JP2013141132A - 自動検針システム - Google Patents

Abstract

【課題】追加設置が容易に行え、更にその上で、各集約装置が収集するデータ数の均一化を図り、集約装置の設置台数を最小限に抑えることができる自動検針システムに関する。
【解決手段】無線通信機能を備えた複数の計器と集約装置の間がツリー状に形成され、マルチホップ無線ネットワークにより接続された自動検針システムにおいて、計器と集約装置は、マルチホップ無線ネットワークのホップ数の上限と自己が所属するホップ数並びに計器台数の上限と接続台数を、自己の通信データに含めて送信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各需要家に設置される電力量計が無線通信機能を備えて無線通信端末となり、その無線通信端末がネットワークを構成して、検針データを予め定める時間毎（定期検針）にマルチホップ無線通信によって集約装置へ送信し収集する自動検針システムに関する。

現在、マルチホップ無線ネットワーク方式において、ネットワークに参加する無線通信端末の数が多くなるにつれて、ネットワーク内における無線資源の利用領域が重複し、通信の衝突が多発する問題がある。

このため、例えば特許文献１の技術では、予め各々の無線通信端末に固有の送信タイミングを規定することにより、衝突の発生を抑制していた。

特開２００８−２２８１７６号公報

上記で述べた通信衝突回避技術は、予め最大ホップ数が一意に規定されているため、集約装置とのマルチホップによるデータ通信が可能である無線通信端末との距離がある一定範囲内に存在しなくてはならない。各需要家に設置されている電力量計の設置分布は都市部と郡部とでは異なるため、各集約装置が収集するデータ数に大きなばらつきが発生する。

また、特許文献１では、システムに新たに電力量計を追加設置することを考慮していない。このことを考えると、電力量計自身の判断で無線ネットワークに接続でき、かつデータ数のばらつき改善に貢献できる形とすることが望ましい。

本発明は、上記課題を解決するため、追加設置が容易に行え、更にその上で、各集約装置が収集するデータ数の均一化を図り、集約装置の設置台数を最小限に抑えることができる自動検針システムに関するものである。

本発明は上記の課題を解決するために、無線通信機能を備えた複数の計器と集約装置の間がツリー状に形成され、マルチホップ無線ネットワークにより接続された自動検針システムにおいて、計器と集約装置は、マルチホップ無線ネットワークのホップ数の上限と自己が所属するホップ数並びに計器台数の上限と接続台数を、自己の通信データに含めて送信する。

また、計器は、他の計器が送信する通信データに含まれるマルチホップ無線ネットワークのホップ数の上限と自己が所属するホップ数並びに計器台数の上限と接続台数を確認して、自己が通信する相手の計器または集約装置を決定する。

また、自己が通信する相手の計器または集約装置の決定にあたり、ホップ数の上限と接続台数上限を超えない相手を選択する。

また、計器と集約装置の間の通信のために、これらの間の通信を所定の時間帯に行うタイムスロットを設定している。

また、タイムスロットは、双方向の通信に要する通信枠を１組とするときに、ホップ数の上限と同数組の通信枠を備えておく。

本発明は上記の課題を解決するために、無線通信機能を備えた複数の計器と複数の集約装置の間がツリー状に形成され、集約装置ごとに無線周波数が相違するマルチホップ無線ネットワークにより接続された自動検針システムにおいて、計器と集約装置は、マルチホップ無線ネットワークのホップ数の上限と自己が所属するホップ数並びに計器台数の上限と接続台数を、自己の通信データに含めて送信する。

また、計器は、自己が使用する周波数を切替使用して他の計器または集約装置の通信内容を確認し、他の計器が送信する通信データに含まれるマルチホップ無線ネットワークのホップ数の上限と自己が所属するホップ数並びに計器台数の上限と接続台数を用いて、自己が通信する相手の計器または集約装置を決定する。

また、自動検針システムを設置する地域に応じて、ホップ数の上限と計器台数の上限を変更する。

また、自動検針システムを都市部に設置するときには、郡部に設置するときよりも前記ホップ数の上限を少なくする。

本発明によれば、追加設置が容易に行え、更にその上で集約装置の設置場所に応じた無線通信端末のデータ収集数の最大化が可能となり、集約装置設置台数の最小化が図れるため、コスト削減が実現できる。

電力量計３ｉをネットワーク５へ追加設置した例を示した図。 混信防止のために通信を行うタイムスロットの割り当てを示した図。 電力量計３から集約装置２への検針データの送信の通信例を示した図。 自動検針システムの全体構成を示す模式図。 受信した自ノード情報から親ノードを選択するフローチャート。 自ノード情報Ｍｇ、Ｍｈ、Ｍｃ、Ｍｄの具体事例を示す図。 集約装置配下のホップ数の上限（Ｄ２）による通信範囲を示した俯瞰図。 検針データの送信タイミングの例を示した図。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図４は、本発明が適用される自動検針システムの全体構成を示す模式図である。
この自動検針システムは、各電力需要家から電力使用量の検針データを自動的に収集するシステムであり、複数の電力量計３と複数の電力量計のデータを収集する集約装置２と、複数の集約装置２と複数の電力量計３を管理する管理サーバ１とで構成する。本発明の場合に、電力量計３は集約装置２および他の電力量計３と無線通信可能となるような無線通信機能を備えており、電力使用量の検針データを定期的に集約装置２に向けて送信する。

また、電力量計３は複数の階層で構成され、集約装置２を最上位とするツリー状に無線ネットワーク５で接続する。管理サーバ１は、例えば電力会社の営業所などに設置され、集約装置２および電力量計３の機器管理を行う。集約装置２は管理サーバ１と光ファイバ網によるネットーワーク４を介して接続され、電力量計３との無線通信ネットワーク５と管理サーバ１との光ファイバネットワーク４とを接続する機器である。

この集約装置２および電力量計３の間の無線通信ネットワーク５は、マルチホップ無線ネットワーク方式によるものであり、例えば集約装置２をホップ数１とするとき、電力量計３ａ乃至３ｅがホップ数２、電力量計３ｆ乃至３ｇがホップ数３、電力量計３ｈがホップ数４となる順位である。

また、このマルチホップ無線ネットワーク方式では、集約装置２Ａと通信する電力量計３ａ、３ｂ、３ｆ、３ｇ、３ｈが使用する無線周波数ｆ１と、集約装置２Ｂと通信する電力量計３ｃが使用する無線周波数ｆ２と、集約装置２Ｃと通信する電力量計３ｄ、３ｅが使用する無線周波数ｆ３は、互いに相違する周波数とされている。このため、同一無線周波数を使用して通信を行う集約装置２と電力量計３との間での混信（通信衝突）を防止する必要がある。

図２は無線通信ネットワークにおける混信防止のために、各自が通信を行うタイムスロットの割り当てを示した図である。無線通信ネットワークにおけるデータ送信時間は時分割されており、各電力量計３からの検針データ収集を行う上り通信の時間帯Ｔ１と、管理サーバ１から電力量計３への設定等を行う下り通信の時間帯Ｔ２が交互に繰り返される。これにより、検針データ収集中でも通信衝突が発生することなく下り通信の割り込みが可能となる。

図３は、図１の電力量計３から集約装置２への検針データの送信の通信例を示した図である。ここでは、図１の集約装置２と、電力量計３ａ、３ｇを経由して３ｈとの間で上り通信を行う例を示している。電力量計３ｈは、ある規定の上り通信枠Ｔ１にて親ノードである電力量計３ｇへ検針データを送信する。電力量計３ｈから送信された検針データを受信した電力量計３ｇは、直近の上り通信枠Ｔ１にて自身の親ノードである電力量計３ａへ転送する。さらに電力量計３ｇから送信された検針データを受信した電力量計３ａは、直近の上り通信枠Ｔ１にて自身の親ノードである集約装置２Ａへ転送する。このように、自身の検針データ送信は規定の上り通信枠により行い、他の電力量計から受信した検針データは直近の上り通信枠により転送を行うことで、集約装置まで検針データを送達する。

マルチホップ無線ネットワーク方式では、図４の構成において図２、図３のネットワーク利用を実行することで通信衝突を回避しながら無線通信を行っている。電力量の検針システムとして上記のものが既に構築されている段階において、家屋新築などにより、新たに無線端末（電力量計）を導入し、システムに追加することについて、図１を用いて説明する。

図１は、電力量計３ｉをネットワーク５へ追加設置した例を示した図である。追加設置された電力量計３ｉは、近隣の電力量計３（或いは集約装置２）のいずれかと無線通信を開始する必要があり、この場合に適切な相手を自己の判断で選択する必要がある。電力量計３ｉを家屋に設置したときに、工事者が適切な通信相手を設定しておくことも可能であるが、本発明では電力量計３ｉ自身が判断する。

これを可能とするために、電力量計３にはマルチホップ無線ネットワーク方式で使用する複数の周波数（図１の例では、ｆ１、ｆ２、ｆ３）を切り替えて受信する受信機を備える。そのうえで、所定受信感度以上の周波数を選択する。図１の場合、追加設置された電力量計３ｉは、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を高感度に受信可能であり、この例では電力量計３ｇ、３ｈ、３ｃ、３ｄの発する通信を傍受可能であるとする。

他方、既設置の電力量計３（或いは集約装置２）は、上り下りの通信時間帯に通信する通信データの中に自ノード情報Ｍを含めている。ここで自ノード情報Ｍとは、自己広告情報のことであり、自ノード情報に含まれる内容は、所属ホップ数（Ｄ１）、集約装置配下のホップ数の上限（Ｄ２）、集約装置配下に所属している電力量計の台数（Ｄ３）、集約装置配下に所属可能な電力量計の台数の上限（Ｄ４）である。

新規に需要家へ設置された電力量計３ｉは、集約装置２および各電力量計３が定期的に発信している自ノード情報を受信することにより、最適な親ノードを決定する。図５に、新規設置電力量計３ｉの親ノード決定プログラムを示す。

図５の処理プログラムでは、まずステップＳ１００において図１の電力量計３ｉは、規定の時間、周囲ノードが発信する自ノード情報を受信する。これにより、電力量計３ｇ、３ｈ、３ｃ、３ｄの発する自ノード情報Ｍｇ、Ｍｈ、Ｍｃ、Ｍｄを得る。図６が、このときに得られた自ノード情報Ｍｇ、Ｍｈ、Ｍｃ、Ｍｄの具体的な内容の一例を示している。

ステップＳ１０１では、受信した自ノード情報Ｍｇ、Ｍｈ、Ｍｃ、Ｍｄについて、各電力量計３ｇ、３ｈ、３ｃ、３ｄが所属している集約装置配下の電力量計の台数（Ｄ３）と、集約装置配下に所属可能な電力量計の台数の上限（Ｄ４）を比較し、親ノード候補から除外するかを判定する。図６の例では、Ｍｃについて、Ｄ３（２０）＝Ｄ４（２９）となっているので、集約装置２Ｂへのこれ以上の電力量計３の追加は行えないので、電力量計３ｃへの接続が排除される。

さらにステップＳ１０２では、各電力量計３が所属しているホップ数（Ｄ１）と、集約装置配下のホップ数の上限（Ｄ２）を比較し、親ノード候補から除外するかを判定する。図６の例では、Ｍｈについて、Ｄ１（４）＝Ｄ２（４）となっているので、集約装置２Ａへのホップ数４の位置での電力量計３の追加は行えないので、電力量計３ｈへの接続が排除される。

ステップＳ１０３で、親ノード候補が残っていない（上記の２条件のチェックで全ての接続先が否定された）場合、ＮＯからステップＳ１００に戻り、再度、規定の時間、周囲の自ノード情報を受信処理を行う。

ステップＳ１０３で、親ノード候補が残っている場合には、ステップＳ１０４において、除外されずに残った親ノード候補から所属ホップ数が最小のノードを親ノードとして選択する。図６の例では、自ノード情報Ｍｇ、Ｍｄが残っているが、それぞれ所属ホップ数は（３）、（２）なので、最小のノードとしてＭｄの電力量計３ｄを最終的に親ノードとして決定する。なお、このとき、電力量計３ｉの所属ホップは、親ノード３ｄのホップ数（２）に（１）を加えたホップ数である（３）となる。

図５の手順により親ノードを選択すると、追加電力量計３ｉは親ノードに選んだ電力量計３ｄに対して参加要求を送信し、それを受信した電力量計３ｄは集約装置２Ｃへ転送する。集約装置２Ｃは電力量計３ｄからの参加要求に対して、他の電力量計３と重複しないような検針データ送信タイミングを割り当てて、検針データ送信タイミングを電力量計３ｉへ送信する。

以降、電力量計３ｉは割り当てられた検針データ送信タイミングに基づいて自身の検針データを送信する。なお、これ以降、追加電力量計３ｉが発振する自ノード情報Ｍｉは、Ｄ１（３）、Ｄ２（５）、Ｄ３（１６）、Ｄ４（２５）となる。
また、親ノード選択後も、定期的に周囲の自ノード情報を受信し、最適な親ノードへの変更を行う。

以上、図６を用いて説明した追加電力量計３の親ノード決定論理からも明らかなように、Ｄ２とＤ４の上限に従って、接続可否が決定される。つまり、ホップ数と接続台数の上限で接続可否が決定される。この決定要因は、自動検針システムを設置するときに、都市部と郡部のいずれに設置するかにより変更される。

図７は、集約装置配下のホップ数の上限（Ｄ２）による通信範囲を示した俯瞰図である。ホップ数の上限は、集約装置２を設置する時に設置場所に応じて集約装置２ごとに設定される。ホップ数の上限（Ｄ２）が大きいと１台の集約装置で管理される配下のネットワーク範囲が大きくなり、ホップ数の上限（Ｄ２）が小さいと集約装置配下のネットワーク範囲が小さくなるという関係にある。因みに、各ノード間の通信可能距離が例えば１００メートルで、集約装置配下のホップ数の上限（Ｄ２）が３の場合、集約装置２から半径３００メートル範囲内の電力量計３の検針データが収集可能となる。ただし、ネットワーク範囲が大きいと、当該の集約装置２に所属可能な電力量計３の台数が上限（Ｄ４）を超えてしまうことが考えられるため、適切なホップ数の上限（Ｄ２）を設定することが必要である。

このことを踏まえると、電力量計３が密集している都市部では集約装置配下のホップ数の上限（Ｄ２）を小さく設定し、電力量計が散在している郡部では集約装置配下のホップ数の上限（Ｄ２）を大きく設定すると、最適な集約装置の配置が可能となり、集約装置設置台数の最小化を図ることが可能となる。

図８は、図１で示した集約装置２Ａ配下の各電力量計３から送信される検針データの送信タイミングの例を示した図である。ここでは、集約装置２Ａに設定されたホップ数の上限（Ｄ２）を３として説明する。集約装置２Ａ配下の各電力量計３には予め検針データ送信のためのタイムスロットが確保されており、電力量計３ａは他の電力量計３と重複しない規定のタイミングで自身の検針データを親ノード２Ａに対して送信する。

ここで、集約装置２Ａと電力量計３ａの間での通信を考慮するのであれば、上り下り１組の通信枠を準備すればよいが、ここでは３組の上り下り１組の通信枠を準備しておく。そのうえで、予め確保されている電力量計３ａの検針データ送信時間である３タイムスロットは、他の通信は行われない。

同様に電力量計３ｂは、他の電力量計と重複しない規定のタイミングで自身の検針データを親ノードに対して送信する。ここでも３組の上り下り１組の通信枠を準備しておく。このように集約装置配下のすべての電力量計３に対してホップ数の上限（Ｄ２）と同じ数の連続した上り通信枠が確保されている。

これにより、通信衝突が発生しないため、検針データを確実に収集することが可能となる。また、親ノードを変更した場合にも検針データ送信タイミングの再設定が不要となり、通信トラフィックの削減が可能となる。

なお、以上の説明は電力量の自動計測に本発明を適用した事例で紹介をしたが、電力量以外に水道の検針であっても同様に適用できる。水道の場合にも、システムを構築する上では、同じ課題を抱えている。

１：管理サーバ
２：集約装置
３：電力量計
４：光ファイバ網によるネットーワーク
５：無線通信ネットワーク
Ｔ１：上り通信の時間帯
Ｔ２：下り通信の時間帯
ｆ：無線周波数
Ｍ：自ノード情報

Claims (9)

1. 無線通信機能を備えた複数の計器と集約装置の間がツリー状に形成され、マルチホップ無線ネットワークにより接続された自動検針システムにおいて、
   前記計器と集約装置は、マルチホップ無線ネットワークのホップ数の上限と自己が所属するホップ数並びに計器台数の上限と接続台数を、自己の通信データに含めて送信することを特徴とする自動検針システム。
2. 請求項１に記載の自動検針システムにおいて、
   前記計器は、他の計器が送信する通信データに含まれるマルチホップ無線ネットワークのホップ数の上限と自己が所属するホップ数並びに計器台数の上限と接続台数を確認して、自己が通信する相手の前記計器または集約装置を決定することを特徴とする自動検針システム。
3. 請求項２に記載の自動検針システムにおいて、
   自己が通信する相手の前記計器または集約装置の決定にあたり、ホップ数の上限と接続台数上限を超えない相手を選択することを特徴とする自動検針システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の自動検針システムにおいて、
   前記計器と集約装置の間の通信のために、これらの間の通信を所定の時間帯に行うタイムスロットを設定していることを特徴とする自動検針システム。
5. 請求項１に記載の自動検針システムにおいて、
   前記タイムスロットは、双方向の通信に要する通信枠を１組とするときに、前記ホップ数の上限と同数組の通信枠を備えておくことを特徴とする自動検針システム。
6. 無線通信機能を備えた複数の計器と複数の集約装置の間がツリー状に形成され、集約装置ごとに無線周波数が相違するマルチホップ無線ネットワークにより接続された自動検針システムにおいて、
   前記計器と集約装置は、マルチホップ無線ネットワークのホップ数の上限と自己が所属するホップ数並びに計器台数の上限と接続台数を、自己の通信データに含めて送信することを特徴とする自動検針システム。
7. 請求項６に記載の自動検針システムにおいて、
   前記計器は、自己が使用する周波数を切替使用して他の計器または集約装置の通信内容を確認し、他の計器が送信する通信データに含まれるマルチホップ無線ネットワークのホップ数の上限と自己が所属するホップ数並びに計器台数の上限と接続台数を用いて、自己が通信する相手の前記計器または集約装置を決定することを特徴とする自動検針システム。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の自動検針システムにおいて、
   自動検針システムを設置する地域に応じて、前記ホップ数の上限と計器台数の上限を変更することを特徴とする自動検針システム。
9. 請求項８に記載の自動検針システムにおいて、
   自動検針システムを都市部に設置するときには、郡部に設置するときよりも前記ホップ数の上限を少なくすることを特徴とする自動検針システム。

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