JP4260753B2

JP4260753B2 - 無線センサネットワーク

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Publication number: JP4260753B2
Application number: JP2005019862A
Authority: JP
Inventors: 隆也山本; 照昌安井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: JP2006211232A

Description

この発明は、産業用システムに用いられ、センサ情報をバルクデータ送信する無線センサネットワークに関するものである。

産業用システムとして、例えば、プラント監視システムでは、ポンプ・電動機など複数の監視対象に温度センサ・振動センサなどを取り付け、このセンサと接続したエンドデバイス、インターネットなど外部ネットワークに接続しているＰＣ等（ゲートウェイ）に接続したＰＡＮ（ＰｅｒｓｏｎａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）コーディネータ、データのマルチホップ通信に使うルータ、により無線センサネットワークが構成される。プラント監視システムは、この無線センサネットワークを用いて、センサデータをゲートウェイに収集するシステムである。
送受信するデータは、システムが健全に動作しているときは、ＰＡＮコーディネータからエンドデバイスへの温度・振動などセンサへの計測指示、エンドデバイスからＰＡＮコーディネータへの計測データなどである。これらのデータは、アプリケーションの要求にもよるが、ある時間内に収集できれば十分で、リアルタイム性を要求されないものも多い。また、計測指示をしなくても、定周期で自動的にエンドデバイスからＰＡＮコーディネータに送信してくる場合もある。
一方、センサを取り付けた装置に何らかの異常が発生したときには、エンドデバイスからＰＡＮコーディネータに対し、装置の異常を通知する警報が送信される。警報は重要な情報であるので、リアルタイム性が要求され、他のデータ通信より優先して、確実に通信する必要がある。

システムが健全に動作しているときにエンドデバイスからＰＡＮコーディネータに通信する計測データは、そのデータサイズに応じて、大きく２種類に分類される。１つは、単一データの送信、例えば温度データ８ｂｉｔを１個だけ送信する場合である。もう１つは、大容量データ（以下ではバルクデータと記述する）の送信、例えば振動データ８ｂｉｔを５１２個一括して送信する場合である。
警報が発生したとき、第１報は警報メッセージのみであるが、その後、警報を発生する原因となったデータを送信する場合も多く、この原因となったデータは、単一データ、バルクデータいずれの場合もある。

次に、近距離無線ネットワークの国際標準規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４について説明する。
近年の無線ネットワーク技術の発展により、このようなプラント監視システムを始めとする産業用センサネットワークに、近距離無線ネットワークを用いようとする試みが始まってきている。近距離無線ネットワークの国際標準規格の１つに、ＩＥＥＥ８０２．１５．４がある。ＩＥＥＥ８０２．１５．４は、物理層・ＭＡＣ（ＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ）層の規格を定めたもので、この上に実装するネットワーク層・アプリケーション層の国際標準規格にＺｉｇＢｅｅがあり、様々なセンサネットワークへの適用が期待されている。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４の通信に用いられるアクセス方式は、ＣＳＭＡ−ＣＡ（ＣａｒｒｉｅｒＳｅｎｓｅＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ - ＣｏｌｌｉｓｉｏｎＡｖｏｉｄａｎｃｅ）である。
ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、ネットワークトポロジにより、使用するＣＳＭＡ−ＣＡアルゴリズムが２種類ある。１つは、スター・トポロジでのみ用いることが可能なｓｌｏｔｔｅｄｖｅｒｓｉｏｎアルゴリズムであり、もう１つは、スター・トポロジ、メッシュ・トポロジの両方で用いることが可能なｕｎｓｌｏｔｔｅｄｖｅｒｓｉｏｎアルゴリズムである。
ｓｌｏｔｔｅｄｖｅｒｓｉｏｎアルゴリズムでは、ＰＡＮコーディネータが発するビーコンにより、各無線端末（ノード）が同期することが可能で、ビーコン間を１６スロットに分割して、このスロットを１つの処理単位とするものである。ｕｎｓｌｏｔｔｅｄｖｅｒｓｉｏｎアルゴリズムでは、ビーコン、スロットは用いず、各ノードは、どのタイミングでも自由に通信することができる。
ＩＥＥＥ８０２．１５．４を産業応用で用いる場合には、通常メッシュ・トポロジであることが要求されるため、ｕｎｓｌｏｔｔｅｄｖｅｒｓｉｏｎアルゴリズムを使用する。

次に、ｕｎｓｌｏｔｔｅｄｖｅｒｓｉｏｎのＣＳＭＡ−ＣＡアルゴリズムの基本を説明する。
ノード１がノード０に通信する場合を考える。ノード１は、通信を試みる前にまずランダム時間待つ。このランダム時間経過後、ノード０が通信可能な状態かどうかを調査し、可能であれば通信を開始する。可能でなければ、さらにランダム時間待ち、再度ノード０が通信可能な状態かどうかを調査し、可能であれば通信を開始する。このランダム時間待ちと、通信可能な状態かどうかの調査を繰り返し、通信可能な状態になった段階で通信を開始するのが、ＣＳＭＡ−ＣＡアルゴリズムの基本的考え方である。

ここで、ＣＳＭＡ−ＣＡアルゴリズムの重要なパラメータである、ランダム時間と、繰り返し回数について説明する。
ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、ランダム時間は、バックオフ・ピリオドと呼ばれる単位で指定される。バックオフ・ピリオドは、２０シンボル（ＩＥＥＥ８０２．１５．４が２．４ＧＨｚ帯で用いる変調方式Ｏ−ＱＰＳＫでは、１シンボルは４ｂｉｔ）すなわち８０ｂｉｔを１単位として定義される。そして、このバックオフ・ピリオドの単位で、ランダム待ち時間はｒａｎｄｏｍ（２^ＢＥ−１）単位に指定される。ＢＥの値は、初期値は０〜３の間の値（デフォルト初期値は３）で開始し、繰り返しのたびに＋１ずつ増加し、最大は５である。
ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、繰り返し回数は、デフォルトで最大５回である。５回繰り返して、通信できなければ、この通信は失敗と判定される。
大量データの転送とランダムに発生する比較的短いデータの転送を、一つの通信線路を介して同時に行う場合、比較的短いデータの転送を妨げずに効率よく大量データを送信する方法に関する先行例はある（例えば特許文献１）。

特開平５−１６０８７３号公報（段落番号０００７〜００１４、図１）

プラント監視システムなどの産業用システムでは、バルクデータ通信中でも、警報データなどの優先メッセージは、確実に、かつすみやかに通信可能でなければならない。
ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、一度に通信するパケットサイズを最大１２７ｂｙｔｅと定めており、先に述べたような産業用システムで必要なバルクデータ送信を実現するためには、このバルクデータを複数に分割して送信し、受信側で受け取ったデータを再構築する必要がある。この分割・再構築手法については、ＩＥＥＥ８０２．１５．４もＺｉｇＢｅｅも標準仕様として規定していない。

ここで、ノード１がノード０に、非常に大量のデータ（バルクデータ）を送信し続ける場合を考える。これを、ＩＥＥＥ８０２．１５．４が定める最大パケットサイズ１２７ｂｙｔｅに分割して送信するとする。また、このネットワークで発生する通信が、このバルクデータ通信のみであるとする。
このとき、背景技術で述べたように、パケット送信前のランダム待ち時間の平均値は、ａｖｅｒａｇｅ（２^３ -１）＝３．５バックオフ・ピリオドであり、１バックオフ・ピリオドは８０ｂｉｔであることから、これは３５ｂｙｔｅ（＝３．５＊８０ｂｉｔ）のデータ処理時間分である。したがって、ノード０は、平均して１２７／（１２７＋３５）＝０．７８３９５の時間帯は、バルクデータの受信に使われていることになる。

今、このバルクデータ送信中に、別のノードであるノード２で警報が発生したとする。ノード２は、ノード０に警報を送信したいが、１回の試みでは、７８．３９５％の確率で送信不可ということになる。上述のように、５回試みて送信できなかった場合が失敗であるので、通信に失敗する確率は、０．７８３９５^５＝０．２９６１０となる。
すなわち、警報という速やかに・かつ確実に通信しなければならない優先メッセージが、別のノードからバルクデータが送信されている間は、２９．６１０％の確率で送信が失敗することになる。この場合には、再送など適切な手段を講じなければならない。
以上のことから、産業分野という、バルクデータ通信が必要であり、かつ警報のような優先メッセージが存在するアプリケーションに対して、ＩＥＥＥ８０２．１５．４あるいはＺｉｇＢｅｅを適用するためには、上記課題を解決できるような適切な処理をアプリケーションで実装することが必要となる。

特許文献１の方法は、受信側が通信を管理して効率よく大量データの通信を実現する方法である。しかし、警報の優先通信については何ら記載されていない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、バルクデータの通信中でも、バルクデータ全体の送受信効率の低下を低く押さえつつ、アプリケーションが要求する確率で警報などの優先メッセージの通信を保証することができる無線センサネットワークを得ることを目的にしている。

この発明に係わる無線センサネットワークにおいては、センサ情報のバルクデータを送信するバルクデータ送信ノードと、優先メッセージを送信する優先メッセージ送信ノードと、バルクデータ送信ノードの送信するバルクデータ及び優先メッセージ送信ノードの送信する優先メッセージを受信する受信ノードとを有する無線センサネットワークにおいて、
受信ノードは、バルクデータの分割サイズを設定するバルクデータ分割サイズ設定手段と、連続して送信してもよいパケット数を設定する連続送信パケット数設定手段と、バルクデータ通信中断区間の長さを設定するパケット送信待ち時間設定手段と、バルクデータ及び優先メッセージを受信するパケット受信手段とにより構成され、分割サイズと連続して送信してもよいパケット数とバルクデータ通信中断区間の長さとを、バルクデータ送信ノードに送信し、
バルクデータ送信ノードは、受信ノードから受信したバルクデータ分割サイズに基づき、バルクデータを分割してそれぞれパケットを生成するバルクデータ分割手段と、バルクデータ送信ノードから受信したバルクデータ通信中断区間の長さだけパケットの送信を待つパケット送信待ち手段と、このパケット送信待ち手段によりバルクデータ通信中断区間の長さだけパケットの送信を待ったのち、バルクデータ送信ノードから受信したパケット数のパケットを連続して送信するパケット連続送信手段とにより構成されているものである。

この発明は、以上説明したように、センサ情報のバルクデータを送信するバルクデータ送信ノードと、優先メッセージを送信する優先メッセージ送信ノードと、バルクデータ送信ノードの送信するバルクデータ及び優先メッセージ送信ノードの送信する優先メッセージを受信する受信ノードとを有する無線センサネットワークにおいて、
受信ノードは、バルクデータの分割サイズを設定するバルクデータ分割サイズ設定手段と、連続して送信してもよいパケット数を設定する連続送信パケット数設定手段と、バルクデータ通信中断区間の長さを設定するパケット送信待ち時間設定手段と、バルクデータ及び優先メッセージを受信するパケット受信手段とにより構成され、分割サイズと連続して送信してもよいパケット数とバルクデータ通信中断区間の長さとを、バルクデータ送信ノードに送信し、
バルクデータ送信ノードは、受信ノードから受信したバルクデータ分割サイズに基づき、バルクデータを分割してそれぞれパケットを生成するバルクデータ分割手段と、バルクデータ送信ノードから受信したバルクデータ通信中断区間の長さだけパケットの送信を待つパケット送信待ち手段と、このパケット送信待ち手段によりバルクデータ通信中断区間の長さだけパケットの送信を待ったのち、バルクデータ送信ノードから受信したパケット数のパケットを連続して送信するパケット連続送信手段とにより構成されているので、バルクデータの通信中でも、バルクデータ全体の送受信効率の低下を低く押さえつつ、無線センサネットワークが要求する確率で警報などの優先メッセージの通信を保証することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの全体構成を示す概略図であり、無線センサネットワークの対象とするアプリケーションの１例であるプラント監視システムの一般的なシステム構成を示している。
図１において、ポンプ・電動機など複数の監視対象に温度センサ１、振動センサ２などを取り付け、このセンサと接続したエンドデバイス３と、インターネット７など外部ネットワークに接続しているＰＣ６等（ゲートウェイ）に接続したＰＡＮコーディネータ５と、データのマルチホップ通信に使うルータ４とにより、無線センサネットワークが構成される。プラント監視システムは、この無線センサネットワークを用いて、センサデータをゲートウェイに収集するシステムである。

図１の無線センサネットワークで送受信されるデータは、システムが健全に動作しているときは、ＰＡＮコーディネータ５からエンドデバイス３への温度・振動などセンサへの計測指示、エンドデバイス３からＰＡＮコーディネータ５への計測データなどである。これらのデータは、ある時間内に収集できれば十分で、リアルタイム性を要求されないものも多い。また、計測指示をしなくても、定周期で自動的にエンドデバイス３からＰＡＮコーディネータ５に送信される場合もある。
一方、センサを取り付けた装置に何らかの異常が発生したときには、エンドデバイス３からＰＡＮコーディネータ５に対し、装置の異常を通知する警報が送信される。警報は重要な情報であるので、リアルタイム性が要求され、他のデータ通信より優先して、確実に通信する必要がある。

システムが健全に動作しているときにエンドデバイス３からＰＡＮコーディネータ５に通信する計測データは、そのデータサイズに応じて、大きく２種類に分類される。単一データとバルクデータである。すなわち、単一データの送信、例えば温度データ８ｂｉｔを１個だけ送信する場合と、大容量データであるバルクデータの送信、例えば振動データ８ｂｉｔを５１２個一括して送信する場合との二つである。
警報が発生したとき、第１報は警報メッセージのみであるが、その後、警報を発生する原因となったデータを送信する場合も多く、この原因となったデータは、単一データ、バルクデータいずれの場合もある。

図２は、この発明の実施の形態１による無線センサネットワークのエンドデバイス及びＰＡＮコーディネータを示す構成図である。
図２において、バルクデータ、警報データを受信するＰＡＮコーディネータ５は、バルクデータの分割サイズを設定するバルクデータ分割サイズ設定手段１１０４、連続して送信するパケット数を設定する連続送信パケット数設定手段１１０５、バルクデータ通信中断区間の長さを設定するパケット送信待ち時間設定手段１１０６、エンドデバイス３から送信されるパケットを受信するパケット受信手段１１０７をもつ。
バルクデータを送信するエンドデバイス３は、バルクデータ分割サイズ設定手段１１０４で設定された分割サイズにバルクデータを分割し、それぞれパケットを生成するバルクデータ分割手段１１０１、連続送信パケット数設定手段１１０５により決められたパケット数のパケットを連続して送信するパケット連続送信手段１１０２、パケット送信待ち時間設定手段１１０６により設定されたバルクデータ通信中断区間の長さ時間だけパケットの送信を待つパケット送信待ち手段１１０３をもつ。

図３は、この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの通信可能な確率を説明する図である。
図３において、ノード１がノード０に、バルクデータをＩＥＥＥ８０２．１５．４が定める最大パケットサイズ１２７ｂｙｔｅに分割して送信する場合のものであり、このネットワークで発生する通信が、このバルクデータ通信のみの場合である。
このとき、ノード０は、どのタイミングでもノード１からのパケットの通信を受け付けることができるので、各パケットは１回の試みで通信に成功する。このとき、背景技術で述べたように、パケット送信前のランダム待ち時間の平均値は、ａｖｅｒａｇｅ（２^３ - １）＝３．５バックオフ・ピリオドであり、１バックオフ・ピリオドは８０ｂｉｔであることから、これは３５ｂｙｔｅ（＝３．５＊８０ｂｉｔ）のデータ処理時間分である。したがって、ノード０は、平均して１２７／（１２７＋３５）＝０．７８３９５の時間帯は、バルクデータの受信に使われていることになる。

図４は、この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの警報通信が失敗する確率を説明する図である。
図４において、バルクデータ送信中に、ノード２で警報が発生した場合に、ノード２は、ノード０に警報を送信したいが、１回の試みでは、７８．３９５％の確率で送信不可である。５回試みて送信できなかった場合が失敗であるので、通信に失敗する確率は、０．７８３９５^５＝０．２９６１０となる。

図５は、この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの通信中断区間を設けることの効果を説明する図である。
図５において、バルクデータ通信中にバルクデータ通信中断区間（１−Ａ）を設けて、送信に失敗する確率を約１／３に改善している。ここで、Ａは分割されたバルクデータ通信区間であり、この中に、図３に示されるようなランダム待ち時間が含まれる。

図６は、この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの通信区間の求め方を説明する図である。
図６において、バルクデータを通信する区間がない場合の通信に失敗する確率と、バルクデータ通信中断区間を有する場合の通信に失敗する確率の算式を示している。

図７は、この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの連続して送信してもよいパケット数を説明する図である。
図７において、バルクデータ通信中断区間を有する場合の連続して送信してもよりパケット数の算出を示している。

図８は、この発明の実施の形態１による無線センサネットワークのエンドデバイスの処理を示すフローチャートである。
図９は、この発明の実施の形態１による無線センサネットワークのＰＡＮコーディネータの処理を示すフローチャートである。

次に、動作について説明する。
この発明は、図１の無線センサネットワークにおけるエンドデバイスとＰＡＮコーディネータを、図２のように構成し、図４に示すバルクデータ送信中に警報通信が失敗する確率を減らすために、図５に示すように、バルクデータ通信中断区間を設けるものである。
以下では、説明を分かりやすくするため、バルクデータ送信ノード・優先メッセージ送信ノードをエンドデバイス３、バルクデータ受信ノードをＰＡＮコーディネータ５と仮定して記述する。もちろん、送信ノード・受信ノードともにエンドデバイスであってもよい。
また、優先メッセージを警報と記述することもある。もちろん、実際のアプリケーションでは、優先メッセージは警報に限定しなくてもよい。

この発明では、受信側のＰＡＮコーディネータ５は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４とＺｉｇＢｅｅ標準規格に基づいて、バルクデータ分割サイズ設定手段１１０４で、バルクデータを分割する分割サイズを設定し、アプリケーションが要求する優先メッセージの通信成功確率での通信を保証するために設ける、パケットを送信する前に待つ待ち時間であるバルクデータ通信中断区間の時間を、パケット送信待ち時間設定手段１１０６により設定し、さらに、各エンドデバイスが最大パケットサイズのパケットを連続して送信してもよい回数を、連続送信パケット数設定手段１１０５により、設定する。
次いで、エンドデバイス３が、バルクデータ通信開始時に、ＰＡＮコーディネータ５に対し、開始メッセージを送信し、ＰＡＮコーディネータ５は、各エンドデバイス３からのデータ通信状態をもとに、個々のエンドデバイス３がパケットを連続して送信してもよい回数を判定し、この回数を含むメッセージを各エンドデバイス３に対し送信許可メッセージとして送信する。

エンドデバイス３は、パケットを送信する前に待つ待ち時間であるバルクデータ通信中断区間の時間が経過するのを待ち、バルクデータを分割サイズに分割し、分割したデータから生成されるパケットを、ＰＡＮコーディネータ５から指示されたパケットを連続して送信してもよい回数の数のパケットを連続して送信する。
連続して送信してもよい回数に達したら、ＰＡＮコーディネータ５からの次のデータ送信許可を待ち、送信許可を受信後、パケットを送信する前に待つ待ち時間であるバルクデータ通信中断区間の時間が経過するのを待ち、その後次のパケットの送信を開始する。これを繰り返し、バルクデータの通信を行う。

次に、それぞれの処理について、より具体的に順次、説明する。
まず、ＰＡＮコーディネータの初期化処理で設定する、バルクデータの「分割サイズ」の設定方法について説明する。
ＩＥＥＥ８０２．１５．４とＺｉｇＢｅｅが規定する、物理層（ＰＨＹ層）・ＭＡＣ層・ネットワーク層（ＮＷＫ層）・アプリケーション層（ＡＰＬ層）でデータに付加されるヘッダサイズは、通信モードなどの違いにより幅があり、それぞれ６ｂｙｔｅ、７〜２３ｂｙｔｅ、６〜８ｂｙｔｅ、５〜８ｂｙｔｅ、であり、合計２３〜４４ｂｙｔｅとなる。したがって、バルクデータの「分割サイズ」の最大値は１０４〜８３ｂｙｔｅの範囲でとり得る。以下では、ヘッダサイズが最大の４４ｂｙｔｅ、すなわち「分割サイズ」の最大値は、８３ｂｙｔｅであるとして説明する。
アプリケーションで、データを分割するとき、「分割サイズ」を小さくとればとるほど、ＰＨＹ層で送信する１つのパケットのサイズが小さくなるので（１２７ｂｙｔｅ以下）、図３のバルクデータ通信が行われている区間が小さくなり、結果的に警報通信が可能な確率が上昇する。しかし、データを１パケットで最大８３ｂｙｔｅしか送信できない上に、これをさらに小さくすることは、通信効率を下げることになる。
したがって、「分割サイズ」を最大の８３ｂｙｔｅと設定する。

次に、「連続して送信してもよいパケット数」の設定方法について、図５〜図７を用いて説明する。
まず、通信効率の低下を押さえつつ警報通信を保証するための、バルクデータ通信中断区間の効果とその比率の設定方法について、図５、図６を用いて説明する。
警報通信は、高い確率で、理想的には１００％で通信可能でなければならない。失敗したときには、通常、再送処理を行い、信頼性を高める。ここでは、再送処理以前の問題として、失敗しない確率を高める方法について述べる。

バルクデータを長時間に亘って通信し続けると、図４の説明で述べたように、２９．６１％の確率で警報通信に失敗する。そこで、この発明は、バルクデータ通信中に、途中通信を中断する区間を設けることにより、この失敗確率を小さくする。
図５のように、バルクデータを通信する区間とバルクデータ通信中断区間の比率をＡ：（１−Ａ）とする。このとき、パケットサイズは１２７ｂｙｔｅであるので、１回の通信試みで通信できない確率は、図３の確率を考慮すると、０．７８３９５×Ａである。通信に失敗する確率は、５回の試みであるので、［０．７８３９５×Ａ］^５である。例えば、Ａ＝０．８のときには、この確率は９．６０２６％となり、アプリケーションが指定する、通信に失敗してもやむを得ない確率が１０％であれば、この条件を満たすことになる。

図６で、今、アプリケーションで指定する、通信に失敗してもやむを得ない確率をｑとする。ただし、ここには再送の考え方を含めていない。すなわち、アプリケーションで３回の再送を許容するとすると、真に通信に失敗する確率は、ｑ^４である。このとき、バルクデータを通信する区間の比率Ａは、ｑを用いてＡ＝［ｑ／０．２９６１０］^１／５と表すことができる。

バルクデータ中断区間の長さは任意であるが、以下では一例として１５５ｂｙｔｅとする。
この値について、簡単に補足説明する。警報通信を５回試みる間には、バックオフ・ピリオドのランダム値はｒａｎｄｏｍ（２^ＢＥ -１）であり、ＢＥの値はデフォルトで３→４→５→５→５と変動する。したがって、各試みで平均、３５（＝１０［ｂｙｔｅ］×（２^３ -１）／２）、７５（＝１０［ｂｙｔｅ］×（２^４ -１）／２）、１５５（＝１０［ｂｙｔｅ］×（２^５ -１）／２）、１５５、１５５である。そこで、ここでは、バルクデータ中断区間の長さとして、５回目の試みでの平均待ち時間の１５５ｂｙｔｅを採用した。

このとき、バルクデータを通信する区間の比率をＡとすると、図７のように、バルクデータを通信する区間の長さは１５５×Ａ／（１- Ａ）である（ただしＡ＝［ｑ／０．２９６１０］^１／５）。パケットサイズは、１２７ｂｙｔｅであるので、バルクデータ送信ノードが「連続して送信してもよいパケット数」は、１５５×Ａ／（１-Ａ）／１２７を満たす最小の整数と設定する。
よって、「連続して送信してもよいパケット数」を上記のように設定し、このパケット数の通信ごとに、バルクデータ通信中断区間１５５ｂｙｔｅの長さだけ、エンドデバイスが送信を中断することにより、アプリケーションが指定する失敗してもやむを得ない確率での警報通信を保証することができる。

次に、図８に示すフローチャートを用いて、エンドデバイス３におけるバルクデータ送信時の処理方法について説明する。
まず、ＰＡＮコーディネータ５に対し、バルクデータ送信開始メッセージを送信する（ステップ７０１）。ただし、ＰＡＮコーディネータ５から許可を得るまでは、データそのものの送信は開始しない。
しばらく待ち、ＰＡＮコーディネータ５から、バルクデータ送信許可メッセージを受信する（ステップ７０２）。このメッセージには、ＰＡＮコーディネータ５が設定した「分割サイズ」と「連続して送信してもよいパケット数」と「バルクデータ通信中断区間の長さ」が含まれており、これら３つのパラメータを設定する（ステップ７０３）。
設定した「バルクデータ通信中断区間の長さ」だけ待つ（ステップ７１２）。
その後、未送信のバルクデータのうち、前から「分割サイズ」の大きさのデータを、送信するデータセットとして、ＰＡＮコーディネータ５に送信する（ステップ７０４）。「連続して送信してもよいパケット数」に達しているかを判定し（ステップ７０５）、達していなければステップ７０４に戻り、達していれば「連続して送信してもよいパケット数」を全て送信したというメッセージをＰＡＮコーディネータ５に送信する（ステップ７１１）。
ステップ７１１の後、ステップ７０６に進んでＰＡＮコーディネータ５からメッセージが送信されて来るのを待つ。

ＰＡＮコーディネータ５からメッセージを受信したら、このメッセージの内容を判定する（ステップ７０７）。受信したメッセージが次のデータ送信許可であれば、全バルクデータを送信済かどうかを判定する（ステップ７０８）。判定の結果、送信済でなければステップ７０３に戻り、送信済であれば、ＰＡＮコーディネータ５に全バルクデータ送信完了メッセージを送信し（ステップ７０９）、このバルクデータ送信を終了する。
受信したメッセージがデータ通信中止メッセージであれば、未送信のバルクデータを破棄し（ステップ７１０）、終了する。
データ通信中止中は、ＰＡＮコーディネータからデータ通信再開メッセージを受信するまでは、このエンドデバイスで新たな警報を発しない限りは、新たなバルクデータ送信を行わない。

次に、図９に示すフローチャートを用いて、ＰＡＮコーディネータ５におけるバルクデータ受信時の処理方法と、バルクデータ受信途中に警報を受信したときの処理方法について説明する。
まず、エンドデバイス３から、バルクデータ送信開始メッセージを受信する（ステップ８０１）。
受信後、「分割サイズ」と「連続して送信してもよいパケット数」と「バルクデータ通信中断区間の長さ」を設定する（ステップ８０２）。バルクデータを送信してくるエンドデバイス数が１のときは、「連続して送信してもよいパケット数」は、初期化処理で設定した値と同一とする。バルクデータを送信してくるエンドデバイス数がＮのときは、「連続して送信してもよいパケット数」は、初期化処理で設定した値の１／Ｎとする。「分割サイズ」と「バルクデータ通信中断区間の長さ」は、初期化処理で設定した値と同一とする。

次に、メッセージを送信してきたエンドデバイス３に対して、バルクデータ送信許可メッセージを送信する（ステップ８０３）。このメッセージには、「分割サイズ」と「連続して送信してもよいパケット数」と「バルクデータ通信中断区間の長さ」が含まれている。
そして、エンドデバイス３から送信されてくるバルクデータの一部であるデータセットの受信を開始する（ステップ８０４）。アプリケーション層で１回に受信するデータセットのサイズは、ステップ８０２で設定した「分割サイズ」である。ＰＨＹ層が受信するパケットサイズは、この分割サイズに各層のヘッダを付加したサイズであり、１２７ｂｙｔｅである。

ステップ８０４で受信したデータは、まずその内容を判定する（ステップ８０５）。受信したデータが、バルクデータの一部であるデータセットであれば、ステップ８０４の受信に戻り、次のデータを受信する。受信したデータが、「連続して送信してもよいパケット数」を全て受信完了したというメッセージであれば、「連続して送信してもよいパケット数」を再設定し、ステップ８０２の設定に戻る。再設定では、現在バルクデータを送信してきているエンドデバイスの数Ｎに応じて、初期化処理で設定した値の１／Ｎとする。
受信したデータが、全バルクデータ送信完了メッセージであれば、終了する。
受信したデータが、他のエンドデバイスからの警報メッセージであれば、全エンドデバイスに対して、警報関連メッセージ以外は何も送信して来ないよう、データ通信中止メッセージをブロードキャスト送信し（ステップ８０７）、このバルクデータ受信を終了する。
これにより、バルクデータを送信してきたエンドデバイス３は、続きのデータを送信して来なくなり、警報を発したエンドデバイスからの関連メッセージの到着遅れを防ぐことができる。

ＰＡＮコーディネータ５は、データ通信中止中は、警報関連メッセージのみ受信可能となる。警報関連メッセージには、警報と警報を発生する原因となったデータを含んでよい。警報関連メッセージを送信してくるエンドデバイスは、最初に警報を発したエンドデバイスには限定しなくてもよい。
ＰＡＮコーディネータ５は、必要に応じてデータ通信再開メッセージを全エンドデバイスに対してブロードキャスト送信することにより、バルクデータ通信可能な状態に復帰することができる。

実施の形態１によれば、アプリケーションが指定した確率で、警報など優先メッセージを受信可能になる、という効果がある。
また、バルクデータ通信が一時的に中断する区間を設けることにより、優先メッセージの通信の成功確率を高めることができる。
さらに、バルクデータ送信側の処理を制御し、優先メッセージの通信成功確率を、指定した確率に保証することができる。
また、複数のエンドデバイスからバルクデータを受信中でも、平均してみると１つのエンドデバイスからのバルクデータ受信状態と同じ条件にすることができる。
また、優先メッセージの後に続いて送信される関連メッセージがある場合、これを確実に通信することができる。

この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの全体構成を示す概略図である。この発明の実施の形態１による無線センサネットワークのエンドデバイス及びＰＡＮコーディネータを示す構成図である。この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの通信可能な確率を説明する図である。この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの警報通信が失敗する確率を説明する図である。この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの通信中断区間を設けることの効果を説明する図である。この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの通信区間の求め方を説明する図である。この発明の実施の形態１による無線センサネットワークの連続して送信してもよいパケット数を説明する図である。この発明の実施の形態１による無線センサネットワークのエンドデバイスの処理を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１による無線センサネットワークのＰＡＮコーディネータの処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１温度センサ、２振動センサ、３エンドデバイス、４ルータ、
５ＰＡＮコーディネータ、６パソコン、７インターネット、
１１０１バルクデータ分割手段、１１０２パケット連続送信手段、
１１０３パケット送信待ち手段、１１０４バルクデータ分割サイズ設定手段、
１１０５連続送信パケット数設定手段、
１１０６パケット送信待ち時間設定手段、１１０７パケット受信手段。

Claims

センサ情報のバルクデータを送信するバルクデータ送信ノードと、優先メッセージを送信する優先メッセージ送信ノードと、上記バルクデータ送信ノードの送信するバルクデータ及び上記優先メッセージ送信ノードの送信する優先メッセージを受信する受信ノードとを有する無線センサネットワークにおいて、
上記受信ノードは、バルクデータの分割サイズを設定するバルクデータ分割サイズ設定手段と、連続して送信してもよいパケット数を設定する連続送信パケット数設定手段と、バルクデータ通信中断区間の長さを設定するパケット送信待ち時間設定手段と、上記バルクデータ及び優先メッセージを受信するパケット受信手段とにより構成され、上記分割サイズと上記連続して送信してもよいパケット数と上記バルクデータ通信中断区間の長さとを、上記バルクデータ送信ノードに送信し、
上記バルクデータ送信ノードは、上記受信ノードから受信したバルクデータ分割サイズに基づき、上記バルクデータを分割してそれぞれパケットを生成するバルクデータ分割手段と、上記バルクデータ送信ノードから受信したバルクデータ通信中断区間の長さだけパケットの送信を待つパケット送信待ち手段と、このパケット送信待ち手段により上記バルクデータ通信中断区間の長さだけパケットの送信を待ったのち、上記バルクデータ送信ノードから受信したパケット数の上記パケットを連続して送信するパケット連続送信手段とにより構成されていることを特徴とする無線センサネットワーク。
上記受信ノードの上記連続送信パケット数設定手段により設定される上記連続して送信してもよいパケット数は、バルクデータ送信ノードの数に応じて設定されていることを特徴とする請求項１記載の無線センサネットワーク。
上記受信ノードは、上記優先メッセージ送信ノードにより送信される優先メッセージを受信したときは、上記バルクデータ送信ノードにより送信されるバルクデータの受信途中でも、上記受信を中止することを特徴とする請求項１または請求項２記載の無線センサネットワーク。