JP2017108260A - 無線センサ中継装置およびセンシングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】センサデータの集約および伝送に特化した無線センサ中継装置を用いて、効率的な通信制御および低消費電力化を実現する。【解決手段】無線センサ中継装置３は、無線センサ端末１−１〜１−Ｎまたはデータ処理装置２と通信を行うための無線通信規格が異なる複数の無線通信部３０−１〜３０−３と、無線センサ端末１−１〜１−Ｎからのセンサデータを転送する際に、複数の無線通信部３０−１〜３０−３のいずれかを選択してデータ処理装置２へ転送する通信処理回路３１とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のセンサ端末からのセンサデータを集約してデータ処理装置へ転送する無線センサ中継装置、および無線センサ中継装置を備えたセンシングシステムに関するものである。

図１３は、従来の一般的なセンサ端末を収容するセンシングシステムのブロック図である。無線センサ端末１００−１〜１００−Ｎは、それぞれ計測した物理量を無線送信する。無線センサ端末１００−１〜１００−Ｎからのセンサデータを受信するコンピュータ１０１は、センサデータを受信する機能とセンサデータを処理する機能以外に表示機能といった他の機能を有するものであり、例えばパーソナルコンピュータやスマートフォンなどが該当する（非特許文献１参照）。

従来のコンピュータを使ったセンサデータの集約は、コンピュータ自身が高機能かつセンサデータの処理に不要な機能を持っているため、センサデータを集約する際の消費電力の増加が課題となり、また、コンピュータで真に必要となる動作がセンサのトラフィックにより行えなくなる可能性がある。

例えば、非特許文献１では、センサデータを集約するコンピュータとしてスマートフォンを用いているが、スマートフォンにはＯＳ（Operating System）や表示機能、アプリケーション機能といった、センサデータの送信そのものには不要な機能が搭載されている。また、スマートフォンには、公衆無線通信機能に加え無線ＬＡＮ（Local Area Network）通信機能といった複数の無線通信機能が搭載されているが、それらは独立して動作しており、協調した制御機能、例えば、近距離無線通信と長距離無線通信を通信環境に応じて能動的に切り替えて使用したり、平均的な消費電力を極小化したりするといった制御機能を有しておらず、個別の無線通信機能が備えられているだけという状態である。このため、消費電力の増加によるバッテリーの駆動時間の低下といった問題が発生するので、バッテリーの駆動時間を最大限延ばすために複数の無線の同時使用を避けるよう推奨されている（非特許文献２参照）。

篠田 篤，田島 孝治，"スマートフォンと組み込みデバイスを用いたスポーツ自転車向けセンシングシステムの試作"，マルチメディア、分散、協調とモバイル（ＤＩＣＯＭＯ２０１４）シンポジウム，ｐｐ．５３８−５４４，平成２６年７月 "バッテリーの駆動時間と耐用年数を最大限に延ばす"，アップルジャパン，２０１５年１１月，＜http://www.apple.com/jp/batteries/maximizing-performance/＞

以上のように、従来のセンシングシステムでは、センサデータを受信するスマートフォン等のコンピュータの消費電力が大きく、特にバッテリー駆動のコンピュータで駆動時間が短くなるという問題点があった。非特許文献１に開示された技術では、各センサからのセンサデータをセンサコントローラでとりまとめてスマートフォンに転送するようにしているが、スマートフォンの消費電力を考慮した通信制御は行なわれておらず、効率的な通信制御は実現できていなかった。

本発明は、上記の課題を解決するために、センサデータの集約および伝送に特化した無線センサ中継装置を用いて、効率的な通信制御および低消費電力化を実現することを目的とする。

本発明は、計測した物理量を示すセンサデータを無線送信する第１のセンサ端末と前記センサデータを処理するデータ処理装置との間を中継する無線センサ中継装置において、前記センサ端末または前記データ処理装置と通信を行うための無線通信規格が異なる複数の無線通信手段と、前記センサ端末からのセンサデータを転送する際に、前記複数の無線通信手段のいずれかを選択して前記データ処理装置へ転送する通信処理手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の無線センサ中継装置の１構成例は、さらに、センサデータを有線送信する第２のセンサ端末と通信を行うための有線通信手段を備え、前記通信処理手段は、前記第１のセンサ端末からのセンサデータに加えて、前記第２のセンサ端末からのセンサデータを、前記複数の無線通信手段のいずれかで前記データ処理装置へ転送することを特徴とするものである。

また、本発明の無線センサ中継装置の１構成例において、前記通信処理手段は、前記複数の無線通信手段のうち、前記データ処理装置からの性能要求または前記データ処理装置との間にあるネットワークからの性能要求に応じた無線通信手段を選択して、前記センサデータを前記データ処理装置へ転送することを特徴とするものである。
また、本発明の無線センサ中継装置の１構成例において、前記通信処理手段は、前記複数の無線通信手段のうち、前記センサ端末のプロファイル情報に応じた無線通信手段を選択して、前記センサデータを前記データ処理装置へ転送することを特徴とするものである。
また、本発明の無線センサ中継装置の１構成例において、前記通信処理手段は、前記データ処理装置の消費電力または前記無線センサ中継装置の消費電力が最小となるように、前記無線通信手段の選択制御と送信データ量の制御のうち少なくとも一方を行って、前記センサデータを前記データ処理装置へ転送することを特徴とするものである。
また、本発明の無線センサ中継装置は、前記データ処理装置と機構的に接続が可能な形状、または人が身に付けて持ち歩くことが可能な形状でもよい。

また、本発明は、無線センサ中継装置と、計測した物理量を示すセンサデータを送信するセンサ端末と、前記センサデータを処理するデータ処理装置とを備えたセンシングシステムにおいて、複数台の前記無線センサ中継装置が多段接続されたことを特徴とするものである。
また、本発明のセンシングシステムにおいて、前記データ処理装置は、前記無線センサ中継装置と通信を行うための無線通信規格が異なる複数の無線通信手段と、前記複数の無線通信手段のいずれかで受信したセンサデータを処理するデータ処理手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、無線センサ中継装置に、複数の無線通信手段と通信処理手段とを設けることにより、通信処理手段が無線通信規格を適応的に切り替えてセンサデータをデータ処理装置へ転送することが可能となるので、効率的な通信制御および低消費電力化を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るセンシングシステムおよびセンシングシステムの無線センサ中継装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係るセンシングシステムのデータ処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態において無線センサ中継装置の通信処理回路が中距離・高速無線通信部を選択してセンサデータを送信する様子を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態において無線センサ中継装置の通信処理回路が長距離・低速無線通信部を選択してセンサデータを送信する様子を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態において無線センサ中継装置の通信処理回路が無線通信規格を時間的に切り替えてセンサデータを送信する様子を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態に係るセンシングシステムおよびセンシングシステムの無線センサ中継装置の他の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係るセンシングシステムの他の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るセンシングシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るセンシングシステムの他の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るセンシングシステムの他の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係るセンシングシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係るセンシングシステムの他の構成を示すブロック図である。 従来のセンシングシステムの構成を示すブロック図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るセンシングシステムの構成を示すブロック図である。センシングシステムは、計測した物理量を示すセンサデータを無線送信する無線センサ端末１−１〜１−Ｎ（Ｎは２以上の整数）と、無線センサ端末１−１〜１−Ｎからのセンサデータを受信して処理するスマートフォンやパーソナルコンピュータ等のデータ処理装置２と、無線センサ端末１−１〜１−Ｎからのセンサデータをデータ処理装置２へ転送する無線センサ中継装置３とから構成される。

図１（Ｂ）は無線センサ中継装置３の構成を示すブロック図である。無線センサ中継装置３は、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）などの無線通信規格で無線センサ端末１−１〜１−Ｎまたはデータ処理装置２と通信を行うための長距離・低速無線通信部３０−１と、Ｗｉｆｉ（Wireless Fidelity）などの無線通信規格で無線センサ端末１−１〜１−Ｎまたはデータ処理装置２と通信を行うための中距離・高速無線通信部３０−２と、ＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）、ＮＦＣ（Near Field Communication）などの無線通信規格で無線センサ端末１−１〜１−Ｎまたはデータ処理装置２と通信を行うための近距離・低消費電力無線通信部３０−３と、無線センサ端末１−１〜１−Ｎからのセンサデータを転送する際に、長距離・低速無線通信部３０−１、中距離・高速無線通信部３０−２、近距離・低消費電力無線通信部３０−３のいずれかを選択してデータ処理装置２へ転送する通信処理回路３１と、センサデータおよび無線センサ中継装置３のプログラムを記憶するメモリ３２とから構成される。

このような無線センサ中継装置３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。無線センサ中継装置３のＣＰＵは、メモリに格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明する処理を実行する。

図２はデータ処理装置２の構成を示すブロック図である。データ処理装置２は、Ｚｉｇｂｅｅなどの無線通信規格で無線センサ中継装置３と通信を行うための長距離・低速無線通信部２０−１と、Ｗｉｆｉなどの無線通信規格で無線センサ中継装置３と通信を行うための中距離・高速無線通信部２０−２と、ＢＬＥ、ＮＦＣなどの無線通信規格で無線センサ中継装置３と通信を行うための近距離・低消費電力無線通信部２０−３と、無線センサ端末１−１〜１−Ｎからのセンサデータを処理するデータ処理部２１と、無線センサ中継装置３に対して所望の性能を要求する性能要求部２２と、タッチパネルやキーボード等の入力部２３と、液晶ディスプレイ等の表示部２４とから構成される。

このようなデータ処理装置２は、ＣＰＵ、メモリ及びインタフェースを備えたコンピュータ（あるいはスマートフォン）と、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。データ処理装置２のＣＰＵは、メモリに格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明する処理を実行する。なお、データ処理装置２によるセンサデータの具体的な処理の例は例えば非特許文献１に開示されており、周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。

本実施の形態の無線センサ中継装置３は、複数の無線通信機能を搭載し、これらの無線通信機能を通信処理回路３１により自動で切り替えることができるようになっている。
無線センサ中継装置３は、長距離・低速無線通信部３０−１、中距離・高速無線通信部３０−２、近距離・低消費電力無線通信部３０−３のいずれかにより無線センサ端末１−１〜１−Ｎと通信を行う。一般に、無線センサ端末１−１〜１−Ｎとの間の無線通信は、予め定められた低消費電力の無線通信規格（例えば近距離・低消費電力無線通信部３０−３）で行なわれる。長距離・低速無線通信部３０−１、中距離・高速無線通信部３０−２、近距離・低消費電力無線通信部３０−３のいずれかが受信したセンサデータは、メモリ３２に一時的に格納される。

データ処理装置２の性能要求部２２は、無線センサ中継装置３に対して所望の性能を要求する。要求する内容としては、通信速度、伝送遅延、消費電力、伝送距離などがある。性能要求部２２は、例えばデータ処理装置２に電力を供給するバッテリー（不図示）の残量、無線センサ中継装置３との通信状態、センサデータを処理するアプリケーションプログラムからの要求などに応じて、無線センサ中継装置３に対する要求を決定する。

無線センサ中継装置３の通信処理回路３１は、長距離・低速無線通信部３０−１、中距離・高速無線通信部３０−２、近距離・低消費電力無線通信部３０−３のいずれかによりデータ処理装置２からの性能要求を受信すると、この性能要求に応じた無線通信規格およびデータ量でセンサデータをデータ処理装置２へ無線送信する。

例えば性能要求部２２が高速通信を要求すると、通信処理回路３１は、データ処理装置２との通信が可能な通信部のうち、例えば中距離・高速無線通信部３０−２を選択し、高速通信に適したデータ量でセンサデータを送信する。性能要求部２２が低速通信を要求すると、通信処理回路３１は、データ処理装置２との通信が可能な通信部のうち、例えば長距離・低速無線通信部３０−１を選択し、低速通信に適したデータ量でセンサデータを送信する。

性能要求部２２が消費電力の最小化を要求すると、通信処理回路３１は、例えば近距離・低消費電力無線通信部３０−３を選択し、低消費電力に適したデータ量でセンサデータを送信する。また性能要求部２２が長距離伝送を要求すると、通信処理回路３１は、例えば長距離・低速無線通信部３０−１を選択し、長距離伝送に適したデータ量でセンサデータを送信する。
なお、データ処理装置２の性能要求部２２は、無線センサ中継装置３に対して所望の無線通信規格を直接指定するようにしてもよい。

上記の例は、データ処理装置２からの性能要求に応じて通信制御を行う例であるが、無線センサ中継装置３が自律的に通信制御を行うことも可能である。
例えば無線センサ中継装置３のメモリ３２には、無線センサ端末１−１〜１−Ｎのプロファイル情報が無線センサ端末ごとに予め記憶されている。プロファイル情報としては、センサデータの種類を示す情報、データ処理装置２側でセンサデータを処理するアプリケーションの情報、送信先のデータ処理装置２の情報などがある。

無線センサ中継装置３の通信処理回路３１は、長距離・低速無線通信部３０−１、中距離・高速無線通信部３０−２、近距離・低消費電力無線通信部３０−３のいずれかにより無線センサ端末１−１〜１−Ｎからのセンサデータを受信すると、このセンサデータの送信元の無線センサ端末のプロファイル情報に応じた無線通信規格およびデータ量でセンサデータをデータ処理装置２へ無線送信する。

例えば高速通信・低遅延を必要とするアプリケーションであることをプロファイル情報で認識した場合、通信処理回路３１は、データ処理装置２との通信が可能な通信部のうち、例えば中距離・高速無線通信部３０−２を選択し、高速通信・低遅延に適したデータ量でセンサデータを送信する（図３）。これにより、例えばデータ処理装置２による無線センサ中継装置３の認証に要する時間のオーバヘッド削減が可能となる。

また、長距離伝送を必要とするアプリケーションであることをプロファイル情報で認識した場合、通信処理回路３１は、例えば長距離・低速無線通信部３０−１を選択し、長距離伝送に適したデータ量でセンサデータを送信する（図４）。
また、データ処理装置２の低消費電力を重視したアプリケーションであることをプロファイル情報で認識した場合、通信処理回路３１は、例えば近距離・低消費電力無線通信部３０−３を選択し、低消費電力に適したデータ量でセンサデータを送信する。

また、無線センサ中継装置３自体の消費電力の最小化を重視した制御を行う場合、通信処理回路３１は、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、無線通信規格を時間的に切り替えるようにしてもよい。図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、無線センサ端末１−１〜１−Ｎとの通信を近距離・低消費電力無線通信部３０−３で行い、長距離・低速無線通信部３０−１と中距離・高速無線通信部３０−２を時間的に切り替えながらデータ処理装置２と通信を行う例を示している。

なお、通信処理回路３１は、データ処理装置２からの性能要求に応じた通信制御または自律的な通信制御を行う際に、無線通信規格とデータ量を同時に制御してもよいし、どちらか一方のみを制御してもよい。

以上の例では、センサ端末として無線センサ端末１−１〜１−Ｎのみを例に挙げて説明しているが、図６（Ａ）に示すように、センサデータを有線送信する有線センサ端末４を用いてもよい。この場合、無線センサ中継装置３には、図６（Ｂ）に示すように、有線センサ端末４と通信を行うための有線通信部３３を設けるようにすればよい。

また、以上の例では、無線センサ中継装置３とデータ処理装置２とが直接通信を行っているが、図７に示すようにネットワーク５を介して通信を行うようにしてもよい。この場合、ネットワーク５内の通信制御装置（不図示）が、無線センサ中継装置３に対して性能要求を送信するようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、１台の無線センサ中継装置３を用いる例を説明しているが、図８に示すように、無線センサ中継装置３を多段接続してもよい。その接続方式としては、図９、図１０に示すようにツリー型を取ることで、複数の無線センサ端末１−１〜１−Ｎ，６−１〜６−Ｎ，７−１〜７−Ｎのセンサデータを一括で効率よく伝送することが可能となる。

［第３の実施の形態］
また、第１の実施の形態の無線センサ中継装置として、図１１に示すように、携帯型のデータ処理装置２と機構的に接続が可能なガジェット型無線センサ中継装置３ａを用いてもよい。また、例えば衣服に取り付けられたウェアラブル型無線センサ中継装置３ｂ、あるいは腕時計状のウェアラブル型無線センサ中継装置３ｂを用いて、携帯型のデータ処理装置２と通信を行うようにしてもよい（図１２）。これにより、身体の多数の情報をセンサ端末を用いて集め効率よく伝送することが可能となる。

本発明は、センサ端末からセンサデータを収集するセンシングシステムに適用することができる。

１−１〜１−Ｎ，６−１〜６−Ｎ，７−１〜７−Ｎ…無線センサ端末、２…データ処理装置、３，３ａ，３ｂ…無線センサ中継装置、４…有線センサ端末、５…ネットワーク、２１…データ処理部、２２…性能要求部、２３…入力部、２４…表示部、２０−１，３０−１…長距離・低速無線通信部、２０−２，３０−２…中距離・高速無線通信部、２０−３，３０−３…近距離・低消費電力無線通信部、３１…通信処理回路、３２…メモリ、３３…有線通信部。

Claims (8)

1. 計測した物理量を示すセンサデータを無線送信する第１のセンサ端末と前記センサデータを処理するデータ処理装置との間を中継する無線センサ中継装置において、
   前記センサ端末または前記データ処理装置と通信を行うための無線通信規格が異なる複数の無線通信手段と、
   前記センサ端末からのセンサデータを転送する際に、前記複数の無線通信手段のいずれかを選択して前記データ処理装置へ転送する通信処理手段とを備えることを特徴とする無線センサ中継装置。
2. 請求項１に記載の無線センサ中継装置において、
   さらに、センサデータを有線送信する第２のセンサ端末と通信を行うための有線通信手段を備え、
   前記通信処理手段は、前記第１のセンサ端末からのセンサデータに加えて、前記第２のセンサ端末からのセンサデータを、前記複数の無線通信手段のいずれかで前記データ処理装置へ転送することを特徴とする無線センサ中継装置。
3. 請求項１または２に記載の無線センサ中継装置において、
   前記通信処理手段は、前記複数の無線通信手段のうち、前記データ処理装置からの性能要求または前記データ処理装置との間にあるネットワークからの性能要求に応じた無線通信手段を選択して、前記センサデータを前記データ処理装置へ転送することを特徴とする無線センサ中継装置。
4. 請求項１または２に記載の無線センサ中継装置において、
   前記通信処理手段は、前記複数の無線通信手段のうち、前記センサ端末のプロファイル情報に応じた無線通信手段を選択して、前記センサデータを前記データ処理装置へ転送することを特徴とする無線センサ中継装置。
5. 請求項１または２に記載の無線センサ中継装置において、
   前記通信処理手段は、前記データ処理装置の消費電力または前記無線センサ中継装置の消費電力が最小となるように、前記無線通信手段の選択制御と送信データ量の制御のうち少なくとも一方を行って、前記センサデータを前記データ処理装置へ転送することを特徴とする無線センサ中継装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の無線センサ中継装置において、
   前記データ処理装置と機構的に接続が可能な形状、または人が身に付けて持ち歩くことが可能な形状であることを特徴とする無線センサ中継装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の無線センサ中継装置と、計測した物理量を示すセンサデータを送信するセンサ端末と、前記センサデータを処理するデータ処理装置とを備えたセンシングシステムにおいて、
   複数台の前記無線センサ中継装置が多段接続されたことを特徴とするセンシングシステム。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の無線センサ中継装置と、計測した物理量を示すセンサデータを送信するセンサ端末と、前記センサデータを処理するデータ処理装置とを備えたセンシングシステムにおいて、
   前記データ処理装置は、
   前記無線センサ中継装置と通信を行うための無線通信規格が異なる複数の無線通信手段と、
   前記複数の無線通信手段のいずれかで受信したセンサデータを処理するデータ処理手段とを備えることを特徴とするセンシングシステム。