JP2016213722A

JP2016213722A - センサ管理システム

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Publication number: JP2016213722A
Application number: JP2015097040A
Authority: JP
Inventors: 善郎水野; Yoshiro Mizuno
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Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-12-15
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Also published as: EP3297300A1; US20180129835A1; EP3297300A4; WO2016181944A1; JP5937726B1; EP3297300B1; US10127413B2

Abstract

【課題】外面にスイッチ等の無いセンサノードを操作するに当たって、センサノードの直前に作業者がいることの直観性を生かしつつ、環境耐性を劣化させることなく操作可能とするコンソール機能を有するシステムを提供する。
【解決手段】センサノードの管理システムであって、センサノードは、電源部２００６を有するセンサ基板２００２、ＲＦＩＤタグ基板２００３、ＲＦＩＤタグに書き込まれた電文の認証をする認証部２００７、認証が不成立の場合に停止コマンドを電源部に送信する停止命令部２００８を備える。耐候性ケース２００１に封入されたセンサノードと、電文を格納する記憶手段とＲＦＩＤリーダ／ライタを備えたユーザ端末と、を構成要素に含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、観測システムを構成する無線センサを管理するシステムに関し、特にセンサケースに封入されたセンサを管理するシステムに関する。

センサノードは、環境に対する耐性や誤った操作による不具合の防止という観点から、センサケースに格納した状態で使用される。観測システムを構成するセンサノードの管理作業には、配置したセンサノードのスイッチのオン／オフ操作など直接操作した方が便利な作業があり、センサケースに格納されたセンサノードを構成する電子機器へのアクセスが問題となっていた。
これらの作業は、センサケースにおける環境の影響を受けにくい部位にスイッチを設けること、あるいは、カバー付きのスイッチを設けることによって、実行をしていた。しかし、ハード的対応は、環境耐性を下げると共にセンサノードのコストアップ問題を生じさせるため、究極の問題解決にはなっていない。

また、センサノードの電池消耗にともない物理的交換作業が発生する。このとき、交換元の旧センサノードの論理設定を交換先の新センサノードへ引き継ぐ作業において、新旧センサノードに物理的に対応したＩＤとシステム内の論理的位置を特定する論理ＩＤとの対応関係を設定することがあり、誤りが多いことが問題であった。

特許文献１は、起動用無線信号の伝播範囲内に配置されるセンサノード同士での重複が生じないように起動用ＩＤを自律的に設定するセンサノードを提供する。
しかしながら、測定対象がある現場において、目前のセンサノードの電源をオンとする場合、目前にあることの直観性が生かすことができない問題があった。
特開2010-050909号公報

本発明の課題は、外面にスイッチ等の無いセンサノードを操作するに当たって、センサノードの直前に作業者がいることの直観性を生かしつつ、環境耐性を劣化させることなく操作可能とするコンソール機能を有するシステムを提供することである。また、上記直観性を生かし操作すべきセンサノードを適切に選択できると同時に、権限のある場合にのみ動作することにより、誤った操作を防止することのできる安全性を有するシステムとすることも課題となる。

本発明の第1の観点によれば、センサノードの管理システムであって、
ａ）電源手段を有するセンサユニット、ＲＦＩＤタグ、該ＲＦＩＤタグに書き込まれた電文の認証をする認証手段、該認証が不成立の場合に停止コマンドを上記電源手段に送信する停止命令手段を備え、耐候性ケースに封入されたセンサノードと、
ｂ）上記電文を生成する生成手段とＲＦＩＤリーダ／ライタを備えたユーザ端末と、
を構成要素に含み、
上記電源手段は、上記端末の近接により上記ＲＦＩＤタグが生成する電力により起動されオン状態となり、上記停止コマンドを受信すると停止しオフ状態となるように構成されることを特徴とするシステムが提供される。

ここで、上記ユーザ端末は、さらに上記センサノードの旧ユニーク物理ＩＤに対する設定を新ユニーク物理ＩＤに対する設定へ更新する更新手段を有し、
センサノードの物理的交換に係る旧センサノードへの上記近接によりした更新元の旧ユニーク物理ＩＤと、該物理的交換に係る新センサノードへの上記近接により取得した更新先の新ユニーク物理ＩＤとを参照し、
クラウドサーバ上において、上記旧センサノードに割り当てられていた論理ＩＤを旧ユニーク物理ＩＤをキーに抽出して、この論理ＩＤを上記更新先の新ユニーク物理ＩＤに割り当て直すことにより、上記物理交換係る旧センサノードの論理ＩＤを新センサノードに引き継がせるとしてもよい。

上記ユーザ端末は、上記センサノードに係る作業者のコンソールとして、少なくともセンシングデータ参照、サンプリングインタバル変更、通信間隔変更、測定精度変更、測定レンジ変更、測定種類変更、設定情報表示から選ばれる少なくとも１つの機能を備える機能させるとしてもよい。

図１は、実施例１のセンサ管理システムを示す全体図である。図２は、センサノードの基板構成と機能構成を示したブロック図である。図３は、携帯通信端末の本実施例の動作に係る機能構成を示したブロック図である。図４は、クラウドサーバの動作に係る機能構成を示したブロック図である。図５は、認証情報管理部に格納された認証情報のデータ構造とデータ例を示した図である。図６は、設定情報管理部に格納された設定情報のデータ構造を示した図である。図７は、センシングデータ管理部に格納されたセンシングデータのデータ構造とデータ例を示した図である。図８は、携帯通信端末の記憶部に格納された動作コマンドを示した図である。図９は、電源モードにおける本実施例の動作を示したフローチャートである。図１０は、更新モードにおける本実施例の動作を示したフローチャートである。図１１は、更新前後の論理設定を示したブロック図である。図１２は、携帯通信端末のインタフェース部に表示される、センサ設定部の動作による画面の遷移図である。図１３は、携帯通信端末のインタフェース部に表示される、センシングデータ参照動作による画面の遷移図である。

以下、本発明を実施するための形態につき図面を用いて説明する。
ここで示すシステムの動作もしくは機能は、予め組み込まれたファームウエア等の制御プログラムを所定の回路のプロセッサーで実行し、実装された各種デバイスと協働することにより実現される。また、これらのプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、当該プロセッサーによって記録媒体から読み出され、ユーザが操作すること又はシステムを構成するデバイスからの信号を送受信することにより実行される。

図１は、実施例１のセンサ管理システムを示す全体図である。
第１観測対象１００１に配置された第１のセンサノード１００２、第２観測対象１００３に配置された第２のセンサノード１００４、第３観測対象１００５に配置された第３のセンサノード１００６というように、３つの観測対象に対してそれぞれセンサノードが配置されている。通信回線１００７を介して、クラウドサーバ１００８は、上記各センサノードや作業者１０１０が所持するユーザ端末である携帯通信端末１００９と通信接続可能である。ここでは、ＬＴＥ回線を採用することとするが、本発明で採用されうる通信回線はこれに限られるものではなく、３Ｇ回線等に適宜変更可能である。ここで３つのセンサノードと、１つのクラウドサーバと、１つの携帯通信端末からシステムが構成されているが、本発明で採用可能なセンサノードの数や配置およびシステムに含めるクラウドサーバや携帯通信端末の数は、ここに示されているものに限定されるものではない。センサ管理システムを適用する場所や目的に応じて適宜変更されうる。

（センサノード）図２は、図１の１００２で示すセンサノードの基板構成と機能構成を示したブロック図である。１００４と１００６で示した他のセンサノードの機能構成も同様である。耐侯性ケース２００１に、センサ基板２００２とＲＦＩＤタグ基板２００３が封入されている。センサ基板２００２の機能構成は、第１通信部２００４、センサ部２００５、ラッチ回路を有する電源部２００６、ＲＦＩＤタグ基板のメモリ部２０１０に書き込まれた電文を認証する認証部２００７、認証部の認証が成立しない場合に電源部に停止コマンドを送信する停止命令部２００８という機能構成である。第１通信部２００４は、通信回線１００７を介して、クラウドサーバ１００８と通信接続可能に構成されている。センサ部２００５は、配置された観測対象の温度と湿度を計測する温湿センサを含むものとするが、本発明のシステムは、観測対象の性質や目的に応じて、湿度センサ、加速度センサ等を適宜採用可能である。電源部２００６は、ＲＦＩＤ基板２００３におけるエナジーハーベスト部２０１１において電力を生成したときに、ＲＦＩＤタグ基板から発信される信号によりラッチ回路はオン状態となり、認証が不成立のときに停止コマンドによりラッチ回路はオフ状態となる。認証部２００７には、当該センサノードの共通鍵が保持されており、この共通鍵と電文に含まれる共通鍵との照合により認証が行われる。ＲＦＩＤタグ基板２００３は、近接通信部２００９、ユニーク物理ＩＤを格納したメモリ部２０１０、エナジーハーベスト部２０１１、メモリに格納されたユニーク物理ＩＤの送信や外部からメモリ部２０１０への書き込みの等をする制御部２０１２という機能構成である。ここで、エナジーハーベスト部は、電磁エネルギー発電装置が採用される。また、認証部２００７における上記電文の認証は、共通鍵を使う方式とするが、本願の発明の認証はこれに限られるものではなく、公開鍵を使用する方式など適宜変更可能である。

（携帯通信端末）図３は、図１の携帯通信端末１００９の本実施例の動作に係る機能構成を示したブロック図である。通信部３００１、近接通信部３００２、制御部３００３、記憶部３００４、センサ起動部３００５、更新部３００６、センサ設定部３００７、センシングデータ参照部３００８、インタフェース部３００９、電文生成部３０１０という機能構成ブロックが含まれている。通信部３００１は、クラウドサーバと通信回線１００８を介して、通信接続可能に構成されている。近接通信部３００２は、近接されたＲＦＩＤタグと通信を実行する。制御部３００３は、作業者や管理者からの設定による動作モードに応じたＲＦＩＤリーダ／ライタとしての動作を制御する。ここでは、ユニーク物理ＩＤの読み出し、ＲＦＩＤタグのメモリ部２０１０への電文、動作コマンド等の書き込みを実行する。記憶部３００４には、この携帯通信端末の認証情報を含む電文及び動作コマンドとして更新コマンドが格納されている。センサ起動部３００５は、上記電文の認証が成立しなかった場合に、停止コマンドを近接通信により、送信するように動作する。更新部３００６は、後で説明するように近接通信により取得した更新元の旧センサノードと更新先の新センサノードのユニーク物理ＩＤを、更新依頼コマンドとともにクラウドサーバ１００８に送信し、クラウドサーバ上における論理ＩＤの引き継ぎを実行させる。

センサ設定部３００７は、近接通信がされているセンサノードのサンプリングインタバル、測定精度、測定レンジ、測定種類の変更入力画面を生成し、作業者等のユーザからの入力を受けて、近接通信により設定変更コマンドを送信し、前述の認証が成立すると、センサ部２００５の設定を変更する。ここでは、センサ設定部の機能として、サンプリングインタバル、測定精度、測定レンジ、測定種類の変更を採用したが、本願発明のセンサ設定部の機能はこれに限定されるものではなく、機能を絞り込んだり通信間隔変更等を追加するなど適宜追加変更可能である。図１２は、携帯通信端末のインタフェース部３００９に表示されたセンサ設定部の動作による画面の遷移図である。動作モード選択画面１２００１において、選択ボックス１２００２に表示された３つのモードからセンサ設定が、ユーザ入力によって選択されると、センサ設定画面１２００３に遷移する。ここでは、サンプリングインタバル設定入力欄１２００４、測定精度入力欄１２００５そして測定レンジ入力欄１２００６が入力可能に表示される。本願発明は、ここで示したセンサ設定に限定されるものではない。通信間隔変更、センサの測定種類の変更追加などが、適宜変更されうる。

センシングデータ参照部３００８は、近接通信によって取得したセンサノードのユニーク物理ＩＤをクラウドサーバ１００８に送信し、このクラウドサーバからこのセンサノードのセンシングデータを受信し、携帯通信端末のインタフェース部３００９に表示する。図１３は、携帯通信端末のインタフェース部３００９に表示されたセンシングデータ参照動作による画面の遷移図である。動作モード選択画面１２００１において、選択ボックス１２００２に表示された３つのモードからセンシングデータ参照が、ユーザ入力によって選択されると、センサ設定画面１３００１に遷移する。ここでは、日時、ユニーク物理ＩＤそして観測値の形式の閲覧画面１３００２が生成されて、表示される。本願発明は、ここで示したセンシングデータ参照に限定されるものではない。表示の形式など適宜変更されうる。

電文生成部３０１０は、システム運用開始時や後で説明する認証情報更新等の変更によるクラウドサーバからのアクセスがあったときに、上記共通鍵を含む電文を生成し、記憶部３００４に格納する。

（クラウドサーバ）図４は、クラウドサーバ１００７の本実施例の動作に係る機能構成を示したブロック図である。通信部４００１、認証情報管理部４００２、設定情報管理部４００３そしてセンシングデータ管理部４００４という機能構成ブロックが含まれている。通信部４００１は、通信回線１００８を介して、センサノードや携帯通信端末と通信接続可能に構成されている。

認証情報管理部４００２は、携帯通信端末毎に操作可能なセンサノードの共通鍵を格納し、管理している。ここで、認証情報に更新等の変更があると、クラウドサーバから携帯通信端末１００９にアクセスして、記憶部３００４に格納された電文を更新するように設定されている。図５は、認証情報管理部４００２に格納された認証情報のデータ構造とデータ例を示した図である。携帯通信端末を特定する端末ＩＤ５００１と、この端末ＩＤの携帯通信端末で操作可能なセンサノードの共通鍵５００２という構造である。データ例５００３は、端末ＩＤがＴ１である携帯通信端末で操作可能なセンサノードが３つであり、それらに対応する共通鍵がＫ１，Ｋ２，Ｋ７であることを示している。同様に５００４は、端末ＩＤがＴ２である携帯通信端末で操作可能なセンサノードに対応する共通鍵がＫ３で示される１つであることを示している。５００５は、端末ＩＤがＴ３である携帯通信端末で操作可能なセンサノードが３つあり、それらに対応する共通鍵がＫ４，Ｋ５，Ｋ６であることを示している。ここでＫ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５，Ｋ６，Ｋ７は、ユニーク物理ＩＤがＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４，Ｕ５，Ｕ６，Ｕ７であるセンサノードの共通鍵である。

設定情報管理部４００３は、センサノードの管理システムにおける論理的位置を特定する論理ＩＤなどの設定情報を格納し、管理している。この設定情報は、携帯通信端末から送信される更新依頼コマンドにより、後で説明するようにセンサノードが物理的に配置された現場から更新可能に設けられている。図６は、設定情報管理部４００３に格納された設定情報のデータ構造を示した図である。センサノードの観測対象の名称６００１と、この観測対象の論理的位置を特定する論理ＩＤ６００２、このセンサノードのＲＦＩＤタグに格納されたユニーク物理ＩＤ６００３という構造である。データ例６００４は「裏庭」の設定情報を示し、データ例６００５は「ガレージ」の設定情報を示している。

センシングデータ管理部４００４は、センサノードが観測したセンシングデータを、時系列に従って格納し、管理する。図７は、センシングデータ管理部４００４に格納されたセンシングデータのデータ構造とデータ例を示した図である。観測した時間を示す日時７００１、センサノードを特定するユニーク物理ＩＤ７００２、このセンサノードのセンサが測定した観測値７００３という構造である。

図８は、携帯通信端末の記憶部３００４に格納された動作コマンドを示した図である。コマンドの種類を特定するコマンドＩＤ８００１、本実施例で採用するコマンド８００２という構造である。ここで採用するコマンドの種類は、更新依頼コマンド８００３、センサ設定コマンド８００４、センシングデータ依頼コマンド８００５である。更新依頼コマンド８００３は、後で説明する更新モードで携帯通信端末が動作するときに、取得した更新元の旧センサノードと更新先の新センサノードとのユニーク物理ＩＤとともに、通信回線１００７を介してクラウドサーバ１００８に送信される。センサ設定コマンド８００４は、近接通信中のセンサノードのセンサ部に、ＲＦＩＤ機能を介して、作業者等から入力された設定変更情報通信とともに送信される。センシングデータ依頼コマンド８００５は、近接通信で取得したセンサノードのユニーク物理ＩＤとともに、通信回線１００７を介してクラウドサーバ１００８に送信される。

（電源オンのフロー）図９は、電源モードにおける本実施例の動作を示したフローチャートである。電源モードは、出荷時など停止しているセンサノードの観測動作を開始させるための電源をオンとするための動作を行うモードである。作業者の所定操作により、携帯通信端末の動作モードを電源モードとしてスタートする。近接ステップ９００１において、作業者１０１０により電源をオンしたいセンサノードに携帯通信端末１００９で軽くタッチさせる。これによりＲＦＩＤタグ基板２００３が起動し、起動信号がセンサ基板２００１に送信される。一時起動ステップ９００２において、ＲＦＩＤタグ基板からの起動信号により、電源部２００６ラッチ回路をオン状態にする。これにより、センサ基板に電力が供給され、センサノードは観測を開始する。認証ステップ９００３において、センサ基板の認証部２００７によって、ＲＦＩＤ機能によって携帯通信端末のＲＦＩＤリーダ／ライタがメモリ部２０１０に書き込んだ電文の認証が行われる。電文の認証は、電文に含まれる認証情報である共通鍵が当該センサノードの共通鍵と一致するかどうかによって行われる。ここで当該携帯通信端末は、当該携帯通信端末が操作可能なセンサノードに対応する共通鍵を含む電文が生成されており、この電文に含まれる共通鍵のいずれかが当該センサノードに対応していれば、認証成立となる。例えば、図５に示すデータ例５００３の通
信端末「Ｔ１」の場合、当該センサノードの共通鍵がＫ１，Ｋ２，Ｋ７のいずれかであれば、認証成立となる。ここでは、認証を電文に含まれる共通鍵と当該センサノードの共通鍵との照合によって行ったが、本発明で採用可能な認証はこれに限定されるものではない。例えば、公開鍵方式などの方式が適宜採用されうる。

判断ステップ９００４において、認証が成立しないと判断されると、システムの動作は、停止コマンド送信ステップ９００５に移動する。停止コマンド送信ステップ９００５では、センサ基板の停止命令部２００８から停止コマンドが電源部２００６に送信される。観測停止ステップ９００６において、停止コマンドを受信した電源部２００６はラッチ回路をオフ状態として、観測活動を停止する。一方、判断ステップ９００５において、認証が成立する判断されると、システムの動作は観測継続ステップ９００７に移動し、一時起動したセンサノードの観測活動が継続される。このような電源モードにおける動作によって、センサノードを起動するために必要な通信量を低く抑えつつ、起動させる予定のセンサノードに対してのみ正確に動作する電源スイッチ機能を低いコストで提供することが可能となる。

（更新のフロー）図１０は、更新モードにおける本実施例の動作を示したフローチャートである。更新モードは、電池消耗等して劣化したセンサノードを物理的に交換したときに、物理的作業に合わせて、旧センサノードの論理的設定を新センサノードに引き継ぐ動作を行うモードである。作業者の所定操作により、携帯通信端末の動作モードを更新モードとしてスタートする。第1近接ステップ１０００１において、作業者１０１０によって、交換元となる旧センサノードに携帯通信端末１００９が軽くタッチさせられる。このとき、携帯通信端末は、ＲＦＩＤ機能によって旧センサノードのユニーク物理ＩＤを取得する。第1認証ステップ１０００２において、認証部２００７によって、ＲＦＩＤ機能によってメモリ部２０１０に書き込まれた携帯通信端末の電文の認証が行われる。

判断ステップ１０００３において、認証が成立しないと判断されると、システム動作は終了する。判断ステップ１０００３において、認証が成立すると判断されると、システムの動作は、継続し、第２近接ステップを待機する。第２近接ステップ１０００４において、作業者１０１０によって、交換先となる新センサノードに携帯通信端末１００９が軽くタッチさせられる。このとき、携帯通信端末は、ＲＦＩＤ機能によって新センサノードのユニーク物理ＩＤを取得する。第２認証ステップ１０００５において、認証部２００７によって、ＲＦＩＤ機能によってメモリ部２０１０に書き込まれた携帯通信端末の電文の認証が行われる。判断ステップ１０００６において、認証が成立しないと判断されると、システム動作は終了する。判断ステップ１０００６において、認証が成立すると判断されると、システムの動作は、更新依頼ステップ１０００７へ移動する。

更新依頼ステップ１０００７において、携帯通信端末から通信回線１００７を介してクラウドサーバへ、更新依頼コマンドが、旧センサノードのユニーク物理ＩＤと新センサノードのユニーク物理ＩＤとともに、送信される更新実行ステップ１０００８において、クラウドサーバにおいて、受信した更新依頼コマンドに従って、旧センサノードに割り当てられた論理ＩＤが新センサノードに対して割り当てる更新が実行される。図１１は、更新前後の論理設定を示したブロック図である。ここでは、「裏庭」を観測対象とするセンサノードの物理交換した場合の一例を示してある。更新前の論理設定１１００１において、ユニーク物理ＩＤ「Ｕ１」の旧センサノードに論理ＩＤ「Ｒ１」割り当てられていた。更新後の論理設定１１００２においては、ユニーク物理ＩＤＳ「Ｒ７」の新センサノードに論理ＩＤ「Ｒ１」が割り当てられている。これにより、旧センサノードの通信設定、観測データの格納先などの論理設定が新センサノードに引き継がれる。このような更新方式を採用することにより、煩雑な論理設定の更新をユーザ端末と新旧センサノードとの近接という直観的操作により実行することが可能になり、センサノードの物理的交換に伴う論理設定の更新を容易かつ確実に行うことが可能になる。

図１２は、本実施例の動作を示したフローチャートである。

本発明は、センサネットワークを利用した気象観測分野、農業分野、倉庫管理分野などの業界において、適用可能である。

１００１第１観測対象
１００２第１のセンサノード
１００３第２観測対象
１００４第２のセンサノード
１００５第３観測対象
１００６第３のセンサノード
１００７通信回線
１００８クラウドサーバ
１００９携帯通信端末

Claims

センサノードの管理システムであって、
ａ）電源手段を有するセンサユニット、ＲＦＩＤタグ、該ＲＦＩＤタグに書き込まれた電文の認証をする認証手段、該認証が不成立の場合に停止コマンドを前記電源手段に送信する停止命令手段を備え、耐候性ケースに封入されたセンサノードと、
ｂ）前記電文を生成する生成手段とＲＦＩＤリーダ／ライタを備えたユーザ端末と、
を構成要素に含み、
前記電源手段は、前記端末の近接により前記ＲＦＩＤタグが生成する電力により起動されオン状態となり、前記停止コマンドを受信すると停止しオフ状態となるように構成されることを特徴とするシステム。
前記ユーザ端末は、さらに前記センサノードの旧ユニーク物理ＩＤに対する設定を新ユニーク物理ＩＤに対する設定へ更新する更新手段を有し、
センサノードの物理的交換に係る旧センサノードへの前記近接によりした更新元の旧ユニーク物理ＩＤと、該物理的交換に係る新センサノードへの前記近接により取得した更新先の新ユニーク物理ＩＤとを参照し、
クラウドサーバ上において前記旧センサノードに割り当てられていた論理ＩＤを前記更新先のユニーク物理ＩＤに割り当て直すことにより、前記物理交換係る旧センサノードの論理ＩＤを新センサノードに引き継がせることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記ユーザ端末は、前記センサノードに係る作業者のコンソールとして、センシングデータ参照、サンプリングインタバル変更、測定精度変更、測定種類変更、設定情報表示から選ばれる少なくとも１つの機能を備えることを特徴とする請求項1乃至３のいずれかに記載のシステム。