JP2016019105A - 無線通信方法及び無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】無線ネットワークシステムにおいて、使用することのできない周波数帯域がある場合においても、可能な限りリアルタイムで、各々のセンサノードからの計測データを受信することができる無線通信方法を提供する。【解決手段】センサと無線モジュールとを有する複数のセンサノードと、前記複数のセンサノードとの間で無線による通信を複数の無線チャネルを用いて行うホスト制御部と、を有する無線ネットワークシステムにおける無線通信方法において、前記センサノードは、前記センサにおいて測定された計測データを前記ホスト制御部に送信するものであって、計測データを送信する無線チャンネルを送信の度に変更することを特徴とする無線通信方法を提供することにより上記課題を解決する。【選択図】 図５

Description

本発明は、無線通信方法及び無線通信システムに関する。

センサを備えた複数のセンサノードと呼ばれる端末により、温度、湿度、振動等の計測データを所定の周期で測定し、センサノードにおいて測定された計測データを無線によりリアルタイムで情報処理装置に送信する無線ネットワークシステムが検討されている。例えば、ネットワークシステムは、建物等の構造物の所定の位置に、振動を測定するためのセンサノードを各々設置し、各々のセンサノードにおいて同時に振動等の計測データを測定し、測定された振動等の計測データを情報処理装置等に送信し、情報処理装置等において、建物等の構造物の全体における振動解析等を行うことができるものである。

特開２０１０−２８２２６９号公報 特表２０１１−５１４６９１号公報 特表２００５−５３０３６４号公報

複数のセンサノードにより測定された計測データを無線により送信する場合、各々のセンサノードごとに周波数帯域が割り当てているときには、別の電子機器等より発せられる電磁波が妨害波となり、ある周波数帯域の電波を使用することができない場合がある。この場合、その周波数帯域が割り当てられたセンサノードにおいて測定された計測データの送信に支障を生じて計測データが欠落してしまうため、全体としての解析を行うことができない場合がある。

よって、センサノードを用いた無線ネットワークシステムにおいて、計測データの欠落を防止できる無線通信方法が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、センサと無線モジュールとを有する複数のセンサノードと、前記複数のセンサノードとの間で無線による通信を複数の無線チャネルを用いて行うホスト制御部と、を有する無線ネットワークシステムにおける無線通信方法において、前記センサノードは、前記センサにおいて測定された計測データを前記ホスト制御部に送信するものであって、計測データを送信する無線チャンネルを送信の度に変更することを特徴とする。

開示の無線通信方法によれば、センサノードを用いた無線ネットワークシステムにおいて、センサノードからの計測データの欠落を防止して受信することができる。

複数のセンサノードを用いた場合の説明図 複数のセンサノードを用いた無線ネットワークシステムの説明図 本実施の形態の無線通信方法に用いられる無線ネットワークシステムの説明図 複数のセンサノードから送信されるパケット情報の説明図 本実施の形態における無線通信方法の説明図 本実施の形態における無線通信方法の無線チャネル最適化の説明図

本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

最初に、複数のセンサノードを用いて、大きな構造物、例えば、ビル、橋、ダム等の土木建築物などの計測対象の各々の部分における温度、湿度、振動、照度、風速等を周期的に測定する方法について説明する。

図１（ａ）は、有線により各々のセンサノードと情報処理装置等とを接続した構造のネットワークシステムを示す。具体的には、図１（ａ）に示されるように、各々のセンサノード９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６、９１７と、情報処理装置等であるホスト制御部９２０とが配線９３１、９３２、９３３、９３４、９３５、９３６、９３７により各々接続されている。このように配線により各々のセンサノードをホスト制御部９２０と接続した場合には、各々のセンサノード９１１等により測定された計測データを欠損なくリアルタイムでホスト制御部９２０に送信することができる。しかしながら、各々のセンサノード９１１等とホスト制御部９２０とをすべて有線により接続する必要があるため、センサノードの設置等に時間を要してしまう。特に、計測対象となる構造物が巨大で、各々のセンサノード９１１等が設置される範囲が広い場合においては、センサノード９１１等を設置するために要する時間や労力は膨大なものとなる。

また、図１（ｂ）に示すように、各々のセンサノード９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６、９１７において測定された計測データを人手により集めて、ホスト制御部９２０まで運ぶ方法がある。具体的には、各々のセンサノード９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６、９１７に設けられたメモリに、各々のセンサノード９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６、９１７で所定の周期で測定された計測データを記憶する。このように、各々のセンサノード９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６、９１７のメモリに記憶されている計測データを人手により集めて、ホスト制御部９２０まで運ぶ方法がある。この方法では、各々のセンサノード９１１等により測定された計測データは、欠損が生じることなく、ホスト制御部９２０まで運ぶことができる。しかしながら、計測データをホスト制御部９２０に運ぶまでに時間を要し、情報処理装置等のホスト制御部９２０にリアルタイムで計測データを集めることができないといった問題がある。また、各々のセンサノード９１１等により測定された計測データは人手により回収されるため、手間を要するといった問題点がある。

図２は、複数のセンサノードで測定された計測データをリアルタイムで、ホスト制御部２０に送信することのできる無線ネットワークシステムを示す。各々のセンサノード１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７は、無線による通信を行うための無線モジュール、メモリ等を有している。図２の無線ネットワークシステムでは、例えば、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７に特定の周波数帯域が割り当てられており、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７において測定された計測データは、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７に対応する周波数帯域を用いてホスト制御部２０に送信される。このため、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７は、測定された計測データをリアルタイムでホスト制御部２０に送信することができ、ホスト制御部２０においても、リアルタイムで、大きな構造物における解析を行うことができる。

しかしながら、ある周波数帯域が電波障害により使用不能となった場合には、その周波数帯域を用いて計測データを送信しているセンサノードからの情報は、ホスト制御部２０には送信することができず、そのセンサノードにおいて測定された計測データは欠落してしまう。このように、１つのセンサノードにおいて測定された計測データが欠落してしまうと、そのセンサノードが設置されていない状態と同様となり、正確な解析等を行うことができなくなってしまう。

（無線通信方法）
次に、本実施の形態における無線通信方法について説明する。尚、説明の便宜上、以下ではセンサノードが４つの場合について説明する。

本実施の形態による計測システムにおいては、図３（ａ）に示すように、大きな構造物、例えば、ビル、橋、ダム等の土木建築物のような計測対象の各部に、振動等などの必要な情報を測定するための４つのセンサノード１１、１２、１３、１４が設置されており、更に、ホスト制御部２０を有している。図３（ｂ）に示すように、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４は、センサ１０ａと、ホスト制御部２０との間で無線通信を行うための無線モジュール１０ｂと、センサ１０ａにより測定された計測データを記憶するメモリ１０ｃとを有している。

ホスト制御部２０は、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４との無線通信を行うための無線モジュール２０ａと、無線通信の制御を行うための通信制御部２０ｂと、計測データに基づき情報の解析等を行う解析部２０ｃを有している。

ホスト制御部２０と各々のセンサノード１１、１２、１３、１４との無線通信は、相互に周波数帯域が異なる無線チャネルを用いて、同時に行われる。よって、本実施の形態においては、４つの無線チャネルがセンサノードとホスト制御部２０との間の無線通信に用いられている。この４つの無線チャンネルは、本実施の形態においては、Ａｃｈ、Ｂｃｈ、Ｃｃｈ、Ｄｃｈとして説明する。なお、ここでいう「同時」とは、複数のセンサノードからの無線通信が時間的に重なる状況を指している。必ずしも完全な同時刻を意味するものではなく、センサノードからの無線通信が重なる可能性があり実質的に「同時」と見なせる程度であれば、それぞれのセンサノードの無線通信に時間差が存在しても良いものとする。ホスト制御部２０における無線モジュール２０ａは、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４における無線モジュール１０ｂのすべてと通信可能な構成になっている状態にある。また、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４における無線モジュール１０ｂは、ホスト制御部２０からの一斉通信で内部時刻が同期する。

各々のセンサノードの無線モジュール１０ｂからホスト制御部２０に送信されるパケット情報としては、図４に示すように、センサノードを特定するノードＩＤ、センサノードが計測データを取得した時刻を示す計測データ取得時間、計測データ１、計測データ２、計測データ３等が挙げられる。計測対象の振動を計測する場合を想定すると、計測データ１、計測データ２、計測データ３は、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向における計測対象の振動量である。パケットに含む計測データは３つとする必要はなく、必要とされる計測データの種別などに応じてその数を適宜定めればよい。また、１回に送信される計測データは、１回に測定された分の計測データであってもよく、また、複数回分の計測データをまとめて送信するものであってもよい。

このようなセンサノード１１、１２、１３、１４からの情報が、ホスト制御部２０に送信され、ホスト制御部２０において受信が確認された場合には、図５に示されるように、即座に、無線モジュール２０ａから受信が確認された計測データを送信したセンサノードに向けて、ＡＣＫ（acknowledgement：肯定応答）が送信される。ＡＣＫを受信したセンサノードは、送信された計測データがホスト制御部２０において正常に受信されたことが解るため、次の送信の際には次に計測された計測データを送信する。

一方、センサノードがホスト制御部２０に計測データを送信したものの、ホスト制御部２０が計測データを受信できなかった場合には、無線モジュール２０ａからそのセンサノードにはＡＣＫが送信されない。よって、ＡＣＫを受信しなかったセンサノードは、前回ホスト制御部２０に送信した計測データがホスト制御部２０では受信されていないことを認識できるため、次回の送信の際には、前回送信した計測データを再度送信する。この際、センサノードは前回送信した計測データと、次回送信時の送信対象となる計測データとを合わせて送信しても良い。

（無線通信方法）
次に、本実施の形態における無線通信方法について、図５に基づき説明する。本実施の形態における説明では、４つのセンサノード１１、１２、１３、１４を用いて、４つの無線チャンネルＡｃｈ、Ｂｃｈ、Ｃｃｈ、Ｄｃｈを用いた場合について説明する。

本実施の形態における無線通信方法は、複数のセンサノードとそれぞれ周波数帯域が異なる複数の無線チャンネルを用いるものであって、各々のセンサノードは、送信の度に使用する無線チャネルを変更するもの、即ち、送信の度に前回とは異なる無線チャネルを用いてホスト制御部２０との間の無線通信を行う。

図５の例では、最初の１回目の通信では、センサノード１１はＡｃｈを使い、センサノード１２はＢｃｈを使い、センサノード１３はＣｃｈを使い、センサノード１４はＤｃｈを使って、ホスト制御部２０との間の無線通信を行う。この際、ホスト制御部２０が正常に計測データを受信した場合には、ホスト制御部２０より正常に受信した計測データを送信したセンサノードにＡＣＫが送信される。

次に、２回目の通信では、センサノード１１はＤｃｈを使い、センサノード１２はＡｃｈを使い、センサノード１３はＢｃｈを使い、センサノード１４はＣｃｈを使う。この際、前回の送信でＡＣＫをホスト制御部２０から受信していないセンサノードがあった場合には、そのセンサノードは前回送信したデータを再度送信する。また、ホスト制御部２０において正常に計測データを受信した場合には、ホスト制御部２０より、正常に計測データを受信したセンサノードに、ＡＣＫが送信される。

次に、３回目の通信では、センサノード１１はＣｃｈを使い、センサノード１２はＤｃｈを使い、センサノード１３はＡｃｈを使い、センサノード１４はＢｃｈを使う。この際、前回の送信でＡＣＫを受信していないセンサノードにおいては、前回送信したデータを再度送信する。また、ホスト制御部２０において正常に計測データを受信した場合には、ホスト制御部２０より、正常に計測データを受信したセンサノードに、ＡＣＫが送信される。

次に、４回目の通信では、センサノード１１はＢｃｈを使い、センサノード１２はＣｃｈを使い、センサノード１３はＤｃｈを使い、センサノード１４はＡｃｈを使う。この際、前回の送信でＡＣＫを受信していないセンサノードにおいては、前回送信したデータを再度送信する。また、ホスト制御部２０において正常に計測データを受信した場合には、ホスト制御部２０より、正常に計測データを受信したセンサノードに、ＡＣＫが送信される。

このように、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４は、送信の度に前回とは異なる無線チャンネルを使って計測データをホスト制御部２０に送信することができる。例えば、Ｂｃｈにおいて情報の送信が不能になった場合においても、次の通信時にはＡｃｈを用いて無線通信をすることで計測データをホスト制御部２０に送信することができる。従って、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４において測定された計測データは、送信タイミングがずれて時間的に遅れが生じる場合があるものの、ホスト制御部２０に確実に送信することができる。これにより、特定のセンサノードの情報が欠落することを防ぐことができる。

本実施の形態においては、センサノードの数をＮとし、無線チャンネルの数をＮとは異なるＭとした場合、Ｎ回に１回の割合で、センサノードは同じ無線チャネルを使うように無線チャネルを切り替えるものであってもよく、Ｍ回に１回の割合でセンサノードが同じ無線チャネルを使うように無線チャネルを切り替えるものであってもよい。

（無線チャンネルの最適化）
次に、本実施の形態において、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４に用いられる無線チャンネルの最適化について説明する。具体的には、複数のセンサノード間の距離が近い場合、互いに周波数帯域の近い無線チャネルを用いると、相互のセンサノードが発している電波が干渉して通信障害が生じる可能性があり好ましくない。よって、設置されているセンサノード間の距離が近い場合には、互いに周波数帯域の離れた無線チャネルを割り当てて無線通信に使うことにより、無線チャネルの最適化を行い、通信障害が生じることを防ぐことができる。尚、本実施の形態における説明では、無線チャンネルＡｃｈ、Ｂｃｈ、Ｃｃｈ、Ｄｃｈは、この順で周波数が高くなっているものとする。

図６に基づき、無線チャンネルの最適化の方法について説明する。

最初に、図６（ａ）に示すように、ホスト制御部２０より各々のセンサノード１１、１２、１３、１４に向けて、ブロードキャストで一斉に時間同期を行う。この後、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４に順にビーコン信号を発信する旨を指示する。

次に、図６（ｂ）に示すように、センサノード１１がビーコン信号を発信する。センサノード１２、１３、１４は、センサノード１１より発信されたビーコン信号を受信し、受信した信号の受信レベル（ＲＳＳＩ）を測定して各々のセンサノード１２、１３、１４のメモリに記憶する。図６（ｂ）の例では、センサノード１１が発信したビーコン信号に対するＲＳＳＩは、センサノード１２では−４０、センサノード１３では−７０、センサノード１４では−２０となっている。従って、センサノード１１に対してはセンサノード１４が最も近いと考えることができる。

同様に、センサノード１２がビーコン信号を発信する。すると、センサノード１１、１３、１４は、センサノード１２より発信されたビーコン信号を受信し、受信された信号の受信レベル（ＲＳＳＩ）を測定し、各々のセンサノード１１、１３、１４のメモリに記憶する。

次に、センサノード１３がビーコン信号を発信すると、センサノード１１、１２、１４は、センサノード１３より発信されたビーコン信号を受信し、受信された信号の受信レベル（ＲＳＳＩ）を測定し、各々のセンサノード１１、１２、１４のメモリに記憶する。

そして、センサノード１４がビーコン信号を発信すると、センサノード１１、１２、１３は、センサノード１４より発信されたビーコン信号を受信し、受信された信号の受信レベル（ＲＳＳＩ）を測定し、各々のセンサノード１１、１２、１３のメモリに記憶する。

次に、図６（ｃ）に示されるように、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４は、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４のメモリに記憶されている、他のセンサノードから受信したビーコン信号の受信レベル（ＲＳＳＩ）をホスト制御部２０に送信する。

次に、図６（ｄ）に示されるように、ホスト制御部２０は、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４における受信レベル（ＲＳＳＩ）に基づき、各々のセンサノード１１、１２、１３、１４において用いられる無線チャネルを定める。具体的には、ＲＳＳＩの値が高いセンサノード同士は互いの距離が近いと推測されるため、ホスト制御部２０は各々が用いる無線チャネルを周波数帯域が離れたものとするように定める。

例えば、図６（ａ）に示す例では、センサノード１４が受信したセンサノード１１からのビーコン信号のＲＳＳＩが最も高いため、センサノード１１に対してはセンサノード１４が最も近い位置に設置されている。このため、センサノード１１とセンサノード１４で用いられる無線チャネルの周波数帯域が隣り合わないように、各々周波数帯域が離れた無線チャネルが用いられる。具体的には、１回目の送信では、センサノード１１はＡｃｈ、センサノード１４はＣｃｈを使う。２回目の送信では、センサノード１１はＢｃｈ、センサノード１４はＤｃｈを使う。３回目の送信では、センサノード１１はＣｃｈ、センサノード１４はＡｃｈを使う。４回目の送信では、センサノード１１はＤｃｈ、センサノード１４はＢｃｈを使う。

同様に、センサノード１２に対してはセンサノード１３が最も近い位置に設置されているものとする。この場合、センサノード１２とセンサノード１３とが用いる無線チャネルの周波数帯域が隣り合わないように、離れた周波数帯域が用いられる。具体的には、１回目の送信では、センサノード１２はＢｃｈ、センサノード１３はＤｃｈを使う。２回目の送信では、センサノード１２はＡｃｈ、センサノード１３はＣｃｈを使う。３回目の送信では、センサノード１２はＤｃｈ、センサノード１３はＢｃｈを使う。４回目の送信では、センサノード１２はＣｃｈ、センサノード１３はＡｃｈを使う。

このように、設置されているセンサノード間の距離が近い場合においても、設置されている距離の近いセンサノード同士は、離れた周波数帯域の無線チャネルを用いるように無線チャネルを割り当てることができるため、センサノードから送信される電波が、相互に妨害波となることを防ぐことができる。

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。

１０ａ センサ
１０ｂ 無線モジュール
１０ｃ メモリ
１１ センサノード
１２ センサノード
１３ センサノード
１４ センサノード
２０ ホスト制御部
２０ａ 無線モジュール
２０ｂ 通信制御部
２０ｃ 解析部

Claims (7)

1. センサと無線モジュールとを有する複数のセンサノードと、前記複数のセンサノードとの間で無線による通信を複数の無線チャネルを用いて行うホスト制御部と、を有する無線ネットワークシステムにおける無線通信方法において、
   前記センサノードは、前記センサにおいて測定された計測データを前記ホスト制御部に送信するものであって、計測データを送信する無線チャンネルを送信の度に変更することを特徴とする無線通信方法。
2. 前記センサノードの各々から前記ホスト制御部への前記計測データの送信は、同時に行われることを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
3. 前記センサノードは、前記計測データを記憶するメモリを有しており、
   前記メモリに複数回分の計測データが記憶されている場合、前記センサノードから前記ホスト制御部における１回の通信において、前記複数回分の計測データが送信されることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信方法。
4. 前記ホスト制御部は、前記センサノードより送信された情報を受信した際には、計測データを受信したセンサノードに向けて応答を送信することを特徴とする請求項３に記載の無線通信方法。
5. 前記センサノード同士の距離に応じて、前記センサノードが使用する無線チャネルとして、それぞれ周波数帯域が離れている無線チャネルを割り当てることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の無線通信方法。
6. 前記各センサノードは、ビーコン信号を発信するとともに、他のセンサノードが発信したビーコン信号の受信レベルを判別するものであり、
   各センサノードが使う無線チャンネルは、各々のセンサノードが受信した他のセンサノードからのビーコン信号の受信レベルに基づき定めることを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
7. 無線通信装置と、前記無線通信装置との間で定期的な無線通信を同期的に行う複数の無線モジュールとを有する無線通信システムにおいて、
   前記無線モジュールの各々は、前記無線通信装置との間の無線通信時、互いに周波数帯域の異なる無線チャネルを用いて無線通信を行うものであり、
   前記無線モジュールの各々は、前記無線通信装置との前回の無線通信で用いた無線チャネルとは異なる無線チャネルを用いて、前記無線通信装置との無線通信を行うことを特徴とする、無線通信システム。
   
   

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