JP2017117098A - ゲートウェイ装置およびセンサネットワークシステム - Google Patents

Abstract

【課題】フェイルオーバが可能なセンサネットワーク用のゲートウェイ装置において、マスタとスレーブとの間でデータ同期を行う際の通信量を抑制する。【解決手段】センサネットワーク用のゲートウェイ装置２０において、第１のコントローラ２３Ａは、第１のメモリ２５Ａを含み、各センサノード１０からの計測データを受信して、受信した計測データを第１のメモリ２５Ａに格納する。第２のコントローラ２３Ｂは、第２のメモリ２５Ｂを含み、第１のコントローラ２３Ａが受信する計測データを同時に受信して、受信した計測データを第２のメモリ２５Ｂに格納する。第１および第２のコントローラ２３Ａ，２３Ｂは、第１のメモリ２５Ａおよび第２のメモリ２５Ｂのメモリ空間のうち、互いに異なる記憶データを含む一部の領域のみデータ同期を行う。【選択図】図２

Description

この開示は、センサネットワークシステムに関し、さらに、センサネットワークにおいて複数のセンサノードからのデータを収集するためのゲートウェイ装置に関する。

近年、多数のセンサ付き無線端末を散在させて、現実世界の様々な情報を収集して活用するセンサネットワーク技術が現実のものとなりつつある。センサネットワークでは、多数のセンサ付き無線端末（「センサノード」とも称する）からのデータを収集し、収集したデータをインターネットなどの他のネットワークに送信するためのゲートウェイ装置（「コントロールノード」とも称する）が設けられている。ゲートウェイ装置（コントロールノード）は、階層的に設けられる場合もある。

コントロールノードが障害を起こした場合、特に下位のコントロールノードを束ねる上位のコントロールノードが障害を起こした場合には、配下にある多数のセンサノードが通信経路を失うことになる。したがって、コントロールノードの可用性を確保することが重要な問題となる。

一般的なサーバなどでは可用性を確保するためにフェイルオーバーシステムが広く採用されている。具体的には、複数のサーバによってサーバ・クラスタが構成され、あるサーバの障害時には、クラスタを構成する他のサーバにアプリケーションおよびサービスの実行が切り替えられるものである。一方、センサネットワークにおいては、サーバほど潤沢なリソース（大容量記憶装置、広帯域通信、電源等）が確保できないため、サーバが使用するようなフェイルオーバーシステムを用いることは難しい。

特開２００９−２６０７７８号公報（特許文献１）は、フェイルオーバを可能にするためにゲートウェイをマスタとスレーブの２台で構成した例を開示している（図５〜図７および関連する段落を参照）。具体的には、マスタゲートウェイとスレーブゲートウェイとを識別するために、マスタとスレーブには異なるＩＤ（Identification）および異なるＩＰ（Internet Protocol）アドレスが与えられる。センサノードは、マスタへのデータ伝送に失敗した場合、データの送り先のＩＤをマスタからスレーブに切替える。上位のネットワークを介してマスタおよびスレーブゲートウェイと接続される上位計算機は、センサノードごとに対応するゲートウェイ（マスタまたはスレーブ）にデータ収集コマンドを発行する。一方のゲートウェイが故障などによって停止した場合に備えて、マスタゲートウェイとスレーブゲートウェイとは、一定周期ごとにＬＡＮ（Local Area Network）または上位計算機を介して互いが保持している計測データの交換を行う。

特開２００９−２６０７７８号公報

上記文献の技術における問題点の１つは、マスタゲートウェイとスレーブゲートウェイとの間でのデータ交換（メモリの同期）を行う際の通信量がかなり大きくなってしまうことである。

他の問題点の１つは、マスタゲートウェイが受信データをメモリに周期的に保存しかつマスタおよびスレーブのゲートウェイ間でメモリを同期するため、異常発生の直前の同期から異常発生時までの間にマスタが正常受信したデータが欠損してしまうことである。例えば、複数回の過去データを必要とするデジタルフィルタ処理などを実施している場合には、上記文献に記載の技術に従うと、異常発生時にメモリに保存されていたデータは無視され、フェイルオーバ後に取得されたデータからデジタルフィルタ処理が再開することになる。

さらにこの文献にあるＺｉｇＢｅｅ（登録商標）のように、パケットを正常受信したときにＡＣＫ（Acknowledge）返送を行うプロトコルの場合は、ＡＣＫ受信のタイムアウトなどによってパケットの受信失敗を検知することが可能であり、これに基づいて、センサ装置は、送信先ゲートウェイをマスタからスレーブに切換える処理が可能である。しかしながら、低消費電力動作を目的としてＡＣＫ返送を行わないプロトコルの場合には、異常が起きてもセンサノードもしくは中継器側がマスタとスレーブを切換することができない。

この発明は、上記の問題点を考慮してされたものであり、その目的の１つは、フェイルオーバが可能なセンサネットワーク用のゲートウェイ装置において、マスタとスレーブとの間でデータ同期を行う際の通信量を抑制することである。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

この発明は一局面において、複数のセンサノードと無線通信を行うゲートウェイ装置であって、第１のコントローラと第２のコントローラとを備える。第１のコントローラは、第１のメモリを含み、各センサノードからの計測データを受信して、受信した計測データを第１のメモリに格納する。第２のコントローラは、第２のメモリを含み、第１のコントローラが受信する計測データを同時に受信して、受信した計測データを第２のメモリに格納する。第１および第２のコントローラは、第１のメモリおよび第２のメモリのメモリ空間のうち、互いに異なる記憶データを含む一部の領域のみデータ同期を行う。

上記構成によれば、各センサノードからの計測データは第１のコントローラおよび第２のコントローラによって同時受信されるので、センサノードからの計測データに関しては通常はメモリ間でデータ同期を行う必要がない。このため、データ同期を行う際の第１および第２のコントローラ間の通信量を大幅に削減することができる。

好ましくは、第１のコントローラは、データ同期を行う際に、第１のメモリのメモリ空間を複数の領域に区分したときの各領域に対して誤り検出符号を算出する。第２のコントローラは、データ同期を行う際に、第２のメモリの対応する各領域に対して誤り検出符号を算出する。第１のコントローラは、データ同期を行う際に、誤り検出符号が異なる領域のデータのみを第２のコントローラに送信する。

上記構成によれば、データの同時受信によりメモリ間の差異が最小化され、かつデータ同期を行う際にまず誤り検出符号の比較を行い、誤り検出符号が異なる領域のデータのみデータ転送するので、第１および第２のコントローラ間の通信量を大幅に削減することができる。

好ましくは、ゲートウェイ装置は、第１のコントローラと第２のコントローラとを接続する有線バスをさらに備える。第１メモリと第２のメモリとの間でのデータ同期は、この有線バスを介して行われる。

好ましくは、ゲートウェイ装置は、通信経路を切替えることによって、第１コントローラおよび第２のコントローラのうちの一方と上位側ネットワークとの間で通信経路を確立する上位側通信部をさらに備える。上位側通信部は、第１のコントローラが故障していない場合には、第１のコントローラと上位側ネットワークとの間で通信経路を確立する。上位側通信部は、第１のコントローラが故障している場合には、第２のコントローラと上位側ネットワークとの間で通信経路を確立する。これは例えばイーサネット（登録商標）の場合、ＩＰアドレスを両コントローラでスワップすることで実現される。

上記構成によれば、上位側ネットワークと第１のコントローラとの間の通信と、上位側ネットワークと第２のコントローラとの間の通信とを個別に行う必要はないので、コントローラ間のフェイルオーバのための特別なプログラムを上位側の計算機において動作させる必要はない。

好ましくは、第１のコントローラは、ハートビートを第２のコントローラに定期的に送信する。第２のコントローラは、ハートビートを定期的に受信しなくなった場合に、上位側ネットワークとの間の通信経路を第１のコントローラから第２のコントローラに切替えるように第１のコントローラに指令する。

好ましくは、第１のコントローラは、オペレーティングシステム上で動作するアプリケーションプログラムに従って上位側ネットワークとの間で通信を行う。オペレーティングシステムは、アプリケーションプログラムがフリーズしたことまたは第１のコントローラにおけるシステムの異常を検出した場合には、上位側ネットワークとの間の通信経路を第１のコントローラから第２のコントローラに切替えるように第２のコントローラに指令する。

上記のようにハートビートを監視したり、プログラムのフリーズまたはシステムの異常を監視したりすることによって、第１のコントローラから第２のコントローラへのフェイルオーバを実行することができる。

好ましくは、第１のメモリおよび第２のメモリの各々は、各センサノードからの計測データおよび計測データに基づく演算結果を格納するための第１のデータ領域と、上位側ネットワークを介して上位計算機から受信したデータを格納するための第２のデータ領域とを含む。第１のメモリの第１のデータ領域と第２のメモリの第１のデータ領域との間で同期を行う頻度は、第１のメモリの第２のデータ領域と第２のメモリの第２のデータ領域との間で同期を行う頻度と異なる。

上記のようにデータ領域ごとに異なる頻度でデータ同期を行うことによって、メモリ間のデータ同期を行う際の通信量をさらに削減することができる。

この発明は他の局面において、センサネットワークシステムであって、各々が計測データを無線送信する複数のセンサノードと、ゲートウェイ装置とを備える。ゲートウェイ装置は、第１のコントローラと第２のコントローラとを含む。第１のコントローラは、第１のメモリを含み、各センサノードからの計測データを受信して、受信した計測データを第１のメモリに格納する。第２のコントローラは、第２のメモリを含み、第１のコントローラが受信した計測データを同時に受信して、受信した計測データを第２のメモリに格納する。第１および第２のコントローラは、第１のメモリおよび第２のメモリのメモリ空間のうち、互いに異なる記憶データを含む一部の領域のみデータ同期を行う。

したがって、この発明によれば、フェイルオーバが可能なセンサネットワーク用のゲートウェイ装置において、マスタとスレーブとの間でデータ同期を行う際の通信量を抑制することができる。

無線センサネットワークシステムの概略的構成を示すブロック図である。 図１のゲートウェイ装置のより詳細な構成を示すブロック図である。 センサ装置から送信されたデータがゲートウェイ装置を経由して上位計算機４１によって受信されるまでの手順を示すフローチャートである。 上位計算機４１からのデータがゲートウェイ装置のメモリに格納されるまでの手順を示すフローチャートである。 第１および第２のコントロールユニット間での同期処理を行う手順の一例を示すフローチャートである。 フェイルオーバの手順の一例を示すフローチャートである。 フェイルオーバ後に上位計算機４１から送信されたデータが第２のコントローラのメモリに格納されるまでの手順を示すフローチャートである。 上位側通信部のアドレス切替えに失敗した場合において、フェイルオーバ後に上位計算機４１から送信されたデータが第２のコントローラのメモリに格納されるまでの手順を示すフローチャートである。 フェイルオーバ後において、センサ装置から送信されたデータがゲートウェイ装置を経由して上位計算機４１によって受信されるまでの手順を示すフローチャートである。 フェイルオーバの手順の他の例を示すフローチャートである。 第２の実施形態によるゲートウェイの構成を示すブロック図である。 第３の実施形態のゲートウェイ装置においてメモリ間の同期方法について説明するための図である。

この明細書において「ゲートウェイ装置」は、センサノードからの計測データを上位のネットワークに中継する機能だけでなく、計測データの記憶および演算を行う機能も備えるものとする。

以下、実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

＜第１の実施形態＞
［センサネットワークの構成］
図１は、無線センサネットワークシステムの概略的構成を示すブロック図である。無線センサネットワークシステム（Wireless Sensor Network System）（この明細書では、センサネットワークシステムとも称する）１は、多数のセンサ装置１０とゲートウェイ装置２０とを含む。センサ装置１０はセンサノードとも称し、ゲートウェイ装置２０はコントロールノードとも称する。

各センサ装置１０は、周囲の物理量などを検出するためのセンサ素子を内蔵する。各センサ装置１０は、内蔵のセンサ素子の検出値についてフィルタ処理およびＡ／Ｄ変換処理などを行い、これらの処理によって得られた計測データを送信するための無線通信端末として構成される。各センサ装置１０とゲートウェイ装置２０との間の通信１１には、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）またはＳｕｂ−ＧＨｚ帯を利用した通信プロトコルなどが利用される。

各センサ装置１０は、他のセンサ装置１０からの計測データをゲートウェイ装置２０へ送信するための中継ルーティング機能を有していてもよい。さらに、各センサ装置１０は、互いに直接通信するためのアドホック機能を有していてもよい。また、センサネットワークを構成する複数のセンサ装置１０は、ツリー型のネットワークを構成していてもよいし、メッシュ型のネットワークを構成していてもよい。

ゲートウェイ装置２０は、複数のセンサ装置１０の各々から送信された計測データを受信し、受信した計測データをインターネットなどの上位側ネットワーク４０を介して上位計算機（パーソナルコンピュータ、サーバなど）４１に送信する。さらに、ゲートウェイ装置２０は、制御命令および設定情報などを上位計算機４１から上位側ネットワーク４０を介して受信する。ゲートウェイ装置２０と上位側ネットワーク４０との間の通信３１には、有線ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷｉＦｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などが用いられる。

ゲートウェイ装置２０は、単に計測データを中継するだけでなく、計測データに基づく演算を行い、演算結果を上位計算機４１に送信するように構成されていてもよい。たとえば、ゲートウェイ装置２０は、単一のセンサ装置１０から複数の時点で送られてきた計測データのデジタルフィルタ処理を行ったり、複数のセンサ装置１０から送られてきた複数の計測データの複合演算処理を行ったりする。ゲートウェイ装置２０は、これらの演算が行われた計測データを上位計算機４１に送信するように構成されてもよい。

以下に詳しく説明するように、ゲートウェイ装置２０は、可用性を高めるために複数コントロールユニットを含み、コントロールユニット間でフェイルオーバが可能な構成となっている。

［ゲートウェイ装置の詳細な構成および通常動作］
図２は、図１のゲートウェイ装置のより詳細な構成を示すブロック図である。図２を参照して、ゲートウェイ装置２０は、２個以上のコントロールユニットを含む。図２の例では、ゲートウェイ装置２０は２個のコントロールユニット２１Ａ，２１Ｂを含み、各コントロールユニット２１Ａ，２１Ｂは同一の構成を有している。第１のコントロールユニット２１Ａをマスタユニット２１Ａとも称し、第２のコントロールユニット２１Ｂをスレーブユニットとも称する。

具体的に、第１のコントロールユニット２１Ａは、下位側（センサ側）の各センサ装置１０と通信するための通信部２２Ａと、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２４Ａと、メモリ２５Ａと、上位側ネットワーク４０と通信するための通信部２６Ａと、電源２７Ａとを含む。電源２７Ａは、第１のコントロールユニット２１Ａの各構成要素２２Ａ，２４Ａ，２５Ａ，２６Ａに駆動電圧を供給する。同様に、第２のコントロールユニット２１Ｂは、下位側（センサ側）の通信部２２Ｂと、ＣＰＵ２４Ｂと、メモリ２５Ｂと、上位側の通信部２６Ｂと、電源２７Ｂとを含む。通信部２６Ａは通信路３１と介してネットワーク４０と接続され、通信部２６Ｂは通信路３２を介してネットワーク４０と接続される。

この明細書では、マスタユニット２１ＡのＣＰＵ２４Ａとメモリ２５Ａとを併せて第１のコントローラ２３Ａと称する場合がある。スレーブユニット２１ＢのＣＰＵ２４Ｂとメモリ２５Ｂと併せて第２のコントローラ２３Ｂと称する場合がある。さらに、マスタユニット２１Ａの下位側通信部２２Ａとスレーブユニット２１Ｂの下位側通信部２２Ｂをまとめて１つの下位側通信部２２を構成すると見てもよく、マスタユニット２１Ａの上位側通信部２６Ａとスレーブユニット２１Ｂの上位側通信部２６Ｂをまとめて１つの上位側通信部２６を構成すると見てもよい。

基本的には、各センサ装置１０はマスタユニット２１Ａとの間で通信を行い、上位計算機４１はマスタユニット２１Ａとの間で通信を行う。言い替えると、マスタユニット２１Ａに設けられたコントローラ２３Ａ（ＣＰＵ２４Ａ）は、通信部２２Ａを介して受信した計測データをメモリ２５Ａに格納するとともに、その計測データまたはそれに基づく演算結果を、通信部２６Ａを介して上位計算機４１に送信する。

一方、スレーブユニット２１Ｂに設けられたコントローラ２３Ｂ（ＣＰＵ２４Ｂ）は、各センサ装置１０から送信された計測データを直接的には受信できないはずである。ところが、本実施形態の場合には、各センサ装置１０から送信された計測データが無線信号であることを利用して、マスタユニット２１Ａの通信部２２Ａに向けて送信された計測データを、スレーブユニット２１Ｂの通信部２２Ｂにおいて傍受（同時受信）する。傍受を可能にするために下位側のネットワークの通信プロトコルを多少変更する必要がある。通信部２２Ｂによって傍受された計測データは、スレーブユニット２１ＢのＣＰＵ２４Ｂによってメモリ２５Ｂに格納される。さらに、ＣＰＵ２４Ｂは、受信した計測データに基づいてＣＰＵ２４Ａと同じ演算を行い、演算結果をメモリ２５Ｂに格納する。

このように、各センサ装置１０からの送信データをマスタユニット２１Ａとスレーブユニット２１Ｂとで同時受信することによって、計測データおよびそれに基づく演算データのレプリケーション（複製処理）が必要でなくなる。共通鍵または公開暗号鍵による秘匿通信を行う際にも、鍵データを各コントロールユニット２１Ａ，２１Ｂで共有することによって計測データの同時受信は可能である。

これに対して、上位計算機４１から上位側ネットワーク４０を介してマスタユニット２１Ａの通信部２６Ａに向けて送信されたデータ（制御指令および設定情報など）は、スレーブユニット２１Ｂの通信部２６Ｂによって傍受（同時受信）はしない。傍受を可能にしようとすると、上位側ネットワークの通信プロトコルの変更が必要になってしまうために、その影響が上位側ネットワーク４０に接続された他の通信機器にも及んでしまうからである。

したがって、上位計算機４１から受信してマスタユニット２１Ａのメモリ２５Ａに格納されたデータに関しては、レプリケーション（複製処理）が必要になる。通常は、通信部２６Ａが上位計算機４１から受信した信号を、その宛先を通信部２６Ｂに変更してネットワーク４０を介して通信部２６Ｂに転送する。コントローラ２３Ｂは、通信部２６Ｂによって受信した信号をメモリ２５Ｂに格納する。これによって、メモリ２５Ａとメモリ２５Ｂとの同一状態を保つことができる。

上記の同時受信およびレプリケーションとは別に、メモリ２５Ａの記憶内容とメモリ２５Ｂの記憶内容とが一致しているかどうかを確認し、不一致の箇所についてのみデータ転送を行うことによって同一状態を保つ処理（以下、「同期処理」と称する）が行われる。図２の場合、この同期処理のために、ＣＰＵ２４ＡとＣＰＵ２４Ｂとの間に有線バス３０が設けられている。データ同期に必要な通信量が大幅に削減されているので、有線バス３０の通信容量を格段に大きくする必要はない。有線バス３０に代えて、有線ＬＡＮまたは無線ＬＡＮなどの通信路３１および通信路３２を用いてデータの同期を行ってもよい。

同期処理では、まず、メモリ２５Ａおよびメモリ２５Ｂの各々について所定の領域ごとに誤り検出符号が算出される。誤り検出符号として、たとえば、チェックサム、巡回冗長検査（ＣＲＣ：Cyclic Redundancy Check）、ＭＤ５などのハッシュ関数を用いることができる。次に、上記の所定の領域ごとに算出した誤り検出符号が比較され、両者が異なる領域について、メモリ２５Ａからメモリ２５Ｂにデータがコピーされる。これによって、同期処理に必要な通信量をさらに削減することができる。以下、ゲートウェイ装置２０の通常時の動作手順（センサ装置からのデータ受信、上位計算機からのデータ受信、および同期処理）についてフローチャートを参照して具体的に説明する。

［ゲートウェイ装置の通常時の動作手順］
（１．センサ装置からのデータ受信）
図３は、センサ装置から送信されたデータがゲートウェイ装置を経由して上位計算機４１によって受信されるまでの手順を示すフローチャートである。図３では、マスタユニット２１Ａに設けられた第１のコントローラ２３Ａ（ＣＰＵ２４Ａ）の動作と、スレーブユニット２１Ｂに設けられた第２のコントローラ２３Ｂ（ＣＰＵ２４Ｂ）の動作とが示されている。

図２、図３を参照して、まず、センサ装置１０は、内蔵のセンサ素子によって検出された計測データについてフィルタ処理およびＡ／Ｄ変換処理を行ってゲートウェイ装置２０に送信する（ステップＳ１００）。センサ装置１０からの計測データは、第１の通信部２２Ａおよび第２の通信部２２Ｂによって同時受信され、第１のコントローラ２３Ａおよび第２のコントローラ２３Ｂにそれぞれ取り込まれる。第１のコントローラ２３Ａは受信した計測データをメモリ２５Ａに記憶し（ステップＳ２００）、第２のコントローラ２３Ｂは受信した計測データをメモリ２５Ｂに記憶する（ステップＳ３００）。

さらに、第１のコントローラ２３Ａは、プログラムに従って、受信データに対して所定の演算を行い、演算結果をメモリ２５Ａに記憶するようにしてもよい（ステップＳ２０５）。たとえば、第１のコントローラ２３Ａは、複数の時点での計測データをデジタルフィルタ処理したり、複数のセンサからの計測データを複合演算したりする。この場合、第２のコントローラ２３Ｂも、プログラムに従って、受信データに対して第１のコントローラ２３Ａと同じ演算を行い、演算結果をメモリ２５Ｂに記憶するのが望ましい（ステップＳ３０５）。

次に、第１のコントローラ２３Ａは、メモリ２５Ａに格納されている計測データおよび／または演算結果を、通信部２６Ａを介して上位側ネットワーク４０に送信する（ステップＳ２１０）。送信されたデータは、ネットワーク４０を介して上位計算機４１によって受信される（ステップＳ４００）。第２のコントローラ２３Ｂのメモリ２５Ｂに格納されたデータはフェイルオーバのためのものであるので、上位計算機４１に送信されない。なお、第１のコントローラ２３Ａは、複数の時点での計測データまたは複数の時点での演算結果をまとめてデータ送信するようにしてもよい。

（２．上位計算機からのデータ受信）
図４は、上位計算機４１からのデータがゲートウェイ装置のメモリに格納されるまでの手順を示すフローチャートである。

図２および図４を参照して、まず、上位計算機４１からデータ（たとえば、設定情報）がゲートウェイ装置２０に向けて送信される（ステップＳ４０５）。上位計算機４１からの信号は、マスタユニット２１Ａの通信部２６Ａによって受信される（ステップＳ５１０）。通信部２６Ａによって受信されたデータ（設定情報）は、第１のコントローラ２３Ａのメモリ２５Ａに書込まれる（ステップＳ２２０）。

通常は、通信部２６Ａは、上位計算機４１から受信した信号を、その宛先をスレーブユニット２１Ｂの通信部２６Ｂに変更してネットワーク４０に向けて出力する（ステップＳ５２０）。すなわち、通信部２６Ａは、上位計算機４１からの受信信号を、ネットワーク４０を介してスレーブユニット２１Ｂの通信部２６Ｂに転送する。転送された信号（設定情報）は、スレーブユニット２１Ｂの通信部２６Ｂによって受信され、第２のコントローラ２３Ｂのメモリ２５Ｂに書込まれる（ステップＳ３２０）。これによって、マスタユニット２１Ａのメモリ２５Ａとスレーブユニット２１Ｂのメモリ２５Ｂとが同一状態を保つ。通常の場合、上位計算機４１からの通信量は、多数のセンサノード１０からの通信量に比べて少ないため通信容量を圧迫することはない。ネットワーク４０における有線ＬＡＮまたは無線ＬＡＮなどに代えて、有線バス３０を用いてデータの転送を行ってもよい。

（３．同期処理）
図５は、第１および第２のコントロールユニット間での同期処理を行う手順の一例を示すフローチャートである。メモリ２５Ａとメモリ２５Ｂとの間のデータ同期の周期は計測データ送信の周期と同じである必要はなく、通常は計測データの送信の周期よりも長い。

図２および図５を参照して、まず、第１のコントローラ２３Ａはメモリ２５Ａの所定の領域ごとに誤り検出符号を計算し（ステップＳ２３０）、第２のコントローラ２３Ｂはメモリ２５Ｂの対応する所定の領域ごとに誤り検出符号を計算する（ステップＳ３３０）。第２のコントローラ２３Ｂは、誤り検出符号の計算結果を第１のコントローラ２３Ａに送信する。

次に、第１のコントローラ２３Ａは上記の所定の領域ごとに、算出された誤り検出符号を照合する（ステップＳ２３５）。上記の図３および図４で説明した手順のみが繰り返して複数回行われた後にメモリ２５Ａとメモリ２５Ｂの同期が行われた場合には、エラーが生じない限りメモリ２５Ａの記憶内容とメモリ２５Ｂの記憶内容とは同じである。したがって、この場合には、第１のコントローラ２３Ａは、誤り検出符号がメモリ２５Ａとメモリ２５Ｂで一致する（不一致箇所はない）と判定して同期処理を終了する（ステップＳ２４０でＮＯ）。

一方、第１のコントローラ２３Ａが上記の所定の領域ごとに、算出された誤り検出符号を照合し、誤り検出符号の不一致を検出した場合（ステップＳ２４０でＹＥＳ）について説明する。この場合、第１のコントローラ２３Ａは、メモリ２５Ａの記憶領域のうち誤り検出符号が一致しない一部の領域のデータを、有線バス３０（または、通信路３１，ネットワーク４０、通信路３２の経路）を介して第２のコントローラ２３Ｂに送信する（ステップＳ２４５）。第２のコントローラ２３Ｂは、第１のコントローラ２３Ａからメモリデータを受信した場合には（ステップＳ３４０でＹＥＳ）、受信したデータをメモリ２５Ｂの対応する領域に書込む（ステップＳ３４５）。これによって、メモリの同期が完了する。有線バス３０に代えて、有線ＬＡＮまたは無線ＬＡＮなどの通信路３１および通信路３２を用いてデータの同期を行ってもよい。

［フェイルオーバの具体的手順］
次に、第１のコントロールユニット（マスタユニット）２１Ａが異常の場合に、第２のコントロールユニット（スレーブユニット２１Ｂ）にその後の処理の実行が切替わるフェイルオーバについて説明する。例えば、マスタユニット２１ＡのＣＰＵ２４Ａで動作しているプログラムのフリーズがＯＳ（Operating System）によって検出された場合、または、通信部２２Ａやメモリ２５Ａ、通信部２６Ａ、電源２７Ａなどシステム上の問題が検知された場合に、マスタユニット２１Ａからスレーブユニット２１Ｂへのフェイルオーバが実行される。さらには、ハートビートの観測結果に基づいてＣＰＵ２４Ａのハングアップが検出された場合に、マスタユニット２１Ａからスレーブユニット２１Ｂへのフェイルオーバが行われる。以下、図面を参照してフェイルオーバの手順を具体的に説明する。

図６は、フェイルオーバの手順の一例を示すフローチャートである。図６のフローチャートは、アプリケーションプログラムのフリーズなどが検出された場合に、マスタユニット２１Ａに設けられた第１のコントローラ２３Ａ（ＣＰＵ２４Ａ）の動作と、スレーブユニット２１Ｂに設けられた第２のコントローラ２３Ｂ（ＣＰＵ２４Ｂ）の動作とを示している。

図２および図６を参照して、第１のコントローラ２３Ａ（ＣＰＵ２４Ａ）において動作しているアプリケーションプログラムがフリーズしたことなどが、ＯＳ（オペレーティングシステム）によって検出されたとする（ステップＳ２５０）。この場合、第１のコントローラ２３Ａは、第２のコントローラ２３Ｂに対して、ゲートウェイ動作の開始ならびに上位側通信部２６Ｂのアドレス変更を要求する（ステップＳ２５５）。これとともに、第１のコントローラ２３Ａは、上位側通信部２６Ａにアドレス変更指令または停止指令を発行する（ステップＳ２６０）。第２のコントローラ２３Ｂは、第１のコントローラ２３Ａからの要求に従って、通信部２６Ｂにアドレス変更指令を発行する。

本実施形態では、通信部２６Ａ，２６Ｂの各々にプログラム可能な制御回路が内蔵されているとする。この制御回路は対応するコントローラ２３Ａ，２３Ｂからの指令に従って、上位側ネットワーク４０との間の通信に用いられるアドレスの変更ならびに動作の停止が可能である。具体的に、上位通信がイーサネットの場合、ＩＰアドレスが両コントローラでスワップされる（ＩＰアドレスが入れ替えられる）。ただし、通信部２６Ａ，２６Ｂのアドレスのスワップができない場合、もしくは、通信経路の切替え（通信部２６Ａの動作停止および通信部２６Ｂのアドレス変更）ができない場合には、通信部２６Ａ，２６Ｂのアドレスは現状のまま維持される。

さらに、第１のコントローラ２３Ａは、ゲートウェイとしての動作を停止する（もしくは、障害発生により既に動作停止中である）（ステップＳ２６５）。第２のコントローラ２３Ｂは、第１のコントローラ２３Ａからの要求に従って、ゲートウェイとしてその後の動作を引き継ぐ（ステップＳ３６５）。

［フェイルオーバ後の通信経路］
図７は、フェイルオーバ後に上位計算機４１から送信されたデータが第２のコントローラのメモリに格納されるまでの手順を示すフローチャートである。

フェイルオーバが行われる前の正常状態では、上位計算機４１からの送信データは、通信路３１、通信部２６Ａ、通信路３１、ネットワーク４０、通信路３２、通信部２６Ｂの通信経路を順に経由して第２のコントローラ２３Ｂによって受信される（図４参照）。一方、図２および図７を参照して、フェイルオーバ後には、通信経路の切替えによって、上位計算機４１から送信されたデータ（ステップＳ４０５）は、ネットワーク４０から通信路３２を介して直に通信部２６Ｂによって受信され（ステップＳ６１０）、第２のコントローラ２３Ｂに取り込まれる（ステップＳ３２０）。逆に、第２のコントローラ２３Ｂから上位計算機４１に送信されるデータは、上記の逆順で、通信部２６Ｂから通信路３２およびネットワーク４０を介して上位計算機４１に伝達される。

図８は、上位側通信部のアドレス切替えに失敗した場合（もしくは切換不可能な場合）において、フェイルオーバ後に上位計算機４１から送信されたデータが第２のコントローラのメモリに格納されるまでの手順を示すフローチャートである。

図２および図８を参照して、アドレス切替えに失敗した場合には、上位計算機４１から送信されたデータは、フェイルオーバ前の通信経路を経由して第２のコントローラ２３Ｂによって受信される。すなわち、上位計算機４１から送信されたデータ（たとえば、設定情報）は（ステップＳ４０５）、ネットワーク４０を介して通信部２６Ａによって一旦受信される（ステップＳ５１０）。通信部２６Ａは、ネットワーク４０を介して受信データを通信部２６Ｂに転送する（ステップＳ５２０）。通信部２６Ｂによって受信されたデータは（ステップＳ６１０）、第２のコントローラ２３Ｂによって取り込まれ、メモリ２５Ｂに格納される（ステップＳ３２０）。逆に、第２のコントローラ２３Ｂから上記計算機４１に送信されたデータは、フェイルオーバ前の通信経路（図８のデータ伝送手順と同じ）を逆順に経由して上位計算機４１によって受信される。

図９は、フェイルオーバ後において、センサ装置から送信されたデータが上位計算機４１によって受信されるまでの手順を示すフローチャートである。

フェイルオーバが行われた後に、センサ装置１０から計測データが送信された場合（ステップＳ１００）、この計測データは、マスタユニット２１Ａの通信部２２Ａとスレーブユニット２１Ｂの通信部２２Ｂとに送信される点は同じである。しかしながら、マスタ側は正常な動作ができず動作停止されているので、スレーブ側の通信部２２Ｂで受信された計測データのみが、第２のコントローラ２３Ｂに取り込まれ、メモリ２５Ｂに格納される（ステップＳ３００）。第２のコントローラ２３Ｂは、受信データに対して所定の演算を行い、演算結果をメモリ２５Ｂに記憶するようにしてもよい（ステップＳ３０５）。第２のコントローラ２３Ｂは、メモリ２５Ｂに格納されている計測データおよび／または上記の演算結果を、上位側ネットワーク４０を介して上位計算機４１に送信する（ステップＳ３１０）。この送信データは、ネットワーク４０を介して上位計算機４１によって受信される（ステップＳ４００）。第２のコントローラ２３Ｂから上位計算機４１までの具体的なデータ伝送手順は、図７および図８に関連して既に説明したとおりである。

［フェイルオーバの手順の他の例］
図１０は、フェイルオーバの手順の他の例を示すフローチャートである。図１０のフローチャートは、ハートビートが検出できなくなった場合における、マスタユニット２１Ａに設けられた第１のコントローラ２３Ａ（ＣＰＵ２４Ａ）の動作と、スレーブユニット２１Ｂに設けられた第２のコントローラ２３Ｂ（ＣＰＵ２４Ｂ）の動作とを示している。

図２および図１０を参照して、第１のコントローラ２３Ａ（ＣＰＵ２４Ａ）で動作しているＯＳがハングアップするなどの異常で、第１のコントローラ２３Ａからのハートビートが第２のコントローラ２３Ｂ（ＣＰＵ２４Ｂ）によって受信できなくなったとする（ステップＳ３７０）。ここで、ハートビートは第１のコントローラ２３Ａから第２のコントローラ２３Ｂに定期的に送信されるパルス信号もしくはパケットである。

この場合、第２のコントローラ２３Ｂは、上位側の通信部２６Ｂにアドレス変更指令を発行する（Ｓ３８０）。これとともに、第２のコントローラ２３Ｂは、第１コントローラ２３Ａにゲートウェイとしての動作の停止ならびに上位側通信部２６Ａのアドレス変更または停止を要求する（ステップＳ３７５）。第１のコントローラ２３Ａは、上記要求に従って、通信部２６Ａにアドレス変更指令または停止指令を発行し（ステップＳ２８０）、ゲートウェイとしての動作を停止する（ステップＳ２８５）。ただし、第１コントローラ２３Ａが上記要求に従って実際に動作するか否かは不確定である。一方、第２のコントローラ２３Ｂは、ゲートウェイとしての動作を開始する（ステップＳ３８５）。

図７および図８で説明したように、通信部２６Ａ，２６ＢのＩＰアドレスのスワップ、もしくは、通信経路の切替え（通信部２６Ａの動作停止および通信部２６Ｂのアドレス変更）に成功した場合は、第２のコントローラ２３Ｂは、通信路３２、ネットワーク４０を介して上位計算機４１と直接通信を行う。失敗した場合は、上位計算機４１からの送信データは、通信路３１、通信部２６Ａ、通信路３２、通信部２６Ｂの通信経路を順に経由して第２のコントローラ２３Ｂによって受信される。第２のコントローラ２３Ｂから上位計算機４１に向けて出力されたデータは、上記の通信経路を逆順に経由して上位計算機４１によって受信される。

［効果］
以上のとおり、第１の実施形態のゲートウェイ装置は、複数のコントローラ２３Ａ，２３Ｂを備える。コントローラ２３Ａ，２３Ｂは、メモリ２５Ａ，２５Ｂをそれぞれ含む。コントローラ２３Ａ，２３Ｂは、センサ装置１０からの計測データを同時受信するように構成されている。コントローラ２３Ａ，２３Ｂは受信したデータをメモリ２５Ａ，２５Ｂに格納する。

一方、上位計算機４１からのデータは、マスタとして用いられるコントローラ２３Ａで受信され、メモリ２５Ａに格納されると共にレプリケーションによりコントローラ２３Ｂにも受信される。この場合、メモリ２５Ａおよびメモリ２５Ｂの記憶データは、上位計算機からの指示およびさらにその指示に基づくＣＰＵの演算によって同様に変化する。このため、メモリ２５Ａとメモリ２５Ｂの中身は基本的に同じ内容となる。なお、センサネットワークでの通信の大部分は、各センサノードからゲートウェイ装置への計測データの通信であり、この計測データはメモリ２５Ａとメモリ２５Ｂの両方に既に取り込まれているので、レプリケーションに伴う通信量は少ない。これらにより基本的には同じ内容を保持する状態が保たれているため、データの同期に必要な通信量を大幅に削減することができる。

さらに、本実施形態の場合には、フェイルオーバの前後で上位計算機の動作を変更する必要がない。

本実施形態の方法と異なり、各センサノードからマスタとして用いられるコントローラ２３Ａにのみ計測データを送信し、マスタコントローラ２３Ａからスレーブコントローラ２３Ｂに計測データを転送した場合には、マスタコントローラ２３Ａとスレーブコントローラ２３Ｂとの間の通信トラフィックが過剰になってしまう。

さらに、本実施形態のゲートウェイ装置では、両コントローラ２３Ａ，２３Ｂ間でメモリが同期しているかを確認するために、誤り検出符号（チェックサム、ＣＲＣ、ＭＤ５など）が利用される。この誤り検出符号が両コントローラ２３Ａ，２３Ｂ間で送受信されることによってメモリデータの一致または不一致が検証される。この検証の結果、誤り検出符号の不一致が見つかったメモリ領域のみメモリデータが送受信されることによってメモリデータの同期が実現される。この結果、コントローラ２３Ａ，２３Ｂ間の通信トラフィックを削減することができる。本実施形態の方法と異なり、両コントローラ２３Ａ，２３Ｂのメモリデータを直接照合した場合には、両コントローラ２３Ａ，２３Ｂ間の通信トラフィックが過剰になってしまう。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、図２に示すように、同じハードウェア構成を有するコントロールユニットを２個設けることによってゲートウェイが構成されていた。このようなコントロールユニットのハードウェア構成の共通化によって製造コストを抑制することができ、さらには、コントロールユニットの個数をさらに増加させることも容易にできるようになる。

第２の実施形態では、図２のゲートウェイ装置２０において部品点数を減らすために、下位側通信部２２Ａ，２２Ｂ、上位側通信部２６Ａ，２６Ｂ、および電源２７Ａ，２７Ｂの各々を共通化したものである。以下、図面を参照して詳しく説明する。

図１１は、第２の実施形態によるゲートウェイの構成を示すブロック図である。図１１を参照して、ゲートウェイ装置２０は、下位側の通信部２２と、第１のコントローラ２３Ａと、第２のコントローラ２３Ｂと、上位側の通信部２６と、電源２７とを含む。図２で説明したように、第１のコントローラ２３ＡはＣＰＵ２４Ａおよびメモリ２５Ａを含み、第２のコントローラ２３ＢはＣＰＵ２４Ｂおよびメモリ２５Ｂを含む。電源２７は、ゲートウェイ装置２０を構成する各構成要素に駆動電圧を供給する。

下位側の通信部２２は、各センサ装置１０から送信された計測データを受信する。通信部２２によって受信された計測データは、基本的には第１のコントローラ２３Ａに取り込まれるが、第２のコントローラ２３Ｂによっても受信可能なようになっている。

上位側の通信部２６は、上位計算機４１から上位側ネットワーク４０を介して送信された制御指令および設定情報等を受信する。通信部２６の受信データは、第１のコントローラ２３Ａによって受信され、第２のコントローラ２３Ｂによっても受信可能なようになっている。第１のコントローラ２３Ａは、計測データまたはそれに基づく演算結果を、上位側ネットワーク４０を介して上位計算機４１に送信する。フェイルオーバ時には、上位側通信部２６によって第１のコントローラ２３Ａから第２のコントローラに上位側の通信経路が切替わる。なお、この構成ではＣＰＵ２４Ａからメモリ２５Ａとメモリ２５Ｂに並行して書き込みを行ってもよい。ＣＰＵ２４Ｂの電源は停止することができより低消費電力を少なくできるが、その場合にはハードビート信号はやり取りしない。ＣＰＵ２４Ａで異常を検知した際に、ＣＰＵ２４Ｂを起動して第１の実施例と同様の切換処理を行う。

上記の変形例として、図２の下位側通信部２２Ａ，２２Ｂおよび上位側通信部２６Ａ，２６Ｂのうちいずれか一方のみが共通化されて１個の部品として構成することもできる。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態では、第１および第２の実施形態において、メモリ２５Ａ，２５Ｂ間の同期のために用いる通信回線の通信量がかなり制限されている場合について説明する。たとえば、無線ＬＡＮ回線を用いた場合において十分な帯域が取れない場合などが該当する。この場合には、メモリ間のデータ同期の際のデータ通信量をさらに削減する必要がある。

図１２は、第３の実施形態のゲートウェイ装置においてメモリ間の同期方法について説明するための図である。

図２および図１２を参照して、第１のコントローラ２３Ａのメモリ２５Ａのメモリ空間は、システム領域５０Ａ、設定情報が格納されるデータ領域５１Ａ、および計測データなどが格納される他のデータ領域５２Ａに分割されているものとする。システム領域５０Ａは、ＯＳ（オペレーティングシステム）およびアプリケーションプログラムなどが格納される。データ領域５１Ａは、上位計算機４１から送信された設定情報などが格納される。データ領域５２Ａは、各センサ装置１０からの計測データおよび計測データに基づく演算結果などが格納される。第２のコントローラ２３Ｂのメモリ２５Ｂのメモリ空間も、同様にシステム領域５０Ｂ、データ領域５１Ｂ、およびデータ領域５２Ｂに分割されているものとする。なお、図１２のメモリ領域の分割は一例であって、さらに細かく分割されていてもよい。

ここで、第３の実施形態のゲートウェイ装置では、領域ごとに異なる頻度で同期処理が行われる。データの変更がほとんどないシステム領域５０Ａ，５０Ｂは、初期起動時にしか同期が行われない。データ領域５１Ａ，５１Ｂは、上位計算機４１からのデータを受信したときのみ同期が行われる。データ領域５２Ａ，５２Ｂは定期的に同期が行われる。ただし、データ領域５２Ａ，５２Ｂについては、誤り検出符号のみが転送され、実際にデータが送信されることはほとんどない。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ センサ装置、２０ ゲートウェイ装置、２１Ａ 第１のコントロールユニット（マスタユニット）、２１Ｂ 第２のコントロールユニット（スレーブユニット）、２２，２２Ａ，２２Ｂ 下位側通信部、２３Ａ 第１のコントローラ（マスタコントローラ）、２３Ｂ 第２のコントローラ（スレーブコントローラ）、２４Ａ，２４Ｂ ＣＰＵ、２５Ａ，２５Ｂ メモリ、２６，２６Ａ，２６Ｂ 上位側通信部、２７，２７Ａ，２７Ｂ 電源、３０ 有線バス、４０ 上位側ネットワーク、４１ 上位計算機、５０Ａ，５０Ｂ システム領域、５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ データ領域。

Claims (8)

1. 複数のセンサノードと無線通信を行うゲートウェイ装置であって、
   第１のメモリを含み、各前記センサノードからの計測データを受信して、受信した計測データを前記第１のメモリに格納する第１のコントローラと、
   第２のメモリを含み、前記第１のコントローラが受信する計測データを同時に受信して、受信した計測データを前記第２のメモリに格納する第２のコントローラとを備え、
   前記第１および第２のコントローラは、前記第１のメモリおよび前記第２のメモリのメモリ空間のうち、互いに異なる記憶データを含む一部の領域のみデータ同期を行う、ゲートウェイ装置。
2. 前記第１のコントローラは、前記データ同期を行う際に、前記第１のメモリのメモリ空間を複数の領域に区分したときの各前記領域に対して誤り検出符号を算出し、
   前記第２のコントローラは、前記データ同期を行う際に、前記第２のメモリの対応する各領域に対して前記誤り検出符号を算出し、
   前記第１のコントローラは、前記データ同期を行う際に、前記誤り検出符号が異なる領域のデータのみを前記第２のコントローラに送信する、請求項１に記載のゲートウェイ装置。
3. 前記第１のコントローラと前記第２のコントローラとを接続する有線バスをさらに備え、
   前記第１のメモリと前記第２のメモリとの間でのデータ同期は、前記有線バスを介して行われる、請求項２に記載のゲートウェイ装置。
4. 前記ゲートウェイ装置は、
   通信経路を切替えることによって、前記第１のコントローラおよび前記第２のコントローラのうちの一方と上位側ネットワークとの間で通信経路を確立することが可能な上位側通信部をさらに備え、
   前記上位側通信部は、前記第１のコントローラが故障していない場合には、前記第１のコントローラと前記上位側ネットワークとの間で通信経路を確立し、
   前記上位側通信部は、前記第１のコントローラが故障している場合には、前記第２のコントローラと前記上位側ネットワークとの間で通信経路を確立する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のゲートウェイ装置。
5. 前記第１のコントローラは、ハートビートを前記第２のコントローラに定期的に送信し、
   前記第２のコントローラは、前記ハートビートを定期的に受信しなくなった場合に、前記上位側ネットワークとの間の通信経路を前記第１のコントローラから前記第２のコントローラに切替えるように前記第１のコントローラに指令する、請求項４に記載のゲートウェイ装置。
6. 前記第１のコントローラは、オペレーティングシステム上で動作するアプリケーションプログラムに従って前記上位側ネットワークとの間で通信を行い、
   前記オペレーティングシステムは、前記アプリケーションプログラムがフリーズしたことまたは前記第１のコントローラにおけるシステムの異常を検出した場合には、前記上位側ネットワークとの間の通信経路を前記第１のコントローラから前記第２のコントローラに切替えるように前記第２のコントローラに指令する、請求項４または５に記載のゲートウェイ装置。
7. 前記第１のメモリおよび前記第２のメモリの各々は、
   各前記センサノードからの計測データおよび前記計測データに基づく演算結果を格納するための第１のデータ領域と、
   前記上位側ネットワークを介して上位計算機から受信したデータを格納するための第２のデータ領域とを含み、
   前記第１のメモリの前記第１のデータ領域と前記第２のメモリの前記第１のデータ領域との間で同期を行う頻度は、前記第１のメモリの前記第２のデータ領域と前記第２のメモリの前記第２のデータ領域との間で同期を行う頻度と異なる、請求項４〜６のいずれか１項に記載のゲートウェイ装置。
8. 各々が計測データを無線送信する複数のセンサノードと、
   ゲートウェイ装置とを備え、
   前記ゲートウェイ装置は、
   第１のメモリを含み、各前記センサノードからの計測データを受信して、受信した計測データを前記第１のメモリに格納する第１のコントローラと、
   第２のメモリを含み、前記第１のコントローラが受信した計測データを同時に受信して、受信した計測データを前記第２のメモリに格納する第２のコントローラとを含み、
   前記第１および第２のコントローラは、前記第１のメモリおよび前記第２のメモリのメモリ空間のうち、互いに異なる記憶データを含む一部の領域のみデータ同期を行う、センサネットワークシステム。

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