JP2020119149A - 無線通信装置、無線通信プログラム、及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】データ送受信量を可能な限り減少させ、無線機の電池寿命を大幅に伸ばすことができる無線通信装置を提供する。
【解決手段】無線通信装置１０は、少なくとも加速度センサ１０７を備える無線通信装置１０であって、加速度センサ１０７が測定した一定時間の加速度データに対して、フーリエ変換を含む所定の演算を行い、周波数スペクトルを取得するデータ演算手段１０６と、周波数スペクトルを送信する送信手段１０１とを備える。
【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、及び無線通信方法に関し、例えば、橋梁などの振動する構造物に固定設置されたセンサを内蔵した無線機と情報を蓄積、管理する機器からなるネットワークにおける、無線機に適用できる。

従来、振動する構造物（例えば、橋梁）に種々のセンサを設置し、構造物の健全性を測定する試みが数多くなされてきた（特許文献１参照）。例えば、加速度センサによる固有周波数の測定である。固有周波数とは、各構造物の長さ、太さ、重量などから定まる一定の周波数のことであり、衝撃を加えると特に固有周波数における振動が卓越して発生する。

構造物が劣化すると固有周波数が変化することが知られており、目視や他の方法による劣化検出よりも劣化の予兆を捉えることができると考えられている。

ところで、従来のセンサシステムでは、加速度センサが出力する加速度値を全て保存していた。振動の周波数を求めるためには加速度値をフーリエ変換する必要があり、多くの計算能力を必要としたためである。フーリエ変換の原理から、計測したい最大周波数の２倍以上の周波数（頻度）でデータを取得する必要があり、取得するデータ量は多くなる。従って、センサとデータ保存用の機器（多くの場合はパソコン）をケーブルで按続し、データを取得することが一般的であった。

一方で、構造物が存在する場所は屋外であり、多くの場合アクセスが容易ではない。橋梁であれば川の上であり、機器を設置できるのは車の走行がない裏側になる。このような場所にケーブルで接続する多くの機器を持ち込むのは困難である。また、センサ機器やデータ保存用の機器の動作には電源が必要となることも多いが、このような場所では電源の確保も困難である。

再表２０１７／０６４８５４号公報

近年の通信技術の発達により、小型の無線機とセンサ機器を電池で動作させることが可能となりつつある。

しかしながら、構造物の監視という特性上、無線機は電池駆動であっても年単位での動作が求められる。センサ値の取得は可能でも、大量のデータ送受信は消費電力が大きく困難である。

また、データを保存する機器の消費電カは大きく、多くの場合電源が必要となる。構造物の周辺では簡単に電源を確保し、風雨に耐えられる場所がないこともあり、設置コストが増加する原因となる。

そのため、データ送受信量を可能な限り減少させ、無線機の電池寿命を大幅に伸ばすことができる無線通信装置、無線通信プログラム、及び無線通信方法が望まれている。

第１の本発明は、少なくとも加速度センサを備える無線通信装置であって、（１）前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データに対して、フーリエ変換を含む所定の演算を行い、周波数スペクトルを取得するデータ演算手段と、（２）前記周波数スペクトルを送信する送信手段とを備え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、少なくとも加速度センサを備える無線通信装置に搭載されるコンピュータを、（１）前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データに対して、フーリエ変換を含む所定の演算を行い、周波数スペクトルを取得するデータ演算手段と、（２）前記周波数スペクトルを送信する送信手段として機能させることを特徴とする。

第３の本発明は、少なくとも加速度センサを備える無線通信装置に使用する無線通信方法であって、データ演算手段及び送信手段を備え、（１）前記データ演算手段は、前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データに対して、フーリエ変換を含む所定の演算を行い、周波数スペクトルを取得し、（２）前記送信手段は、前記周波数スペクトルを送信することを特徴とする。

本発明によれば、データ送受信量を可能な限り減少させ、無線機の電池寿命を大幅に伸ばすことができる。

実施形態に係る無線機の内部構成を示す内部構成図である。 実施形態に係るデータ計測システムの全体構成を示す全体構成図である。 実施形態に係る無線機の特徴動作（データ演算）について示すフローチャートである。 実施形態に係る周波数スペクトルのピーク及び高さの一例を示す説明図である。 実施形態に係る周波数スペクトル（不要なピークを含む）の一例を示す説明図である。

（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、及び無線通信方法の主たる実施形態を、図面を参照しながら詳述する。

（Ａ−１）実施形態の構成
［全体構成］
図２は、実施形態に係るデータ計測システムの全体構成を示す全体構成図である。

図２において、実施形態に係るデータ計測システムは、無線機１０（１０−１〜１０−ｎ）、親機２０、及びデータ保存装置３０を有する。

図１において、各無線機１０と親機２０との間のネットワークはセンサネットワークＳＮである。一般的に、センサネットワークＳＮの通信方式は、特定小電力無線方式などに代表される低速な無線通信方式を適用することができる。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ／ｎなどに代表される無線ネットワーク規格、若しくは、ＩＥＥＥ８０２．１５．４、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信方式であっても構わない。センサネットワークＳＮは、基幹ネットワークＮＴに比べ低速な通信方式である。

親機２０、及びデータ保存装置３０の間のネットワークは基幹ネットワークＮＴである。基幹ネットワークＮＴは、例えば、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ又はＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）である。基幹ネットワークＮＴは、無線回線であってもよいし、有線回線であってもよい。

データ計測システム１は、データ保存装置３０が、親機２０を介して、各無線機１０のセンサデータを収集するシステムである。データ計測システム１は、主として、各無線機１０、親機２０及びデータ保存装置３０を有して構成される。

［無線機］
無線機１０は、主にセンサ、データ演算手段、及び通信手段を有する。無線機１０は、１種類のセンサのみを有するようにしてもよいし、複数種類のセンサを有するようにしてもよい（この実施形態では、少なくとも加速度センサを備えるものとする）。また、同じ種類のセンサを複数個有するようにしてもよい。各センサが周期的にセンシングする周期（計測周期）は、センサの種類やシステム運用に応じて決めることができる。

無線機１０は、内蔵しているセンサがセンシングしたセンサデータを、演算処理し、演算処理後のデータを親機２０に送信する。なお、この実施形態において、無線機１０は、例えば、橋梁等の構造物に固定する形で設置されているものとする。

［親機２０］
親機２０は、センサネットワークＳＮと、基幹ネットワークＮＴとの間でデータを中継する機能を有する。親機２０は、各無線機１０からデータを受信すると、各無線機１０のデータを含む情報をデータ保存装置３０に送信する。これにより、センサデータをデータ保存装置３０に与えることができる。

［データ保存装置］
データ保存装置３０は、親機２０を介して、各無線機１０からセンサデータを含む情報を収集し、各データを保存（蓄積管理）する。なお、変形例として、親機２０及びデータ保存装置３０の装置が一体化した構成としても良い。

［無線機の内部構成］
図１は、実施形態に係る無線機１０の内部構成を示す内部構成図である。

図１において、無線機１０は、送信手段１０１、受信手段１０２、データ転送手段１０３、データ受信手段１０４、データパケット生成手段１０５、データ演算手段１０６、及び加速度センサ１０７を有する。

本実施形態に係る無線機は、その各部をハードウェアによって構成しても良く、また、一部の構成についてはソフトウェア的に構成しても良い。

送信手段１０１は、後述するデータパケット生成手段１０５で生成されたパケットを親機２０（又は他の無線機１０）へ送信するものである。

受信手段１０２は、親機２０（又は他の無線機１０）が送信したパケットを受信するものである。

データ転送手段１０３は、受信したパケットが自分宛ではなかったとき、又は自身がデータを発生したときに転送先を決定するものである。

データ受信手段１０４は、自分宛のパケットを処理するものである。例えば、データ受信手段１０４は、親機２０からセンシングデータの送信を指示する旨のパケットを受信した場合、加速度センサ１０７による測定制御を行う。

データパケット生成手段１０５は、データ演算手段１０６で処理されたデータをパケット化（パケットに分割）する機能部である。

データ演算手段１０６は、加速度センサ１０７が計測したデータに対して、所定の演算処理を行うものである。処理後のデータは、データパケット生成手段１０５に供給される。データ演算手段１０６の詳細は動作の項で述べる。

加速度センサ１０７は、橋梁等の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。また、加速度センサの他に、温度センサ、湿度センサ、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も良い。

（Ａ−２）実施形態の動作
次に、以上のような構成を有するこの実施形態のデータ計測システム１の動作を、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態ではデータ計測システム１を構成する各無線機１０のデータ演算の処理について特徴が存在するので、以下では、無線機１０のデータ演算の処理を中心に説明を行う。

［無線機の特徴動作］
図３は、実施形態に係る無線機１０の特徴動作（データ演算）について示すフローチャートである。

データ演算手段１０６は、加速度センサ１０７が計測した一定の時間の加速度データを保存し、その後、保存したデータに対してフーリエ変換を行い、（ある時刻における）周波数スペクトルを得る（Ｓ１０１）。

データ演算手段１０６は、上述のステップＳ１０１の処理を繰り返し、得られた周波数スペクトルを時間的に平均化する（Ｓ１０２）。上述のステップＳ１０１の処理を繰り返す回数は事前に指定するか、又は周波数スペクトルに変化がなくなったときに取得を終了する構成としても良い。

データ演算手段１０６は、上述のステップＳ１０２の処理で得られた周波数スペクトルから、ピーク値を取り出す（Ｓ１０３）。また、データ演算手段１０６は、そのピークの高さも併せて出力する。

ここで、周波数スペクトルのピークとは、前後のデータよりも数値が大きいものである。また、ピークの高さは、ピークから周波数を、（１）より高いピーク、又は（２）周波数スペクトルの終端まで、前後に移動させて算出する。例えば、移動後の点と元のピークとの間におけるスペクトルの最小値を求める。最小値の算出候補は、スペクトルの終端、又は途中の谷のいずれかが基準となる。データ演算手段１０６は、２つの最小値のうち、大きい方とピークとの差を高さとする。

図４は、実施形態に係る周波数スペクトルのピーク及び高さの一例を示す説明図である。

各ピーク（Ｐ１〜Ｐ３）から下に伸びている矢印がそれぞれの高さ（Ｈ１〜Ｈ３）を示す。例えば、ピークＰ２の高さＨ２は、より高いピークであるＰ３まで移動させたと仮定すると、途中の谷である基準Ｓ２が基準となる。そうすると、ピークＰ２の高さＨ２は、ピークＰ２から基準Ｓ２を差し引いた値（矢印部分）がその高さとなる。

一方、ピークＰ１は、より高いピークが存在しないため、周波数スペクトルの終端まで、前後に移動させて算出することになる。即ち、ピークＰ１の高さＨ１は、ピークＰ１から終端（基準Ｓ１）を差し引いた値（矢印部分）がその高さとなる。

データ演算手段１０６は、上述のステップＳ１０３の処理で、得られたピーク値と高さから、不要なピークを除去する（Ｓ１０４）。

ここで、フーリエ変換の結果得られるスペクトルにはサイドロープと呼ばれる離散化に伴って発生した細かいピークが多数存在するのが一般的である。図５は、実施形態に係る周波数スペクトル（不要なピークを含む）の一例を示す説明図である。

図５において、例えば、矢印Ａで示した小さな凹凸がサイドロープである。このようなピークは実際（無限に長い時間、非常に高周期でサンプリングした場合）には存在しない上に、ピークの分析においてはノイズとなる無意味な情報であるため、削除する。削除方法としては、種々様々な方法を適用できるが、例えば、周辺のピークとの高さの比率が一定値以下の場合にはサイドロープであると判断して削除する方法などが考えられる。

データ演算手段１０６は、過去（前回）のＳ１０４の処理の結果（又はステップＳ１０３の処理の結果）を保持しており、その過去の結果と今回の結果が異なるか否か判定し（Ｓ１０５）、異なる場合のみ演算したデータ（ピーク情報）を出力する（Ｓ１０６）。過去と現在のデータの差異は、例えば、顕著な差異（所定値分のズレ）がある場合のみ、異なると判定する。

ここで、上述のステップＳ１０１〜Ｓ１０６の処理の或る時点でデータを出力（親機２０に送信）する場合、以下のような動作例となる。

第１の動作例として、無線機１０は、上述のステップＳ１０２の処理により得られた周波数スペクトルを送信する。この場合、加速度センサ１０７の動作周波数の半分が最大周波数、上述のステップＳ１０１の処理で用いたデータ数の半分が周波数スペクトルサンプル数（周波数０〜最大周波数を区切るデータ数）となる。

第２の動作例として、無線機１０は、上述のステップＳ１０３の処理により得られたピーク値とその高さを送信する。

第３の動作例として、無線機１０は、上述のステップＳ１０４の処理により得られた不要なピークを除去した後の残ったピーク値とその高さを送信する。

第４の動作例として、無線機１０は、上述のステップＳ１０５及びＳ１０６の処理により得られた出力を送信する。

まとめると、第４の動作例（最適な構成例）が最も送信するデータ量が減少し、第４の動作例に近づくほど、送信されるデータ量が減少することになる。なお、最もデータ減少量が少ない第１の動作例でも、従来（そのままセンシングデータを送信する）に比べれば有利な効果を奏する。

［データ保存装置の特徴動作］
データ保存装置３０では、親機２０を介して、無線機１０から送信されたパケットを受信し、毎回複数のピーク値とその高さが収集される。異常を検知するためには、データ保存装置３０はそれぞれのピークが以前のどのピークに対応するのかを求める必要がある。

次に、データ保存装置３０は、ピークデータの中から多くの測定時にピークが得られているデータを固有周波数として抽出する。

次に、データ保存装置３０は、抽出したピークデータの周波数の変化を検知し、異常か否かを判定する。ピーク周波数は、劣化以外に、温度などによって変化することが知られており、劣化以外の原因も加味してピーク周波数が変化しているか否かを判定する必要がある。

また、データ保存装置３０は、複数の無線機１０からデータを受信している場合には、無線機１０毎に結果を求めることになる。複数の無線機１０が同一の構造物に取り付けられている場合には、無線機１０毎の結果を統合し判断することで、より正確な判断が可能となる。

（Ａ−３）実施形態の効果
本実施形態によれば、無線機１０がデータ演算手段１０６を備え、データ送信前に、データ保存装置３０の処理で不要なデータを削除することにより、送信データ量を減らすことが可能となる。つまり、構造物に設置した無線機１０の電池寿命を延ばすことができる。

（Ｂ）他の実施形態
本発明は、上記の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）上記の実施形態では、上述のステップＳ１０１の処理において、データ演算手段１０６は、加速度データ値の最小値、最大値を求め、振動の有無を検出しても良い。データ演算手段１０６は、振動がないと判断した場合には、フーリエ変換以降の動作を行わず、データを破棄する。これは、振動がない場合には固有周波数における振動が見られないか、微少で検知できないため、以降の計算、通信などが無駄になるためである。また、これらに要する電力も無駄となる。無駄を削減することで無線機１０の電池寿命を延ばすことができる。

（Ｂ−２）データ保存装置３０の機能（ピーク周波数が変化しているか否かを判定し、異常を検知する機能）は、無線機１０又は親機２０が備えていても良い。

１…データ計測システム、１０…無線機、２０…親機、３０…データ保存装置、１０１…送信手段、１０２…受信手段、１０３…データ転送手段、１０４…データ受信手段、１０５…データパケット生成手段、１０６…データ演算手段、１０７…加速度センサ、ＮＴ…基幹ネットワーク、ＳＮ…センサネットワーク。

第１の本発明は、少なくとも加速度センサを備える無線通信装置であって、（１）前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データに対して、フーリエ変換を含む所定の演算を行い、周波数スペクトルを取得するデータ演算手段と、（２）前記周波数スペクトルを送信する送信手段とを備え、（３）前記データ演算手段は、前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データから、最大値及び最小値を求めることで、振動の有無を判断し、振動がないと判断した場合には、前記所定の演算を行わずデータを破棄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、少なくとも加速度センサを備える無線通信装置に搭載されるコンピュータを、（１）前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データに対して、フーリエ変換を含む所定の演算を行い、周波数スペクトルを取得するデータ演算手段と、（２）前記周波数スペクトルを送信する送信手段として機能させ、（３）前記データ演算手段は、前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データから、最大値及び最小値を求めることで、振動の有無を判断し、振動がないと判断した場合には、前記所定の演算を行わずデータを破棄することを特徴とする。

第３の本発明は、少なくとも加速度センサを備える無線通信装置に使用する無線通信方法であって、データ演算手段及び送信手段を備え、（１）前記データ演算手段は、前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データに対して、フーリエ変換を含む所定の演算を行い、周波数スペクトルを取得し、（２）前記送信手段は、前記周波数スペクトルを送信し、（３）前記データ演算手段は、前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データから、最大値及び最小値を求めることで、振動の有無を判断し、振動がないと判断した場合には、前記所定の演算を行わずデータを破棄することを特徴とする。

Claims (8)

1. 少なくとも加速度センサを備える無線通信装置であって、
   前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データに対して、フーリエ変換を含む所定の演算を行い、周波数スペクトルを取得するデータ演算手段と、
   前記周波数スペクトルを送信する送信手段と
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記データ演算手段は、前記周波数スペクトルからピーク周波数と高さを算出し、
   前記送信手段は、少なくとも１以上のピーク周波数と高さを送信する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記データ演算手段は、前記周波数スペクトルから周辺のピークとの高さの比率を用いて、不要なピークを除去し、
   前記送信手段は、前記不要なピークを除去後の、少なくとも１以上のピーク周波数と高さを送信する
   ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記データ演算手段は、過去のピーク周波数を保持し、過去のデータと今回算出されたデータとの間に顕著な差異が存在するか否か判定し、
   前記送信手段は、前記データ演算手段により、過去のデータと今回算出されたデータとの間に顕著な差異が存在する場合のみ、ピーク周波数と高さを送信することを特徴とする請求項２又は３に記載の無線通信装置。
5. 前記データ演算手段は、前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データから、最大値及び最小値を求めることで、振動の有無を判断し、振動がないと判断した場合には、前記所定の演算を行わずデータを破棄することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の無線通信装置。
6. 前記データ演算手段は、他の無線通信装置から受信した前記周波数スペクトル又はピーク周波数とその高さを保存し、保存した複数のデータから同一のピークを検出し、得られた同一ピークから異常値を検知することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の無線通信装置。
7. 少なくとも加速度センサを備える無線通信装置に搭載されるコンピュータを、
   前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データに対して、フーリエ変換を含む所定の演算を行い、周波数スペクトルを取得するデータ演算手段と、
   前記周波数スペクトルを送信する送信手段と
   して機能させることを特徴とする無線通信プログラム。
8. 少なくとも加速度センサを備える無線通信装置に使用する無線通信方法であって、
   データ演算手段及び送信手段を備え、
   前記データ演算手段は、前記加速度センサが測定した一定時間の加速度データに対して、フーリエ変換を含む所定の演算を行い、周波数スペクトルを取得し、
   前記送信手段は、前記周波数スペクトルを送信する
   ことを特徴とする無線通信方法。

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