを削減することが可能となる。

こうして、通信コストを削減しつつ、センター装置１１４とセンサノード１１０との情報の伝達を迅速に行うことが可能となる。

図７〜図１０は、通信経路設定方法のうちセンサノード１１０のランク設定の処理の流れを示したフローチャートである。特に、図７、図８は、ゲートウェイ機器１１２の処理を、図９、図１０はセンサノード１１０の処理を示し、また、図７、図９は、タイマによって定期的に割り込みが生じるタイマ割込処理を、図８、図１０は、ビーコンの受信に応じて割り込みが生じる受信割込処理を示す。

上述したように、センサノード１１０は、移動や電波環境の変化に応じてランクが遷移する。ただし、ゲートウェイ機器１１２はランクの遷移はない（ランク０に固定）。また、時間の経過をカウントすべく、機器日カウンタ、機器時カウンタ、ノード時カウンタが作動している。

図７を参照すると、所定時間、ここでは５秒毎にゲートウェイ機器１１２においてタイマ割込が発生する。テーブル送信部１４６は、機器日カウンタの計数値が例えば１日に相当する値（１日／５秒＝１７２８０）に到達したか否か判定する（Ｓ２００）。

その結果、機器日カウンタが１日に到達すると（Ｓ２００におけるＹＥＳ）、テーブル送信部１４６は、自己で管理している下位ランクテーブル１７０を、有料通信網を通じてセンター装置１１４に送信する（Ｓ２０２）。そして、テーブル送信部１４６は、機器日カウンタをリセットする（Ｓ２０４）。また、機器日カウンタが１日に到達していないと（Ｓ２００におけるＮＯ）、テーブル送信部１４６は、機器日カウンタを１だけインクリメントする（Ｓ２０６）。こうして、１日毎に最新の下位ランクテーブル１７０をセンター装置１１４にアップロードできる。

次に、テーブル生成部１４４は、機器時カウンタの計数値が例えば１時間に相当する値（１時間／５秒＝７２０）に到達したか否か判定する（Ｓ２０８）。その結果、機器時カウンタが１時間に到達すると（Ｓ２０８におけるＹＥＳ）、テーブル生成部１４４は、機器更新許可フラグをＯＮする（Ｓ２１０）。かかる機器更新許可フラグは、センサノード１１０から受信した情報を更新するためのフラグである。そして、テーブル生成部１４４は、機器時カウンタをリセットする（Ｓ２１２）。また、機器時カウンタが１時間に到達していないと（Ｓ２０８におけるＮＯ）、テーブル生成部１４４は、機器時カウンタを１だけインクリメントする（Ｓ２１４）。こうして、１時間毎に下位ランクテーブル１７０を更新することができる。

続いて、ビーコン発信部１４２は、自己を識別するための情報、例えば、識別子、ランク（ランク０に相当）を含むビーコンを発信し（Ｓ２１６）、当該タイマ割込処理を終了する。ここでは、割込周期が５秒なので、ビーコンは５秒おきに発信されることとなる。

図８を参照すると、ゲートウェイ機器１１２がセンサノード１１０からビーコンを受信した場合に、受信割込が発生する。テーブル生成部１４４は、機器更新許可フラグがＯＮとなっているか否か判定する（Ｓ２５０）。その結果、機器更新許可フラグがＯＮになっていれば、すなわち、１時間毎の更新タイミングが到来していれば（Ｓ２５０におけるＹＥＳ）、テーブル生成部１４４は、受信したビーコンに基づいて自己の下位ランクテーブル１７０を更新し（Ｓ２５２）、機器更新許可フラグをＯＦＦにする（Ｓ２５４）。また、機器更新許可フラグがＯＮではなかったら（Ｓ２５０におけるＮＯ）、当該受信割込処理を終了する。

具体的に、テーブル生成部１４４は、新たに無線通信可能となったセンサノード１１０の追加、既存のセンサノード１１０の上書き、および、設定されているが無線通信不能となったセンサノード１１０の削除を行う。このとき、テーブル生成部１４４は、無線通信を通じて不足情報（ランク１のセンサノード１１０の電池残量、下位ランクテーブル１７０）を取得するとともに、ランク１のセンサノード１１０それぞれの電界強度を測定する。

図９を参照すると、所定時間、ここでは５秒毎にセンサノード１１０においてタイマ割込が発生する。テーブル生成部１６４は、ノード時カウンタの計数値が例えば１時間に相当する値（１時間／５秒＝７２０）に到達したか否か判定する（Ｓ３００）。その結果、ノード時カウンタが１時間に到達すると（Ｓ３００におけるＹＥＳ）、テーブル生成部１６４は、ノード更新許可フラグをＯＮする（Ｓ３０２）。かかるノード更新許可フラグは、機器更新許可フラグ同様、他のセンサノード１１０から受信した情報を更新するためのフラグである。そして、テーブル生成部１６４は、ノード時カウンタをリセットする（Ｓ３０４）。

また、ノード時カウンタが１時間に到達していないと（Ｓ３００におけるＮＯ）、テーブル生成部１６４は、ノード時カウンタを１だけインクリメントする（Ｓ３０６）。こうして、１時間毎に下位ランクテーブル１７０を更新することができる。

続いて、ビーコン発信部１６２は、自己を識別するための情報、例えば、識別子、ランクを含むビーコンを発信し（Ｓ３０８）、当該タイマ割込処理を終了する。ここでは、割込周期が５秒なので、ビーコンは５秒おきに発信されることとなる。

図１０を参照すると、センサノード１１０が他のセンサノード１１０からビーコンを受信した場合、受信割込が発生する。ランク設定部１６０は、ノード更新許可フラグがＯＮとなっているか否か判定する（Ｓ３５０）。その結果、ノード更新許可フラグがＯＮになっていれば、すなわち、１時間毎の更新タイミングが到来していれば（Ｓ３５０におけるＹＥＳ）、受信したビーコンに自己のランクより上位ランクのセンサノード１１０があるか否か判定し（Ｓ３５２）、上位ランクのセンサノード１１０があれば（Ｓ３５２におけるＹＥＳ）、ステップＳ３５４に処理を移し、上位ランクのセンサノード１１０がなければ（Ｓ３５２におけるＮＯ）、ステップＳ３５８に処理を移行する。また、ノード更新許可フラグがＯＮではなかったら（Ｓ３５０におけるＮＯ）、当該受信割込処理を終了する。

上位ランクのセンサノード１１０があれば、ランク設定部１６０は、自己のランクより２以上上位ランクのセンサノード１１０があるか否か判定し（Ｓ３５４）、２以上上位のセンサノード１１０があれば（Ｓ３５４におけるＹＥＳ）、ランク設定部１６０は、自己のランクとして、そのセンサノード１１０の１つ下位のランクを設定することで、センサノード１１０のランクを上位に遷移させる（Ｓ３５６）。また、２以上上位ランクのセンサノード１１０がなければ（Ｓ３５４におけるＮＯ）、ステップＳ３６４に処理を移行する。

また、上位ランクのセンサノード１１０がなければ（Ｓ３５２におけるＮＯ）、ランク設定部１６０は、受信したビーコンにセンサノード１１０（の識別子）があるか否か判定し（Ｓ３５８）、センサノード１１０があれば（Ｓ３５８におけるＹＥＳ）、無線通信可能なセンサノード１１０のうち、ランクが最上位のセンサノード１１０の１つ下位のランクを設定することで、センサノード１１０のランクを下位に遷移させ（Ｓ３６０）、ステップＳ３６４に処理を移行する。また、センサノード１１０がなければ（Ｓ３５８におけるＮＯ）、ランク設定部１６０は、自己を、ランクのないセンサノード１１０、すなわち、スタンドアロンのセンサノード１１０として設定して（Ｓ３６２）、ステップＳ３６４に処理を移行する。

そして、テーブル生成部１６４は、受信したビーコンに基づいて自己の上位ランクテーブル１７２を更新するとともに（Ｓ３６４）、下位ランクテーブル１７０を更新して（Ｓ３６６）、ノード更新許可フラグをＯＦＦにし（Ｓ３６８）、当該受信割込処理を終了する。具体的に、テーブル生成部１６４は、新たに無線通信可能となったセンサノード１１０の追加、既存のセンサノード１１０の上書き、および、設定されているが無線通信不能となったセンサノード１１０の削除を行う。このとき、ランク設定部１６０は、無線通信を通じて不足情報（センサノード１１０の電池残量、下位ランクテーブル１７０）を取得するとともに、センサノード１１０それぞれの電界強度を測定する。

（ランクの制限）
上述した実施形態では、ランクを無制限に付与することで、データの伝達率の向上を図った。ただし、本実施形態のセンサノード１１０を対応させるスマートセンサは需要者毎に固定されるので、その位置を管理（把握）できる。したがって、ゲートウェイ機器１１２の数や、ゲートウェイ機器１１２間の距離を調整することで、ランクの最下位を制限することができる。ここでは、ランク設定部１６０が、センサノード１１０のランクを所定ランクまで（序数が所定値以下）に制限する例を挙げる。

このようにランクの最下位が決定されている場合において、自己のランクが最下位（序数が最大値）と等しいとき（＝エンドセンサノード）、それより下位のセンサノード１１０が存在しないので、センサノード１１０のデータ送受信部１６８は、データを送信（ブロードキャスト）する必要がない。こうして、ランクの序数が最大であるセンサノード１１０の消費電力を低減することが可能となる。以下、ランクを２以下に制限した例を挙げて説明する。

図１１は、ランクを２に制限した場合のゲートウェイ機器１１２とセンサノード１１０との位置関係を示した説明図である。ここでは、仮に、センサノード１１０が網目状に配置されているとし、ゲートウェイ機器１１２を任意の位置に配置した。

図１１（ａ）に示すように、４つのセンサノード１１０によって形成される正方形４００の辺の長さをＴ_Ｎｏｄｅ、面積をＳ_Ｎｏｄｅとし、ゲートウェイ機器１１２の通信可能範囲に相当する円４０２の半径をＲ_１ｓｔ、面積をＳ_１ｓｔとする。Ｓ_１ｓｔ>>Ｓ_Ｎｏｄｅの条件下において、Ｓ_１ｓｔ内に存在するセンサノード１１０の数Ｎ_１ｓｔは、以下の数式１で近似できる。
Ｎ_１ｓｔ＝Ｓ_１ｓｔ／Ｓ_Ｎｏｄｅ＝（π・Ｒ_１ｓｔ ^２）／Ｔ_Ｎｏｄｅ ^２…（数式１）

ここで、ゲートウェイ機器１１２のセンサノード１１０に対する比率を１／１０程度にすべく、Ｎ_１ｓｔ>>１０とすると、以下の数式２の関係が導き出される。
（π・Ｒ_１ｓｔ ^２）／Ｔ_Ｎｏｄｅ ^２>>１０
Ｒ_１ｓｔ／Ｔ_Ｎｏｄｅ>>√（１０／π）≒１．８…（数式２）

ゲートウェイ機器１１２の通信可能範囲に相当する円４０２の半径Ｒ_１ｓｔ、すなわち、電界強度（送信側電力および受信側感度に依存）がセンサノード１１０間の距離Ｔ_Ｎｏｄｅの１．８倍以上（例えば、２０ｍＷ以上）となれば、１のゲートウェイ機器１１２によってホップ無しで１０のセンサノード１１０と無線通信が可能ということになる。

また、図１１（ｂ）に示すように、ゲートウェイ機器１１２間の距離を半径Ｒ_１ｓｔの２倍とした場合（ゲートウェイ機器１１２の通信可能範囲に相当する円４０２が接するように配置した場合）に、その周囲にある全てのセンサノード１１０が、１のゲートウェイ機器１１２を中心とする半径Ｒ_１ｓｔの円４０２内に存在しつつ、他のゲートウェイ機器１１２を中心とする半径２×Ｒ_１ｓｔの円４０４内に存在していることがわかる。これは、１のゲートウェイ機器１１２が、交換等、何らかの事情により機能しない場合であっても、ランク２に遷移し１ホップを経由すれば、他のゲートウェイ機器１１２と接続可能なことを意味する。したがって、スマートメータの安定的な運用と、システムの障害耐性の向上を図ることが可能となる。

このように、ランクを２に制限した場合であっても、１のゲートウェイ機器１１２に１０のセンサノード１１０を管理させることができる。また、メンテナンスや交換によってゲートウェイ機器１１２やセンサノード１１０が一時的に機能しなくても、他のセンサノード１１０を通じて通信経路を維持できるので、センサネットワークシステム１００の稼働を維持できる。

したがって、例えば、既存のガスメータや電気メータをスマートメータに交換する場合、１０回（ガスメータのライフサイクルが１０年であれば、１回／年交換）に分けて交換することが可能となる。例えば、１回目に適当な間隔を空けて１０％のガスメータをスマートメータに交換する。この際、スマートメータにはゲートウェイ機器１１２を対応付ける。そして、それ以降は、毎回１０％のガスメータをスマートメータに交換し、それにセンサノード１１０を対応付けるだけでよい。こうして、容易に、センサネットワークシステム１００を適用することが可能となる。

以上、説明したように、本実施形態のセンサネットワークシステム１００、および、通信経路設定方法によって、設備コストやエリア設計コストを最小限に抑えつつ、スマートメータの安定的な運用と、システムの障害耐性の向上を図ることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

また、コンピュータを、上記ゲートウェイ機器１１２やセンサノード１１０として機能させるプログラムや当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。

なお、本明細書の通信経路設定方法における各工程は、必ずしもフローチャートして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、複数のセンサノードから情報を収集するセンサネットワークシステム、および、通信経路設定方法に利用することができる。

１００ …センサネットワークシステム
１１０ …センサノード
１１２ …ゲートウェイ機器
１１４ …センター装置
１４２、１６２ …ビーコン発信部
１４４、１６４ …テーブル生成部
１４６、１６６ …テーブル送信部
１４８、１６８ …データ送受信部
１６０ …ランク設定部

Claims (6)

1. スマートメータに対応付けた複数のセンサノードと、
   前記複数のセンサノードからデータを収集し、また、該センサノードにデータを配信するゲートウェイ機器と、
   前記ゲートウェイ機器からデータを受信し、また、該ゲートウェイ機器にデータを送信するセンター装置と、
   を備え、
   前記センサノード間および該センサノードと前記ゲートウェイ機器との間は無線通信が実行され、該ゲートウェイ機器と前記センター装置との間は有料通信網を通じた無線通信が実行されることを特徴とするセンサネットワークシステム。
2. 前記センサノードは、
   前記ゲートウェイ機器と無線通信可能な位置にあるセンサノードをランク１と対応付け、ランクｎ（ｎ＝１以上の整数）と無線通信可能な位置にあり、かつランク１〜ｎに対応付けられていないセンサノードをランクｎ＋１に対応付けるランク設定部を備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサネットワークシステム。
3. 前記ランク設定部は、ランクが上位のセンサノードと無線通信不能になると、無線通信可能なセンサノードのうち、ランクが最上位のセンサノードの１つ下位のランクに自己を対応付けることを特徴とする請求項２に記載のセンサネットワークシステム。
4. 前記ランク設定部は、前記センサノードのランクを所定ランクまでに制限することを特徴とする請求項２または３に記載のセンサネットワークシステム。
5. 前記センサノードは、
   自己のランクより上位のセンサノードからデータを受信し、該データをブロードキャストするとともに、無線通信可能な範囲に自己のランクより下位のセンサノードがない場合、データのブロードキャストを制限するデータ送受信部をさらに備えることを特徴とする請求項２から４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. スマートメータに対応付けた複数のセンサノードと、該複数のセンサノードからデータを収集し、また、該センサノードにデータを配信するゲートウェイ機器と、該ゲートウェイ機器からデータを受信し、また、該ゲートウェイ機器にデータを送信するセンター装置と、を備えたセンサネットワークシステムにおいて、該センサノード間および該センサノードと該ゲートウェイ機器との間は無線通信が実行され、該ゲートウェイ機器と該センター装置との間は有料通信網を通じた無線通信が実行され、
   前記センサノードは、
   前記ゲートウェイ機器と無線通信可能な位置にあるセンサノードをランク１と対応付け、
   ランクｎ（ｎ＝１以上の整数）と無線通信可能な位置にあり、かつランク１〜ｎに対応付けられていないセンサノードをランクｎ＋１に対応付けることを特徴とする通信経路設定方法。

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