JP4704877B2 - 端末及び端末の通信方法 - Google Patents
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Description
このZigbee規格では、前記システムを広範囲に敷設できるように、マルチホッピング通信に関する規定があり、無線が直接届かない距離に配置された端末間であっても、間に配置された中継端末がパケットを中継することで、通信が可能な方式をとっている。
このようなシステムでは、センサー端末は、Zigbee規格では、End Deviceと呼ばれており、異常があった場合など通信要求があった場合だけ、通信機能を有効にし、それ以外の場合は通信機能を停止することでバッテリ駆動による長時間動作を実現している。
一方、中継端末は、Zigbee規格においては、Routerと呼ばれている。Routerは、非同期に発生し得るEnd Deviceからの通信要求を中継するために、常時、無線通信機能を有効にしておくことが求められている。従ってその電源はバッテリでは消耗が激しいので、商用電源等により外部から電力を供給する必要がある。
更に、End Deviceにおいても、非同期に無線パケット受信を行う必要があるシステムでは、常時無線通信機能を有効にしておく必要がある。例えば、多地点に様々に異常を検出するセンサーを配置した異常検出システムにおいて、ある特定のセンサーから異常が通知された場合、他のセンサーの情報を読み出すことができれば、発生した異常状態の詳細をより詳しく知ることが可能になる。このような通信は、異常を検出していないEnd Deviceにとっては、全くの非同期に発生する通信である。このような非同期の通信を可能にするためには、End Deviceは、常時無線通信機能を常に有効にする必要がある。
しかしながら、無線センサーネットワークは、屋外等、インフラ設備の整っていない場所に設置されることある。このような場合、中継端末についても省電力で電力供給をバッテリで行うことができれば、中継端末の設置場所に制限がなくなり、しかも低コストでシステムの構築を行うことが可能となる。
また従来のシステムでは、中継端末を含めて、通信が必要になった時から、通信終了時までのみ電源が投入される、木目細かな制御ができず、省電力が十分でない、という課題がある。
まず、第一として、無線通信において送信側が、非同期に無線通信を行う場合、通信機能が有効になっていないデータリンクレベルの通信端末を、Zigbee通信とは別の無線手段を用いることにより、その通信端末の無線通信機能を有効な状態にさせる。
第二として、第一の手段で通信機能が有効になった端末が、通信機能を有効にしておくべき期間を判定し、通信機能を有効にしておく必要が無いと判断した場合は、すばやく通信機能を無効にすることで、省電力化を図る。
ここで、通信機能を有効にした状態とは、例えばZigbee規格で定められた通信フレームを送受信できる状態のことを示す。
上記スリープ・モードにおいては、周期的に受信電波の検波処理を行い、この検波処理で所定の電波強度で所定時間長のウェークアップ信号を検出する無線回路部と、
上記無線回路部が上記ウェークアップ信号を検出したことで上記一部以外の構成要素を起動して上記スリープ・モードからデータ通信が出来るアクティブ・モードになるよう動作指示するマイクロコンピュータ(マイコン)と、を備えた。
以下、自身での判断だけでなく、他からの指示でアクティブ・モードに切り替わる、本発明における無線通信装置の実施の形態について説明する。
図1は、本実施の形態におけるシステム構成を示したものであり、End Device(エンドデバイス) A11およびEnd Device(エンドデバイス) B12は、それぞれの設置された地点について温度を測定し、もし温度異常を検出した場合は、ホストに対してZigbee通信を用いて接続している温度センサーで測定して異常通知を行う。End Device A11、End Device B12は、ホスト31と物理的に電波が届かない距離に設置されており、間に設置されたRouter(ルータ、中継器)21がパケット中継を行うことでホストと通信を行うものとする。
End Device A11、End Device B12、Router21はバッテリにより電力供給されており、サーバであるホスト31は、商用電源により電力供給されているものとする。
End Device A(端末)11、End Device B(端末)12、Router21の各無線端末は、SLEEP(スリープ)・モードとACTIVE(アクティブ)・モードの2つのモードを備える。SLEEPモードは、Zigbeeの通信機能が無効になっている状態であり、ACTIVEモードは有効になっている状態である。
各無線端末は、自身の通信要求が無い状態では、SLEEPモードにモード設定される。SLEEPモードでは、周期的に端末をアクティブにして通信を行うためのWAKE−UP信号を検波する動作を行う。
ところで、無線端末は温度異常が発生しているかどうかを、定期的に温度センサーを読み取ることで監視している。そして例えば異常現象が起こると、直ちにセンサーの値を送信する。本実施の形態においては、この検波処理を行う間隔を示す検波周期Tcは、全端末共通であり、例えば100msとする。WAKE−UP信号の信号長Twは検波周期Tcと最小検波時間Twd(min)の和である。本実施例では、Twd(min)を5msと定義する。
これらの図において、WAKE−UP信号の検波処理は、時刻t1、t2等の、検波周期Tcでマイクロコンピュータ(マイコン)50が周波数変換回路42および、電波強度検出回路45を起動し、マイコン50が電波強度を読み取ることにより実施する。マイコン50は、電波強度を読み取った結果、電波強度が一定レベル以上にない場合は、WAKE−UP信号を検出しなかったものとして、図3の時刻t1とt2のように、全ての無線回路ブロックを停止状態にする。SLEEPモードでは、前記動作を繰り返すことになる。この動作では、電波強度をモニタすることだけを実施すればよいため、一般の無線パケットの受信処理とは異なって同期回路や復調回路は停止状態にすることが可能である。また、電波強度をモニタする処理は、同期処理や復調処理が必要なく、短時間で処理を行うことが可能であるため、消費電力を非常に小さくすることが可能である。
一方、時刻t4のように、電波強度レベルが一定以上の場合は、継続して電波強度をモニタする。その結果、最小検波時間Twd(min)から最大検波時間Twd(max)=Tc+Twd(min)の期間、継続して電波強度が一定レベル以上であった場合に、WAKE−UP信号を検波したと判定する。ここでは例として、Twd(max)は、WAKE−UP信号長に最小検波時間を加えた時間と同じとする。
最小検波時間Twd(min)は、Zigbee規格に定義されているフレームの信号長より長く設定することで、WAKE−UP信号とZigbee通信の信号を区別することを可能とする。当然、相手が検出できるよう、検波周期Tc以上の長さでなくてはいけない。また、こうして設定した所定の最大検波時間Twd(max)を超えて電波強度が一定レベル以上の信号については、WAKE−UP信号以外のノイズ等によるものと判断することができる。このように、WAKE−UP信号の検出条件に電波強度だけでなく、検出期間を加えることにより、WAKE−UP信号の誤検出の確率を非常に小さいものにすることが可能になる。
図3は、このときの様子を時系列に示したものである。
図4(b)において、Router21は、SLEEPモードであり、検波周期Tc=100msで検波処理を行い、t1やt2で信号を検波しない場合は、S71とS72で、速やかに処理を中断する動作を繰り返している。
あるとき図4(a)のS63で、End Device A11が、温度異常を検出すると、自身の動作モードをSLEEPモードからACTIVEモードに切り替え、S64においてデータリンクレベルの通信相手、すなわち、Router21に時刻t3でWAKE−UP信号を送信する。
Router21は、このWAKE−UP信号をS72で検出し、検波期間が、Twd(min)=5msからTwd(max)=105msであった場合に、S74で自身の動作モードをACTIVEモードに変更して、データを中継する。
以上の処理により、End Device A11とRouter21は、Zigbeeの通信規格に従った通信を実施することが可能になる。本実施の形態におけるシステムでは、この状態でEnd Device A11は、ホスト31に対して温度異常通知を行う。
しかしながら、Router21は、単純にパケット中継をしているだけなので、通信の完了を知り得ることが難しい。Router21のモード切り替えのタイミングは、例えば、Zigbeeの通信フレームを送受信しなくなってから一定時間経過後としてもよいが、この方法は、通信が完了してから、少なくとも一定時間はACTIVEモードに留まることになるため、無駄な電力を消費ことになる。
End Device A11は、ホストとの通信の第一番目、すなわち、温度異常通知を送信する前に、ホストに対してCONNECTメッセージを送信する。CONNECTメッセージは、アプリケーションレベルの通信である。CONNECTメッセージは、Router21が中継することでホスト31に転送される。Router21はCONNECTメッセージを中継する際に内容を参照し、End Device Aとホスト間でLINKが確立したと認識しこれを接続したリンクとしてメモリ51に記憶する。
LINKは、OSI(Open Systems Interconnection)7階層のトランスポート層レベルについて管理する。例えば、End Device A11とホスト31間でLINKが確立している状態で、さらに、End Device B12からホスト31へRouter21経由でCONNECTメッセージが送信された場合、Router21は、End Device B12とホスト31間もLINKが確立したと認識し、これもメモリ51に異なるリンクとして記憶する。
LINKが確立した状態において、End Device A11は、ホスト31に対して温度異常通知等、システム動作を行う。
全てのシステム動作が終わったら、End Device A11は、DISCONNECTメッセージをS65でホスト31に送信する。End Device Aは、DISCONNCETメッセージの送信処理が完了した時点で、S67として自身の動作モードをSLEEPモードに切り替える。
Router21は、CONNECTメッセージと同様に、DISCONNECTメッセージを中継する際にモニタし、DISCONNECTメッセージを中継する処理が完了したS74の段階で、End Device A11とホスト31間のLINKが切れたことを認識しメモリから削除する。そしてRouter21は、自身が関係する全てのLINKが切れたS74の場合に、S75で自身のモードをSLEEPモードに切り替える。
最後に、通信に関係しないEnd Device B12の動作について説明する。End Device B12は、End Device A11が送信するWAKE−UP信号を検出すると、自身の動作モードをACTIVEモードに切り替える。
ACTIVEモードに切り替えた後、ある一定期間待っても、自身が関係するLINKが確立しない場合は、自身の動作モードをSLEEPモードに切り替える。
前記のように、区別して検出が可能な起動信号を送ってACTIVEモードにして、特別の終了信号でSLEEPモードに切り替えることで、省電力な中継器と端末を実現できる効果がある。
先の実施の形態では、Zigbeeの通信チャネルを用いて、しかし定義をされた周期、及びノイズ、とは識別可能な、別の周期のWAKE−UP信号を送信する方式を説明した。
Zigbeeの物理層は、複数のチャネルが定義されている。これを利用して本実施の形態では、WAKE−UP信号を送信、検波するチャネルと、Zigbeeの通信をするチャネルを別々のチャネルに割り当ててもよい。
WAKE−UP信号を送信、検波するチャネルと、Zigbeeの通信を行うチャネルを別々のチャネルにすることで、長時間無線帯域を使用するWAKE−UP信号が、Zigbee通信を妨げることが無いため、更に通信効率を向上できる効果がある。
実施の形態1で述べた方法では、ある端末がWAKE−UP信号を送信すると、それを検波した全ての端末が一旦ACTIVEモードに切り替わってしまい、システム動作上必要のない端末もACTIVEモードになってしまう。そこで、本実施の形態では、無線端末間で時刻同期が成立している場合に、タイムスロットを用いることで、システム動作上、ACTIVEモードにする必要がある端末だけをACTIVEモードにするシステムについて述べる。
時刻同期は、例えば、GPS(Global Positoning System)を利用する方法や、特定の端末が時刻の送信元となり時刻情報を無線パケット通信を用いて配信する方法がある。本実施の形態では、時刻同期の精度は±Te(=2.5ms)以下、最大ジッタTj(=5ms)とする。
Shは、ホスト宛てにWAKE−UP信号を送信するためのタイムスロットであり、Sa、Sb、Scは、それぞれ、End Device A、End Device B、End Device C宛てにWAKE−UP信号を送信する為のタイムスロットである。
各タイムスロットの時間長Tsは、WAKE−UP信号の信号長Twと同じである。
各無線端末は、自身宛てのWAKE−UP信号が送られてくるタイムスロットのタイムスロット開始時刻から時間同期誤差によるジッタTj経過した時刻に、WAKE−UP信号の検波を実施する。即ち図6のt12ないしt14、t22ないしt24に検波処理を行う。検波期間がTwd(min)以上Twd(max)以下の場合に、自身の動作モードをSLEEPモードからACTIVEモードに切り替える。Twd(max)は、WAKE−UP信号長Twと同じである。
図8は、ジッタが5msで、ホスト32、End Device A11、End Device B12、End Device C13の各端末の基準時刻に対する同期誤差が、それぞれ、+2.5、−2.5ms、−2.5ms、0msの場合の検波タイミングを示したものである。
WAKE−UP信号の信号長Twは、WAKE−UP信号の検出時間の最小値Twd(min)を保証するように決定する。全ての端末同士の組合せで、WAKE−UP信号送信と、検波を実施するためには、次の2つの条件を満足すればよい。
条件1)基準時刻に対して−Teの誤差を持った端末が送信するWAKE−UP信号を、+Teの誤差を持った端末がTwd(min)の期間検波できること。
条件2)基準時刻に対して+Teの誤差を持った端末が送信するWAKE−UP信号を、−Teの誤差を持った端末がTwd(min)の期間検波できること。
Twd(min)=5msとすると、本実施の形態において、上記条件を満たすためには以下となる。
Tw≧2*Tj+Twd(min)=15ms
なお、WAKE−UP信号の送信タイミングは、WAKE−UP信号の宛て先である端末のタイムスロットの開始時刻である。
図5におけるシステムにおいて、初期状態は全ての無線端末はSLEEP状態である。ホスト32、End Device A11、End Device B12、End Device C13の基準時刻に対する時刻同期誤差は、図6に示すように、それぞれ、+2.5ms、−2.5ms、−2.5ms、0msであったとする。
この状態から、End Device A11が温度異常を検出すると、End Device A11は、S84でACTIVEモードに遷移する。そして、WAKE−UP信号を送信して、ホスト32をS93でACTIVEモードにする。
図8は、その過程を時系列に示したものである。
まず、End Device A11は、自端末の時刻に基づいて、タイムスロットShの開始時刻Th0を待ち、時刻Th0から15msの期間、S84でWAKE−UP信号の送信する。ここで、End Device A11の時刻は、時刻同期誤差−2.5msを持っている。従って、基準時刻からみたWAKE−UP信号の送信期間は、時刻Th0−2.5msからTh0+12.5msである。なお、図8に示す時刻は、基準時刻で表記している。
検波処理によって、なにも信号を検波しない場合は、すみやかに処理を打ち切るが、この場合はS92で、End DeviceA11が送信しているWAKE−UP信号を検波しているので、S93で検波処理を継続する。WAKE−UP信号は、先に述べたように、基準時刻について、時刻Th0+12.5msまで出力されているため、ホストの検波期間は5msである。WAKE−UP信号を検波しなくなった時点で、ホストは検波期間を評価し、検波期間がTwd(min)以上Twd(max)以下であるため、WAKE−UP信号を検波したものと見なし、ホスト32は、自端末の動作モードをSLEEPモードからACTIVEモードに切り替える。この時点で、ホスト32とEnd Device A11は、Zigbeeの通信が可能になる。なお、End Device B12、End Device C13は、当該期間において、検波を実施しないので、SLEEPモードのままである。
なお、Zigbeeの通信が可能になったら、タイムスロットに拘りなくZigbeeのパケットを送受信する。このとき、End Device B12やEnd Device C13のスロットに対してもZigbeeのパケットを送信するが、Zigbeeのパケット長がTwd(min)未満であり、検波時間がTwd(min)に達しないのでWAKE−UP信号検波とは見なされない。
ホストは、End Device A11から温度異常情報を受け取った場合に、End Device B12に対して温度情報を読み取るように、システム的にプログラミングされているので、End Device A11からDISCONNCETメッセージを受け取ってもSLEEPモードに遷移せずに、ACTIVEモードを維持する。
ホスト32は、自端末の時刻に基づいて、タイムスロットSbの開始時刻Tb0を待ち、時刻Tb0から15msの期間、WAKE−UP信号の送信する。ここで、ホストの時刻は、時刻同期誤差+2.5msを持っている。従って、基準時刻からみたWAKE−UP信号の送信期間は、時刻Tb0+2.5msからTb0+17.5msである。
次に、End Device B12は自身の時刻で、時刻Tb0から時刻同期誤差によるジッタ時間Tj(=5ms)経過した時刻に、WAKE−UP信号の検波を開始する。ここで、End Device B12の時刻は、基準時刻に対して−2.5msの誤差を持っている。従って、前記、検波を開始する時刻は、基準時刻に置き換えると、Tb0+2.5msである。
これにより、End Device B12は、基準時刻について、Tb0+2.5msよりTb0+17.5msまでの検波を行うこととなり、その期間15msは、WAKE−UP信号の検波条件に合うことから、自身の動作モードをACTIVEモードに切り替える。
以後、End DeviceA11とホスト32の関係と同様の手順により、LINK確立、温度情報の読み出し、LINK切断の処理を行い、S96でスリープ・モードに戻る。
なお、本実施の形態において、WAKE−UP信号を送信、検波するチャネルと、Zigbee通信に利用するチャネルを異なるチャネルとすれば、実施の形態2と同様の効果を得ることができる。
また前記の各実施の形態では、無線回路部の全てをハードウェアとして説明したが、一部の機能をプログラムで記述してマイコンで読取り実行し、図4や図7で示す機能を実現する方法としてもよい。
Claims (10)
- 自身の構成要素の一部のみが動作するスリープ・モードを持つ端末において、
上記スリープ・モードにおいては、周期的に受信電波の検波処理を行い、ウェークアップ信号を検出する無線回路部と、
上記無線回路部が上記ウェークアップ信号を検出したことで上記一部以外の構成要素を起動して上記スリープ・モードからデータ通信が出来るアクティブ・モードになるよう省電力動作指示する指示手段と、を備え、
上記端末が、他の端末からの通信をホストであるサーバ側への方向で、またはその逆方向である上記サーバ側から上記他の端末への方向でパケットを中継する場合は、
上記指示手段は、上記中継に先だって上記パケットをモニタして、上記他の端末とサーバ間の接続状態をリンクとしてメモリに記憶して該リンクを監視し、該監視しているリンクが一つでもメモリにあると、上記アクティブ・モードを続ける
ことを特徴とする端末。 - 自身の構成要素の一部のみが動作するスリープ・モードを持つ端末において、
上記スリープ・モードにおいては、周期的に受信電波の検波処理を行い、ウェークアップ信号を検出する無線回路部と、
上記無線回路部が上記ウェークアップ信号を検出したことで上記一部以外の構成要素を起動して上記スリープ・モードからデータ通信が出来るアクティブ・モードになるよう省電力動作指示する指示手段と、を備え、
上記端末が、他の端末からの通信をホストであるサーバ側への方向で、またはその逆方向である上記サーバ側から上記他の端末への方向でパケットを中継する場合は、
上記指示手段は、上記パケットをモニタし、モニタしたパケットに上記他の端末とサーバとの接続を指示するコネクトメッセージが含まれている場合は上記他の端末とサーバとの接続を表すリンクをメモリに記憶し、モニタしたパケットに上記他の端末とサーバとの切断を指示するディスコネクトメッセージが含まれている場合は上記他の端末とサーバとのリンクを上記メモリから削除し、上記メモリに記憶した該リンクを監視し、該監視しているリンクが一つでもメモリにあると、上記アクティブ・モードを続ける
ことを特徴とする端末。 - 上記無線回路部は、上記スリープ・モードにおいて、あらかじめ定められた検波周期Tcで所定の電波強度以上の信号を受信しているか検波し、所定の電波強度以上の信号を検波した場合、信号を継続して受信し、継続して受信した信号の受信期間が予め定められた最小検波時間Twd(min)以上かつ上記検波周期Tcと最小検波時間Twd(min)とを加算した最大検波時間Twd(max)以下であり、かつ、受信した信号の電波強度が継続して所定の電波強度以上であるか否かを判定し、受信した信号の受信期間が予め定められた最小検波時間Twd(min)以上かつ上記最大検波時間Twd(max)以下であり、かつ、受信した信号の電波強度が継続して所定の電波強度以上である場合、受信した信号がウェークアップ信号であることを検出し、
上記指示手段は、上記無線回路部が上記ウェークアップ信号を検出した場合、上記一部以外の構成要素を起動することを指示する
ことを特徴とする請求項1または2記載の端末。 - 上記無線回路部は、上記指示手段により上記一部以外の構成要素が起動されアクティブ・モードで動作している場合、かつ、上記最小検波時間Twd(min)より短い期間信号を受信した場合、受信した信号を上記ウェークアップ信号以外の他の信号として区別することを特徴とする請求項3記載の端末。
- 上記無線回路部は、上記指示手段により上記一部以外の構成要素が起動されアクティブ・モードで動作している場合、かつ、上記最小検波時間Twd(min)より短い期間信号を受信した場合、受信した信号をZigbee(登録商標)規格で通信された信号として上記ウェークアップ信号と区別することを特徴とする請求項3記載の端末。
- 上記指示手段は、上記スリープ・モードにおいて、他の端末に通知する通知情報の送信を行う場合、上記通知情報の送信を行う前に上記最大検波時間Twd(max)の期間継続して信号を送信することを上記無線回路部に指示し、
上記無線回路部は、上記指示手段により上記最大検波時間Twd(max)の期間継続して信号を送信することを指示された場合、上記最大検波時間Twd(max)の期間継続して上記他の端末に信号を送信することを特徴とする請求項3から5のいずれかに記載の端末。 - 上記無線回路部は、上記他の端末に、Zigbee(登録商標)規格に定義されているフレームの信号長であって上記最小検波時間Twd(min)よりも短い信号長で上記通知情報を通信することを特徴とする請求項6記載の端末。
- 自身の構成要素の一部のみが動作するスリープ・モードを持つ端末において、
上記スリープ・モードにおいては、無線回路部が、周期的に受信電波の検波処理を行い、ウェークアップ信号を検出し、
上記無線回路部が、上記ウェークアップ信号を検出したことで、指示手段が、上記一部以外の構成要素を起動して上記スリープ・モードからデータ通信が出来るアクティブ・モードになるよう省電力動作指示し、
上記端末が、他の端末からの通信をホストであるサーバ側への方向で、またはその逆方向である上記サーバ側から上記他の端末への方向でパケットを中継する場合は、
上記指示手段が、上記中継に先だって上記パケットをモニタして、上記他の端末とサーバ間の接続状態をリンクとしてメモリに記憶して該リンクを監視し、該監視しているリンクが一つでもメモリにあると、上記アクティブ・モードを続ける
ことを特徴とする端末の通信方法。 - 自身の構成要素の一部のみが動作するスリープ・モードを持つ端末の通信方法において、
上記スリープ・モードにおいては、無線回路部が、周期的に受信電波の検波処理を行い、ウェークアップ信号を検出し、
上記無線回路部が上記ウェークアップ信号を検出したことで、指示手段が、上記一部以外の構成要素を起動して上記スリープ・モードからデータ通信が出来るアクティブ・モードになるよう省電力動作指示し、
上記端末が、他の端末からの通信をホストであるサーバ側への方向で、またはその逆方向である上記サーバ側から上記他の端末への方向でパケットを中継する場合は、
上記指示手段が、上記中継に先だって上記パケットをモニタして、上記他の端末とサーバ間が接続されていることを表す接続状態をリンクとしてメモリに記憶し、上記他の端末とサーバ間の接続が切れたリンクを上記メモリから削除して、該リンクを監視し、該監視しているリンクが一つでもメモリにあると、上記アクティブ・モードを続ける
ことを特徴とする端末の通信方法。 - 上記スリープ・モードにおいて、上記無線回路部が、あらかじめ定められた検波周期Tcで所定の電波強度以上の信号を受信しているか検波し、所定の電波強度以上の信号を検波した場合、信号を継続して受信し、継続して受信した信号の受信期間が予め定められた最小検波時間Twd(min)以上かつ上記検波周期Tcと最小検波時間Twd(min)とを加算した最大検波時間Twd(max)以下であり、かつ、受信した信号の電波強度が継続して所定の電波強度以上であるか否かを判定し、受信した信号の受信期間が予め定められた最小検波時間Twd(min)以上かつ上記最大検波時間Twd(max)以下であり、かつ、受信した信号の電波強度が継続して所定の電波強度以上である場合、受信した信号がウェークアップ信号であることを検出し、
上記無線回路部により上記ウェークアップ信号が検出された場合、上記指示手段が、上記一部以外の構成要素を起動することを指示する
ことを特徴とする請求項8または9記載の端末の通信方法。
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