JP2019036845A - 無線通信装置、無線通信プログラム、及び無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 移動体（基地局）により効率的にデータを収集できる無線通信装置を提供する。【解決手段】 本発明の無線通信装置は、第１の無線通信方式又は当該第１の無線通信方式に比べて省電力で動作する第２の無線通信方式により無線通信を行う無線通信手段と、前記無線通信手段の前記第１の無線通信方式と前記第２の無線通信方式を切り替える無線通信方式切り替え手段と、少なくとも前記第２の無線通信方式の使用を禁止する特定のメッセージを含む信号を受信した場合、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第２の無線通信方式から前記第１の無線通信方式に切り替え、所定のタイミングで、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第１の無線通信方式から前記第２の無線通信方式に切り替える制御を行う制御手段とを有することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、無線通信装置、無線通信プログラム、及び無線通信システムに関し、例えば、移動体内に搭載される基地局と、橋梁等のインフラ（インフラ構造物）に設置されるセンサノードとからなる無線通信システムに適用し得るものである。

近年、国や地方自治体が管理するインフラの将来的な損傷・劣化等を予測・把握し、最も費用対効果の高い維持管理を行うアセットマネジメントが提唱されている。

例えば、非特許文献１に記載の技術では、インフラに所定のセンサノードを設置して、インフラの監視（モニタリング）を行い、モニタリングしたデータ（センサデータ）を、無線通信により収集する。収集の際には、収集作業の手間を省くために車等の移動体に基地局を搭載して、移動しながらインフラに設置した各センサノードのデータを収集する。

ところで、データ収集の際には、センサデータが不正に取り出されないように、基地局と各センサノード間で認証処理をする必要がある。センサノードのバッテリサイズが十分大きい場合、無線通信手段として無線ＬＡＮを使うと通信レートが高い（１００Ｍｂｐｓ以上）ので、移動する車とセンサノード間で認証処理の手続き及びセンサデータの授受は問題なく実施できる。

「アセットマネジメントへの適用を見据えた路車間無線通信モニタリング」、貝戸清之、松岡弘大、坂井康人、川上順子、荒川貴之、金川昌弘、小林潔司、応用力学論文集、Ｖｏｌ．１３、ｐｐ．１０１７−１０２８、２０１０年

しかしながら、省電力動作するセンサノードと通信をするには数秒程度の時間が掛かる。時間が掛かる理由は、センサノードが省電力動作をしているためである。省電力動作をしているノードに対してデータを送信する場合、データ送信の他に数秒程度のオーバヘッドが必要となる。例えば、標準的な省電力動作無線通信方式であるＣＳＬ（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｌｉｓｔｅｎｉｎｇ）を利用するノードに対してデータを送信する場合、データ送信の前に間欠受信間隔分のｗａｋｅｕｐフレーム連続送信期間（数秒オーダー）が必要となる。よって、移動する車（基地局）とセンサノードの間ではデータのやりとりがスムーズに実地できない。

また、センサノードは電池駆動のため省電力で動作する必要があり、通信レートを上げて通信に係る期間を短くしたり、通信出力を上げて通信距離を伸ばすことで、センサデータの受け渡しにかかる時間を確保するという方法を採用することは現実的ではない。

さらに、待機電力が低い無線部（例えば３１５ＭＨｚの微弱無線）と通信レートが高い無線部（例えば１００ｋｂｐｓ〜数十Ｍｂｐｓ）といった２つの無線部を備え、待機電力が低い無線部へのセンサデータ要求信号を受信した際に、通信レートが高い無線部を動作させてセンサデータを送信するという方式も考えられるが、無線機を複数台管理する必要があり現実的ではない。

そのため、所定箇所に配置された省電力通信方式を採用する無線通信装置から、移動体（基地局）により効率的にデータを収集できる無線通信装置、無線通信プログラム、及び無線通信システムが望まれている。

第１の本発明の無線通信装置は、（１）第１の無線通信方式又は当該第１の無線通信方式に比べて省電力で動作する第２の無線通信方式により無線通信を行う無線通信手段と、（２）前記無線通信手段の前記第１の無線通信方式と前記第２の無線通信方式を切り替える無線通信方式切り替え手段と、（３）少なくとも前記第２の無線通信方式の使用を禁止する特定のメッセージを含む信号を受信した場合、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第２の無線通信方式から前記第１の無線通信方式に切り替え、所定のタイミングで、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第１の無線通信方式から前記第２の無線通信方式に切り替える制御を行う制御手段とを有することを特徴とする。

第２の本発明の無線通信プログラムは、無線通信装置に搭載されるコンピュータを、（１）第１の無線通信方式又は当該第１の無線通信方式に比べて省電力で動作する第２の無線通信方式により無線通信を行う無線通信手段と、（２）前記無線通信手段の前記第１の無線通信方式と前記第２の無線通信方式を切り替える無線通信方式切り替え手段と、（３）少なくとも前記第２の無線通信方式の使用を禁止する特定のメッセージを含む信号を受信した場合、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第２の無線通信方式から前記第１の無線通信方式に切り替え、所定のタイミングで、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第１の無線通信方式から前記第２の無線通信方式に切り替える制御を行う制御手段として機能させることを特徴とする。

第３の本発明の無線通信システムは、移動体に搭載された基地局と、１又は複数の無線通信装置とを有する無線通信システムにおいて、前記無線通信装置として第１の本発明の無線通信装置を適用したことを特徴とする。

本発明によれば、所定箇所に配置された省電力通信方式を採用する無線通信装置から、移動体（基地局）により効率的にデータを収集できる。

実施形態に係るセンサノードの機能的構成について示すブロック図である。 実施形態に係る無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。 実施形態に係る基地局の機能的構成について示すブロック図である。 実施形態に係る無線通信システムの動作を示すシーケンス図である。

（Ａ）主たる実施形態
以下、本発明に係る無線通信装置、無線通信プログラム、及び無線通信システムの実施形態を、図面を参照しながら詳述する。

（Ａ−１−１）全体構成
図２は、実施形態に係る無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。

図２では、無線通信システム１が、基地局１０、２台のセンサノード２０（２０−１、２０−２）を有する場合を例示する。勿論、センサノード２０の数は特に限定されるものではない。なお、基地局１０及びセンサノード２０の通信方式は、限定されるものではなく、例えば、種々の無線ＬＡＮインタフェースを適用することができる。

基地局１０は、無線通信システム１の全体を管理する機能を有し、各センサノード２０のセンサデータを収集するものとする。なお、この実施形態では、基地局１０は移動体（例えば、乗用車、自動二輪車等）に搭載され、移動しながら各センサノード２０のセンサデータを収集することを前提としている。

センサノード２０は、所定のセンサが搭載（又は接続）され、基地局１０の取得要求に応じてセンサデータ（センシングデータ）を、基地局１０に送信する。

（Ａ−１−２）センサノード２０の詳細な構成
図１は、実施形態に係るセンサノードの機能的構成について示すブロック図である。図１において、センサノード２０は、通信部２１、通信モード切り替え制御部２２、及びセンサ２３を有する。なお、図１に示すセンサノード２０の各構成は、一部についてソフトウェア的に構成しても良い。

通信部２１は、通信時にオーバヘッドはあるが省電力で動作をする「省電力通信モード」で通信する機能と、省電力通信時よりもオーバヘッドの少ない通常通信をする「通常通信モード」で通信する機能を有する。通信部２１は、通信モード切り替え制御部２２からの指示により自身の通信モードを、省電力通信モード又は通常通信モードに切り替える。なお、省電力通信モードには種々様々な省電力無線通信方式（例えば、ＣＳＬ）を適用することができる。

通信モード切り替え制御部２２は、通信部２１の通信モードを省電力通信モードから通常通信モードへ、又は省電力通信モードから通常通信モードへ切り替える機能を有する。

省電力通信モードから通常通信モードへのモード切替の契機は、例えば、基地局１０から「省電力通信モードを一定期間禁止」のメッセージを受信したタイミングである。また、省電力通信モードから通常通信モードへのモード切替の契機として、例えば、予め設定してある時刻タイマからの時刻通知が来たタイミング、振動センサの振動により車に搭載された基地局１０が接近したことを検知したタイミング等でも良い。

また、通常通信モードから省電力通信モードへのモード切替の契機は、省電力通信モードを一定期間禁止のメッセージから一定期間経過（例えば、数ミリ秒〜数秒）したタイミング、通常通信モードに変更してからセンサデータを規定回数送信したタイミング等である。

センサ２３は、温度センサ、湿度センサ、加速度センサ、変位センサ、振動センサ、赤外線イメージセンサ等、様々な種類のセンサを用いて、橋梁等のインフラ構造物にかかる計測対象物理量をセンシングするものである。センサ２３が測定したセンサデータは、基地局から１０の要求により通信部２１を介して送信される。

（Ａ−１−３）基地局１０の詳細な構成
図３は、実施形態に係る基地局の機能的構成について示すブロック図である。図３において、基地局１０は、通信部１１、通信モード切り替え制御部１２、及び基地局制御部１３を有する。なお、図３に示す基地局１０の各構成は、一部についてソフトウェア的に構成しても良い。

通信部１１は、省電力通信モードで通信する機能と、通常通信モードで通信する機能を有する。また、通信部１１は、通信モード切り替え制御部１２からの指示により自身の通信モードを、省電力通信モード又は通常通信モードに切り替える。

通信モード切り替え制御部１２は、通信部１１の通信モードを省電力通信モードから通常通信モードへ、又は省電力通信モードから通常通信モードへ切り替える制御を行う。

基地局制御部１３は、通信モード切り替え制御部１２を用いて通信部１１の通信モードを切り替える制御と、通信部１１を用いてセンサノード２０と通信する制御を行う。

（Ａ−２）実施形態の動作
次に、以上のような構成を有する実施形態の無線通信システム１の動作を、図面を参照しながら説明する。

図４は、実施形態に係る無線通信システムの動作を示すシーケンス図である。なお、センサノード２０−１及び２０−１の通信部２１は、初期状態では省電力通信モードで動作していることを前提とする。基地局１０は、乗用車に搭載され移動しながら各センサノード２０のセンサデータを収集する。

基地局１０は、省電力通信モードのセンサノード２０−１、２０−２に対して、ｗａｋｅｕｐデータの送信後、「省電力通信モードを一定期間禁止」という内容のメッセージ（スリープ停止信号）を送信する（Ｓ１０１）。

省電力通信モードを一定期間禁止のメッセージを受信したセンサノード２０−１、２０−２は、通信部２１の通信モードを一定期間、省電力通信モードから通常通信モードへ変更する（Ｓ１０２）。

基地局１０は、通信モードを変更したセンサノード２０−１、２０−２に対して、個別にユニキャストを用いてセンサデータを収集する（Ｓ１０３）。具体的には、基地局１０は、センサノード２０−１、２０−２に対してセンサデータの取得要求を送信する。この取得要求を受けたセンサノード２０−１、２０−２は自身のセンサ２３がセンシングしたセンサデータを基地局１０に返信する。

センサデータが収集されたセンサノード２０−１、２０−２は、通信部２１の通信モードを通常通信モードから省電力通信モードへ変更する。

（Ａ−３）実施形態の効果
この実施形態によれば、インフラ構造物に設置されたセンサノード２０が省電力通信モードで動作していたとしても、基地局１０が、特定のメッセージを送信することにより、データ収集のタイミングでは、センサノード２０は通常通信モードで動作することになる。これにより、基地局１０は車等の移動体からシームレスにセンサデータを収集することができる。つまり、従来のセンサノードの省電力動作のために必要となる数秒間のオーバヘッド（スリープ期間）が無くなるため、その分だけ、移動体（基地局１０）によるセンサデータ収集の効率が向上する。

（Ｂ）他の実施形態
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するような変形実施形態も挙げることができる。

（Ｂ−１）上記実施形態では、図４のステップＳ１０１の処理において、基地局１０から各センサノード２０に対して、省電力通信モードを一定期間禁止するメッセージを送信する例を示したが、変形例として認証子を付して送信し、各センサノード２０でメッセージ認証ができるようにしても良い。これにより、各センサノード２０は、悪意のあるノードからの信号により無駄に起動してバッテリ（電池）を消耗することを回避できる。また、認証の方法としては、種々様々な手法を適用することができるが、例えば、共通鍵を利用する方法、又はノード内に公開鍵を保有し、認証子をそれに対応する秘密鍵で生成する方法が存在する。

（Ｂ−２）上記実施形態では、図４のステップＳ１０１の処理において、基地局１０から各センサノード２０に対して、省電力通信モードを一定期間禁止するメッセージを送信し、その後、通常通信モードに移行した各センサノード２０がセンサデータを基地局１０に送信する例を示した。変形例として、各センサノード２０は、基地局１０から省電力通信モードを一定期間禁止するメッセージを受信した後、周囲のセンサノード２０に対して自身のセンサデータを送信しても良い。その上で、基地局１０からユニキャストでセンサデータの収集要求があった場合には事前に収集した周囲のセンサデータを送信しても良い。これにより、基地局１０は周囲のセンサノード２０のセンサデータの取りこぼしが少なくなる。

（Ｂ−３）上記実施形態では、図４のステップＳ１０１の処理において、基地局１０から各センサノード２０に対して、省電力通信モードを一定期間禁止するメッセージを送信する例を示したが、変形例として、当該メッセージ内に省電力通信モードを禁止する期間を具体的に記述しても良い。これにより、システムを柔軟に運用することができる。

（Ｂ−４）上記実施形態では、図４のステップＳ１０１の処理において、基地局１０から各センサノード２０に対して、省電力通信モードを一定期間禁止するメッセージをブロードキャストする例を示した。当該メッセージのブロードキャストを多くのセンサノード２０に届く方法で実施すると、その分だけブロードキャスト通信をする回数を減らすことができるので、システムの利便性を向上できる。例えば、基地局１０の通信部１１は省電力通信モードを一定期間禁止のメッセージを送信出力を上げてブロードキャストしても良い。また、移動体に搭載された基地局１０は、センサノード２０の配置状況に応じて指向性の高いアンテナを用いても良い。

１…無線通信システム、１０…基地局、１１…通信部、１２…通信モード切り替え制御部、１３…基地局制御部、２０（２０−１、２０−２）…センサノード、２１…通信部、２２…通信モード切り替え制御部、２３…センサ。

Claims (8)

1. 第１の無線通信方式又は当該第１の無線通信方式に比べて省電力で動作する第２の無線通信方式により無線通信を行う無線通信手段と、
   前記無線通信手段の前記第１の無線通信方式と前記第２の無線通信方式を切り替える無線通信方式切り替え手段と、
   少なくとも前記第２の無線通信方式の使用を禁止する特定のメッセージを含む信号を受信した場合、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第２の無線通信方式から前記第１の無線通信方式に切り替え、所定のタイミングで、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第１の無線通信方式から前記第２の無線通信方式に切り替える制御を行う制御手段と
   を有することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記特定のメッセージの認証を行う認証手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記特定のメッセージの認証に成功した場合のみ、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第２の無線通信方式から前記第１の無線通信方式に切り替える
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記特定のメッセージには、前記第２の無線通信方式の使用を禁止する所定の期間が含まれ、
   前記所定のタイミングは、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第２の無線通信方式から前記第１の無線通信方式に切り替えた後、前記所定の期間が経過したタイミングである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信装置。
4. 前記制御手段は、前記特定のメッセージを受信し、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第２の無線通信方式から前記第１の無線通信方式に切り替えた後、周囲の他の無線通信装置に対して、自身が保持する所定のデータを送信することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の無線通信装置。
5. 移動体に搭載された基地局と、１又は複数の無線通信装置とを有する無線通信システムにおいて、
   前記無線通信装置として請求項１〜４のいずれかの無線通信装置を適用したことを特徴とする無線通信システム。
6. 前記基地局は、前記第２の無線通信方式により前記特定のメッセージを含む信号をブロードキャストすることを特徴とする請求項５に記載の無線通信システム。
7. 前記基地局は、前記第２の無線通信方式により前記特定のメッセージを含む信号を、ユニキャスト通信時よりも送信出力を上げてブロードキャストすることを特徴とする請求項６に記載の無線通信システム。
8. 無線通信装置に搭載されるコンピュータを、
   第１の無線通信方式又は当該第１の無線通信方式に比べて省電力で動作する第２の無線通信方式により無線通信を行う無線通信手段と、
   前記無線通信手段の前記第１の無線通信方式と前記第２の無線通信方式を切り替える無線通信方式切り替え手段と、
   少なくとも前記第２の無線通信方式の使用を禁止する特定のメッセージを含む信号を受信した場合、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第２の無線通信方式から前記第１の無線通信方式に切り替え、所定のタイミングで、前記無線通信手段の無線通信方式を前記第１の無線通信方式から前記第２の無線通信方式に切り替える制御を行う制御手段と
   して機能させることを特徴とする無線通信プログラム。

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