JP4580423B2 - センサネット管理方式 - Google Patents

Description

本発明は、ネットワークに接続した多数のセンサからの情報を利用する技術に関する。

近年、現実世界の情報をセンサによって取り込み、この情報を、ネットワークを通して離れた場所で利用するセンサネットワークへの期待が高まっている。現在のインターネット上のサービスは仮想空間上のサービスに閉じているが、センサネットワークが現在のインターネットと本質的に違う点は、実空間と融合している点である。実空間との融合を図ることができれば、時間、位置など状況依存型のさまざまなサービスが実現できる。実空間に存在する多様なオブジェクトがネットワーク接続されることでトレーサビリティが実現でき、広義の意味での「安全」を求める社会ニーズや、在庫管理作業の効率化などといったニーズに対処することが可能となる。センサが温度、土壌汚染度、エンジン回転数などといった実空間を直接的に監視するとともに、得られたデータはネットワーク経由で共有される。また、アクチュエータなどを介して物理的なアクションを実行することもできる。
センサネットの実現は、“ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ ＯＦ ＴＨＥ ＡＣＭ Ｊｕｎｅ ２００４／Ｖｏｌ．４７、Ｎｏ．６、ｐｐ．４１−４６「Ｔｈｅ Ｐｌａｔｆｏｒｍｓ Ｅｎａｂｌｉｎｇ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ」”に示されているような小型無線ノードの採用がそのキーとなる。小型の無線センサノードは、新たな配線（電源線、通信線）が不要であること、低電力化により頻繁な電池の交換を不要とすること、小型化により様々な物や場所に容易に装着できることを特徴とする。小型無線ノードの利点としては以下のような幅広い応用が想定されている。例えば、建造物、プラント、電子機器など、様々な装置に設置することで、今まで取れなかった物理量をセンシングして遠隔保守・監視、消耗品の自動補給などができる。また、自然界にセンサノードを多数設置することにより、土砂くずれや洪水、山火事などの兆候を事前に察知することによる災害監視や環境モニタリングができる。
一般的な小型無線センサノードの構成を図２に示す。小型無線センサノード１０では、外部の電源と接続される電源線を不要とする代わりに、自己の電源１１として、ノード自体に小型のバッテリを搭載するか、太陽発電など自然界からの電力源を使用して、データ処理、送受信処理に使用する。このような有限の電力をできるだけ有効活用するために、センサノードは徹底した低電力化が必要となる。搭載されるセンサ１４、データの送受信を制御するためのマイクロプロセッサにより実現されるコントローラ１３、および無線処理部１２は、省電力を実現するため、必要最小限の能力のものを搭載する。無線処理部１２で処理されたセンシングデータは、アンテナ１５を通して、他のセンサノード１０もしくはセンサノード１０を収容している基地局に対して送信される。
小型無線ノード１０を特徴づける間欠動作のタイミングについて図３に示す。図３は、時間経過を横軸に、縦軸に消費電流を示したものである。小型無線ノード１０は、定期的に起き上がって動作状態２２０（センシングおよび無線処理）となり、それ以外の時にはスリープ状態２３０となって待機時電力を削減するような間欠動作をベースとしている。また、センサネットではバッテリの消費をできるたけ抑えるために、センサネットをクラスタリングして管理する手法がＷｅｎｄｉ Ｒａｂｉｎｅｒ Ｈｅｉｎｚｅｌｍａｎ、他による“Ｅｎｅｒｇｙ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ、ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈａｗａｉｉ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｊａｎｕａｒｙ ４−７、２０００、Ｍａｕｉ、Ｈａｗａｉｉ．”に示されている。ＬＥＡＣＨ（Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）と名づけられたこの手法では、複数のセンサノードから構成されるグループ（クラスタと呼ぶ）を構成する。クラスタからは、クラスタヘッドと呼ばれるセンサノードがひとつ選出される。クラスタヘッドは常に起動しており、他のセンサノードから送信されたデータを代表して他のクラスタや基地局に中継する役割を果たす。クラスタヘッド以外のセンサノードは、常に起動している必要はないことから、自分が情報を送信するタイミングのみ起き上がって、その他のタイミングではスリープしていれば良いので、待ち受けに必要な消費電力をセーブすることが可能となる。また、クラスタヘッドは固定的でなく、クラスタ内のセンサノードから残電量に依存した動的な選出、もしくは、ランダムなローテンションを行なってクラスタ内で電力消費のバランスを図る。このように、ＬＥＡＣＨではクラスタ単位でのコーディネーション動的に行ってセンサネットワーク全体のライフタイムを向上することを目的としている。
センサネットワークはその全体のライフタイムを向上することを目的としているが、各センサノードは、その簡略化された構成のため、バッテリの交換時や、センサの故障時のようなサービス中断の対策はセンサノード自身には内蔵されていない。
インターネットの世界において、サービス中断を防止するために負荷分散とよばれる手法が多く使われている。図４ではある特定の目的の処理を行うためのサーバの負荷分散について説明する。複数の同様な処理を実現するためのサーバ１００−１〜１００−３に対し、ユーザ１２０がこれらにインターネット経由でアクセスする場合を考える。サーバ１００の前段にはロードバランサ１４０が設置され、ロードバランサ１４０では背後にある複数のサーバ１００−１〜１００−３の稼動状態や負荷を定期的に監視している。ユーザ１２０からのリクエストに対して、ロードバランサ１４０は、例えばもっとも処理負荷の低いサーバや、応答速度の速いサーバを、予め設定されたポリシに従って選択して割り当てを行う。不意の故障が発生したサーバやメンテナンスの必要なサーバについては、ロードバランサ１４０がユーザに対して割り当てを行わないようにすることで、ユーザは常にサービス断を意識せずにサーバにアクセスが可能となる。

ところで、センサノードは、バッテリが切れると動作不要となるため、バッテリの消耗状態をモニタして、バッテリを交換する、もしくは、センサノード自体を交換する必要がある。今後、センサノードの適用範囲を広めるためには、バッテリ切れや故障時のサービス中断といった欠点を補ったセンサネットワーク、つまり、信頼性を高めたセンサネットワークが必要となる。
また、自然界にセンサノードを多数ばらまく災害監視や環境モニタリングのようなアプリケーションにおいては、災害の危険度が高い時やセンシングされるデータの変化量が多いときにはセンサをフル稼働させて高精度な監視を行う必要がある。しかし、災害の危険度が低い時には情報精度を低くして、稼働するセンサ数やセンシング間隔を間引きすることにより、センサネット自体の消費電力を削減し、ライフタイムを長くすることが要求される。また、観測対象が位置によってあまり変動しない場合は単位面積あたりの観測地点は少なくてよいが、位置によるばらつきが大きなものを観測対象とする場合は、より多くの観測地点で観測を行えることが要求される。つまり、ユーザの希望やセンシング状況に応じて観測粒度（空間・時間）を自由に変更可能であるようなセンサネットワークが必要となる。
従来技術のセンサノードは、その簡略化された構成を特徴とするため、バッテリの交換時や、センサの故障時のようなサービス中断の対策はセンサノード自身には内蔵されていない。また、従来技術で示したクラスタリング手法は、ネットワークのライフタイムを長くすることを目標としているが、サービス中断への対策や、観測粒度の自由な変更は、その対象とするものではない。また、従来技術のロードバランサでは、ユーザにサービス断を意識させないようなサーバ割り当てが可能であるが、サーバとしてセンサネットで使用されるような小型無線ノードと違って、十分な処理リソース、バッテリリソースを持つことを想定している。よって、間欠動作を前提とするセンサノードに対して、従来のロードバランサの機能では、不十分である。
そこで、本発明の目的は、サービス断のない信頼性のあるセンサネットワークを実現することである。また、ユーザの希望に応じて観測粒度（空間・時間）を自由に変更可能であるような柔軟な管理方法を提供することである。さらに、電力が限られているセンサノードの電力管理によりセンサネットのライフタイムをできるだけ伸ばすような管理方法を提供することである。
より具体的には、間欠動作を前提とする複数のセンサノードのうち、部分的なセンサノードに故障が発生した場合においてもユーザにサービス断を意識させないようなセンサノード管理方法を提供することである。また、ユーザからの設定あるいはセンシングデータの内容解釈に基づいて、センシングエリア内の複数センサノードの起動間隔を手動もしくは自動で変更することで、空間的および時間的な観測粒度が変更可能でかつセンサネットワークの省電力化を実現するようなセンサノード管理方法を提供することである。
そこで、本発明は、複数の間欠動作センサノードを収容する基地局内に、センサノードの管理を行うセンサ管理テーブル、複数のセンサノードをグループ化するためのグループ管理テーブル、動作タイミング制御部を持つ。動作タイミング制御部は、グループ化された複数のセンサノードの、動作間隔およびそれぞれのセンサノードが起動する位相関係を決定する。センサノードが、動作間隔および位相の基準とするための、同期化されたカウンタ値を、基地局とセンサノードで有する。
センサノードの故障や新たなセンサノードの追加など、グループ内のセンサノード数に変更が生じたときには、動作タイミング制御部が、グループ内複数のセンサノードの、動作間隔およびそれぞれのセンサノードが起動する位相関係を再度調整して、各センサノードに通知する。
さらに、空間観測粒度の変更要求がある場合には、動作タイミング制御部が空間粒度に応じたグループ構成変更、および、グループ内複数のセンサノードの動作間隔およびそれぞれのセンサノードが起動する位相関係を変更して、各センサノードに通知する。
このように、ノードをグループ化して管理することにより、間欠動作を前提とする複数のセンサノードのうち、部分的なセンサノードに故障が発生した場合においてもユーザにサービス断を意識させないようなセンサノード管理方法が提供できる。
また、ノード群をグループ化する際のグループの大きさや観測間隔を変えることによりセンシングエリア内の複数センサノードの起動間隔を手動もしくは自動で変更することで、空間的および時間的な観測粒度が変更可能なセンサノード管理方法が提供できる。

本発明のセンサネット管理方式のセンサノード管理部の構成を示すブロック図である。 従来のセンサノードの構成を示すブロック図である。 従来のセンサノードの動作を示すタイミングチャートである。 従来の負荷分散方式の構成例を示すブロック図である。 本発明のセンサネット管理方式の全体構成図である。 本発明のセンサネット管理方式の基地局の構成を示すブロック図である。 本発明のセンサネット管理方式のセンサノードの構成を示すブロック図である。 本発明のセンサネット管理方式の動作例を示すブロック図である 本発明のセンサネット管理方式の動作例を示すブロック図である 本発明のセンサネット管理方式のセンサノード管理部の構成を示すブロック図である。 本発明のセンサネット管理方式のセンサノード管理部の構成を示すブロック図である。 本発明のセンサネット管理方式のセンサノードの動作例を示すタイムチャートである。 本発明のセンサネット管理方式のセンサノード管理部の構成を示すブロック図である。 本発明のセンサネット管理方式のセンサノード管理部の構成を示すブロック図である。 本発明のセンサネット管理方式の動作例である。 本発明のセンサネット管理方式の動作例である。 本発明のセンサネット管理方式を用いたセンサネット配備の説明図である。 本発明のセンサネット管理方式を用いたセンサネット配備の説明図である。 本発明のセンサネット管理方式を用いたセンサネット配備の説明図である。 本発明のセンサネット管理方式のセンサノード管理部の構成を示すブロック図である。 本発明のセンサネット管理方式のセンサノード管理部の構成を示すブロック図である。 本発明のセンサネット管理方式のセンサノード管理部の構成を示すブロック図である。 本発明のセンサネット管理方式を応用したセンサノード交換手順の説明図である。 複数の無線方式により通信するセンサノードを１の観測対象に割り当てる場合の構成図である。 サブエリア単位で観測を行う場合の手順を示すフロー図である。

本発明によるセンサネット管理方式の実施例を説明する。
図５に本発明のセンサネット管理方式を適用するセンサネットシステムの全体構成を示す。複数の無線小型センサノード１０を含むセンサネットワークにより収集されたセンシング情報は基地局３０に集積される。集積された情報は、既存のネットワーク１１０、例えばインターネットのような公共網もしくは私設網を通してサーバ２０に入力される。サーバでは、センシングデータの変化に応じたアクションの起動、センシングデータの加工処理、蓄積処理などが行われる。サーバ２０の機能は部分的に基地局３０で行うこともできる。また、ネットワーク経由で管理者は管理者端末１５０を通して、上記サーバ２０、基地局３０、さらには、センサノード１０の設定や、監視を行うことができる。
次に、基地局３０のブロック図を図６に示す。基地局３０は、電源３１、無線処理部３２、コントローラ３３、ネットワーク処理部３４、および、アンテナ３５より構成される。電源３１は、外部電源を使用する場合や、バッテリなど内蔵電源を使用することが考えられる。無線処理部３２は、アンテナ３５を通して、センサノード１０との通信処理を行う。コントローラ３３では、基地局３０の管理やセンサノード１０の管理、設定、センサノード１０から送信されてきたセンシングデータに対しての信号処理、加工処理などを行う。ネットワーク処理部３４では、センシングデータを既存のネットワークに送出するための、データフォーマットの変換やプロトコル処理を行う。
また、本発明によるセンサネット管理方式で使用されるセンサノード１０は、図７に示すように、従来のセンサノード（図２）に加えてコントローラ１３内にｎ進カウンタ１３１を有しており、間欠動作の動作周期と開始タイミングは、このｎ進カウンタ１３１の値が基準となる。また、コントローラ１３内のメモリに、後述する、基地局３０から通知される観測間隔および観測開始タイミングとを記憶する。
基地局３０のコントローラ３３の構成を図１に示す。コントローラ３３は、故障検出部１、動作変更指示部２、動作タイミング制御部３、センサノード管理テーブル４、グループ管理テーブル５（これらの管理テーブルはメモリ上に記憶される）、および、センサノード１０と同様のｎ進カウンタ６より構成される。ここでセンサ管理テーブル４には、基地局１０の配下にあるセンサノード１０のノード識別子（ノードＩＤ）５１０が登録されている。
次に、基地局のコントローラ３３で行われるセンサノード冗長化管理について説明する。図８で示すように、ひとつのセンサノード１０−１が観測対象３００に対して温度、圧力などのセンシング動作を行い、センシング情報を基地局３０に送付するシステムに対して、図９で示すようにセンサノード１０−２を追加して冗長化管理を行う場合を例にして説明を行う。ここで観測対象３００は、工業製品、建造物、自然現象などである。
まず、基地局３０のコントローラ３３では、観測対象に対して配置されているセンサノード１０に対してグルーピング処理を行う。冗長化管理の必要な場合には、複数のセンサノードでひとつのグループを構成するが、冗長化管理の必要のない場合には、ひとつのセンサノードでひとつのグループを構成しても良い。
具体的には図１１に示すように、グループ管理テーブル６に対して、新たなグループＩＤ（６１０）の割り当て、そのグループに含まれるひとつ、もしくは複数のセンサノードのノードＩＤ（６２０）の登録、そのグループ全体に要求する観測間隔（６３０）の登録を行う。グループ内のノード数（６４０）は、登録するノードＩＤ（６２０）の数より自動的に計算される。センサノード１０−１のＩＤを＃１、センサノード１０−２のＩＤを＃２とした場合、図１１の例では、グループ＃１に対して、２つのセンサノード１０−１、センサノード１０−２が登録されており、グループ＃２に対して、別のセンサノード＃３が登録されている。観測間隔（６３０）は双方のグループともに３０秒としている。グループ管理テーブル６が作成されるとその情報をもとにして、図１０に示すセンサ管理テーブル５の各センサノード（５１０）に対応した観測間隔（５３０）と、開始スロット（５４０）が計算される。例えば、グループ＃１はセンサノード数が２つで構成されている。よって、要求される観測間隔３０秒を実現するためには、２つのセンサノードは交互に動作すれば良い。よって、グループ＃１を構成する２つのセンサノード１０−１、センサノード１０−２、それぞれは、６０秒間隔で動作すれば良いことになる。２つのセンサノードが交互に動作するように３０秒ずれた間隔で動作を開始するように、開始スロット（５４０）には、動作の開始タイミングを指定するカウンタ値を入力する。例えば、１秒に１つカウントアップするｎ進カウンタ１３１を用いる場合には、ノードＩＤ＃１に対する開始スロット（５４０）には“０”を、ノードＩＤ＃２に対する開始スロット（５４０）には、“３０”が入力される。複数センサノード１０の開始スロット順序については、例えば、センサノード１０のＩＤ番号の昇順などをベースにして決めれば良い。
次に、グループ化を行う際の基地局３０から配下のセンサノード１０に対する設定手順について説明する。まず、基地局３０から配下のセンサノード１０−１、１０−２に対して、カウンタ値のリセット要求コマンドを送付する。リセット要求コマンドは、動作タイミング制御部３にて作成される。具体的には、コマンド発行時点での、基地局３０内ｎ進カウンタ６のカウンタ値を読み取って、配下のセンサノード１０に対して同時に、もしくは、シーケンシャルに送付する。センサノード１０−１、１０−２はリセット要求コマンドを受信して、ｎ進カウンタ１３１を同時に受信したカウンタ値にあわせこむことで、基地局３０内のｎ進カウンタ６とグループ内の全てのセンサノード１０内のｎ進カウンタ１３１を同期させる。なお、同期状態を保持するために、このリセット要求コマンドは、その後も定期的に、または必要に応じて基地局３０よりセンサノード１０に対して発行される。
次に、基地局３０の動作変更指示部２は、グループ内の各センサノード１０に対して、動作間隔コマンドと動作開始タイミングコマンドを送信する。動作間隔コマンドと動作開始タイミングコマンドは、センサ管理テーブル５を参照して作成される。具体的には、冗長化を行わないグループ（図８）については、センサノード１０（センサ管理テーブル５のノードＩＤ＃３の例）に対して、動作間隔＝３０、動作開始タイミング＝０という内容のコマンドを発行する。冗長化を行うグループ（図９）については、センサノード１０−１（センサ管理テーブル５のノードＩＤ＃１の例）に対して、動作間隔＝６０、動作開始タイミング＝０という内容のコマンドを発行し、センサノード１０−２（センサ管理テーブル５のノードＩＤ＃２の例）に対して、動作間隔＝６０、動作開始タイミング＝３０という内容のコマンドを発行する。センサノード１０にて、動作間隔＝ｘ、動作開始タイミング＝ｙという内容のコマンドを受信すると、ｎ進カウンタ値の値が“ｘの倍数＋ｙ”の時のみ、スリープモードから起動して、センシングおよびデータの送信を行う。それ以外のタイミングではスリープモードに入り、電力の消費を極力抑えた状態となる。
これに従うと、図９に示すように２つのセンサノードを交互に１分間隔で動作させることで冗長化が実現できる。図１２は、冗長化無しの場合（図８）と、冗長化有りの場合（図９）の、間欠動作タイミングを示している。冗長化無しの場合には、ＩＤ＃３のセンサノードより３０秒間隔で基地局３０にデータの送信が行われる。また、冗長化ありの場合には、ＩＤ＃１、ＩＤ＃２、のそれぞれのセンサノードより６０秒間隔で基地局３０にデータの送信が行われる。基地局では、ノードＩＤ＃１、＃２のいずれから受信されたセンシングデータであっても、グループ＃１についてのセンシングデータとして扱うことにより、センサノードを利用するユーザに対しては１つのセンサによる観測結果のように提供することができる。
次に、センサノードが冗長化されているグループ＃１において、２つのセンサノード１０−１、１０−２のうちのひとつのセンサノードに故障が発生する場合を想定する。基地局３０の故障検出部１においては、周期的に受信するセンサノード１０からのセンサデータを監視して、いずれかのセンサノードからの受信が停止した場合や、明らかに想定外のデータを受信している場合には、センサノードが故障したと判定する。具体的には、故障検出部１では、図２２に示すように、グループ単位にセンサノード１０からのデータの観測値平均を常に計算し、観測値平均から一定値以上外れたデータを送信しているセンサノード１０を故障と判定することもできる。
故障検出部１でセンサノード１０−１の故障を検出した場合には、そのセンサノード１０のノードＩＤ＃１を動作タイミング制御部３に通知する。動作タイミング制御部３では、センサノード管理テーブル５−１のセンサノード１０−１のＩＤ＃１のステータスを停止状態にするとともに（図１３）、グループ管理テーブル６の、グループ＃１に登録されているセンサノード１０−１（ＩＤ＃１）を削除する。グループ管理テーブル６−１をもとに、設定されている観測間隔６３０と、残りのノード数６４０から、グループ内のセンサノード１０の観測間隔５３０および開始スロット５４０を再計算する（図１４）。具体的には、グループ＃１の場合には、センサノード１０−２のみ残っているので、動作タイミング制御部が、観測間隔５３０には“３０”、開始スロット５４０には“０”を設定する。センサノード１０−２（センサ管理テーブル５−１のノードＩＤ＃２の例）に対して、動作間隔＝３０、動作開始タイミング＝０という内容のコマンドを発行することで、センサノード１０−２は、新たに設定されたタイミングで動作を開始する。センサノードは、図８の冗長化なしの場合（図８）と同じタイミングで間欠動作を開始することになる。このように、常に基地局３０に対しては、グループ管理テーブル６の観測間隔６３０に示された間隔で、センシングデータの通知を行うことで、ユーザに対してはサービス断がなく、かつ同一の間隔でセンシング情報の提供が可能となる。また、冗長化なしの状態（図８）からセンサノードを新たに付加する場合（図９）にも、同様に、基地局３０の動作タイミング制御部３で、グループの全体における観測間隔６３０およびノード数６４０から、各グループにおける各センサノードの観測間隔と開始スロットを計算した後、グループ内のセンサノード１０へ動作変更指示を出す。センサノード１０の故障時だけでなく、電池の交換時やセンサノードのメンテナンスや入れ替えを行う場合には、管理者端末１５０から動作タイミング制御部３に対して、停止させるべきセンサノード１０の変更を指定することができる。
このように、間欠動作の動作変更を行うことで、ユーザに対して、バッテリ交換時や片方のセンサの故障時にもユーザにはサービス断を意識させることはない。以上の例では、グループ内のセンサノード１０が２個の場合を中心に説明したが、センサノード数が３個以上であっても、同様な管理を行うことができる。また、センサノード１０の残電力や消費電力が異なる場合には、これら残電力や消費電力に応じて、グループ内で各センサノード１０に割り当てられる送信頻度の比率を変えることもできる。
図１５に示すように、複数の冗長化設定されたセンサノード１０をグループ管理４０することにより、ユーザに対しては、図１６に示すように、それぞれのグループがあたかも高信頼（故障しない、バッテリ切れの無い）のセンサ５０であるような、仮想的な管理を行うことができる。
次に、基地局３０とセンサノード１０の無線方式を変更する場合について図２３を使用して説明する。無線方式Ａを使用して観測対象３００を観測しているセンサネット方式にて、基地局３０は無線方式Ａに対応した送受信回路３６Ａを使用してセンサノード１０−１、１０−２と通信を行っている。また、基地局３０は別の無線方式に対応した送受信回路を搭載可能な空きスロット３７を有している。ここで、基地局３０とセンサノード１０を無線方式Ｂに変更する手順について説明する。手順１は、グループ化管理された複数のセンサノード１０−１、１０−２が観測対象３００を観測して、センシングデータを基地局３０に送信している状態を示している。ここで、センサノード１０と基地局３０間は無線方式Ａを使用している。手順２では、冗長化された複数のセンサノード１０のうちのひとつセンサノード１０−２を取り外す。ここで、動作タイミング制御部３にて、残りのセンサノード１０−１の間欠動作の動作変更を行うことで、ユーザに対してはサービス断を意識させることはない。手順３では、基地局３０に、新たな無線方式Ｂに対応した送受信回路３６Ｂを取り付け、さらに、無線方式Ｂに対応したセンサノード１０Ｂ−１を観測対象３００に取りつける。動作タイミング制御部３にて、もともとのセンサノード１０−１と新規に取り付けたセンサノード１０Ｂ−１を１グループにまとめたグループを設定し、間欠動作の動作変更を行う。手順４では、無線方式Ａに対応した残りのセンサノード１０−１および、送受信回路３６Ａを取り外す。最後に、手順５にて、無線方式Ｂに対応したセンサノード１０−Ｂ１を取り付ける。上記の手順１から５を通して、ユーザに対しては、サービス断を意識させることなく、また、一定の送信間隔を保ったまま、無線方式をアップブレードすることが可能となる。
さらに、異種の無線方式によるセンサノード１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）同一の観測対象３００に設置し、基地局３０にて、それぞれに対応した無線方式の回路（３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ）でこれらのセンサノード１０からのデータを受信する場合を図２４に示す。センサノード１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）を同一のグループとして、動作タイミング制御部３にて管理することにより、無線環境が変化して、一部の無線方式が使用不可能になってもサービスを継続し、かつ、基地局３０で一定の間隔にてデータを受信可能であるような信頼性の高いセンサネットシステムが実現できる。
なお、以上の説明ではコントローラ３３を基地局内に具備する例を説明したが、コントローラ３３の機能、特に、センサノード管理テーブル及びグループ管理テーブルを設定・格納する機能は、管理者端末に具備しても同様の効果を得ることができる。
次に別の実施例として、センサネットの冗長化を実現しつつ観測粒度を変更可能とするセンサネット管理方式について説明する。図１７の例では、８０ｍｘ８０ｍのエリア３０１にセンサノード１０が多数配置されており、そのほぼ中心に基地局３０が配置されている。全てのセンサノード１０は、基地局３０に対して無線でアクセス可能である。センサノード１０は、図１７では規則的な配置となっているが、配置は必ずしも規則的で無くても良い。各センサノードは、自然現象などをセンシングして、定期的に基地局３０に対して報告する。エリア３０１内のセンサノード１０の配置粒度に対して、自然現象の変化点の粒度が十分大きいときや、ユーザが大きな観測粒度を希望する場合がある。この場合、エリア３０１を複数のサブエリア（各サブエリアが複数のセンサノードを含む）に分割し、サブエリア毎の値をユーザに報告すれば良い。
まず、最初にユーザが２０ｍｘ２０ｍの空間粒度で観測を行う場合を考える。図１８は、図１７のエリアを２０ｍｘ２０ｍの単位の１６個のサブエリア（Ａ１〜Ａ１６）に分割したものである。各エリアは、８個のセンサノード１０でカバーされている。各サブエリアにおいては、自エリア内の複数のセンサノード１０に対して、前記実施例に示したようにグループ化して交代でセンシングおよびその結果の通知を行うようにする冗長化管理を適用する。また、同様に、ユーザが、１０ｍｘ１０ｍの空間粒度で観測を要求する場合には、図１９に示すようにエリア３０２を１０ｍｘ１０ｍの単位の６４のサブエリア（ａ１〜ａ６４）に分割する。各サブエリアは２個のセンサノード１０でカバーされており、各サブエリアごとにノードをグループ化し、前記実施例に示した冗長化管理を適用する。
以上の例では、空間的粒度を変化させる要求について説明したが、グループごとおよびノードごとの観測と通知の頻度を変化させることで、時間的な観測粒度を変化させる要求も想定される。
次に、これら空間的・時間的な観測粒度を変更可能とするコントローラ４００の構成を図２０に示す。コントローラ４００の構成について、図１で示したコントローラ３３に追加される部分を中心に説明する。センサネット管理部４００は、図１で示したセンサネット管理部３３に加えて、ノード位置情報管理部７、時間粒度８１、空間粒度８２を含む観測粒度メモリ８より構成される。ノード位置情報管理部７には、エリア３０２内のセンサノード１０の位置情報（緯度経度座標や直角座標など）が管理者端末より入力される。もしくは、センサノード１０自身がＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）などの測位機能を持つ場合や、基地局３０との通信を元にした測位によりセンサノード１０の相対位置がわかる場合には、それぞれのセンサノード１０の設置時に、位置情報が位置情報管理部７に自動入力される。また、観測に関してユーザが指定する時間粒度と空間粒度は、図８に示す観測粒度メモリ８に保持される。時間粒度８１と空間粒度８２の指定については、ユーザが管理者端末１５０を通じて行う。
次に、例として図１７に示すエリア３０１を、サブエリア単位で観測を行う場合についての具体的手順について、図２５を用いて説明する。
ステップ１として、まず、ユーザが観測粒度メモリに、時間粒度８１と空間粒度８２を設定する。
ステップ２として、空間粒度８２の情報とノード位置情報管理部７の情報により、エリア３０１を複数のサブエリアに分割する。空間粒度８２を、例えば、２０ｍとすれば、サブエリアが図１８のように１６個生成され、ノード位置情報管理部７の情報を使用することにより、それぞれのサブエリアに含まれるセンサノード１０が特定されてセンサノードのグループ化が行われ、図１１のグループ管理テーブルが設定される。
ステップ３として、サブエリア毎に送受信タイミングスロットを割り当てる。基地局３０のセンサノード管理部内とセンサノード１０はそれぞれｎ進カウンタ６とのｎ進カウンタ１３１を持つので、サブエリア数が１６（Ａ１〜Ａ１６）である場合には、ｎ進カウンタによってカウントされるタイミングスロット（１カウント１タイミング）を１６分割して、サブエリアＡ１には、スロット０、１６、３２、・・・、ｎ−１６、のタイミングスロットを、サブエリアＡ２には、スロット１、１７、３３、・・・、ｎ−１５のタイミングスロットを割り当てる（Ａ３〜Ａ１６も同様）。ここで、ｎ進カウンタ６とのｎ進カウンタ１３１は、ともに、カウントアップの周期ｔが、想定される時間粒度８１より十分小さく、また、カウント可能なトータル時間ｎ×ｔは、想定される時間粒度８１と比較して十分大きい値をもつものとする。なお、別の方式として、基地局３０とセンサノード１０が、サブエリア数分の周波数チャネルを持つことが可能である場合には、基地局３０がサブエリア毎に使用する周波数チャネルを指定すれば良く、この場合にはサブエリア毎に送受信タイミングスロットを割り当てる必要はない。
ステップ４として、サブエリア毎に前記実施例で説明した冗長化管理手法により、各センサノード１０に対しての観測間隔と開始スロットを割り当てる。例えば、サブエリアＡ１では、割り当てられたタイミングスロットを利用して、８個のセンサノード１０−１から１０−８間で、要求時間粒度８１に従った送信タイミングを計算する。ステップ３及び４の手順に基づき、図１０のセンサノード管理テーブルが設定される。
以上の手順により、観測粒度を変更可能とするセンサネット管理が実現できる。
さらに、観測粒度の変更を予めポリシに従って自動的に行うこともできる。観測粒度の自動変更に対応した、コントローラ４０１の構成を図２１に示す。この場合、図２０で示したコントローラ４００の構成に対して、観測粒度変更ポリシ９２およびデータ変化検出部９１が追加される。観測粒度変更ポリシには、例えば、観測値がある値を超えたら、または、時間／空間による観測対象のばらつきが所定の値を超えたら、観測粒度（空間、時間）を上げる／下げるなどのポリシを予め設定しておく。データ変化検出部９１では、センサノード１０からのセンシングデータの変化を検出し、これを、観測粒度変更ポリシ９２に送信する。センシングデータの変化が、設定されている観測粒度変更ポリシ９２にマッチした場合には、ポリシに従って、時間粒度８１、空間粒度８２が書き換えられる。時間粒度８１が変更された場合には、前記ステップ４の処理を行えば良い。また、空間粒度８２が変更された場合には、前記ステップ２からステップ４の処理を行う。
以上の手順により、観測粒度を自動変更可能とするセンサネット管理が実現できる。

本発明は、多数のセンサノードをネットワークに接続したセンサネットの管理に適用することができる。

Claims (12)

1. 複数のセンサノードから間欠的に送信されるデータを受信する基地局であって、
   センサノードの管理を行うセンサ管理テーブル、および複数の前記センサノードをグループ化するためのグループ管理テーブルを格納するメモリと、
   センサノードのカウンタ値発生回路と同期化されるカウンタ値発生回路と、
   動作タイミング制御部を有し、
   前記動作タイミング制御部は、
   前記複数のセンサノードを含むグループの全体としての動作間隔に基づいて、該グループ内のセンサノードの動作間隔およびそれぞれのセンサノードが起動する位相タイミングを決定し、前記センサノードに、前記カウンタ値発生回路によるカウンタ値で管理される該動作間隔および起動の位相タイミングを通知し、
   前記グループ内のセンサノード数に変更が生じたときには、前記グループの全体としての動作間隔が同一となるように該グループ内の複数の前記センサノードの動作間隔および各前記センサノードが起動する位相タイミングを再度調整して、該グループ内の各センサノードに通知し、
   同一の前記グループに属するセンサノードから受信されたセンサデータを、同一の観測対象についてのセンサデータとして出力することを特徴とする基地局。
2. 請求項１記載の基地局であって、前記グループ管理テーブルは、前記複数のセンサノードをグループ化した各グループについての、所属センサノード数、およびグループ全体としての動作間隔を格納し、前記センサ管理テーブルは、各センサノードについて、動作間隔および起動する位相タイミングを格納することを特徴とする基地局。
3. 請求項１記載の基地局であって、前記動作タイミング制御部は、観測の空間粒度が変更された場合には、該変更された観測の空間粒度に応じてセンサノードのグループ構成を変更し、該変更されたグループの全体としての動作間隔に基づいて、該グループ内の複数の前記センサノードの動作間隔および前記各センサノードが起動する位相タイミングを変更して、各前記各センサノードに通知することを特徴とする基地局。
4. 請求項１記載の基地局であって、前記動作タイミング制御部は、観測の時間粒度が変更された場合には、該変更された観測の時間粒度に応じてセンサノードのグループの全体としての動作間隔を変更し、該変更されたグループの全体としての動作間隔に基づいて、該グループ内の複数の前記センサノードの動作間隔および前記各センサノードが起動する位相タイミングを変更して、各前記各センサノードに通知することを特徴とする基地局。
5. 請求項３または請求項４記載の基地局であって、前記メモリに観測粒度を変更するための条件と観測粒度を格納する観測粒度変更ポリシを記憶し、また、データ変化検出部を有し、
   前記動作タイミング制御部は、前記データ変化検出部で検出したセンサノードによるセンサデータの変化量に応じて、グループ化の方法を前記観測粒度変更ポリシに従って決定し、さらに、前記動作タイミング制御部は、それぞれのグループ内の前記複数のセンサノードの、動作間隔およびそれぞれのセンサノードが起動する位相タイミングを決定し、前記センサノードに通知することを特徴とする基地局。
6. 基地局に接続可能な複数のセンサノードを含むセンサネットを管理するセンサネット管理方法であって、
   前記基地局が、前記複数のセンサノードの少なくとも一部をグループ化するステップと、
   前記基地局が、前記少なくとも一部のセンサノードを含むグループに設定される動作間隔に基づいて、該グループに含まれるセンサノードのそれぞれに動作間隔および起動タイミングを設定するステップと、
   前記基地局が、前記設定された動作間隔及び起動タイミングを前記グループに含まれる各センサノードに通知するステップと、
   前記基地局が、前記通知した動作間隔及び起動タイミングに基づいて前記グループに含まれる各センサノードからのセンサデータを収集するステップと、
   前記基地局が、前記グループ内のセンサノード数の変更を検出するステップと、
   前記基地局が、該センサノード数の変更が生じたグループ内の複数の前記センサノードの動作間隔および各前記センサノードが起動する位相タイミングを、前記グループに設定される全体としての動作間隔が同一となるように再調整するステップと、
   前記基地局が、該再調整の結果を該グループ内の各センサノードに通知するステップと、
   前記基地局が、同一の前記グループに属するセンサノードから受信されたセンサデータを、同一の観測対象についてのセンサデータとして出力するステップと、
   を有することを特徴とするセンサネット管理方法。
7. 請求項６記載のセンサネット管理方法であって、前記グループ化した各グループについての、所属センサノード数、およびグループ全体としての動作間隔を前記グループ管理テーブルに格納し、各センサノードについての、動作間隔および起動する位相タイミングを前記基地局が前記センサ管理テーブルに格納することを特徴とするセンサネット管理方法。
8. 請求項６記載のセンサネット管理方法であって、
   前記基地局が、該センサネットによる観測の空間粒度の変更の入力を受け付けるステップと、
   前記基地局が、該変更された観測の空間粒度に応じてセンサノードのグループ構成を変更するステップと、
   前記基地局が、該変更されたグループの全体としての動作間隔に基づいて、該グループ内の複数の前記センサノードの動作間隔および前記各センサノードが起動する位相タイミングを変更するステップと、
   前記基地局が、該変更の結果を各前記各センサノードに通知するステップとを有することを特徴とするセンサネット管理方法。
9. 請求項６記載のセンサネット管理方法であって、
   前記基地局が、該センサネットによる観測の時間粒度の変更の入力を受け付けるステップと、
   前記基地局が、該変更された観測の時間粒度に応じてセンサノードのグループの全体としての動作間隔を変更し、該変更されたグループの全体としての動作間隔に基づいて、該グループ内の複数の前記センサノードの動作間隔および前記各センサノードが起動する位相タイミングを変更するステップと、
   前記基地局が、該変更の結果を各前記各センサノードに通知するステップとを有することを特徴とするセンサネット管理方法。
10. 請求項８または９記載のセンサネット管理方法であって、
    前記基地局が、該センサネットによる観測粒度を変更するための条件と観測粒度を格納する観測粒度変更ポリシを予め記憶しておき、
    前記基地局が、前記複数のセンサノードによるセンサデータの変化量を検出するステップと、
    前記基地局が、前記検出したセンサデータの変化量に応じて、グループ化の方法を前記観測粒度変更ポリシに従って決定するステップと、
    前記基地局が、該決定したグループ化の方法に応じてそれぞれのグループ内の前記複数のセンサノードの、動作間隔およびそれぞれのセンサノードが起動する位相タイミングを決定し、前記センサノードに通知するステップとを有することを特徴とするセンサネット管理方法。
11. 基地局に接続可能な複数のセンサノードを含むセンサネットを構成するセンサネットシステムであって、
    前記センサノードは、
    観測を行うセンサ部と、
    該観測の結果であるセンサデータを前記基地局へ送信する通信部と、
    前記基地局のカウンタ部と同期するカウンタ部と、
    前記カウンタ部によるカウンタ値を用いて、前記基地局から通知される動作間隔と位相タイミングとに基づいて決定される観測タイミングで起動して、前記センサ部で観測を行い、該観測結果であるセンサデータを前記通信部から前記基地局へ送信するように制御を行うコントローラ部と、を備え、
    前記基地局は、
    前記センサノードの管理を行うセンサ管理テーブル、および複数の前記センサノードをグループ化するためのグループ管理テーブルを格納するメモリと、
    センサノードのカウンタ値発生回路と同期化されるカウンタ値発生回路と、
    動作タイミング制御部と、を備え、
    前記動作タイミング制御部は、
    前記複数のセンサノードを含むグループの全体としての動作間隔に基づいて、該グループ内のセンサノードの動作間隔およびそれぞれのセンサノードが起動する位相タイミングを決定し、前記センサノードに、前記カウンタ値発生回路によるカウンタ値で管理される該動作間隔および起動の位相タイミングを通知し、
    前記グループ内のセンサノード数に変更が生じたときには、前記グループの全体としての動作間隔が同一となるように該グループ内の複数の前記センサノードの動作間隔および前記各センサノードが起動する位相タイミングを再度調整して、該グループ内の各センサノードに通知し、
    同一の前記グループに属するセンサノードから受信されたセンサデータを、同一の観測対象についてのセンサデータとして出力することを特徴とするセンサネットシステム。
12. 請求項１１記載のセンサネットシステムであって、
    前記動作間隔と位相タイミングは、各センサノードの位置情報および要求される観測粒度に基づいて複数のセンサノードをグループ化し、各グループに要求される観測間隔および各グループに属するセンサノードの数に基づいて決定されるものであることを特徴とするセンサネットシステム。

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