JP2019009626A - Time synchronizing method for radio communication system, and data collection method - Google Patents

Time synchronizing method for radio communication system, and data collection method Download PDF

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Abstract

To provide a time synchronizing method for a radio communication system that can be operated while reducing power consumption, and a data collection method.SOLUTION: A time synchronizing method for a radio communication system includes at least: a first step for acquiring sensor data by switching from a sleep mode to a transmission mode simultaneously when a slave unit is started based on its own internal clock; a second step for transmitting the sensor data from the slave unit to a master unit and then switching to a reception mode for a fixed time; a third step for transmitting a time correction signal based on an actual time to the slave unit in a case where the master unit receives the sensor data; a fourth step for correcting the internal clock and switching to the sleep mode in a case where the slave unit receives the time correction signal during the reception mode; and a fifth step for switching from the reception mode to the transmission mode in a case where the slave unit does not receive the time correction signal during the reception mode, re-transmitting the sensor data to the master unit, and switching to the reception mode.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、低消費電力で稼働させることができる無線通信システムの時刻同期方法及びデータ収集方法に関する。   The present invention relates to a time synchronization method and a data collection method of a wireless communication system that can be operated with low power consumption.

近年、農業従事者の高齢化が進み、早急な知識や技術の伝承が必要とされている(非特許文献1)。我々はそれらを手助けするための稲作用フィールドサーバと、それに付随するアプリケーションの開発を行ってきた(非特許文献2)。フィールドサーバは電源の無い圃場に設置されるため、田植えから稲刈りまでの6か月間をモバイルバッテリーで稼働することが望まれている。それを実現するためは、フィールドサーバの低消費電力化が必須である。
現在市販されている製品は、フィールドサーバから取得したセンサデータ等をクラウドに保存する際に、3G回線が利用されている(非特許文献3、4)。しかし、フィールドサーバの台数分、3G回線の月額使用料が必要であり、運用コストを増加させるため、フィールドサーバの導入障壁となりうる。そこで我々は、運用コストの削減を行うために、回線使用料の必要がない、Wi-SUN、LoRa等の基本通信特性を実圃場で調査した。結果、稲作圃場ではLoRaが適していることが判明した(非特許文献5〜7)。
In recent years, the aging of agricultural workers has progressed, and urgent knowledge and skills are required (Non-Patent Document 1). We have been developing rice action field servers to assist them and the applications that accompany them (Non-patent Document 2). Since field servers are installed in fields without power, it is desired to operate with mobile batteries for 6 months from rice planting to rice harvesting. In order to realize this, it is essential to reduce the power consumption of the field server.
Currently available products use a 3G line when storing sensor data and the like acquired from a field server in the cloud (Non-Patent Documents 3 and 4). However, a monthly usage fee for 3G lines is required for the number of field servers, which increases operational costs and can be a barrier to the introduction of field servers. Therefore, in order to reduce operational costs, we investigated the basic communication characteristics such as Wi-SUN, LoRa, etc. that do not require a line usage fee. As a result, it has been found that LoRa is suitable for rice fields (Non-Patent Documents 5 to 7).

また、電源の無い環境で6か月間稼働させるためには、センサデータ取得および通信を行っていない間、電源をOFFにする必要がある。そのため、間欠動作通信プロトコルおよび時刻同期技術が必要である。時刻同期技術については、広く研究が行われている。
電波時計を用いた時刻同期手法が提案されている(非特許文献8)。この手法は、時刻合わせを行うために3分間程度の時間を要する。そのため、稼働時間が長くなり、低消費電力の実現は困難である。また、受信した信号(タイムコード)をフィールドサーバ内で扱える形式への変換を必要とするが、メモリの少ないPICマイコンにこの処理を行うプログラムは書き込むことができない。そのため、稲作用フィールドサーバに用いることは困難である。
GPSを用いて時刻同期を行う手法が提案されている(非特許文献9)。この手法を用いるには、各フィールドサーバすべてにGPS受信モジュールを搭載する必要があり、導入時における初期費用の増加につながる。このため、導入障壁を下げることが望まれる稲作用フィールドサーバに用いることは困難である。
Also, in order to operate for 6 months in an environment without a power source, it is necessary to turn off the power while sensor data acquisition and communication are not performed. Therefore, intermittent operation communication protocol and time synchronization technology are required. Research on time synchronization technology has been extensively conducted.
A time synchronization method using a radio clock has been proposed (Non-Patent Document 8). This method requires about 3 minutes to set the time. Therefore, the operation time becomes long and it is difficult to realize low power consumption. Also, it is necessary to convert the received signal (time code) into a format that can be handled in the field server, but a program that performs this processing cannot be written in a PIC microcomputer with little memory. Therefore, it is difficult to use for a rice action field server.
A method of performing time synchronization using GPS has been proposed (Non-Patent Document 9). In order to use this method, it is necessary to install a GPS receiving module in each field server, which leads to an increase in initial cost at the time of introduction. For this reason, it is difficult to use for rice action field servers where it is desired to lower the barrier to introduction.

RBS(Reference Broadcast Synchronization)は、無線ネットワークの時刻同期手法として提案されている(非特許文献10)。ある任意のブロードキャストパケットを受け取ったノード同士で時刻情報を交換することにより時刻同期を行う。しかしRBSは受信ノード数の増加に比例して交換する情報量も増えるため、消費電力を増加させる問題がある。そのため、稲作用フィールドサーバに適用することは困難である。
RBSの改善方法としてTPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)が提案されている(非特許文献11)。TPSNは、親機をトップとした木構造を形成し、親機(ルートノード)は子ノードと時刻同期を行う。その子ノードは、さらに下位の子ノードと時刻同期を行う。このように全体を通して時刻を同期する仕組みである。この手法では、時刻同期に長い時間を必要とするため、低消費電力の稼働を望まれる稲作用フィールドサーバには適さない方法である。
RBS (Reference Broadcast Synchronization) has been proposed as a time synchronization method for wireless networks (Non-Patent Document 10). Time synchronization is performed by exchanging time information between nodes that have received an arbitrary broadcast packet. However, RBS increases the amount of information exchanged in proportion to the increase in the number of receiving nodes, and there is a problem of increasing power consumption. Therefore, it is difficult to apply to a rice field server.
As a method for improving RBS, TPSN (Timing-sync Protocol for Sensor Networks) has been proposed (Non-patent Document 11). The TPSN forms a tree structure with the parent device at the top, and the parent device (root node) performs time synchronization with the child node. The child node performs time synchronization with a lower child node. In this way, the time is synchronized throughout. Since this method requires a long time for time synchronization, it is not suitable for rice action field servers that require low power consumption operation.

農林水産省: 農業労働力に関する統計,農林水産省(オンライン),入手先<http://www.maff.go.jp/j/tokei/sihyo/data/08.html>Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries: Statistics on the agricultural labor force, Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries (online), source <http://www.maff.go.jp/j/tokei/sihyo/data/08.html> 豊田 真治,寺田 恵太郎,高田 裕也,平田 忠明,袖 美樹子:LoRaを用いた圃場管理用ネットワーク構築手法の検討,電子情報通信学会技術研究報告, NS2017-11,pp.61-66Shinji Toyoda, Keitaro Terada, Yuya Takada, Tadaaki Hirata, Mikiko Sode: Study of network construction method for field management using LoRa, IEICE technical report, NS2017-11, pp. 61-66 富士通: FUJITSU Intelligent Society Solution 食・農クラウド Akisai(秋彩), 富士通(オンライン),入手先 <http://jp.fujitsu.com/solutions/cloud/agri/>Fujitsu: FUJITSU Intelligent Society Solution Food and Agriculture Cloud Akisai (Akisai), Fujitsu (Online), Source <http://jp.fujitsu.com/solutions/cloud/agri/> ベジタリア株式会社: スマート農業における水稲の水位・水温を計測する水田センサ PaddyWatch, ベジタリア株式会社(オンライン), 入手先 <http://field-server.jp/paddywatch/>Vegetalia Co., Ltd .: PaddyWatch, Vegetalia Co., Ltd. (online), where you can measure the water level and temperature of rice in smart agriculture <http://field-server.jp/paddywatch/> Wi-SUN Alliance: Home - Wi SUN Alliance, Wi-SUN Allian-ce(online), from<https://www.wi-sun.org/index.php/en/>Wi-SUN Alliance: Home-Wi SUN Alliance, Wi-SUN Allian-ce (online), from <https://www.wi-sun.org/index.php/en/> LoRa Alliance: Home, LoRa Alliance(online), from<https://www.lora-alliance.org>LoRa Alliance: Home, LoRa Alliance (online), from <https://www.lora-alliance.org> 川上 悠太,豊田 真治,寺田 恵太郎,袖 美樹子: Sub-GHz無線を使用した圃場間通信の検討,電子情報通信学会技術研究報告,NS2016-138,pp.107-112Yuta Kawakami, Shinji Toyoda, Keitaro Terada, Mikiko Sode: Study of inter-field communication using Sub-GHz radio, IEICE technical report, NS2016-138, pp.107-112 渡辺 貴文,森戸 貴,南 正輝,森川 博之: 電波時計を用いた同期型バッテリレス無線センサネットワークの設計と実装, 情報処理学会研究報告モバイルコンピューティングとユビキタス通信,vol.2007,No.44,pp.113-118(2007)Takafumi Watanabe, Takashi Morito, Masateru Minami, Hiroyuki Morikawa: Design and Implementation of Synchronous Batteryless Wireless Sensor Network Using Radio Clock, IPSJ Research Report Mobile Computing and Ubiquitous Communications, vol.2007, No.44, pp .113-118 (2007) ポジション株式会社: 時刻基準としてのGPS受信について,ポジション株式会社(オンライン),入手先<http://www.posit.co.jp/mission/pdf/1998.6.pdf>Position Co., Ltd .: About GPS reception as a time reference, Position Co., Ltd. (online), source <http://www.posit.co.jp/mission/pdf/1998.6.pdf> J. Elson, L. Girod and D. Estrin: Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcasts, Proceedings of the5th Symposium on Operating Systems Design and Implementa-tion (OSDI’ 02), Boston, Massachusetts (2002)J. Elson, L. Girod and D. Estrin: Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcasts, Proceedings of the 5th Symposium on Operating Systems Design and Implementa-tion (OSDI ’02), Boston, Massachusetts (2002) S. Ganeriwal, R. Kumar and M. B. Srivastava: Timing-sync Protocol for Sensor Networks, Proceedings of the 1st ACM Conference on Embedded Network Sensor Systems (SenSys'03), Los Angeles, California (2003)S. Ganeriwal, R. Kumar and M. B. Srivastava: Timing-sync Protocol for Sensor Networks, Proceedings of the 1st ACM Conference on Embedded Network Sensor Systems (SenSys'03), Los Angeles, California (2003) セイコーエプソン株式会社: RX-8025SA | RTC (I2C) リアルタイムクロック | 製品情報 | エプソンデバイス,セイコーエプソン株式会社(オンライン),入手先<http://www5.epsondevice.com/ja/products/i2c/rx8025sa.html >Seiko Epson Corporation: RX-8025SA | RTC (I2C) Real Time Clock | Product Information | Epson Devices, Seiko Epson Corporation (Online), Where to Get .html>

そのため我々は稲作用フィールドサーバ向けのLoRaを用いたネットワーク構築方法および間欠動作通信プロトコルの検討を行った(非特許文献2)。間欠動作を行うためには複数のフィールドサーバの同時起動および、これにともなう同時送信を避けるための協調動作が必要である。時刻同期を行わず、フィールドサーバ内部のマイコンにより時間管理を行う場合、1か月で最大4,688秒のずれが生じる。また我々のフィールドサーバに搭載できるリアルタイムクロックICを複数検討した結果、ICによって異なるが、ずれが最小となるICでも、1か月に約±13秒のずれを生じることが判明した(非特許文献12)。6か月間稼働させると、1分以上のずれが生じることとなる。フィールドサーバは複数台存在するため、そのずれを考慮して通信プロトコルを作成した場合、6か月間の稼働は困難である。   Therefore, we studied a network construction method using LoRa and intermittent communication protocol for rice field server (Non-patent Document 2). In order to perform the intermittent operation, it is necessary to simultaneously start a plurality of field servers and perform a cooperative operation to avoid simultaneous transmission. If the time management is performed by the microcomputer inside the field server without time synchronization, a maximum of 4,688 seconds will occur in one month. In addition, as a result of examining multiple real-time clock ICs that can be mounted on our field servers, it was found that even with ICs that have the smallest deviation, a deviation of approximately ± 13 seconds occurs in a month (non-patent literature). 12). A shift of more than 1 minute will occur after 6 months of operation. Since there are multiple field servers, it is difficult to operate for 6 months if a communication protocol is created in consideration of the difference.

本発明は、上記のような問題を考慮して、低消費電力で稼働させることができる無線通信システムの時刻同期方法及びデータ収集方法を提供することを課題とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a time synchronization method and a data collection method of a wireless communication system that can be operated with low power consumption.

(1)本発明の無線通信システムの時刻同期方法は、親機と、センサに接続された複数の子機とを備える無線通信システムの時刻同期方法において、前記子機が自身の内部時計に基づいて起動すると同時にスリープモードから送信モードに切り替わり、センサデータを取得する第1ステップと、前記子機が前記センサデータを前記親機に送信し、その後一定時間受信モードに切り替わる第2ステップと、前記親機が前記センサデータを受信した場合、前記子機に対して実時間に基づいた時刻補正信号を送信する第3ステップと、前記子機が前記受信モード中に前記時刻補正信号を受信した場合、前記内部時計を補正すると共にスリープモードに切り替わる第4ステップと、前記子機が前記受信モード中に前記時刻補正信号を受信しなかった場合、前記受信モードから送信モードに切り替わり、前記センサデータを前記親機に再送信し、受信モードに切り替わる第5ステップを少なくとも備えることを特徴とする。
(2)また、前記第2ステップにおいて、前記子機の受信モード中に他の子機の起動時刻になった場合、当該受信モード中の子機がスリープモードに切り替わることを特徴とする。
(3)また、前記第5ステップにおいて、前記時刻補正信号を受信しなかった子機がランダム時間経過後に前記センサデータを前記親機に再送信することを特徴とする。
(4)また、前記無線通信システムに子機が新しく追加された場合、前記追加された子機が前記時刻補正信号を要求する信号を前記親機に送信するステップと、前記親機が前記要求信号を受け取った場合、前記追加された子機に対して前記時刻補正信号を送信するステップと、前記追加された子機が前記時刻補正信号を受信し、前記内部時計を補正すると共にスリープモードに切り替わるステップを備えることを特徴とする。
(1) A time synchronization method for a wireless communication system according to the present invention is a time synchronization method for a wireless communication system including a parent device and a plurality of child devices connected to sensors, wherein the child device is based on its own internal clock. The first step of switching from the sleep mode to the transmission mode at the same time as starting and acquiring sensor data, the second step of transmitting the sensor data to the parent device, and then switching to the reception mode for a certain period of time, When the master unit receives the sensor data, a third step of transmitting a time correction signal based on real time to the slave unit, and when the slave unit receives the time correction signal during the reception mode A fourth step of correcting the internal clock and switching to the sleep mode; and when the slave unit does not receive the time correction signal during the reception mode, At least a fifth step of switching from a transmission mode to a transmission mode, retransmitting the sensor data to the parent device, and switching to a reception mode is provided.
(2) Further, in the second step, when the start time of another slave unit is reached during the reception mode of the slave unit, the slave unit in the reception mode is switched to the sleep mode.
(3) Further, in the fifth step, the slave unit that has not received the time correction signal retransmits the sensor data to the master unit after a lapse of a random time.
(4) When a slave unit is newly added to the wireless communication system, the added slave unit transmits a signal requesting the time correction signal to the master unit, and the master unit transmits the request. When the signal is received, the step of transmitting the time correction signal to the added slave unit, the added slave unit receives the time correction signal, corrects the internal clock, and enters the sleep mode. A step of switching is provided.

(5)本発明の無線通信システムのデータ収集方法は、親機と、センサに接続された複数の子機とを備える無線通信システムのデータ収集方法において、複数の子機のうち親機に最も近い子機が親機にセンサデータを転送すると共に当該センサデータ転送後の子機がスリープモード又は電源オフに切り替わる第1−1ステップと、第1−1ステップと同時に、親機に最も近い子機以外の複数の子機のうち距離が最も近い2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち親機に遠い方の子機が近い方の子機へセンサデータを転送すると共に当該センサデータ転送後の子機がスリープモード又は電源オフに切り替わる第1−2ステップと、スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち親機に最も近い子機が親機にセンサデータを転送すると共に当該センサデータ転送後の子機がスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−1ステップと、第2−1ステップと同時に、スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち距離が最も近い2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち親機に遠い方の子機が近い方の子機へセンサデータを転送すると共に当該センサデータ転送後の子機がスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−2ステップとを備えており、以後、全ての子機が親機にセンサデータを転送してスリープモード又は電源オフになるまで第2−1ステップ及び第2−2ステップを繰り返し行なうことを特徴とする。
(6)本発明の無線通信システムのデータ収集方法は、親機と、センサに接続された複数の子機とを備える無線通信システムのデータ収集方法において、前記複数の子機が自身の内部時計に基づいて起動すると同時にスリープモード又は電源オフから送信モードに切り替わり、センサデータを取得する第1ステップと、複数の子機のうち親機に最も近い子機Aが親機にセンサデータを転送し、次に前記子機Aに対して親機が実時間に基づいた時刻補正信号を送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機Aが自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−1ステップと、第2−1ステップと同時に、前記子機A以外の複数の子機のうち距離が最も近い2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち親機に遠い方の子機B1が近い方の子機B2へセンサデータを転送し、次に前記近い方の子機B2が自身の内部時計に基づいた時刻補正信号を前記遠い方の子機B1に送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記遠い方の子機B1が自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−2ステップと、スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち親機に最も近い子機Cが親機にセンサデータを転送し、次に前記子機Cに対して親機が実時間に基づいた時刻補正信号を送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機Cが自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第3−1ステップと、第3−1ステップと同時に、スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち距離が最も近い2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち親機に遠い方の子機D1が近い方の子機D2へセンサデータを転送し、次に前記近い方の子機D2が自身の内部時計に基づいた時刻補正信号を前記遠い方の子機D1に送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記遠い方の子機D1が自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第3−2ステップとを備えており、以後、全ての子機が親機にセンサデータを転送してスリープモード又は電源オフになるまで第3−1ステップ及び第3−2ステップを繰り返し行なうことを特徴とする。
(7)本発明の無線通信システムのデータ収集方法は、親機と、センサに接続された複数の子機とを備える無線通信システムのデータ収集方法において、前記複数の子機が自身の内部時計に基づいて起動すると同時にスリープモード又は電源オフから送信モードに切り替わり、センサデータを取得する第1ステップと、複数の子機のうち親機に最も近い子機Aが親機にセンサデータを転送し、次に前記子機Aに対して親機が実時間に基づいた時刻補正信号を送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機Aが自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−1ステップと、第2−1ステップと同時に、前記子機A以外の複数の子機のうち2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち一方の子機B1が他方の子機B2へセンサデータを転送し、次に前記子機B2が自身の内部時計に基づいた時刻補正信号を前記子機B1に送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機B1が自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−2ステップと、スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち親機に最も近い子機Cが親機にセンサデータを転送し、次に前記子機Cに対して親機が実時間に基づいた時刻補正信号を送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機Cが自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第3−1ステップと、第3−1ステップと同時に、スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち一方の子機D1が他方の子機D2へセンサデータを転送し、次に前記子機D2が自身の内部時計に基づいた時刻補正信号を前記子機D1に送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機D1が自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第3−2ステップとを備えており、以後、全ての子機が親機にセンサデータを転送してスリープモード又は電源オフになるまで第3−1ステップ及び第3−2ステップを繰り返し行なうことを特徴とする。
(5) A data collection method for a wireless communication system according to the present invention is a data collection method for a wireless communication system comprising a master unit and a plurality of slave units connected to sensors. At the same time as Step 1-1 and Step 1-1 where the slave unit transfers sensor data to the master unit and the slave unit after the sensor data transfer switches to sleep mode or power off, the slave unit closest to the master unit Establish a connection between the two slave units that are closest to each other among the multiple slave units other than the slave unit, and to the slave unit that is closer to the remote unit that is farther from the master unit among the two slave units that have established the connection The first and second steps when the sensor unit is transferred and the slave unit after the sensor data transfer is switched to the sleep mode or power off, and the slave unit closest to the master unit among the plurality of slave units that are not switched to the sleep mode or power off. The slave unit transfers sensor data to the master unit and the slave unit after the sensor data transfer switches to sleep mode or power off at the same time as step 2-1 and step 2-1 A connection is established between the two slave units that are closest to each other among the multiple slave units that are not connected, and the remote slave unit that is farther from the master unit among the two slave units that have established the connection is detected as a sensor. And the second and second steps in which the slave unit after transferring the sensor data is switched to the sleep mode or to turn off the power. After that, all the slave units transfer the sensor data to the master unit and enter the sleep mode. Alternatively, the 2-1 step and the 2-2 step are repeatedly performed until the power is turned off.
(6) A data collection method for a wireless communication system according to the present invention is a data collection method for a wireless communication system comprising a parent device and a plurality of child devices connected to sensors, wherein the plurality of child devices have their own internal clocks. At the same time as the start-up, the sleep mode or the power is switched from the power-off to the transmission mode, the first step of acquiring the sensor data, and the handset A closest to the base unit among the plurality of handset units transfers the sensor data to the base unit. Next, the master unit transmits a time correction signal based on real time to the slave unit A, and then the slave unit A that has received the time correction signal corrects its own internal clock and sleep mode or At the same time as Steps 2-1 and 2-1 when the power is switched off, a connection is established between the two slave units that are closest to each other among the slave units other than the slave unit A, and the connection is established. did Of the two slave units, the slave unit B1 farther from the master unit transfers the sensor data to the nearest slave unit B2, and then the nearest slave unit B2 sends a time correction signal based on its own internal clock. Step 2-2 for transmitting to the remote handset B1 and then receiving the time correction signal, the remote handset B1 corrects its own internal clock and switches to sleep mode or power off, Of the plurality of slave units that have not been switched to the sleep mode or power off, the slave unit C closest to the master unit transfers the sensor data to the master unit, and then the master unit is based on the real time for the slave unit C. At the same time as step 3-1 and step 3-1, the slave unit C that transmits a time correction signal and then receives the time correction signal corrects its own internal clock and switches to sleep mode or power off. , Switch to sleep mode or power off A connection is established between the two slave units that are closest to each other among a plurality of slave units, and a sensor is connected to the slave unit D2 that is closer to the slave unit D1 that is farther from the master unit among the two slave units that have established the connection. Transfer the data, and then the closer handset D2 transmits a time correction signal based on its own internal clock to the far handset D1, and then receives the time correction signal of the far handset The slave unit D1 has its own internal clock and has a step 3-2 for switching to the sleep mode or power off. Thereafter, all the slave units transfer the sensor data to the master unit to enter the sleep mode or the power source. Steps 3-1 and 3-2 are repeatedly performed until it is turned off.
(7) A data collection method for a wireless communication system according to the present invention is a data collection method for a wireless communication system comprising a parent device and a plurality of child devices connected to sensors, wherein the plurality of child devices have their own internal clocks. At the same time as the start-up, the sleep mode or the power is switched from the power-off to the transmission mode, the first step of acquiring the sensor data, and the handset A closest to the base unit among the plurality of handset units transfers the sensor data to the base unit. Next, the master unit transmits a time correction signal based on real time to the slave unit A, and then the slave unit A that has received the time correction signal corrects its own internal clock and sleep mode or At the same time as the 2-1 step and the 2-1 step when the power is turned off, a connection is established between two slave units among the plurality of slave units other than the slave unit A, and the two slave units that have established the connection are established. Machine One slave unit B1 transfers sensor data to the other slave unit B2, and then the slave unit B2 transmits a time correction signal based on its own internal clock to the slave unit B1, and then the time correction signal The slave unit B1 that has received the correction corrects its own internal clock and switches to sleep mode or power off, and is closest to the master unit among the plurality of slave units that have not switched to sleep mode or power off. The slave unit C transmits the sensor data to the master unit, and then the master unit transmits a time correction signal based on real time to the slave unit C, and then receives the time correction signal. The two slave units out of the plurality of slave units that are not switched to the sleep mode or the power-off at the same time as the third step 3-1 that switches the sleep mode or power-off while correcting its own internal clock Make connections with each other One of the two slave units D1 that established the connection transfers the sensor data to the other slave unit D2, and then the slave unit D2 sends a time correction signal based on its own internal clock The slave unit D1 that has been transmitted to the slave unit D1 and then received the time correction signal has a third and second steps in which the slave unit D1 corrects its own internal clock and switches to the sleep mode or the power off. The slave unit transfers sensor data to the master unit, and repeats steps 3-1 and 3-2 until the sleep mode or power is turned off.

(1)の無線通信システムの時刻同期方法の発明では、子機が親機へセンサデータを送信したのち、これを受信した親機が子機に時刻補正信号を送信し、親機と子機の時刻同期を行なう。子機は自身の内部時計に基づいて起動し、センサデータの取得及び通信を行ない、その後スリープモードに切り替わるので消費電力を抑えることができ、無線通信システム全体を低消費電力で稼働させることができる。
また、(2)の発明では、第2ステップにおいて、子機の受信モード中に他の子機の起動時刻になった場合、当該受信モード中の子機をスリープモードに切り替えることにすれば、当該他の子機との通信の衝突を防止できる。
また、(3)の発明では、第5ステップにおいて、子機がランダム時間経過後にセンサデータを親機に再送信することにした場合も、他の子機との通信の衝突を防止できる。
また、(4)の発明では、無線通信システムに新たに追加した子機の時刻同期を行なうことができるため、システムの拡張が容易になる。
In the invention of the time synchronization method of the wireless communication system of (1), after the slave unit transmits the sensor data to the master unit, the master unit that has received this transmits a time correction signal to the slave unit, and the master unit and the slave unit Perform time synchronization. The slave unit starts up based on its own internal clock, performs sensor data acquisition and communication, and then switches to the sleep mode so that power consumption can be suppressed, and the entire wireless communication system can be operated with low power consumption. .
Further, in the invention of (2), in the second step, when the start time of the other slave unit is reached during the slave unit reception mode, if the slave unit in the reception mode is switched to the sleep mode, It is possible to prevent a communication collision with the other slave unit.
In the invention of (3), in the fifth step, even when the slave unit decides to retransmit the sensor data to the master unit after the random time has elapsed, it is possible to prevent a communication collision with another slave unit.
In the invention of (4), since the time synchronization of the slave unit newly added to the wireless communication system can be performed, the system can be easily expanded.

(5)の無線通信システムのデータ収集方法の発明では、センサから取得したセンサデータを保持する各子機間、子機と親機間で、データのマージ処理および伝達を行うことによって、データ収集に必要な時間を短縮することができる。すなわち、まず1子機分のセンサデータが親機に送られ、次に2子機分のセンサデータが親機に送られ、次に4子機分のセンサデータが親機に送られる。この様に親機に送られるデータの個数は毎回2倍で増加していく。この為急速にデータが収集される。従来手法とのシミュレーションによる比較の結果、本発明の方法は子機のデータを親機に収集する収集時間が最も短いことが確認できた。また、消費電力も従来方法と比べ小さいことが確認できた。さらに、子機数の増加による親機へのデータ収集に必要な時間の伸び率が他の手法と比べ小さく、有効な方法であることが確認できた。
(6)の無線通信システムのデータ収集方法の発明は、(5)のデータ収集方法の発明に(1)の時刻同期方法の発明を取り入れた内容である。具体的には、親機に最も近い子機が親機にセンサデータを転送すると、当該子機に対して親機から実時間に基づいた時刻補正信号が送信され、当該子機は自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフになる。これと同時に、他の子機のうち距離が最も近い2つの子機同士でコネクションを確立し、親機に遠い方の子機が近い方の子機へセンサデータを転送する。近い方の子機は自身の内部時計に基づいた時刻補正信号を遠い方の子機に送信する。そして、遠い方の子機は自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフになる。このような動作を繰り返すことで、子機の時刻同期を行いながらセンサデータを迅速に収集することができ、無線通信システムを低消費電力で長期間正確に稼働させることができる。
(7)の無線通信システムのデータ収集方法の発明は、(6)のデータ収集方法の発明の応用例にあたる。具体的には、親機に最も近い子機が親機にセンサデータを転送すると、当該子機に対して親機から実時間に基づいた時刻補正信号が送信され、当該子機は自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフになる。これと同時に、他の子機のうち適当な2つの子機同士でコネクションを確立し、一方の子機が他方の子機へセンサデータを転送する。他方の子機は自身の内部時計に基づいた時刻補正信号を一方の子機に送信する。そして、一方の子機は自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフになる。このような動作を繰り返すことで、子機の時刻同期を行いながらセンサデータを迅速に収集することができ、無線通信システムを低消費電力で長期間正確に稼働させることができる。
In the invention of the data collection method of the wireless communication system according to (5), data collection is performed by performing merge processing and transmission of data between each slave unit holding the sensor data acquired from the sensor and between the slave unit and the master unit. It is possible to reduce the time required for That is, first, sensor data for one slave unit is sent to the master unit, then sensor data for two slave units is sent to the master unit, and then sensor data for four slave units is sent to the master unit. In this way, the number of data sent to the base unit increases by a factor of two each time. For this reason, data is collected rapidly. As a result of the comparison with the conventional method, it was confirmed that the method of the present invention has the shortest collection time for collecting the data of the child device in the parent device. Moreover, it has confirmed that power consumption was also small compared with the conventional method. Furthermore, it was confirmed that the rate of time required for data collection to the parent unit due to the increase in the number of slave units was small compared to other methods, and it was an effective method.
The invention of the data collection method of the wireless communication system according to (6) is the content of incorporating the invention of the time synchronization method of (1) into the invention of the data collection method of (5). Specifically, when the slave unit closest to the master unit transfers sensor data to the master unit, a time correction signal based on the real time is transmitted from the master unit to the slave unit, The clock is corrected and the sleep mode or the power is turned off. At the same time, a connection is established between the two child devices having the shortest distance among the other child devices, and the sensor data is transferred to the child device closer to the child device farther from the parent device. The closer handset transmits a time correction signal based on its own internal clock to the far handset. Then, the remote handset corrects its own internal clock, and enters the sleep mode or power off. By repeating such an operation, sensor data can be quickly collected while performing time synchronization of the slave units, and the wireless communication system can be accurately operated for a long time with low power consumption.
The invention of the data collection method of the wireless communication system according to (7) corresponds to an application example of the invention of the data collection method of (6). Specifically, when the slave unit closest to the master unit transfers sensor data to the master unit, a time correction signal based on the real time is transmitted from the master unit to the slave unit, The clock is corrected and the sleep mode or the power is turned off. At the same time, a connection is established between two appropriate slave units among the other slave units, and one slave unit transfers sensor data to the other slave unit. The other slave unit transmits a time correction signal based on its own internal clock to the one slave unit. Then, one slave unit corrects its own internal clock and goes into sleep mode or power off. By repeating such an operation, sensor data can be quickly collected while performing time synchronization of the slave units, and the wireless communication system can be accurately operated for a long time with low power consumption.

圃場管理システム全体イメージ図Overall image of the field management system 各圃場と事務所の位置関係Position relationship between each field and office フィールドサーバの構成Field server configuration 親機の構成Main unit configuration 通信プロトコルシーケンス図Communication protocol sequence diagram センサデータ衝突時のシーケンス図Sequence diagram at the time of sensor data collision 親機とフィールドサーバ間の時刻同期の仕組みTime synchronization mechanism between the base unit and the field server 提案するネットワークトポロジーProposed network topology データ送信完了ノード数Number of data transmission completion nodes 1ラウンドの稼働時間1 round uptime 最大稼働時間比較Maximum operating time comparison

本発明の無線通信システムの時刻同期方法の実施の形態について説明する。
本実施の形態では、無線通信システムを、圃場の環境情報を各種センサによって取得および活用するための圃場管理システムとする。
An embodiment of a time synchronization method for a wireless communication system of the present invention will be described.
In the present embodiment, the wireless communication system is a field management system for acquiring and utilizing field environment information by various sensors.

[システム全体概要]
圃場管理システムの全体構成図を図1に示す。本システムはフィールドサーバ(子機)、親機、クラウドサービスから構成されている。
フィールドサーバは圃場に設置し、センサデータを取得したのち、無線ネットワークを通じて親機へそのデータを送信する。親機は各圃場に設置されているフィールドサーバからのセンサデータを集約し、3G回線やWi-Fiを介してクラウドへ転送する。
クラウドサービスはスマートフォンやタブレット等のアプリケーションおよびWebページで提供される。農業従事者に対して水位等の警告、作業計画の提案、作業記録の保存などの機能を提供する。
フィールドサーバと親機間の通信に関しては、長距離通信が可能なLoRaを用いる。LoRaは我々が行った基本通信特性調査により、実用通信距離が3,000〜4,000mであることが判っている[7]。今回想定している石川県の圃場では、親機とフィールドサーバ間の直線距離は約3,000m以内である。そのため我々はフィールドサーバと親機間で直接通信が可能なLoRaを採用した。
想定した石川県内の農業法人の各圃場と事務所の位置関係を図2に示す。 A、B、C、D、E、F、Gが各圃場の位置を表し、この地点にフィールドサーバを設置する。Pは事務所の所在地を表し、事務所に親機を設置する。フィールドサーバA〜Gと親機P間の直線距離は、AP間397m、BP間923m、CP間943m、DP間684m、EP間1,150m、FP間1,440m、GP間1,910mである。
[Overview of the entire system]
Fig. 1 shows the overall configuration of the field management system. This system consists of a field server (child device), a parent device, and a cloud service.
The field server is installed in the field, acquires sensor data, and then transmits the data to the parent device through a wireless network. The master unit aggregates the sensor data from the field servers installed in each field and transfers them to the cloud via a 3G line or Wi-Fi.
Cloud services are provided through applications such as smartphones and tablets, and web pages. Provide farmers with water level warnings, work plan proposals, work record preservation, and other functions.
For communication between the field server and the base unit, LoRa capable of long-distance communication is used. LoRa has a practical communication distance of 3,000 to 4,000 m, based on our basic communication characteristics survey [7]. In the Ishikawa Prefecture field, the distance between the main unit and the field server is about 3,000m. For this reason, we adopted LoRa, which allows direct communication between the field server and the base unit.
Figure 2 shows the positional relationship between each field and office of an assumed agricultural corporation in Ishikawa Prefecture. A, B, C, D, E, F, and G represent the position of each field, and a field server is installed at this point. P represents the location of the office, and the parent machine is installed in the office. The linear distances between the field servers A to G and the main unit P are 397 m between APs, 923 m between BPs, 943 m between CPs, 684 m between DPs, 1,150 m between EPs, 1,440 m between FPs, and 1,910 m between GPs.

[フィールドサーバおよび親機概要]
フィールドサーバと親機により構成される無線ネットワークの詳細を説明する。
フィールドサーバの構成を図3に示す。フィールドサーバは、モバイルバッテリー、電源ON/OFF回路、AVRマイコン、LoRa無線モジュール、各種センサ、SDカードモジュールで構成されている。フィールドサーバは、圃場に設置することから電源供給が困難であるため、モバイルバッテリー(リチウムイオン二次電池)によって電源供給が行われる。低消費電力を実現するため、電源ON/OFF回路によって1時間のうち、数十秒間のみ稼働する。無線通信やセンサの制御は、AVRマイコンによって行われる。センサは5種類搭載し、温度、湿度、水位、土壌温度、土壌水分度を計測している。
SDカードにはセンサデータをタイムスタンプとともに保存する。これは親機にセンサデータを送信できない場合や親機からの時刻補正信号を受信できない場合においても、センサデータを確実に保存するための機能である。親機との時刻同期に失敗した場合は、SDカードに記録されている前回記録時のタイムスタンプに3,600を加算し、今回記録用のタイムスタンプを求める。
[Overview of Field Server and Base Unit]
Details of the wireless network configured by the field server and the parent device will be described.
The configuration of the field server is shown in FIG. The field server consists of a mobile battery, a power ON / OFF circuit, an AVR microcomputer, a LoRa wireless module, various sensors, and an SD card module. Since the field server is installed on the field, it is difficult to supply power, so power is supplied by a mobile battery (lithium ion secondary battery). In order to realize low power consumption, the power supply ON / OFF circuit operates only for tens of seconds out of one hour. Wireless communication and sensor control are performed by an AVR microcomputer. Five types of sensors are installed to measure temperature, humidity, water level, soil temperature, and soil moisture content.
The sensor data is stored on the SD card along with a time stamp. This is a function for reliably storing the sensor data even when the sensor data cannot be transmitted to the parent device or when the time correction signal from the parent device cannot be received. If time synchronization with the master unit fails, 3,600 is added to the previous recording time stamp recorded on the SD card to obtain the current recording time stamp.

電源ON/OFF回路はPICマイコンとFETにより構成されており、電源ON/OFF回路に電力線で繋がるモジュールへの電源供給を制御する。PICマイコンはGPIOピンでHIGH/LOW出力することによってFETを制御する。PICマイコンは電源制御に必要な時間を内部クロックのタイマ割り込みを用いて計測し、制御を行っている。
親機の構成を図4に示す。親機は、Raspberry Pi、送信用LoRa無線モジュール、受信用LoRa無線モジュール、3Gドングルで構成されている。
フィールドサーバは初回電源投入時、時刻を保持していないため待機することなく起動する。そのため親機は常に受信状態を維持し、農業従事者がいつフィールドサーバを設置してもフィールドサーバからの通信に対応できることが望ましい。また、LoRa無線モジュールには受信モードと送信モードが存在し、モードの切り替えには時間を要する。そのため、親機では受信専用と送信専用のLoRa無線モジュールを2個搭載することにより、送受信の待機時間削減と常時受信状態の維持を実現した。
The power supply ON / OFF circuit is composed of a PIC microcomputer and FET, and controls the power supply to the module connected to the power supply ON / OFF circuit by the power line. PIC microcomputer controls FET by outputting HIGH / LOW at GPIO pin. The PIC microcomputer measures and controls the time required for power control using the timer interrupt of the internal clock.
Fig. 4 shows the configuration of the master unit. The main unit consists of a Raspberry Pi, a transmitting LoRa wireless module, a receiving LoRa wireless module, and a 3G dongle.
When the field server is turned on for the first time, it does not hold the time and starts without waiting. For this reason, it is desirable that the master unit always maintains the reception state and can cope with communication from the field server whenever the farmer installs the field server. In addition, the LoRa wireless module has a reception mode and a transmission mode, and switching the mode takes time. For this reason, the base unit is equipped with two reception-only and transmission-only LoRa wireless modules to reduce the waiting time for transmission and reception and maintain the reception state at all times.

[通信プロトコル概要]
フィールドサーバはPIC内時刻が3,600(0)秒の時に起動し、センサデータの取得を行う。そのセンサデータを親機に送信し、親機がセンサデータの受信に成功した場合、親機はフィールドサーバに補正時刻を送信する。フィールドサーバは補正時刻を受け取り、AVRマイコンがPICマイコンに補正時刻を転送する。PICマイコンはこの補正時刻をもとにPIC内時刻を補正する。転送が終了した時点、もしくは後述の1時間あたりの稼働時間が経過した時点でAVRなど電源ON/OFF回路以外は電源をOFFにし、次回起動時まで待機する。
通信に用いるフレームフォーマットを表1、表2、表3に示す。
表1は共通フレームフォーマットである。送信先、送信元およびペイロードで構成される。表2はセンサデータ送信のフォーマットである。これはフィールドサーバから親機へ送信される信号である。現在搭載しているセンサは5種類あるため、センサデータ1〜5までにそれぞれ2Byteでデータを格納できるフォーマットを定義している。またセンサの種類が増えた場合には、センサデータ送信のフォーマットに、2Byte分ずつ追加することで対応できる。表3は時刻補正信号のフォーマットである。これは親機からフィールドサーバへ送信される信号である。親機が取得したタイムスタンプとそれをもとに計算した各フィールドサーバへの補正時刻が格納される。

Figure 2019009626
Figure 2019009626
Figure 2019009626
[Communication protocol overview]
The field server starts when the time in the PIC is 3,600 (0) seconds, and acquires sensor data. The sensor data is transmitted to the parent device, and when the parent device has successfully received the sensor data, the parent device transmits the correction time to the field server. The field server receives the correction time, and the AVR microcomputer transfers the correction time to the PIC microcomputer. The PIC microcomputer corrects the time in the PIC based on this correction time. When transfer is completed, or when the operation time per hour described later has elapsed, power is turned off except for the power ON / OFF circuit such as AVR, and it waits until the next start-up.
Tables 1, 2, and 3 show frame formats used for communication.
Table 1 shows the common frame format. Consists of destination, source and payload. Table 2 shows the sensor data transmission format. This is a signal transmitted from the field server to the parent device. Since there are five types of sensors currently installed, a format that can store data of 2 bytes each for sensor data 1 to 5 is defined. If the number of sensor types increases, it can be handled by adding 2 bytes to the sensor data transmission format. Table 3 shows the format of the time correction signal. This is a signal transmitted from the master unit to the field server. The time stamp acquired by the master unit and the correction time for each field server calculated based on the time stamp are stored.
Figure 2019009626
Figure 2019009626
Figure 2019009626

通信プロトコルのシーケンス図を図5に示す。図5は、フィールドサーバ3台であり、すべての通信において再送が発生しない場合の例である。初めにフィールドサーバA(以下、FS-A)が起動する。起動後はセンサが安定するまで固定時間待機する。その後FS-Aはセンサデータを取得し、表2のセンサデータ送信フォーマットに従って送信パケットを生成したのち、センサデータを親機へ送信する。フィールドサーバはLoRa無線モジュールを1個のみの搭載であるため、送信モードから受信モードへ切り替えを行う。この切り替えには数秒を要する。受信モードに切り替えた後は、設定されたタイムアウト時間まで受信待機し、親機から送られる時刻補正信号の受信を行う。
親機はFS-Aからのセンサデータを受け取ると時刻補正信号をFS-Aに対して送信する。FS-Aはその時刻補正信号をもとにPIC内時刻を補正する。補正後は再送可能時間の途中であっても、スリープ状態へ移行する。フィールドサーバが時刻補正信号の受信もしくは親機が送信に失敗した場合は再送を行う必要があるため、再送可能時間を設けている。この一連の動作をフィールドサーバB(FS-B)、フィールドサーバC(FS-C)も同様に行う。
1時間あたりの稼働時間は、次式(数1)から求められる。この稼働時間は事前にAVRマイコンに書き込まれ、AVRマイコンに電源が投入される毎にPICマイコンへ送られる。
各フィールドサーバの稼働時間は、

Figure 2019009626
となる。センサ安定待機および取得時間は、電源投入後の電圧が安定し、センサ取得が可能になるまでの固定待機時間およびセンサデータを測定する時間である。センサデータ送信時間は親機にセンサデータを送信する時間である。モード切替時間は、LoRa通信モジュールを送信モードから受信モードへ切り替える固定時間である。受信時間は親機から時刻補正信号を受信する時間である。再送可能時間はセンサデータを親機に送信できない場合、再送処理を行える時間である。 A communication protocol sequence diagram is shown in FIG. FIG. 5 shows an example in which there are three field servers and no retransmission occurs in all communications. First, field server A (hereinafter referred to as FS-A) is started. After startup, wait for a fixed time until the sensor stabilizes. After that, the FS-A acquires sensor data, generates a transmission packet according to the sensor data transmission format shown in Table 2, and then transmits the sensor data to the parent device. Since the field server has only one LoRa wireless module, it switches from the transmission mode to the reception mode. This switching takes a few seconds. After switching to the reception mode, it waits for reception until the set timeout time, and receives a time correction signal sent from the parent device.
When the master unit receives sensor data from FS-A, it sends a time correction signal to FS-A. The FS-A corrects the time in the PIC based on the time correction signal. After the correction, even in the middle of the retransmittable time, the sleep state is entered. Since it is necessary to perform retransmission when the field server receives the time correction signal or when the master unit fails in transmission, a retransmittable time is provided. This series of operations is similarly performed by the field server B (FS-B) and the field server C (FS-C).
The operating time per hour is obtained from the following equation (Equation 1). This operating time is written in advance to the AVR microcomputer and sent to the PIC microcomputer every time the AVR microcomputer is powered on.
The operating time of each field server is
Figure 2019009626
It becomes. The sensor stabilization standby time and acquisition time are a fixed standby time and a time for measuring sensor data until the voltage after power-on is stabilized and sensor acquisition becomes possible. The sensor data transmission time is a time for transmitting sensor data to the master unit. The mode switching time is a fixed time for switching the LoRa communication module from the transmission mode to the reception mode. The reception time is a time for receiving a time correction signal from the parent device. The retransmittable time is a time during which retransmission processing can be performed when sensor data cannot be transmitted to the parent device.

[再送発生時の動作概要]
フィールドサーバは時刻補正信号を受信できず、かつ受信待機時間が経過した場合、タイムアウト動作を行う。タイムアウト後は、フィールドサーバは0.1から5.0秒までランダム秒待機したのち、再送を行う。この場合のシーケンス動作を図6に示す。図6において、フィールドサーバC(FS-C)がタイムアウトとなり、再送動作を行っている。タイムアウトの発生要因は、
1)電波減衰や復調できない程のノイズによって、親機がフィールドサーバからの通信を受信できない場合
2)複数のフィールドサーバの送信時刻の重なりにより、送信データに衝突が生じた場合
などが考えられる。その際、親機はフィールドサーバに対して時刻補正信号を送らないため、フィールドサーバの受信待機はタイムアウトとなる。タイムアウトとなったフィールドサーバは再送を行うが、初回電源投入のフィールドサーバが行う通信との再衝突を防ぐため、ランダム秒の待機時間を設けている。
フィールドサーバは再送を行なったのち、送信モードから受信モードへ切り替え、受信待機を行う。この動作をフィールドサーバは、親機からの時刻補正信号を受け取れるまで続ける。ただし、他のフィールドサーバと通信の衝突を避けるため、他のフィールドサーバの稼働開始時刻になった場合、強制的に電源をOFFにする。他のフィールドサーバの稼働開始時間までに安定して再送可能な時間を考慮し、1回の再送を行う。
[Overview of operation when retransmission occurs]
The field server performs a time-out operation when the time correction signal cannot be received and the reception standby time has elapsed. After the timeout, the field server waits for a random number of seconds from 0.1 to 5.0 and then resends it. FIG. 6 shows the sequence operation in this case. In FIG. 6, the field server C (FS-C) has timed out and is performing a retransmission operation. The cause of timeout is
1) When the base unit cannot receive communications from the field server due to radio attenuation or noise that cannot be demodulated
2) There may be a case where there is a collision in transmission data due to overlapping of transmission times of multiple field servers. At this time, since the parent device does not send a time correction signal to the field server, the reception waiting of the field server times out. The field server that has timed out performs retransmission, but a waiting time of random seconds is provided in order to prevent re-collision with communication performed by the field server that is turned on for the first time.
After retransmitting, the field server switches from the transmission mode to the reception mode and waits for reception. This operation is continued until the field server receives the time correction signal from the parent device. However, in order to avoid communication collision with other field servers, the power is forcibly turned off when the operation start time of the other field server comes. Consider the time that can be retransmitted stably before the operation start time of other field servers, and perform one retransmission.

[時刻補正信号]
親機は常時受信待機を行なっているため、フィールドサーバは任意のタイミングでセンサデータを送信できる。親機は事前にNTPサーバと時刻同期を行い、正確な時刻を取得している。親機はこの時刻によって時刻補正信号を生成し、フィールドサーバからセンサデータを受信したのち、時刻補正信号を送信する。表3の時刻補正信号のフォーマットに示すとおり、タイムスタンプはUNIX(登録商標)時間が4Byteで入る。これはAVRマイコンのEEPROMやSDカードへセンサデータの書き込みに使用する。補正時刻は、PIC内時刻を補正する際に利用するため、現在時刻から各フィールドサーバ用にずらした時刻を0〜3599秒として2Byteで入れる。通信エラー検出および訂正に用いられるCRC等は、LoRa通信モジュールが追加するため、フォーマットでは定義していない。
図7にフィールドサーバと親機間の時刻同期の仕組みを示す。親機はNTPサーバによって得られた正確な時刻を補正時刻形式でフィールドサーバに送信する。フィールドサーバは補正時刻を受信すると、AVRマイコンを経由し、電源ON/OFF回路内のPICマイコンに転送する。補正時刻は他のフィールドサーバと同時に起動することを防ぐため、現在時刻を適切にずらしたものである。この時刻をずらす計算式を次式(数2)に示す。数2に関して、各フィールドサーバは一意に割り当てられたフィールドサーバ識別子(以下FSID)を持っており、現在時刻t_1からFSID・30を引くことにより、フィールドサーバへ送信する補正時刻t_2が求められている。またフィールドサーバの電源投入時間によっては、時刻t_2が負の値となるが、この場合はt_2に3,600を加算する。

Figure 2019009626
[Time correction signal]
Since the master unit is always waiting for reception, the field server can transmit sensor data at an arbitrary timing. The master unit synchronizes the time with the NTP server in advance and obtains the correct time. The parent device generates a time correction signal based on this time, and after receiving sensor data from the field server, transmits the time correction signal. As shown in the format of the time correction signal in Table 3, the time stamp has a UNIX (registered trademark) time of 4 bytes. This is used to write sensor data to EEPROM and SD card of AVR microcomputer. Since the correction time is used when correcting the time in the PIC, the time shifted from the current time for each field server is set to 2 to 3599 seconds. The CRC used for communication error detection and correction is not defined in the format because it is added by the LoRa communication module.
Fig. 7 shows the time synchronization mechanism between the field server and the base unit. The master unit sends the exact time obtained by the NTP server to the field server in the corrected time format. When the field server receives the correction time, it transfers it to the PIC microcomputer in the power ON / OFF circuit via the AVR microcomputer. The correction time is obtained by appropriately shifting the current time in order to prevent activation at the same time as other field servers. A calculation formula for shifting this time is shown in the following formula (Formula 2). With respect to the number 2, each field server has a uniquely assigned field server identifier (hereinafter FSID), by subtracting the FSID · 30 from the current time t _1, correction time t _2 to be transmitted to the field server is required ing. Depending on the power-on time of the field server, the time t_2 is a negative value. In this case, 3,600 is added to t_2 .
Figure 2019009626

FSIDは0x00から0x77の範囲で使用でき、FSIDの昇順に起動を行う。FSIDを用いることにより各フィールドサーバの同時起動を防ぎ、フィールドサーバの送信信号を衝突させないようにしている。
電源ON/OFF回路を制御するPICでは常に内部のクロックで0から3,599秒をカウントしている。PIC内時刻が3,600(0)秒になると、AVRマイコンへ電源を供給する。フィールドサーバは親機から時刻補正信号を受け取ると、PIC内時刻を親機から送信された補正時刻に補正し、カウントを続ける。これを行うことで、フィールドサーバと親機で時刻同期を行っている。2回目以降の起動においてもPIC内時刻が3,600(0)秒に達することでAVRマイコンへ電源供給を行う。
親機は通信エラーなどによりフィールドサーバからのデータを正常に受信できなかった場合、時刻補正信号を送信せずにセンサデータの受信待機状態を維持する。
FSID can be used in the range of 0x00 to 0x77, and start up in ascending order of FSID. By using FSID, the simultaneous start of each field server is prevented and the transmission signal of the field server is not collided.
The PIC that controls the power ON / OFF circuit always counts from 0 to 3,599 seconds with the internal clock. When the time in the PIC reaches 3,600 (0) seconds, power is supplied to the AVR microcomputer. When the field server receives the time correction signal from the parent device, it corrects the time in the PIC to the correction time transmitted from the parent device, and continues counting. By doing this, time synchronization is performed between the field server and the parent device. In the second and subsequent startups, power is supplied to the AVR microcomputer when the time in the PIC reaches 3,600 (0) seconds.
When the base unit cannot normally receive data from the field server due to a communication error or the like, the base unit does not transmit a time correction signal and maintains a sensor data reception standby state.

[通信プロトコルの検証方法]
LoRaおよび考案した通信プロトコルを利用し、親機とフィールドサーバ間で想定通りの動作を行うか確認する目的で、7日間の稼働試験を行った。
検証内容は、
1)親機がフィールドサーバへ時刻補正信号をフィールドサーバの受信待機時間内に返送可能かの確認
2)時刻補正信号を受け取ったフィールドサーバは、即時にスリープ状態へ移行するかの確認
3)時刻補正信号によって各フィールドサーバが適切にタイミングを変更し、指定した時刻に起動するかの確認
である。
通信プロトコルの検証では、フィールドサーバの台数を我々が対象としている圃場例と同数の7台で行った。フィールドサーバと親機間の距離は、親機を中心とし、全フィールドサーバを半径1m以内に設置した。フィールドサーバから親機へ送られたセンサデータは、検証用クラウドへ保存した。
[Communication protocol verification method]
A 7-day operation test was conducted with the purpose of confirming whether the expected operation was performed between the main unit and the field server using LoRa and the designed communication protocol.
The verification content is
1) Check if the base unit can return the time correction signal to the field server within the reception waiting time of the field server
2) The field server that received the time correction signal confirms whether it will immediately go to sleep.
3) Check whether each field server changes the timing appropriately according to the time correction signal and starts at the specified time.
In the verification of the communication protocol, the number of field servers was the same as the field example we are targeting, with 7 units. The distance between the field server and the base unit was set around the base unit and all the field servers were installed within a radius of 1 m. The sensor data sent from the field server to the main unit was stored in the verification cloud.

また7日間の稼働試験に加え、フィールドサーバと親機間の通信に失敗した際、想定した再送動作を、各フィールドサーバに割り当てられた稼働時間内に行えるかを検証する。検証方法は、フィールドサーバが1回目のセンサデータを送信する際に、親機は受信待機をせず、フィールドサーバの受信待機をタイムアウトさせる。その後、フィールドサーバが2回目のセンサデータを送信する際に、親機は受信待機および時刻補正信号をフィールドサーバへ送る。フィールドサーバがこれを受信し、スリープ状態へ移行するか確認する。
本プロトコルは圃場管理を対象としており、各圃場から収集するセンサデータの時刻に数秒程度のずれは許容する。しかし、各フィールドサーバの起動時刻に大きなずれが生じた場合は、送信するセンサデータの衝突や親機からの時刻補正信号を受け取れないなどの問題を生じる。そのため、各フィールドサーバに指定した一定の時刻に起動するかを検証した。検証方法は各フィールドサーバのFSIDが0x02のフィールドサーバから0x08の順序で通信を行う。フィールドサーバはそれぞれ30秒間隔で起動させる。親機がセンサデータを受信した時刻をもとに72時間分の平均誤差の算出を行い、それぞれ平均最大誤差[s]と平均最小誤差[s]を求めた。
In addition to the 7-day operation test, we will verify whether the assumed retransmission can be performed within the operating time assigned to each field server when communication between the field server and the base unit fails. In the verification method, when the field server transmits the first sensor data, the parent device does not wait for reception and times out reception standby of the field server. Thereafter, when the field server transmits sensor data for the second time, the parent device sends a reception standby and time correction signal to the field server. The field server receives this and confirms whether or not to enter the sleep state.
This protocol is intended for field management, and a time difference of several seconds is allowed in the time of sensor data collected from each field. However, when there is a large difference in the activation time of each field server, problems such as a collision of sensor data to be transmitted and a time correction signal from the parent device cannot be received. Therefore, we verified whether to start at a certain time specified for each field server. In the verification method, communication is performed in the order of 0x08 from the field server whose FSID of each field server is 0x02. Each field server is started every 30 seconds. The average error for 72 hours was calculated based on the time when the master device received the sensor data, and the average maximum error [s] and the average minimum error [s] were obtained.

[通信プロトコルの検証結果]
表4に通信プロトコルの検証結果を示す。フィールドサーバの稼働日数は7日間であり、センサデータ取得および送信は1時間間隔である。フィールドサーバが親機へデータを送信した回数は、フィールドサーバ7台、1時間間隔で7日間のため、1,176回である。これに加え、フィールドサーバが親機から時刻補正信号を受信できず、再送を行った回数は9回である。そのため総センサデータ送信回数は1,185回となる。再送を行った9回のうち、9回すべてが再送1回目で時刻同期を完了した。
また再送動作の検証では、フィールドサーバが再送処理でのセンサデータ再送を行ったのち、親機からの時刻補正信号受信し、スリープ状態へと移行した。この動作がシーケンス通りに行われることを確認した。よって問題なく動作していると判断できる。

Figure 2019009626
[Verification result of communication protocol]
Table 4 shows the verification results of the communication protocol. The field server is operated for 7 days, and sensor data is acquired and transmitted every hour. The number of times that the field server has sent data to the base unit is 1,176 times because seven field servers and seven days at one hour intervals. In addition to this, the field server cannot receive the time correction signal from the base unit, and the number of retransmissions is nine. Therefore, the total sensor data transmission count is 1,185 times. Of the nine retransmissions, all nine completed time synchronization at the first retransmission.
Further, in the verification of the retransmission operation, after the field server retransmits the sensor data in the retransmission process, it receives a time correction signal from the parent device and shifts to the sleep state. It was confirmed that this operation was performed in sequence. Therefore, it can be judged that it is operating without problems.
Figure 2019009626

各フィールドサーバに指定した一定の時刻に起動するかを検証した結果を表5に示す。
1時間間隔で行われるすべてのフィールドサーバの通信において、各フィールドサーバに与えられた想定起動時刻と実際に起動した時刻の差を絶対値で調べ、その平均最大・最小誤差を求めた。結果は平均最大誤差が5.277秒、平均最小誤差が4.041秒であった。このことより、各フィールドサーバの起動タイミングはおおよそ5〜6秒のずれが生じると判断できる。時刻同期を用いることで誤差を小さく抑えられているが、少なからず誤差は存在している。
これらの誤差が生じる要因として、電源ON/OFF回路に用いているPICマイコンにおけるクロックの誤差、LoRa通信モジュールの個体差による送信時間のぶれ、CRCによる誤り訂正時間、LoRa変調および復調にかかる誤差などが挙げられる。

Figure 2019009626
Table 5 shows the results of verifying whether to start at a certain time specified for each field server.
In communication between all field servers performed at one-hour intervals, the difference between the assumed activation time given to each field server and the actual activation time was examined as an absolute value, and the average maximum / minimum error was obtained. As a result, the average maximum error was 5.277 seconds and the average minimum error was 4.041 seconds. From this, it can be determined that the start timing of each field server is shifted by approximately 5 to 6 seconds. Although the error is suppressed to be small by using time synchronization, there are not a few errors.
Causes of these errors include clock errors in the PIC microcomputer used in the power ON / OFF circuit, transmission time fluctuation due to individual differences in LoRa communication modules, error correction time due to CRC, errors in LoRa modulation and demodulation, etc. Is mentioned.
Figure 2019009626

PICマイコンの誤差に関しては、測定することが可能であるため検証を行った。PICマイコンを1時間計測し、実際の時刻とのずれを誤差とした。この計測をPICマイコン7台(A〜G)で12時間分計測し、PICマイコンごとに平均誤差を算出した。その結果を次の表6に示す。表より、最大で誤差が6.512秒である。このことから各フィールドサーバの誤差を招く要因しては、PICマイコンの誤差が大半であることがわかる。
しかし、今回提案する圃場管理用通信プロトコルおいて、この誤差は他のフィールドサーバとの衝突が起きない範囲内である。そのため、この通信プロトコルにおいて時刻同期は効果的であり、使用時間に比例する時刻の誤差増加を減少できていることが確認できた。

Figure 2019009626
The error of the PIC microcomputer was verified because it can be measured. The PIC microcomputer was measured for 1 hour, and the difference from the actual time was regarded as the error. This measurement was measured for 12 hours with 7 PIC microcomputers (A to G), and the average error was calculated for each PIC microcomputer. The results are shown in Table 6 below. From the table, the maximum error is 6.512 seconds. From this, it can be understood that the error of each field server is mostly caused by the error of the PIC microcomputer.
However, in the field management communication protocol proposed this time, this error is within a range where collision with other field servers does not occur. Therefore, it was confirmed that the time synchronization was effective in this communication protocol, and the increase in time error proportional to the usage time could be reduced.
Figure 2019009626

[消費電力の評価]
通信プロトコルの検証とは別に消費電力を検証するための稼働試験を行った。検証の目的は、本システムが要求されている期間、運用可能であるかを確認するためである。
検証内容は、各プロセスでの消費電流をテスターによって測定し、理論的に消費電力を算出することにより要求期間の連続稼働が可能かを確認することである。測定結果を表7に示す。

Figure 2019009626

次式(数3)にシステム稼動時における電力量WN[mW]を求める式を示す。ここで、V1はフィールドサーバの定格電圧[V]、Iaおよびt1はセンサ安定待機時とセンサ取得時の電流[mA]および時間[s]、Ibおよびt2はセンサデータ送信時の電流[mA]および時間[s]、Icおよびt3はモード切り替え時の電流[mA]および時間[s]、Idおよびt4は受信待機時の電流[mA]および時間[s]、Ieおよびt5は受信時の電流[mA]および時間[s]を示している。
Figure 2019009626
[Evaluation of power consumption]
In addition to the verification of the communication protocol, an operation test was performed to verify the power consumption. The purpose of the verification is to confirm whether the system can be operated for the required period.
The verification contents are to measure whether the current consumption in each process is measured by a tester and theoretically calculate the power consumption to confirm whether the continuous operation in the required period is possible. Table 7 shows the measurement results.
Figure 2019009626

The following equation (Equation 3) shows an equation for obtaining the electric energy W N [mW] during system operation. Where V 1 is the rated voltage [V] of the field server, I a and t 1 are the current [mA] and time [s] during sensor stabilization standby and sensor acquisition, and I b and t 2 are sensor data transmission Current [mA] and time [s], I c and t 3 are the current [mA] and time [s] during mode switching, and I d and t 4 are the current [mA] and time [s] during reception standby , I e and t 5 indicate current [mA] and time [s] at the time of reception.
Figure 2019009626

次式(数4)にシステムスリープ時における電力量Ws [mW]を求める式を示す。ここで、Ig はスリープ時の電流[mA]を示している。

Figure 2019009626

次式(数5)に稼働時間Th[h]を求める式を示す。ここで、V2はモバイルバッテリーの電圧[V]、Qはモバイルバッテリーの電気量[mAh]を示している。分子のV2・Qによってモバイルバッテリーの電力量[mWh]を求め、分母のWNおよびWsでフィールドサーバが消費する電力量[mW/h]を求めている。
Figure 2019009626
The following equation (Equation 4) shows an equation for obtaining the electric energy W s [mW] at the time of system sleep. Here, I g represents the Sleep current [mA].
Figure 2019009626

The following equation (Equation 5) shows an equation for obtaining the operating time T h [h]. Here, V 2 represents the voltage [V] of the mobile battery, and Q represents the amount of electricity [mAh] of the mobile battery. The power consumption [mWh] of the mobile battery is obtained from V 2 and Q of the numerator, and the power consumption [mW / h] consumed by the field server is obtained from W N and W s of the denominator.
Figure 2019009626

稼働日数の理論値を数3〜5と表7より求めた。1時間あたりの消費電力量は3.14[mW/h]であり、1日あたり75.36[mW]消費する。今回想定したモバイルバッテリーの容量は75,000[mWh]であることから、995日程度稼働できることが分かった。この日数は理論値であるが、モバイルバッテリーの自然放電等を考慮しても農業法人の要求である6か月間の稼働は可能であると考える。
稼働日数の理論値を数3〜5と表7より求めた。1時間あたりの消費電力量は3.14[mW/h]であり、1日あたり75.36[mW]消費する。今回想定したモバイルバッテリーの容量は75,000[mWh]であることから、995日程度稼働できることが分かった。この日数は理論値であるが、モバイルバッテリーの自然放電等を考慮しても農業法人の要求である6か月間の稼働は可能であると考える。
The theoretical value of the working days was obtained from Table 3 and Formulas 3-5. The power consumption per hour is 3.14 [mW / h], and it consumes 75.36 [mW] per day. Since the capacity of the mobile battery assumed this time is 75,000 [mWh], it was found that it can operate for about 995 days. Although this number of days is a theoretical value, it can be operated for 6 months, which is a requirement of agricultural corporations, even when natural discharge of mobile batteries is taken into account.
The theoretical value of the working days was obtained from Table 3 and Formulas 3-5. The power consumption per hour is 3.14 [mW / h], and it consumes 75.36 [mW] per day. Since the capacity of the mobile battery assumed this time is 75,000 [mWh], it was found that it can operate for about 995 days. Although this number of days is a theoretical value, it can be operated for 6 months, which is a requirement of agricultural corporations, even when natural discharge of mobile batteries is taken into account.

[通信プロトコルと消費電力の考察]
今回考案した通信プロトコル、特に時刻同期の効果について考察する。従来我々が開発したフィールドサーバでは、同様のハードウェア構成で時刻同期を行わない通信手法を用いている。この手法は親機からすべてのフィールドサーバに対して、データ受信確認およびスリープ命令を兼ねたブロードキャスト信号を一定間隔で送る。ブロードキャスト信号を送る時間の間隔は、フィールドサーバにおける時刻の誤差を考慮して設定しなければならない。そのため、間隔を広く設定する必要がある。また、親機が管理するフィールドサーバの台数増加に比例して時間の間隔を広く設定する必要がある。これは、台数増加による時刻の揺れをすべて許容しなくてはならないためである。我々の想定している圃場例と同数の7台の場合、フィールドサーバ1台あたりの稼働時間は最小48秒で、消費電力は6.10[mW/h]であった。時刻同期を行った本提案の通信プロトコルでは、稼働時間は約16秒で消費電力は3.14[mW/h]であった。
従来の通信手法に対して、今回考案した通信プロトコルでは時刻同期を行うことにより、フィールドサーバ1台あたりの稼働時間を最大30秒に短縮でき、約2倍の効率で低消費電力の実現に成功した。
[Consideration of communication protocol and power consumption]
We consider the communication protocol devised this time, especially the effect of time synchronization. Conventionally, the field server we developed uses a communication method that does not synchronize time with the same hardware configuration. In this method, a broadcast signal serving as a data reception confirmation and a sleep command is sent from a master unit to all field servers at regular intervals. The time interval for sending the broadcast signal must be set in consideration of the time error in the field server. Therefore, it is necessary to set a wide interval. In addition, it is necessary to set a wide time interval in proportion to the increase in the number of field servers managed by the master unit. This is because all fluctuations in time due to the increase in the number of units must be allowed. In the case of seven units, which is the same number as the field example we are assuming, the operation time per field server is a minimum of 48 seconds and the power consumption is 6.10 [mW / h]. In the proposed communication protocol with time synchronization, the operation time was about 16 seconds and the power consumption was 3.14 [mW / h].
Compared to the conventional communication method, the communication protocol devised this time can synchronize the time to shorten the operating time per field server to a maximum of 30 seconds, and succeeded in realizing low power consumption with about twice the efficiency. did.

[まとめ]
田植えから稲刈りまでの6ヶ月間稼働するフィールドサーバ開発とLoRaを用いた圃場管理向け通信プロトコルについて述べた。特に時刻同期を行う通信プロトコルの安定性について述べた。提案した通信プロトコルを用いてネットワークを構築し、検証を行った。その結果、センサデータ送信は1,185回行われ、そのうち9回が再送1回目で成功した。そのため1回目の通信に失敗した場合でも、すべてのフィールドサーバからセンサデータの受信に成功することが確認できた。
フィールドサーバの消費電力については、1日あたり75.36[mW]であった。よって、理論上995日の連続稼働が可能であることを確認した。
各フィールドサーバの起動タイミングとしては、おおよそ5〜6秒のずれが生じる。しかし、このずれによって他のフィールドサーバに干渉することはない。そのため、この通信プロトコルにおいて時刻同期は効果的であり、稼働時間に比例する誤差増加を減少することができた。
これらのことから、本フィールドサーバは安定して長期間の稼働が可能であるため、圃場管理システムに有効である。そのため、農作業の負荷低減に本システムは非常に期待できる。
しかし考案した通信プロトコルでは、同一の周波数で管理できるフィールドサーバの台数に制約があり、120台を超える接続ができない。そのため、考案した通信プロトコルを拡張し、マルチホップに対応することで接続台数の上限を改善する必要がある。
[Summary]
This paper describes the development of a field server that operates for 6 months from rice planting to rice harvesting and the communication protocol for field management using LoRa. In particular, the stability of the communication protocol for time synchronization was described. The network was constructed and verified using the proposed communication protocol. As a result, sensor data was transmitted 1,185 times, 9 of which succeeded in the first retransmission. Therefore, even if the first communication failed, it was confirmed that the sensor data was successfully received from all field servers.
The power consumption of the field server was 75.36 [mW] per day. Therefore, it was theoretically confirmed that 995 days of continuous operation was possible.
As the start timing of each field server, a deviation of approximately 5 to 6 seconds occurs. However, this deviation does not interfere with other field servers. Therefore, time synchronization is effective in this communication protocol, and an increase in error proportional to the operation time can be reduced.
From these facts, this field server can operate stably for a long period of time, which is effective for a field management system. Therefore, this system can be very expected to reduce the load of farm work.
However, the devised communication protocol has restrictions on the number of field servers that can be managed at the same frequency, and cannot connect more than 120 servers. Therefore, it is necessary to improve the upper limit of the number of connections by extending the devised communication protocol and supporting multi-hop.

次に、本発明の無線通信システムのデータ収集方法の実施の形態について説明する。
本実施の形態では、無線通信システムを、圃場の環境情報を各種センサによって取得および活用するための圃場管理システムとする。
Next, an embodiment of the data collection method of the wireless communication system of the present invention will be described.
In the present embodiment, the wireless communication system is a field management system for acquiring and utilizing field environment information by various sensors.

[ルーティングトポロジーと通信手順]
稲作向け圃場管理システムでは、電池等で田植えから稲刈りまでの6か月間稼働を行う必要がある。また、センサで取得したデータは遅延なく農業従事者に提供する必要がある。ここでは、1ラウンドに於いて全データを収集するのにかかる時間を最小化し、また、制約条件として各子機が6か月以上稼働とする消費電力とすることを目標とする。親機および子機はすべて時刻同期が行われていることを前提し、各子機は同じ時刻に起動するとする。データ送受信時は、親機、子機とも1回の処理で高々1つの子機もしくは親機としか通信できない、もしくは1個の子機、親機からすべてのノードへのブロードキャストが行えることとする。そのため、親機および各子機において、同期を取りながら規定されたタイミングでブロードキャスト、子機からのデータを親機が受信、子機は親機もしくは別の子機にデータを送信する。これを繰り返すことで、すべての子機が持つデータを親機に収集する。
[Routing topology and communication procedure]
In the field management system for rice cultivation, it is necessary to operate for 6 months from rice planting to harvesting with batteries. In addition, it is necessary to provide the data acquired by the sensor to farmers without delay. Here, the goal is to minimize the time it takes to collect all data in one round and to set the power consumption so that each slave unit operates for 6 months or more as a constraint. It is assumed that the master unit and the slave unit are all synchronized in time, and each slave unit starts at the same time. At the time of data transmission / reception, the master unit and slave units can communicate with at most one slave unit or master unit in a single process, or broadcast from one slave unit or master unit to all nodes can be performed. . Therefore, in the master unit and each slave unit, broadcasting is performed at a prescribed timing while synchronizing, the master unit receives data from the slave unit, and the slave unit transmits data to the master unit or another slave unit. By repeating this, the data held by all the slave units is collected in the master unit.

提案手法の基本的な考え方を説明する。データはなるべく早く農業従事者に提示することが望ましいため、親機は休みなくデータを子機から受信し、インタネット上のクラウドに蓄積することとする。また、消費電力削減の目的で子機はなるべく早くデータを送信し、データ送信が完了次第電源をOffにすることが望まれる。そこで、子機は必ず最も自分に近い子機もしくは親機にデータを送信し、送信が完了したら電源をOffにすることとする。
送信処理は同期しながら、同じ間隔で繰り返し行われる。1回の送信処理で、稼働している子機、親機はコネクションを確立後、データを送信するため、その時点で稼働している子機数は、第Tステップの子機の数をN(T)とすると、次式(数6)となる。

Figure 2019009626
即ち、1回の処理で必ず約1/2の子機の電源をoffできることとなる。これを繰り返すことにより、データ収集に必要な時間を最小限に抑えることが可能となる。また稼働時間も抑えることが出来るため、低電力化にも寄与する。 Explain the basic concept of the proposed method. Since it is desirable to present the data to the farmer as soon as possible, the parent device receives data from the child device without interruption and stores it in the cloud on the Internet. Further, for the purpose of reducing power consumption, it is desired that the slave unit transmits data as soon as possible, and turns off the power as soon as the data transmission is completed. Therefore, the slave unit always transmits data to the closest slave unit or master unit, and turns off the power when the transmission is completed.
The transmission process is repeated at the same interval while being synchronized. The slave units and master units that are operating in one transmission process send data after establishing a connection. The number of slave units that are operating at that time is N Assuming (T), the following equation (Equation 6) is obtained.
Figure 2019009626
That is, it is possible to always turn off about 1/2 of the power of the slave unit in one process. By repeating this, the time required for data collection can be minimized. In addition, since the operation time can be suppressed, it contributes to low power consumption.

図8に提案手法のネットワークトポロジーを示す。枝に付けられた番号はデータが送信されるステップ数を表す。この例では子機が11個、親機が1個である。
まず、親機に最も近い子機から親機に対してデータを転送する。同時に子機間の距離が最も近い子機とコネクションが確立され、親機に遠い方の子機から近い方の子機へデータを転送する。次にデータ送信が完了した子機は電源をoffにする。この処理をデータ送信が完了していないノードがなくなるまで繰り返す。提案手法のルーティングプロトコルは以下の通りである。
(1) 各子機に電源が投入され、起動する
(2) 親機から子機へブロードキャストにより送信要求を送付する
(3) 送信要求を受けた子機はデータを取得する
(4) 親機に最も近い子機が親機にデータを送信する。残りの子機は最も距離が近い子機同士でコネクションを確立し、データを親機から遠い方の子機から親機に近い子機へ送信する
(5) データの送信が完了したノードは電源をoffにする
(6) (4)、(5)の処理をすべての子機がデータを転送し、電源OFFされるまで繰り返す
Figure 8 shows the network topology of the proposed method. The number attached to the branch represents the number of steps at which data is transmitted. In this example, there are 11 slave units and 1 master unit.
First, data is transferred from the slave unit closest to the master unit to the master unit. At the same time, a connection is established with the child device having the shortest distance between the child devices, and data is transferred from the child device farther to the parent device to the nearest child device. Next, the slave unit that has completed data transmission is turned off. This process is repeated until there are no nodes for which data transmission has not been completed. The routing protocol of the proposed method is as follows.
(1) Each slave unit is turned on and started
(2) Send a transmission request from the master unit to the slave unit by broadcast
(3) The slave unit that receives the transmission request acquires the data
(4) The slave unit closest to the master unit sends data to the master unit. The remaining slave units establish a connection between the slave units that are the closest to each other, and send data from the slave unit farther away from the master unit to the slave unit that is close to the master unit.
(5) Turn off the power of the node that has completed data transmission
(6) Repeat steps (4) and (5) until all slave units have transferred data and turned off.

[ルーティングネットワークグラフとデータ収集手順]
ここでは、ルーティングネットワークグラフ作成手順について説明を行う。ルーティングネットワークグラフとは、子機、親機間、子機、子機間でデータを送信する順序、方向、送信タイミングを記載した表=グラフである。送信処理は、このグラフに従って行われる。ルーティングネットワークを有効グラフ G=(V, E)で定義することとし、Vはノードの集合で、親機と子機がノードとなる。Eは枝の集合で枝e={I, j}はノードiからノードjへデータが送信することを表す。E_iはiステップでデータが送信される枝の集合を表す。ここで、以後の議論を簡単にするため、次のように記号を定義しておく。
V:{N1,N2}ノードの集合
N2:子機ノードの集合
N1:親機ノードの集合
n_0:親機ノード
n_j:子機ノードj where j=1,2,3…
l:親機ノードの数
m:子機ノードの数
e={n_j, n_i}:ノードn_iからノードn_jへのデータ送信
E_i:ステップiでの枝の集合
E={E_1, E_2、 …}
F:送信完了ノードの集合
G:送信未完了ノードの集合
Neighbor(j, G):送信が完了していないノード集合Gの中でノードjに最も距離が近いノード
far(j, G):送信が完了していないノード集合Gの中でノードjに最も距離が遠いノード
[Routing network graph and data collection procedure]
Here, the routing network graph creation procedure will be described. The routing network graph is a table = graph describing the order, direction, and transmission timing of data transmission between slave units, between master units, slave units, and between slave units. The transmission process is performed according to this graph. A routing network is defined by an effective graph G = (V, E), where V is a set of nodes, and a parent device and a child device are nodes. E is a set of branches, and branch e = {I, j} indicates that data is transmitted from node i to node j. E_i represents a set of branches to which data is transmitted in i steps. Here, in order to simplify the following discussion, symbols are defined as follows.
V: A set of {N1, N2} nodes
N2: Set of slave nodes
N1: Set of master nodes
n_0: Master node
n_j: Slave node j where j = 1,2,3…
l: Number of master nodes
m: Number of slave nodes
e = {n_j, n_i}: Data transmission from node n_i to node n_j
E_i: Set of branches at step i
E = {E_1, E_2,…}
F: Set of transmission completion nodes
G: Set of incomplete transmission nodes
Neighbor (j, G): Node closest to node j in node set G for which transmission has not been completed
far (j, G): Node farthest from node j in node set G that has not been transmitted

ルーティングネットワークグラフ作成プログラムを以下に示す。
Procedure Routing(V, E)
1: F={n_0};
2: G=N2;
3: t=0;
4: While(Gに属するノードが存在する) {
5: /*親機への送信*/
6: t=t+1;
7: i= Neighbor(n_0, G);
/*親機に最も近い子機ノードを見つける. */
8: 枝{n_0, i}を生成し、tタイムステップでの処理を表す集合E_tに入れる
9: ノードiを未送信集合Gから削除する.
10: ノードiを送信完了集合Fに入れる.
11: /*子機間のデータ転送*/
12: T=G;
13: While(Tに属するノードが存在する) {
14: j=far(n_0,T);
15: jをTから削除する。
16: i=Neighbor(j,T)
17: iをTから削除する。
18: 枝{I, j}を生成し、tタイムステップでの処理を表す集合E_tに入れる;
19: ノードjを未送信集合Gから削除する.
20: ノードjを送信完了集合Fに入れる.
21: }
22:}
The routing network graph creation program is shown below.
Procedure Routing (V, E)
1: F = {n_0};
2: G = N2;
3: t = 0;
4: While (nodes belonging to G exist) {
5: / * Send to master * /
6: t = t + 1;
7: i = Neighbor (n_0, G);
/ * Find the child node closest to the parent device * /
8: Create a branch {n_0, i} and put it in the set E_t representing the processing at t time steps
9: Delete node i from unsent set G.
10: Put node i into the transmission complete set F.
11: / * Data transfer between slave units * /
12: T = G;
13: While (nodes belonging to T exist) {
14: j = far (n_0, T);
15: Delete j from T.
16: i = Neighbor (j, T)
17: Delete i from T.
18: generate a branch {I, j} and put it in a set E_t representing processing at t time steps;
19: Delete node j from unsent set G.
20: Put node j into transmission complete set F.
twenty one: }
twenty two:}

図8に示す親機1個、子機11個の例を用いてプログラムの動きを説明する。
第1ステップでは親機に最も近い子機5が選ばれ、親機への送信を表す枝が張られる。次に親機から最も遠くにある子機11が選ばれ、子機11に最も近い子機7への枝が張られる。同様に、子機3から子機2への枝、子機10から子機9への枝、子機8から子機6への枝、子機4から子機1への枝が作成され、第1ステップが完了する。第2ステップでは、第1ステップ同様に、親機から最も近い子機9から親機への枝が作成され、子機7から子機6への枝、子機2から子機4への枝が作成される。第3ステップでは、子機4から親機への枝、第4ステップでは子機6から親機への枝が作成される。
The operation of the program will be described using the example of one master unit and 11 slave units shown in FIG.
In the first step, the child device 5 closest to the parent device is selected, and a branch representing transmission to the parent device is stretched. Next, the slave unit 11 farthest from the master unit is selected, and a branch to the slave unit 7 closest to the slave unit 11 is stretched. Similarly, a branch from handset 3 to handset 2, a branch from handset 10 to handset 9, a branch from handset 8 to handset 6, and a branch from handset 4 to handset 1 are created, The first step is complete. In the second step, as in the first step, a branch from the child device 9 closest to the parent device to the parent device is created, a branch from the child device 7 to the child device 6, and a branch from the child device 2 to the child device 4. Is created. In the third step, a branch from the child device 4 to the parent device is created, and in the fourth step, a branch from the child device 6 to the parent device is created.

次にデータ収集通信手順について説明を行う。ルーティングネットワーク作成プログラムで作成されたグラフの木構造に従い、データを親機に収集する。ここでは、図8の例を用いて動作を説明する。
第1ステップでは、第1ステップでの処理を表す枝集合E_1に属する枝に対応する送信が親機から子機11、子機11から子機7、子機3から子機2、子機10から子機9、子機8から子機6、子機4から子機1への送信が行われる。送信を受けた子機は自分が保持していたデータと送られてきたデータを1パケットとし、次の送信に備える。
第2ステップでは、第2ステップでの処理を表す枝集合E_2に属する枝に対応する送信、子機9から親機、子機7から子機6、子機2から子機4の送信が行われる。
第3ステップでは、枝集合E_3に属する枝に対応する送信、子機4から親機への送信が行われる。
第4ステップでは、枝集合E_4に属する枝に対応する送信、子機6から親機への送信が行われる。
データ収集に必要なステップ数は、Tステップに於ける起動中の子機の数をN(T)とすると次式(数7)が成立する。

Figure 2019009626
即ち、N(T+1)=0 となるTがデータをすべて親機に送信するのに必要なステップとなる。例えば子機が10個の例の場合、
Figure 2019009626
となり、4ステップですべてのデータを親機に送信できることとなる。 Next, the data collection communication procedure will be described. Data is collected in the parent machine according to the tree structure of the graph created by the routing network creation program. Here, the operation will be described using the example of FIG.
In the first step, transmissions corresponding to branches belonging to the branch set E_1 representing the processing in the first step are transmitted from the parent device to the child device 11, from the child device 11 to the child device 7, from the child device 3 to the child device 2, and to the child device 10. To the slave unit 9, the slave unit 8 to the slave unit 6, and the slave unit 4 to the slave unit 1 are transmitted. The slave unit that has received the transmission sets the data held by itself and the transmitted data as one packet, and prepares for the next transmission.
In the second step, transmissions corresponding to the branches belonging to the branch set E_2 representing the processing in the second step, transmission from the slave unit 9 to the master unit, slave unit 7 to the slave unit 6, and transmission from the slave unit 2 to the slave unit 4 are performed. Is called.
In the third step, transmission corresponding to the branches belonging to the branch set E_3 and transmission from the child device 4 to the parent device are performed.
In the fourth step, transmission corresponding to the branches belonging to the branch set E_4 and transmission from the child device 6 to the parent device are performed.
The number of steps required for data collection is given by the following equation (Equation 7), where N (T) is the number of active slave units in the T step.
Figure 2019009626
That is, T in which N (T + 1) = 0 is a necessary step for transmitting all data to the parent device. For example, in the case of 10 slave units,
Figure 2019009626
Thus, all data can be sent to the main unit in 4 steps.

[シミュレーションによる性能評価]
すべての子機データの収集に必要な時間、消費電力を確認するシミュレーションを行った。シミュレータはC言語で作成した。まず、消費電力の計算方法について説明する。親機は常時電源が供給されるため、その消費電力を考察の範囲から除外し、子機のみ計算することとした。各子機は、電池を保持しており、75,000(mWh)の容量があるものとした。子機は動作状態に応じ6つのモード(表8)があるとした。なお、LoRaを用いた消費電力実測値報告(寺田 恵太郎, 豊田 真治, 平田 忠明, 高田 裕也, 松本 恵子, 袖 美樹子LoRaを用いた圃場管理向け通信プロトコルの提案DICOMO2017))を参考に電流消費は下記の通りと仮定した。ここでデータ転送時の電力値が複数存在するのは、送信電力が距離に依存するためであり、距離と実験機器に設定できる送信電力モードに応じて53mA、62mA、69mA、78mAとした。

Figure 2019009626
[Performance evaluation by simulation]
A simulation was conducted to confirm the power consumption and the time required to collect all the handset data. The simulator was created in C language. First, a method for calculating power consumption will be described. Since the main unit is always supplied with power, its power consumption is excluded from the scope of consideration and only the sub unit is calculated. Each slave unit holds a battery and has a capacity of 75,000 (mWh). The slave unit has six modes (Table 8) according to the operating state. In addition, the current consumption based on the actual power consumption report using LoRa (Keitaro Terada, Shinji Toyoda, Tadaaki Hirata, Yuya Takada, Keiko Matsumoto, Mikiko Sode) Proposed communication protocol for field management using LoRa) Assuming that Here, there are a plurality of power values at the time of data transfer because the transmission power depends on the distance, and it is set to 53 mA, 62 mA, 69 mA, and 78 mA depending on the distance and the transmission power mode that can be set in the experimental equipment.
Figure 2019009626

また、システム立ち上げ、センサデータ取得に必要な時間は、実験用器材の実測値から60秒、またデータの送受信に必要な時間は3.4秒とした。各ラウンドでは、まず各子機が起動時間になったらシステムを起動し、センサからデータを取得する。次に親機がデータ送信要求をすべての子機に対し送信する。子機はデータ送信要求を受信したらデータ収集フェーズに移行し、センサからのデータを取得、データを親機へ送信する手順を実行する。各子機はデータの送信が完了したら低消費電力を実現する目的で電源をoffにする。本シミュレーションでは、時刻同期が完全に行われていると仮定する。また、データ送受信の失敗はないものとした。
ところで、子機によるデータの結合時間に関しては、本来ならば時間測定を行い、それに基づき消費電力を導出すべきであるが、実装上、送信すべきデータを連続した領域に並べて配置するようにした関係上、送信時の消費電力に含めてよいほど微細であり今回のシミュレーションでは無視している。今後、マージする子機数が増加した場合には配慮すべき点であるが、今回は送信時の動作に含まれるとした。
表9に、作成したデータの親機と子機の配置について説明する。ここでは親機を中心として、指定した半径にランダムに子機を指定個数配置した。DATA1は親機1、子機99とし、親機と子機の分散範囲は半径500mとした。DATA2は、親機1、子機200とし、親機と子機の分散範囲は半径500mとした。DATA3は、親機1、子機300とし、親機と子機の分散範囲は半径3000mとした。子機の数、および距離の選定理由は、実際の圃場で農業従事者が連続的に監視するエリアの大きさ、またそれを子機に置き換えた場合に必要な子機数、圃場全域のサイズを考慮して決定した。
比較はDirect、PEGASIS、EPEGASIS、CHIONと提案手法でシミュレーションにより行った。また、比較を行った項目は、以下の3つの項目とした。その理由は、農業従事者が水田のデータをリアルタイムに確認出来る事、即ちデータ収集時間最小、田植えから稲刈りまでの6か月間電池で稼働することとした事に起因する。
(1) 1ラウンドに於けるデータ収集に必要な時間
(2) 1ラウンドに於ける総消費電力
(3) 最大稼働日数

Figure 2019009626
In addition, the time required for system startup and sensor data acquisition was 60 seconds from the measured values of experimental equipment, and the time required for data transmission / reception was 3.4 seconds. In each round, the system is first activated when each slave unit reaches the activation time, and data is acquired from the sensor. Next, the master unit transmits a data transmission request to all the slave units. When the slave unit receives the data transmission request, the slave unit proceeds to the data collection phase, and acquires data from the sensor and executes a procedure for transmitting the data to the master unit. When the data transmission is completed, each slave unit is turned off for the purpose of realizing low power consumption. In this simulation, it is assumed that time synchronization is complete. Also, there was no failure in data transmission / reception.
By the way, regarding the data combining time by the slave unit, the time should be measured and the power consumption should be derived based on the time measurement. However, the data to be transmitted is arranged in a continuous area for implementation. For this reason, it is so fine that it can be included in the power consumption during transmission, and is ignored in this simulation. In the future, it should be considered when the number of slave units to be merged increases, but this time it is included in the operation at the time of transmission.
Table 9 describes the arrangement of the created master unit and slave units. Here, a specified number of slave units are randomly arranged at a specified radius with the master unit as the center. DATA1 is the base unit 1 and handset 99, and the dispersion range of the base unit and the handset is a radius of 500m. DATA2 is the master unit 1 and the slave unit 200, and the dispersion range of the master unit and the slave unit is a radius of 500 m. DATA3 is set as the master unit 1 and the slave unit 300, and the dispersion range of the master unit and the slave unit is set to a radius of 3000 m. The number of slave units and the reason for selecting the distance are the size of the area that the farmer continuously monitors in the actual field, the number of slave units required when replacing it with the slave units, and the size of the entire field. Was determined in consideration of
Comparisons were made by simulation with Direct, PEGASIS, EPEGASIS, CHION and the proposed method. The items compared were the following three items. The reason for this is that the farmer can check the paddy field data in real time, that is, the data collection time is minimum, and the battery is operated for 6 months from rice planting to rice harvesting.
(1) Time required for data collection in one round
(2) Total power consumption in one round
(3) Maximum working days
Figure 2019009626

DATA1のシミュレーション結果を表10、図9に示す。提案手法は、他の方法と比べ、データを親機に収集する時間が最も短い事が分かる。また、消費電力、寿命も最も小さいことが分かる。結果的に理論値に於いては、田植えから稲刈りまでの期間6か月稼働できることが分かる。
図9では各ステップに於ける送信完了ノード数を示す。Directはノードが直接親機にデータを送信するため、1ノードずつ親機へのデータ送信が完了する。その為、線形に送信完了ノード数が増加することが分かる。PEGASISは、チェインでデータを送っていく仕組みであるため、最終チェインヘッドがデータを親機に送信した時にすべての子機データが親機に送信されたことになる。その為最後の時刻ですべてのデータが親機に送信され、処理が完了することが分かる。EPEGASISは、複数のチェインを作成しチェインに沿ってデータをチェインヘッドに送って行き、次に各チェインヘッドがデータを親機にデータを送る仕組みである。その為データは、数度にわたり親機に送られ、階段状にデータ送信完了ノードが増加している。CHIRONは複数の小さな領域に分け、その領域でチェインを形成しデータをチェインヘッドに収集し、チェインヘッドがデータを親機に送信する仕組みである。その為、小さなクラスタ毎データが収集され親機に送られることが確認できる。
一方、提案手法は、まず1子機分のデータが親機に送られ、次に2子機分のデータが親機に送られ、次に4子機分のデータが送られる。この様に親機に送られるデータの個数は毎回2倍で増加していく。この為急速にデータが収集されることが確認できる。結果として、提案する手法が最も高速にデータ収集可能なことが確認出来る。

Figure 2019009626
The simulation results for DATA1 are shown in Table 10 and Fig. 9. It can be seen that the proposed method has the shortest time to collect data in the parent device compared to other methods. Moreover, it turns out that power consumption and a lifetime are the smallest. As a result, it can be seen that the theoretical value can be operated for 6 months from rice planting to rice harvesting.
FIG. 9 shows the number of transmission completion nodes in each step. Since Direct transmits data directly to the parent device, data transmission to the parent device is completed one node at a time. Therefore, it can be seen that the number of transmission completion nodes increases linearly. Since PEGASIS is a mechanism that sends data in a chain, when the last chain head sends data to the parent machine, all the child machine data is sent to the parent machine. Therefore, it is understood that all data is transmitted to the parent device at the last time and the processing is completed. EPEGASIS is a mechanism in which a plurality of chains are created, data is sent along the chain to the chain head, and then each chain head sends the data to the base unit. For this reason, the data is sent to the parent machine several times, and the data transmission completion nodes increase stepwise. CHIRON is a mechanism that divides the data into multiple small areas, forms a chain in each area, collects the data in the chain head, and transmits the data to the base unit. Therefore, it can be confirmed that small data for each cluster is collected and sent to the master unit.
On the other hand, in the proposed method, data for one slave unit is first sent to the master unit, then data for two slave units is sent to the master unit, and then data for four slave units is sent. In this way, the number of data sent to the base unit increases by a factor of two each time. For this reason, it can be confirmed that data is collected rapidly. As a result, it can be confirmed that the proposed method can collect data at the highest speed.
Figure 2019009626

DATA2に対するシミュレーション結果を表11に示す。提案手法は、他の方法と比べ、データを親機に収集する時間が最も短い事が分かる。また、消費電力、寿命も最も小さいことが分かる。また、理論値に於いては、田植えから稲刈りまでの期間6か月稼働できることが分かる。また、提案手法は、DATA1と比べ子機数が2倍となっているが収集に必要な時間の増加は3秒と短いことが分かる。
DATA3に対するシミュレーション結果を表12に示す。提案手法は、他の方法と比べ、データを親機に収集する時間が最も短い事が分かる。また、消費電力、寿命も最も小さいことが分かる。また、理論値に於いては、田植えから稲刈りまでの期間6か月稼働できることが分かる。また、DATA1と比べ子機数が3倍となっているが収集に必要な時間の増加は6秒と短いことが分かる。

Figure 2019009626
Figure 2019009626
Table 11 shows the simulation results for DATA2. It can be seen that the proposed method has the shortest time to collect data in the parent device compared to other methods. Moreover, it turns out that power consumption and a lifetime are the smallest. In addition, the theoretical value shows that it can operate for 6 months from rice planting to rice harvesting. The proposed method has double the number of handsets compared to DATA1, but the increase in the time required for collection is as short as 3 seconds.
Table 12 shows the simulation results for DATA3. It can be seen that the proposed method has the shortest time to collect data in the parent device compared to other methods. Moreover, it turns out that power consumption and a lifetime are the smallest. In addition, the theoretical value shows that it can operate for 6 months from rice planting to rice harvesting. In addition, the number of handsets is three times that of DATA1, but the increase in time required for collection is as short as 6 seconds.
Figure 2019009626
Figure 2019009626

図10に1ラウンドに於ける稼働時間を示す。Direct、PEGASISはデータ数が増加するに従い、データの親機への送信時間が増加し稼働時間が急激に増加していることが分かる。
図11は、図10からEPEGASIS、CHIRON、提案手法を抜き出し図示したものである。この図から、提案手法はデータ数増加に対するデータ収集に必要な時間の増加率が最も小さく、子機数が増えても短い時間でデータを収集可能であることが分かる。また、伸び率はノード数に対して3%の伸びであることが分かる。このため、想定した圃場管理システムにとって、最も適した方法と考えられる。
Fig. 10 shows the operating time in one round. With Direct and PEGASIS, as the number of data increases, the transmission time of data to the base unit increases and the operation time increases rapidly.
FIG. 11 shows EPEGASIS, CHIRON, and the proposed method extracted from FIG. From this figure, it can be seen that the proposed method has the smallest increase rate of time required for data collection with respect to the increase in the number of data, and can collect data in a short time even if the number of slave units increases. It can also be seen that the growth rate is 3% of the number of nodes. For this reason, it is considered the most suitable method for the assumed field management system.

[まとめ]
水田は他の圃場と異なり電源供給が難しい点に加え、農作業の障害となる大型の発電装置を設置することは困難である。その為、フィールドサーバは電池等で動作しなくてはならず、低消費電力化に課題があった。また、通信に供する回線使用料は農耕に必要なコスト全体から考えると可能な限り低減せざるを得ない。我々は、IoT向け通信規格であるISMバンドを用いた低消費電力かつ伝送距離の長いLoRaを用いた圃場間通信の検討を行った。
電源の無い環境で、田植えから収穫までの6か月稼働するセンサノードである子機と親機間において、短時間でデータの収集を可能とするルーティング手法を提案した。提案手法は、センサから取得したデータを保持する各子機間、子機と親機間で、データのマージ処理および伝達を行うことによって、データ収集に必要な時間を短縮する特徴を持ち、従来手法とのシミュレーションを用いた比較の結果、子機のデータを親機に収集する収集時間が最も短いことが確認できた。また、消費電力も従来方法と比べ小さいことが確認できた。さらに、子機数の増加による親機へのデータ収集に必要な時間の伸び率が他の手法と比べ小さく、有効な方法であることが確認できた。
稲作圃場の状況をタイムリーに伝達可能とする本提案は、農作業の負担軽減に有益な手法と考える。今後は、親機の受信能力や、子機間のデータのルーティング方法、データの集約個数などのパラメータを増減することによって、圃場に最適な解を得るため、シミュレーションおよびフィールドでの実験を進める予定である。
[Summary]
Unlike other fields, paddy fields are difficult to supply with power, and it is also difficult to install large power generators that hinder farm work. Therefore, the field server has to operate with a battery or the like, and there is a problem in reducing power consumption. In addition, the line usage fee for communication must be reduced as much as possible in view of the total cost required for agriculture. We studied low power consumption and long distance transmission using LoRa using ISM band, which is a communication standard for IoT.
We proposed a routing method that enables data to be collected in a short time between the slave unit and the master unit, which are sensor nodes that operate for 6 months from rice planting to harvesting in a power-free environment. The proposed method has the feature of shortening the time required for data collection by performing merge processing and transmission of data between each slave unit that holds the data acquired from the sensor, and between the slave unit and the master unit. As a result of comparison with the method, it was confirmed that the collection time for collecting the data of the slave unit in the master unit was the shortest. Moreover, it has confirmed that power consumption was also small compared with the conventional method. Furthermore, it was confirmed that the rate of time required for data collection to the parent unit due to the increase in the number of slave units was small compared to other methods, and it was an effective method.
This proposal to enable timely transmission of the state of rice farming is a useful technique for reducing the burden of farm work. In the future, we plan to proceed with simulations and field experiments in order to obtain optimal solutions for the field by increasing / decreasing parameters such as the reception capability of the master unit, the data routing method between slave units, and the number of data aggregates. It is.

本発明は、低消費電力で稼働させることができる無線通信システムの時刻同期方法及びデータ収集方法であり、産業上の利用可能性を有する。

The present invention is a time synchronization method and a data collection method of a wireless communication system that can be operated with low power consumption, and has industrial applicability.

Claims (7)

親機と、センサに接続された複数の子機とを備える無線通信システムの時刻同期方法において、
前記子機が自身の内部時計に基づいて起動すると同時にスリープモードから送信モードに切り替わり、センサデータを取得する第1ステップと、
前記子機が前記センサデータを前記親機に送信し、その後一定時間受信モードに切り替わる第2ステップと、
前記親機が前記センサデータを受信した場合、前記子機に対して実時間に基づいた時刻補正信号を送信する第3ステップと、
前記子機が前記受信モード中に前記時刻補正信号を受信した場合、前記内部時計を補正すると共にスリープモードに切り替わる第4ステップと、
前記子機が前記受信モード中に前記時刻補正信号を受信しなかった場合、前記受信モードから送信モードに切り替わり、前記センサデータを前記親機に再送信し、受信モードに切り替わる第5ステップを少なくとも備えることを特徴とする無線通信システムの時刻同期方法。
In a time synchronization method of a wireless communication system including a parent device and a plurality of child devices connected to sensors,
The slave unit is activated based on its own internal clock and simultaneously switches from the sleep mode to the transmission mode, and obtains sensor data;
A second step in which the slave unit transmits the sensor data to the master unit and then switches to a reception mode for a certain period of time;
When the master unit receives the sensor data, a third step of transmitting a time correction signal based on real time to the slave unit;
When the slave unit receives the time correction signal during the reception mode, a fourth step of correcting the internal clock and switching to the sleep mode;
When the slave unit does not receive the time correction signal during the reception mode, the reception mode is switched to the transmission mode, the sensor data is retransmitted to the master unit, and at least a fifth step of switching to the reception mode is performed. A time synchronization method for a wireless communication system, comprising:
前記第2ステップにおいて、前記子機の受信モード中に他の子機の起動時刻になった場合、当該受信モード中の子機がスリープモードに切り替わることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システムの時刻同期方法。   2. The radio according to claim 1, wherein, in the second step, when the start time of another slave unit is reached during the reception mode of the slave unit, the slave unit in the reception mode is switched to the sleep mode. A time synchronization method for a communication system. 前記第5ステップにおいて、前記時刻補正信号を受信しなかった子機がランダム時間経過後に前記センサデータを前記親機に再送信することを特徴とする請求項1又は2に記載の無線通信システムの時刻同期方法。   The wireless communication system according to claim 1 or 2, wherein, in the fifth step, a slave unit that has not received the time correction signal retransmits the sensor data to the master unit after a lapse of a random time. Time synchronization method. 前記無線通信システムに子機が新しく追加された場合、
前記追加された子機が前記時刻補正信号を要求する信号を前記親機に送信するステップと、
前記親機が前記要求信号を受け取った場合、前記追加された子機に対して前記時刻補正信号を送信するステップと、
前記追加された子機が前記時刻補正信号を受信し、前記内部時計を補正すると共にスリープモードに切り替わるステップを備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の無線通信システムの時刻同期方法。
When a slave unit is newly added to the wireless communication system,
A step of transmitting a signal for requesting the time correction signal from the added slave unit to the master unit;
When the master unit receives the request signal, transmitting the time correction signal to the added slave unit;
The wireless communication system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a step in which the added slave unit receives the time correction signal, corrects the internal clock, and switches to a sleep mode. Time synchronization method.
親機と、センサに接続された複数の子機とを備える無線通信システムのデータ収集方法において、
複数の子機のうち親機に最も近い子機が親機にセンサデータを転送すると共に当該センサデータ転送後の子機がスリープモード又は電源オフに切り替わる第1−1ステップと、
第1−1ステップと同時に、親機に最も近い子機以外の複数の子機のうち距離が最も近い2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち親機に遠い方の子機が近い方の子機へセンサデータを転送すると共に当該センサデータ転送後の子機がスリープモード又は電源オフに切り替わる第1−2ステップと、
スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち親機に最も近い子機が親機にセンサデータを転送すると共に当該センサデータ転送後の子機がスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−1ステップと、
第2−1ステップと同時に、スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち距離が最も近い2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち親機に遠い方の子機が近い方の子機へセンサデータを転送すると共に当該センサデータ転送後の子機がスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−2ステップとを備えており、
以後、全ての子機が親機にセンサデータを転送してスリープモード又は電源オフになるまで第2−1ステップ及び第2−2ステップを繰り返し行なうことを特徴とする無線通信システムのデータ収集方法。
In a data collection method of a wireless communication system comprising a parent device and a plurality of child devices connected to sensors,
The first step in which the child device closest to the parent device among the plurality of child devices transfers the sensor data to the parent device and the child device after the sensor data transfer is switched to the sleep mode or the power off,
At the same time as Step 1-1, a connection is established between the two slave units that are closest to each other among the slave units other than the slave unit closest to the master unit, and the parent of the two slave units that have established the connection is established. The first and second steps in which the slave unit farther to the machine transfers the sensor data to the closer slave unit and the slave unit after the sensor data transfer is switched to sleep mode or power off,
The slave unit closest to the master unit among the plurality of slave units that have not been switched to the sleep mode or power off transfers the sensor data to the master unit, and the slave unit after the sensor data transfer is switched to the sleep mode or power off. −1 step,
Simultaneously with Step 2-1, a connection is established between the two slave units that are closest to each other among the plurality of slave units that are not switched to the sleep mode or power off, and the parent of the two slave units that have established the connection is established. The remote unit that is far from the machine transfers the sensor data to the nearby slave unit, and the slave unit after the sensor data transfer includes a step 2-2 for switching to the sleep mode or turning off the power.
Thereafter, the data collection method of the wireless communication system, wherein all the slave units transfer the sensor data to the master unit and repeat the steps 2-1 and 2-2 until the sleep mode or the power is turned off. .
親機と、センサに接続された複数の子機とを備える無線通信システムのデータ収集方法において、
前記複数の子機が自身の内部時計に基づいて起動すると同時にスリープモード又は電源オフから送信モードに切り替わり、センサデータを取得する第1ステップと、
複数の子機のうち親機に最も近い子機Aが親機にセンサデータを転送し、次に前記子機Aに対して親機が実時間に基づいた時刻補正信号を送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機Aが自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−1ステップと、
第2−1ステップと同時に、前記子機A以外の複数の子機のうち距離が最も近い2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち親機に遠い方の子機B1が近い方の子機B2へセンサデータを転送し、次に前記近い方の子機B2が自身の内部時計に基づいた時刻補正信号を前記遠い方の子機B1に送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記遠い方の子機B1が自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−2ステップと、
スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち親機に最も近い子機Cが親機にセンサデータを転送し、次に前記子機Cに対して親機が実時間に基づいた時刻補正信号を送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機Cが自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第3−1ステップと、
第3−1ステップと同時に、スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち距離が最も近い2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち親機に遠い方の子機D1が近い方の子機D2へセンサデータを転送し、次に前記近い方の子機D2が自身の内部時計に基づいた時刻補正信号を前記遠い方の子機D1に送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記遠い方の子機D1が自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第3−2ステップとを備えており、
以後、全ての子機が親機にセンサデータを転送してスリープモード又は電源オフになるまで第3−1ステップ及び第3−2ステップを繰り返し行なうことを特徴とする無線通信システムのデータ収集方法。
In a data collection method of a wireless communication system comprising a parent device and a plurality of child devices connected to sensors,
A first step of acquiring the sensor data by switching from the sleep mode or the power-off to the transmission mode at the same time when the plurality of slave units is activated based on its own internal clock;
Of the plurality of slave units, the slave unit A closest to the master unit transfers the sensor data to the master unit, and then the master unit transmits a time correction signal based on real time to the slave unit A, and then The slave unit A that has received the time correction signal corrects its own internal clock and is switched to the sleep mode or the power-off step 2-1;
At the same time as step 2-1, a connection is established between the two child devices closest to each other among the plurality of child devices other than the child device A, and the two child devices that have established the connection are far from the parent device. The remote handset B1 transfers the sensor data to the close handset B2, and then the close handset B2 transmits a time correction signal based on its internal clock to the far handset B1. Next, the far-end slave unit B1 that has received the time correction signal corrects its own internal clock and is switched to the sleep mode or the power-off step 2-2,
Of the plurality of slave units that have not been switched to the sleep mode or power off, the slave unit C closest to the master unit transfers the sensor data to the master unit, and then the master unit is based on the real time for the slave unit C. Step 3-1 for transmitting a time correction signal and then receiving the time correction signal, the slave unit C correcting its own internal clock and switching to sleep mode or power off;
Simultaneously with Step 3-1, a connection is established between the two slave units that are closest to each other among the plurality of slave units that are not switched to the sleep mode or power off, and the parent of the two slave units that have established the connection is established. The remote slave D1 transfers the sensor data to the remote slave D2, and then the remote slave D2 sends a time correction signal based on its internal clock to the remote slave D1. The remote handset D1 that has received the time correction signal and then corrected the internal clock of the remote handset D1 and is switched to the sleep mode or the power-off step 3-2.
Thereafter, the data collection method of the wireless communication system, wherein all the slave units transfer the sensor data to the master unit and repeat the steps 3-1 and 3-2 until the sleep mode or the power is turned off. .
親機と、センサに接続された複数の子機とを備える無線通信システムのデータ収集方法において、
前記複数の子機が自身の内部時計に基づいて起動すると同時にスリープモード又は電源オフから送信モードに切り替わり、センサデータを取得する第1ステップと、
複数の子機のうち親機に最も近い子機Aが親機にセンサデータを転送し、次に前記子機Aに対して親機が実時間に基づいた時刻補正信号を送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機Aが自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−1ステップと、
第2−1ステップと同時に、前記子機A以外の複数の子機のうち2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち一方の子機B1が他方の子機B2へセンサデータを転送し、次に前記子機B2が自身の内部時計に基づいた時刻補正信号を前記子機B1に送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機B1が自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第2−2ステップと、
スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち親機に最も近い子機Cが親機にセンサデータを転送し、次に前記子機Cに対して親機が実時間に基づいた時刻補正信号を送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機Cが自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第3−1ステップと、
第3−1ステップと同時に、スリープモード又は電源オフに切り替わっていない複数の子機のうち2つの子機同士でコネクションを確立し、当該コネクションを確立した2つの子機のうち一方の子機D1が他方の子機D2へセンサデータを転送し、次に前記子機D2が自身の内部時計に基づいた時刻補正信号を前記子機D1に送信し、次に前記時刻補正信号を受信した前記子機D1が自身の内部時計を補正すると共にスリープモード又は電源オフに切り替わる第3−2ステップとを備えており、
以後、全ての子機が親機にセンサデータを転送してスリープモード又は電源オフになるまで第3−1ステップ及び第3−2ステップを繰り返し行なうことを特徴とする無線通信システムのデータ収集方法。
In a data collection method of a wireless communication system comprising a parent device and a plurality of child devices connected to sensors,
A first step of acquiring the sensor data by switching from the sleep mode or the power-off to the transmission mode at the same time when the plurality of slave units is activated based on its own internal clock;
Of the plurality of slave units, the slave unit A closest to the master unit transfers the sensor data to the master unit, and then the master unit transmits a time correction signal based on real time to the slave unit A, and then The slave unit A that has received the time correction signal corrects its own internal clock and is switched to the sleep mode or the power-off step 2-1;
At the same time as step 2-1, a connection is established between two child devices out of the plurality of child devices other than the child device A, and one child device B1 of the two child devices that have established the connection is connected to the other child device. The sensor data is transferred to the slave unit B2, then the slave unit B2 transmits a time correction signal based on its own internal clock to the slave unit B1, and then the slave unit B1 that has received the time correction signal 2-2 step of correcting its own internal clock and switching to sleep mode or power off;
Of the plurality of slave units that have not been switched to the sleep mode or power off, the slave unit C closest to the master unit transfers the sensor data to the master unit, and then the master unit is based on the real time for the slave unit C. Step 3-1 for transmitting a time correction signal and then receiving the time correction signal, the slave unit C correcting its own internal clock and switching to sleep mode or power off;
Simultaneously with Step 3-1, a connection is established between two slave units among a plurality of slave units that have not been switched to the sleep mode or power off, and one of the two slave units that have established the connection D1 Transfers the sensor data to the other slave unit D2, and then the slave unit D2 transmits a time correction signal based on its own internal clock to the slave unit D1, and then receives the time correction signal. The machine D1 has its own internal clock and has a third and second steps for switching to sleep mode or power off.
Thereafter, the data collection method of the wireless communication system, wherein all the slave units transfer the sensor data to the master unit and repeat the steps 3-1 and 3-2 until the sleep mode or the power is turned off. .
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