JP4445937B2 - 環境制御システム及び環境制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサを用いて環境情報を測定し、環境機器を制御する技術に関する。

近年、複数のセンサをネットワークで接続したセンサネットワークにより環境情報を取得し、その情報に基づいて照明や空調などの環境制御機器を制御するシステムが開発されている。例えば、人の存在を検知する人感センサを接続した照明機器を、広いフロアに複数設置した環境制御システムがある。このような環境制御システムでは、人の存在を検知した領域では照明を点灯し、人の存在を検知できない領域では照明を消灯するという制御を行う。

しかしながら、広いフロアの隣接する領域において、一方には人がいて、他方には人がいない場合、人がいる領域では照明が点灯しているので明るい状態であるが、隣の人がいない領域では照明が消灯しているので真っ暗な状態となる。このような状態は、省エネルギーの観点からは好ましいが、フロアにいる人に違和感や圧迫感を生じさせてしまう。

そこで、各センサのセンシング結果をサーバに集めて解析し、人に快適なように各環境制御機器を協調して制御する協調センシング方法が研究されている（非特許文献１参照。）。
中村雅之、外３名、"Collaborative Processing in Sensor/Actuator Networks for Environment Control"、ISSNIP 2005、p.163-168

しかしながら、非特許文献１に開示されている方法では、人の快適性を考慮して対象領域全体で最適となるように環境制御を行うことは可能であるが、全体の消費電力を考慮して環境制御を行うことができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、人の快適性に配慮するとともに、全体の消費電力を考慮した環境制御を行うことにある。

本発明に係る環境制御システムは、複数の環境制御機器と、環境制御機器の各々に対応した複数のセンサノードと、サーバとを有する環境制御システムであって、センサノード各々は、自センサノードの周囲の環境を測定する測定手段と、自センサノードの近傍の他センサノードの識別情報を取得する取得手段と、測定手段が測定した環境情報と、取得手段が取得した他センサノードの識別情報とを、サーバに送信する送信手段と、サーバは、センサノード各々から、自センサノードの測定した環境情報と、他センサノードの識別情報と、を受信して記憶手段に記憶させる受信手段と、各環境制御機器の動作を信号の大きさで制御する各機器制御信号を識別情報に対応させて定めるとともに、各機器制御信号の初期値を環境情報を用いて設定する初期化手段と、各機器制御信号は０以上であり、且つ、各機器制御信号によって制御される環境制御機器の消費電力の合計が所定の範囲内であるという条件を満たし、センサノード各々の機器制御信号と当該センサノードの近傍の他センサノードの機器制御信号との差の自乗和の合計が最小となる機器制御信号を生成する生成手段と、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、複数の環境制御機器の各々に接続されたセンサノードにより測定した環境情報と、当該センサノードの近傍に存在する他センサノードの情報と、をサーバに送信し、サーバにおいて、環境制御機器全体の消費電力を所定の範囲に抑えるとともに、近傍のセンサノード間の機器制御信号の差をできるだけ小さくした機器制御信号を生成することによって、人の快適性に配慮するとともに、全体の消費電力を考慮した環境制御を行うことができる。

本発明によれば、人の快適性に配慮するとともに、全体の消費電力を考慮した環境制御を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態における環境制御システムの全体構成図である。同図に示す環境制御システムは、各環境制御機器４に接続されたセンサノード１と、センサノード送受信器２と、サーバ３とを有する。

環境制御機器４は、例えば、照明機器、空気調整装置など環境を制御する機器であり、接続されたセンサノード１によって制御される。

センサノード１は、測定部１１と、ノード検出部１２と、通信部１３と、機器制御部１４とを有し、センサノード１は、温度などの環境情報をセンシング（測定・検知）し、センシング結果などをサーバ３に送信して、サーバ３から受信した機器制御信号に従って環境制御機器４を制御する機器である。

なお、機器制御信号は、環境制御機器４を信号の大きさで制御する信号であって、環境制御機器４の出力量を制御するための信号、または、環境制御機器４に供給される電力量を制御するための信号などである。例えば、環境制御機器４が照明機器の場合、機器制御信号は照明機器の明るさを制御するための信号であり、環境制御機器４が空気調整装置の場合、機器制御信号は温度を制御するための信号である。

測定部１１は、例えば、温度、湿度、振動および赤外線などの環境情報を定期的に測定する。

ノード検出部１２は、赤外線センサまたは電磁界検出センサなどを用いて、自センサーノード１の近傍に存在する他センサノードを検出し、識別情報（センサノードＩＤ）を取得する。

通信部１３は、センサノード送受信器２を介してサーバ３と、または、近傍に存在する他センサノードとデータの送受信を行う。センサノード１からサーバ３へ送信するデータとしては、ノード検出部１２において取得された他センサノードのセンサノードＩＤ、測定部１１において測定された環境情報（センシング結果）などがあり、サーバ３から受信するデータとしては、環境制御機器４を制御するための機器制御信号がある。また、近傍に存在する他センサノードとは、センサノードＩＤの送受信を行う。なお、通信部１３に通信中継機能を備えて、近傍に存在する他センサノードとサーバ３とを中継してもよい。

機器制御部１４は、センサノード１に接続された環境制御機器４を、サーバ３から受信した機器制御信号に基づき制御する。なお、機器制御部１４は、赤外線リモコンなどの無線により環境制御機器４を制御してもよく、この場合、センサノード１と環境制御機器４とは配線により接続されている必要はない。

センサノード送受信器２は、サーバ３と接続され、サーバ３の制御によりセンサノード１と無線でデータの送受信を行う。なお、センサノード送受信器２とサーバ３とは、ＬＡＮ（Local Area Network）またはシリアルインタフェースなどにより接続されるものとする。

サーバ３は、受信部３１と、ノード検索部３２と、信号生成部３３と、送信部３４とを有する。サーバ３は、各センサノード１からセンシング結果などを受信し、各センサノード１毎に機器制御信号を生成して、生成した機器制御信号を各センサノード１に送信する機器である。

受信部３１は、センサノード送受信器２を介して、各センサノード１からのデータを受信してメモリ９２、外部記憶装置９３などの記憶手段に記憶する。

ノード検索部３２は、各機器制御信号を各センサノード１のセンサノードＩＤに対応させて定め、各センサノード１から受信したセンシング結果に基づいて機器制御信号の初期値を設定する。信号生成部３３は、当該センサノード１の近傍にあるセンサノード１の情報と当該センサノード１から送信されたセンシング結果に基づいて、当該センサノード１に接続された環境制御機器４を制御するための機器制御信号を生成する。

図２は、センサノードのハードウェア構成の一例を示した図である。

センサノード１は、測定用センサ８１と、ノード検出用センサ８２と、ＣＰＵ８３と、メモリ８４と、無線通信モジュール８５と、機器制御モジュール８６とを有する。

測定用センサ８１は、例えば、人の存在を検知する人感センサ、温度を測定する温度センサ、光を検出する光センサ、またはこれらを組み合わせた複合センサなどである。

ノード検出用センサ８２は、赤外線センサまたは電磁界検出センサなどであって、近傍の他センサノードを検出する。

ＣＰＵ８３は、測定用センサ８１、ノード検出用センサ８２、メモリ８４、無線通信モジュール８５および機器制御モジュール８６を制御する。ＣＰＵ８３がメモリ８４に記憶された所定のプログラムを実行することにより、センサノード１の各機能が実現される。また、メモリ８４は、上記プログラムの他に、測定用センサ８１によるセンシング結果、自センサノードＩＤおよび近傍に存在する他センサノードＩＤなども記憶する。

無線通信モジュール８５は、無線通信によりサーバ３に接続されたセンサノード送受信器２または他センサノードの無線通信モジュール８５と通信する。無線通信としては、無線ＬＡＮ、小電力通信、微弱無線、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などを利用することができる。なお、これらの無線通信の場合、通信距離は数ｍから数十ｍである。

機器制御モジュール８６は、センサノード１に接続された環境制御機器４を制御するものである。

図３は、サーバ３のハードウェア構成の一例を示した図である。

サーバ３は、同図に示すような、ＣＰＵ９１と、メモリ９２と、外部記憶装置９３と、インタフェース装置９４と、これらの各装置を接続するバス９５とを備えた汎用的なコンピュータシステムを用いることができる。インタフェース装置９４は、センサノード送受信器２と接続するための装置であって、例えば、シリアルポート、バラレルポート、ＬＡＮポート、ＵＳＢポート、ＣＦカードスロットなどを用いることができる。

このコンピュータシステムにおいて、ＣＰＵ９１がメモリ９２上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、サーバ３の各機能が実現される。外部記憶装置９３に各センサノード１から送信されたデータを保存してもよい。なお、サーバ３は、図示しない入力装置および出力装置を備えることとしてもよい。また、サーバ３に、ＰＣ（Personal Computer）などを用いることとしてもよい。

次に、機器制御信号の生成処理について説明する。

本実施の形態におけるサーバ３の信号生成部３３は、下記に示す式１の評価関数が、式２および式３の条件の下で最小となるように機器制御信号を生成する。

式１は、各センサノード毎の当該センサノードの機器制御信号ｆ_iと当該センサノードの近傍に存在する他センサノードの機器制御信号ｆ_jとの差の自乗和を、すべて合計した値を表す式である。ここで、ｆ_iは、センサノードｉの機器制御信号、ｆ_jは、センサノードｉの近傍に存在する他センサノードの機器制御信号であり、ｎはセンサノードの総数、ｍ_iはセンサノードｉの近傍に存在する他センサノードの個数である。

式２は、各センサノードに対応する環境制御機器の消費電力の合計の範囲を定める条件であり、関数ｇ（ｆ_i）は、機器制御信号がｆ_iのときの環境制御機器の消費電力を算出し、ａ，ｂは、消費電力の合計の下限と上限を示している。式３は、機器制御信号は０以上であるという条件である。

また、機器制御信号により環境制御機器４の出力量や供給される電力量が決まるので、機器制御信号と環境制御機器４の消費電力との関係は、下記の式４に示されるように、比例する。なお、機器制御信号に対応した環境制御機器４の消費電力を求めるための換算データなどがサーバ３のメモリ９２や外部記憶装置９３に記憶され、機器制御信号を生成する際に利用される。

サーバ３の信号生成部３３が、式２および式３の条件の下で式１が最小となるように機器制御信号を生成することで、環境制御機器全体の消費電力を所定の範囲に抑えるとともに、近傍のセンサノード間の機器制御信号との差をできるだけ小さくして、人の快適性を考慮した環境制御をすることができる。なお、式２および式３の条件の下で式１が最小となるような解を求める問題を最適化問題といい、市販されているいくつかのコンピュータプログラムを利用することにより解を求めることができる。

図４は、サーバ３と各センサノード１のデータの送受信を模式的に示した図である。

各センサノード１は、自センサノードＩＤと、自センサノードのセンシング結果（ｓ₁，・・・，ｓ_i-1，ｓ_i，ｓ_i+1，・・・，ｓ_n）および近傍の他センサノードＩＤとを含む状態メッセージをサーバに送信する。

サーバ３は、各センサノード１から状態メッセージを受信し、受信した状態メッセージに基づいて式２および式３の条件の下で式１が最小となるように機器制御信号（ｆ₁，・・・，ｆ_i-1，ｆ_i，ｆ_i+1，・・・，ｆ_n）を算出する。そして、各センサノード１に対して、対応する機器制御信号を送信する。

各センサノード１は、機器制御信号を受信し、受信した機器制御信号に基づいて、環境制御機器４を制御する。

図５は、本実施の形態における環境制御システムの環境制御の手順を示すフローチャートである。まず、サーバ３において、環境制御機器全体の消費電力の上限を表す式２のｂを決定する（Ｓ１１）。

センサノード１のノード検出部１２は、自センサノードＩＤを送信し、さらに、近傍（通信到達範囲内）に存在する他センサノードが送信した他センサノードＩＤを受信する。このようにして、ノード検出部１２は、近傍に存在する他センサノードを検出する（Ｓ１２）。なお、Ｓ１２の処理は、センサノード１を所定の環境に配置した際に１度だけ行うものであってもよいし、所定のタイミングで定期的に行うものであってもよい。

次に、センサノード１の測定部１１は、測定用センサ８１を用いて環境情報をセンシングする（Ｓ１３）。そして、センサノード１は、通信部１３により、自センサノードＩＤと、自センサノードのセンシング結果と、Ｓ１２で検出した近傍に存在する他センサノードＩＤとを含む状態メッセージをサーバ３に送信する（Ｓ１４）。なお、測定部１１は、所定のタイミングで定期的にセンシングを行い、その都度、状態メッセージをサーバ３に送信するものでもよいし、センシング結果が前回と異なる（環境情報が変化した）場合にのみ、状態メッセージをサーバ３に送信するものでもよい。環境情報が変化したときのみ状態メッセージをサーバ３に送信する場合は、状態メッセージを受信したサーバ３は、状態メッセージを送信した送信元センサノード１以外の各センサノード１に、状態メッセージの送信要求を行い、サーバ３からの送信要求を受けた各センサノード１は、状態メッセージをサーバ３に送信する。

サーバ３は、全てのセンサノード１から状態メッセージを受信し、メモリ９２に記憶する（Ｓ１５）。そして、各センサノード１のセンシング結果から機器制御信号の初期値と各制御機器全体の消費電力の下限を示す式２のａを決定する（Ｓ１６）。

続いて、サーバ３のノード検索部３２は、メモリ９２に記憶された各状態メッセージを参照して各センサノード１の近傍に存在するセンサノード１を検索し、信号生成部３３は、式２および式３の条件の下で式１を最小にする各センサノード１の機器制御信号を算出する（Ｓ１７）。

そして、サーバ３の送信部３４は、各センサノード１に算出した機器制御信号を送信する（Ｓ１８）。

センサノード１の通信部１３により、サーバ３から送信された機器制御信号を受信し（Ｓ１９）、センサノード１の機器制御部１４は、受信した機器制御信号に従って自センサノード１に接続された環境制御機器４を制御する（Ｓ２０）。例えば、環境制御機器４が照明機器の場合、機器制御部１４は、機器制御信号に従って照明機器の出力量（明るさ）を制御する。

次に、図６乃至図８を参照して、センサノード１の測定用センサ８１が人感センサであって、センサノード１に接続された環境制御機器４が照明機器である場合の具体例について説明する。ここで、照明機器を制御する機器制御信号は、照明機器への供給電力量を表すものであって、最小値を「０」、最大値を「１」とする。また、照明機器の出力量（明るさ）は機器制御信号（供給電力量）にほぼ比例するものとし、照明機器の明るさは、機器制御信号が最小値「０」のときが最も暗く、機器制御信号が最大値「１」のときが最も明るいものである。

図６は、１０個のセンサノード１と、各センサノード１のセンシング結果とを模式的に示した図である。同図に示す１０個のセンサノード１は、等間隔に一列に配置されており、各センサノード１には、環境制御機器４である照明機器（図示せず。）が接続されている。なお、各センサノード１の近傍（通信到達範囲内）に存在する他センサノード１は、隣接するセンサノード１であるとする。よって、同図に示すセンサノードＡの近傍に存在する他センサノードは、センサノードＢであり、センサノードＥの近傍に存在する他センサノードは、センサノードＤ，Ｆである。

図６に示す人感センサのセンシング結果は、センサノードＡ、センサノードＥおよびセンサノードＬのみ人の存在を検出し、他のセンサノードは人の存在を検出していない状態である。以下、図６に示したセンシング結果がサーバ３に送信されたときに、サーバ３で算出される各センサノード１の機器制御信号の結果について説明する。

図７に示す例においては、人が存在する箇所では、照明機器を最も明るく点灯するものとする。よって、人が存在しているセンサノードＡ，Ｅ，Ｌにおける機器制御信号ｆ_A，ｆ_E，ｆ_Lの初期値はそれぞれ「１」となるので、環境制御機器全体の消費電力の下限はａ＝３となる。

図７（ａ）は、環境制御機器全体の消費電力の上限をｂ＝６とした場合の各センサノード１の機器制御信号の計算結果を示すグラフである。横軸は各センサノード１のＩＤを表し、縦軸は各センサノード１に接続された照明機器を制御する機器制御信号の大きさを表している。同図に示すグラフでは、人が存在するセンサノードＡ，Ｅ，Ｌにおける機器制御信号は「１」であり、隣接するセンサノード間において急激に暗くならないように機器制御信号が設定されている。

図７（ｂ）は、環境制御機器全体の消費電力の上限を図７（ａ）の場合よりも低く、ｂ＝５とした場合の各センサノード１の機器制御信号の計算結果を示すグラフである。なお、同図の縦軸および横軸は、図７（ａ）と同様である。人が存在する地点での機器制御信号は「１」で変わらないが、環境制御機器全体の消費電力を低減するために、人が不在の箇所においては、図７（ａ）に比べて照明機器の機器制御信号を低くするように制御されている。

図７（ｃ）は、環境制御機器全体の消費電力の上限をさらに低くｂ＝４とした場合の各センサノード１の機器制御信号の計算結果を示すグラフである。なお、同図の縦軸および横軸は、図７（ａ）と同様である。図７（ｃ）においても、人が存在する地点での機器制御信号は「１」で変わらないが、人が不在の箇所においては、図７（ａ）（ｂ）に比べて、さらに、照明機器の供給電力量を低くするように制御されている。

また、人が存在する地点での機器制御信号を最大の「１」に固定する必要はなく、場所やそこにいる人などによって照明を若干暗くすることもできる。図８は、人が存在しているセンサノードの機器制御信号の初期値をそれぞれｆ_A＝１、ｆ_E＝０．６、ｆ_L＝０．８と設定し、環境制御機器全体の消費電力の上限をｂ＝５．４とした場合の各センサノード１の機器制御信号の計算結果を示すグラフである。なお、同図の縦軸および横軸は、図７（ａ）と同様である。人が存在している地点での機器制御信号をそれぞれ設定したので、環境制御機器全体の消費電力の下限はａ＝２．４となる。同図に示すように、人が存在していない地点においても、急激に暗くならないように照明機器の機器制御信号が設定されている。また、人が存在している地点毎に照明機器の明るさを制御することも可能となっている。

なお、センサノード１の配置は、一直線上に並べるものに限定する必要はなく、平面的に並べても、立体的に配置するものであってもよい。また、センサノード１は、隣接したセンサノード１とのみ通信可能という制限は必ずしも必要ない。

以上説明したように、本実施の形態によれば、複数の環境制御機器４の各々にセンサノード１を接続し、センサノード１により測定した環境情報と、当該センサノード１の近傍に存在する他センサノード１の情報とをサーバ３に送信し、サーバ３において、各機器制御信号の合計が所定の範囲となるように、近傍のセンサノード１間の機器制御信号の差をできるだけ小さくした機器制御信号を生成することによって、環境制御機器４全体の出力を所定の範囲に収めると同時に、近傍に存在する環境制御機器４間の出力（例えば、明るさなど）を滑らかに変化させることができるので、全体の消費電力を考慮するとともに、人の快適性に配慮した環境制御を行うことができる。

なお、本実施の形態における環境制御システムでは、サーバ３は生成した各機器制御信号を各センサノード１に送信し、センサノード１各々が機器制御信号に従って環境制御機器４を制御することとしたが、機器制御信号を生成したサーバ３が環境制御機器４を制御することとしてもよい。この場合、サーバ３は、環境制御機器４を制御するための機器制御部を備えることとする。また、センサノード１と環境制御機器４は接続されている必要はなく、サーバ３において、各センサノード１から送信される状態メッセージからどの環境制御機器４を制御すればよいのかという対応関係が取れればよい。

本実施の形態における環境制御システムの全体構成図である。 本実施の形態におけるセンサノードのハードウェア構成を示す図である。 本実施の形態におけるサーバのハードウェア構成を示す図である。 本実施の形態におけるセンサノードとサーバのデータの送受信を模式的に示した図である。 本実施の形態における環境制御の手順を示すフローチャートである。 センシングノードの配列の一例を示した図である。 本実施の形態における機器制御信号の一例を示すグラフである。 本実施の形態における機器制御信号の別の一例を示すグラフである。

符号の説明

１…センサノード
１１…測定部
１２…ノード検出部
１３…通信部
１４…機器制御部
２…センサノード送受信器
３…サーバ
３１…受信部
３２…ノード検索部
３３…信号生成部
３４…送信部
８１…状態測定用センサ
８２…ノード検出用センサ
８３…ＣＰＵ
８４…メモリ
８５…無線通信モジュール
８６…機器制御モジュール
９１…ＣＰＵ
９２…メモリ
９３…外部記憶装置
９４…インタフェース装置
９５…バス

Claims (6)

1. 複数の環境制御機器と、前記環境制御機器の各々に対応した複数のセンサノードと、サーバとを有する環境制御システムであって、
   前記センサノード各々は、
   自センサノードの周囲の環境を測定する測定手段と、
   自センサノードの近傍の他センサノードの識別情報を取得する取得手段と、
   前記測定手段が測定した環境情報と、前記取得手段が取得した他センサノードの識別情報とを、前記サーバに送信する送信手段と、
   前記サーバは、
   前記センサノード各々から、前記自センサノードの測定した環境情報と、前記他センサノードの識別情報と、を受信して記憶手段に記憶させる受信手段と、
   各環境制御機器の動作を信号の大きさで制御する各機器制御信号を前記識別情報に対応させて定めるとともに、各機器制御信号の初期値を前記環境情報を用いて設定する初期化手段と、
   各機器制御信号は０以上であり、且つ、各機器制御信号によって制御される環境制御機器の消費電力の合計が所定の範囲内であるという条件を満たし、前記センサノード各々の機器制御信号と当該センサノードの近傍の前記他センサノードの機器制御信号との差の自乗和の合計が最小となる機器制御信号を生成する生成手段と、を有すること
   を特徴とする環境制御システム。
2. 前記サーバは、前記生成手段が生成した各機器制御信号を、対応する前記センサノードに送信する送信手段を有し、
   前記センサノード各々は、対応する前記環境制御機器と接続されたものであって、
   前記サーバから、自センサノードに接続された環境制御機器を制御するための機器制御信号を受信し、当該機器制御信号に従って前記環境制御機器を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の環境制御システム。
3. 前記サーバは、前記生成手段が生成した各機器制御信号に従って対応する前記環境制御機器を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の環境制御システム。
4. 複数の環境制御機器と、前記環境制御機器の各々に対応した複数のセンサノードと、サーバとを有する環境制御システムが行う環境制御方法であって、
   前記センサノード各々により、
   自センサノードの周囲の環境を測定するステップと、
   自センサノードの近傍の他センサノードの識別情報を取得するステップと、
   前記環境を測定するステップで測定した環境情報と、前記識別情報を取得するステップで検出した他センサノードの識別情報とを、前記サーバに送信するステップと、
   前記サーバにより、
   前記センサノード各々から、前記自センサノードの測定した環境情報と、前記他センサノードの識別情報と、を受信して記憶するステップと、
   各環境制御機器の動作を信号の大きさで制御する各機器制御信号を前記識別情報に対応させて定めるとともに、各機器制御信号の初期値を前記環境情報を用いて設定するステップと、
   各機器制御信号は０以上であり、且つ、各機器制御信号によって制御される環境制御機器の消費電力の合計が所定の範囲内であるという条件を満たし、前記センサノード各々の機器制御信号と当該センサノードの近傍の前記他センサノードの機器制御信号との差の自乗和の合計が最小となる機器制御信号を生成するステップと、を有すること
   を特徴とする環境制御方法。
5. 前記サーバにより、前記機器制御信号を生成するステップで生成した各機器制御信号を、対応するセンサノードに送信するステップと、
   前記センサノード各々は、対応する前記環境制御機器と接続されたものであって、
   前記センサノード各々により、
   前記サーバから、自センサノードに接続された環境制御機器を制御するための機器制御信号を受信し、当該機器制御信号に従って前記環境制御機器を制御するステップを有することを特徴とする請求項４に記載の環境制御方法。
6. 前記サーバにより、前記機器制御信号を生成するステップで生成した各機器制御信号に従って対応する前記環境制御機器を制御するステップを有することを特徴とする請求項４に記載の環境制御方法。

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