JP4877004B2

JP4877004B2 - ワイヤレスセンサネットワークの省電力化システム

Info

Publication number: JP4877004B2
Application number: JP2007081470A
Authority: JP
Inventors: 信行越地; 英明永岡
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP2008244756A

Description

本発明は、ビル・工場・病院等において分散配置されたセンサからの情報を、中央の制御・管理装置であるサーバ、コントローラ等に無線を使って送信する、ネットワークを利用したワイヤレスセンサネットワークの省電力化システムに関するものである。

近年、ワイヤレスセンサネットワークは、ビルオートメーションの保守管理等の分野に限らず、建築物環境の計測から医療に至るまで幅広い分野で利用・応用されている。

ワイヤレスセンサネットワークは、例えば、温度・湿度センサによりビルの各階の部屋の温度・湿度を計測し、中央管理室内のサーバ装置へ温度・湿度データを送信して温度・湿度の調節を適切に行ったり、照明センサからの情報を基にして部屋の照明を自動的にＯＮ／ＯＦＦしたり、加速度・歪みセンサによる情報を基にして設備の故障を未然に防いだりすることで、省エネルギーを実践可能にした最新のネットワークシステムである。

このワイヤレスセンサネットワークが期待される理由として、取り付けたセンサによる計測機能を持つセンサノード（以下、ＳＮと称す）、計測機能の他に中継機能を併せ持つルータノード（以下、ＲＮと称す）の省スペース性・可搬性・設置容易性（配線レス）の利点が挙げられる。

これらの利点を実現するための一要素として、ＳＮおよびＲＮへのボタン電池等のバッテリーの適用による省電力化を挙げることができるが、ＳＮおよびＲＮを連続動作させた場合、バッテリーを、例えば、月に１度というように頻繁に交換しているのが実状である。
特になし

このように、従来のワイヤレスセンサネットワークにおいては、ＳＮおよびＲＮのバッテリーを頻繁に交換する必要があることから、保守に手間が掛かると共に、バッテリーの省電力化について、未だ解決すべき課題となっている。

そして、ＳＮおよびＲＮが電力を消費する要因は、第１にＲＮ（＝ＰＮ：親ノード）⇔ＳＮ（＝ＣＮ：子ノード）間、ＲＮ（＝ＰＮ：親ノード）⇔ＲＮ（＝ＣＮ：子ノード）間、ゲートウエイノード（以下、ＧＮと称す）（＝ＰＮ：親ノード）⇔ＲＮまたはＳＮ（＝ＣＮ：子ノード）間のＲＦ通信、第２に通信時およびＲＦ通信の混信・妨害電波等による通信リトライ、第３にＲＮ⇔ＳＮ間、ＲＮ⇔ＲＮ間、ＧＮ⇔ＲＮまたはＳＮ間のＲＦ通信時のＣＰＵ処理、第４にＳＮおよびＲＮにおけるセンシング時のＣＰＵ処理等があり、省電力を図るためには、ＲＦ通信時間やＣＰＵ処理時間を短縮化する必要がある。

そこで、本発明は如上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、電力消費の要因であるＲＦ通信時間の短縮化を図ることで、通信時のＣＰＵ処理時間も短縮化されることから、通信データ量および送信回数を減らすことができ、バッテリーの省電力化を図ることができるワイヤレスセンサネットワークの省電力化システムを提供することを目的とする。

本発明に係るワイヤレスセンサネットワークの省電力化システムは、１台のゲートウエイノード（ＧＮ）を頂点とし、その配下に、中継機能を持つルータノード（ＲＮ）または中継機能を持たないセンサノード（ＳＮ）を接続して成る広範囲スペース内で使用される多段接続によるネットワーク構成を備え、無線による通信のために、各ノードには最大子ノード数（Ｃ_ｍａｘ）、最大ルータ数（Ｒ_ｍａｘ）、最大ホップ数（Ｄ_ｍａｘ）で決定される、一意なアドレスを付与され、前記各ノードが共通で持つ、最大子ノード数（Ｃ _ｍａｘ）、最大ルータ数（Ｒ _ｍａｘ）、最大ホップ数（Ｄ _ｍａｘ）は、事前に設定した値を、ゲートウエイノードが稼動した後においても、ソフトウェアにて変更可能とし、設定される最大ルータ数に応じてリニアーツリー構造またはクラスターツリー構造への自律的な対応を可能としたワイヤレスセンサネットワークシステムであって、
親ノード（ＰＮ）となるＧＮまたはＲＮにマスタークロック、子ノード（ＣＮ）となるＲＮまたはＳＮにスレーブクロックを実装させることにより、ＣＮが有している時刻情報とＰＮが有している時刻情報とのズレ量を計算し、マスタークロックの時刻に同期するため、ＰＮとＣＮ間またはＧＮとＧＮ以外の全ノード（ＲＮまたはＳＮ）間において、各ノードが計測データを送信する際のタイミングを基準として、それぞれが持つ時刻情報を、計測データに送信元の送信時刻、これに対応する対向ノードが応答する際のデータに、受信元の受信時刻及び応答送信時刻を重畳して時刻同期を行って、マスタークロックとスレーブクロック間の誤差許容時間内に最低１回送信して、計測データの送信フレームに重畳させるようにしてなり、
センサによる計測および計測データ送受信、時刻同期情報送受信、ネットワーク構築、中継機能によるフレーム転送を行っていない間は、時計機能以外の全ての機能（ＣＰＵ部、ＲＦ部、センサ部）をスリープさせ、センサによる計測を行っている場合には、ＲＦ部をスリープさせ、中継機能によるフレーム転送を行う場合には、センサ部をスリープさせることで、上述した課題を解決した。

また、ネットワーク構成については、各ノードのグループを作り、各ノードが所属するグループ毎に通信可能な時間帯および同一グループに所属するノード間における通信可能な時間帯をそれぞれ設定し、クラスターツリーまたはリニアーツリーのネットワーク構成に依らず、自律的に動作する方式を採用したことで、同じく上述した課題を解決した。

加えて、クラスターツリー時のグループ番号計算式は、
Ｇ_ＧＮ＝１、
Ｇ_ＯＷＮ＝（Ｇ_ＰＮ−１）×Ｒ_ｍａｘ＋ｎ＋１；ｎ＝１，…，Ｒ_ｍａｘ
とし、
一方、リニアーツリー時のグループ番号計算式は、
Ｇ_ＧＮ＝１、
Ｇ_ＯＷＮ＝Ｇ_ＰＮ＋１
とした（ここで、Ｇ_ＧＮ：ＧＮが親ノードとなる場合のグループ番号、Ｇ_ＰＮ：親ノードのグループ番号、Ｇ_ＯＷＮ：自ノードが親ノードとなる場合のグループ番号）ことで、同じく上述した課題を解決した。

本発明によれば、電力消費の要因であるＲＦ通信時間の短縮化を図ることで、通信時のＣＰＵ処理時間も短縮化されることから、通信データ量および送信回数を減らすことができ、バッテリーの省電力化を図ることができる。

すなわち、１台のゲートウエイノード（ＧＮ）を頂点とし、その配下に、中継機能を持つルータノード（ＲＮ）または中継機能を持たないセンサノード（ＳＮ）を接続して成る広範囲スペース内で使用される多段接続によるネットワーク構成を備え、無線による通信のために、各ノードには最大子ノード数（Ｃ_ｍａｘ）、最大ルータ数（Ｒ_ｍａｘ）、最大ホップ数（Ｄ_ｍａｘ）で決定される、一意なアドレスを付与されるので、例えば、データのノード間伝送に関し、クラスターツリーによるネットワークを構成する各ノードには、最大子ノード数、最大ルータ数、最大ホップ数の動作パラメータの値が全て共通であり、且つ最大ルータ数が２以上とするクラスターツリー構造とするか、あるいは、データのノード間伝送に関し、リニアーツリーによるネットワークを構成する各ノードには、最大子ノード数、最大ルータ数、最大ホップ数のパラメータの値が全て共通であり、且つ最大ルータ数が１とすることで、通信時のＣＰＵ処理時間が短縮化され、通信データ量および送信回数を減らすことができる。尚、このデータは、計測データおよび動作パラメータを意味する。

このように、一意に決まる通信アドレスから、目的のノードと通信を行う際に、通信相手が、親ノードまたは子ノードの時には、直接通信可能なため直接送信することができ、直接通信可能ではない場合には、中継機能をもつ親ノードか子ノードにデータを送信するだけで済む。

また、送信されたフレームを受信したノードは、その宛先アドレスが自分宛でなければ、ツリー構造の最短経路を使って、その転送先を決定し、その転送先にデータを送信する。こうすることにより、データは、ツリー上の最短経路を通りながら、目的のノードへ運ばれることになる。

さらに、前記の各ノードが共通で持つ、最大子ノード数（Ｃ_ｍａｘ）、最大ルータ数（Ｒ_ｍａｘ）、最大ホップ数（Ｄ_ｍａｘ）は、事前に設定した値を、ゲートウエイノードが稼動した後においても、ソフトウェアにて変更可能とし、設定される最大ルータ数に応じてリニアーツリー構造またはクラスターツリー構造への自律的な対応を可能としているので、通信時のＣＰＵ処理時間も短縮化され、通信データ量および送信回数を減らすことができる。

また、時刻同期方式については、親ノード（ＰＮ）となるＧＮまたはＲＮにマスタークロック、子ノード（ＣＮ）となるＲＮまたはＳＮにスレーブクロックを実装させることにより、ＣＮが有している時刻情報とＰＮが有している時刻情報とのズレ量を計算し、マスタークロックの時刻に同期するため、ＰＮとＣＮ間またはＧＮとＧＮ以外の全ノード（ＲＮまたはＳＮ）間において、それぞれが持つ時刻情報を、マスタークロックとスレーブクロック間の誤差許容時間内に最低１回送信する方式をとり、計測データの送信フレームに重畳させるので、データの送信回数を削減することができる。

加えて、ネットワーク構成については、各ノードのグループを作り、各ノードが所属するグループ毎に通信可能な時間帯および同一グループに所属するノード間における通信可能な時間帯をそれぞれ設定し、クラスターツリーまたはリニアーツリーのネットワーク構成に依らず、自律的に動作する方式を採用したので、データの送信を無くすことができる。しかも、この方式を適用することで、他のノードとのＲＦ通信時における混信が軽減され、リトライによるデータ送信回数を削減することができる。

また、クラスターツリー時のグループ番号計算式は、
Ｇ_ＧＮ＝１、
Ｇ_ＯＷＮ＝（Ｇ_ＰＮ−１）×Ｒ_ｍａｘ＋ｎ＋１；ｎ＝１，…，Ｒ_ｍａｘ
とし、
一方、リニアーツリー時のグループ番号計算式は、
Ｇ_ＧＮ＝１、
Ｇ_ＯＷＮ＝Ｇ_ＰＮ＋１
としたグルーピングを行うことにより、各グループが通信可能な時間帯を時分割することができる。これにより他のグループでは、ノードの通信が発生しないため、当該グループのノードの通信を確実に行うことができる。

尚、同一グループ内に属するノードの通信も、時分割されているため、システム全体で、同一時間に通信を行うノードは存在しない。

この他、センサによる計測および計測データ送受信、時刻同期情報送受信、ネットワーク構築、中継機能によるフレーム転送を行っていない間は、時計機能以外の全ての機能（ＣＰＵ部、ＲＦ部、センサ部）をスリープさせる方式とし、センサによる計測を行っている場合には、ＲＦ部をスリープさせる方式とし、中継機能によるフレーム転送を行う場合には、センサ部をスリープさせる方式を採用したので、ＲＦ通信時間の削減およびＣＰＵ動作時間の削減に加えて、動作時間外については、ＲＦ部・ＣＰＵ部・センサ部のスリープによるバッテリーの省電力化を図ることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。

本発明に係るワイヤレスセンサネットワークの省電力化システムは、主として広範囲スペース内で使用される二次元的なネットワーク構成である、所謂ＺｉｇＢｅｅ方式と称するクラスターツリー構成と、主として狭範囲スペース内で使用される一次元的なネットワーク構成であるリニアーツリー構成との互いに独立した構成を、ネットワークブラウザ上での設定パラメータに基づいて変更される動作パラメータ（Ｃ_ｍａｘ、Ｒ_ｍａｘ、Ｄ_ｍａｘ、ｅｔｃ）のうちの最大ルータ数（Ｒ_ｍａｘ）に応じて、自律的に切替えられるものである。

複数の無線通信ノードを用いてネットワークを構成する際、１台のノードを頂点とし、その配下に、中継機能を持つノードまたは中継機能を持たないノードを接続する。このとき、頂点となるノードをゲートウエイノード（ＧＮ）とし、中継機能を持つノードをルータノード（ＲＮ）とし、中継機能を持たないノードをセンサノード（ＳＮ）とする。また、頂点（＝第０層）のノード：ＧＮを、親ノード：ＰＮとする。この親ノード：ＧＮに接続する、下層（＝第１層）のＲＮまたはＳＮを子ノード：ＣＮとする。そして、無線による通信のために、各ノードには、０，１，２，…と重複のない番号によるアドレスが付与されている。

本形態におけるワイヤレスセンサネットワークでは、各ノード（ＲＮまたはＳＮ）が、センシングデータとして、例えば、センサが計測したデータをＧＮに送信（上り方向の通信：ＧＮ←ＲＮまたはＳＮ）する。また、通信関連の動作パラメータをＧＮから各ノード（ＲＮまたはＳＮ）に送信（下り方向の通信：ＧＮ→ＲＮまたはＳＮ）する。

第１層の親ノード：ＲＮの配下には、さらにその下層（第２層）に、ＲＮまたはＳＮが接続可能となるため、ＲＮが、配下に子ノードを持つ場合、ＲＮはその子ノードに対する親ノードとなる。

中継機能を持つノード：ＲＮの配下（下層）に、さらに中継機能を持つノード：ＲＮが子ノードとして接続することにより、多段接続（マルチホップ）が可能となり、これによって複数の無線通信ノードから構成される無線ネットワークを構築することができる。

次に、図８に示すように、動作パラメータ：Ｃ_ｍａｘ＝４、Ｒ_ｍａｘ＝２、Ｄ_ｍａｘ＝３における、ワイヤレスセンサネットワークの構成例について説明する。

この無線通信ノードによるネットワークを構成する際、１台のＰＮ（＝ＧＮまたはＲＮ）に接続可能な、ＣＮ（ＲＮまたはＳＮ）の総数を、最大子ノード数：Ｃ_ｍａｘとする。さらに、Ｃ_ｍａｘのうち、中継機能を持つノード：ＲＮの総数を、最大ルータ子ノード数：Ｒ_ｍａｘ（Ｃ_ｍａｘ≧Ｒ_ｍａｘ）とする。また、１台のＧＮの階層を０として、このＧＮから中継ノード：ＲＮを介して接続することができるＳＮまでの接続段数を、最大階層（＝ホップ）数：Ｄ_ｍａｘとする。Ｃ_ｍａｘおよびＲ_ｍａｘは、クラスターツリー構成およびリニアーツリー構成によらず、ネットワークの全階層において一定の値となるため、階層位置によらず変化しない。

ここで、Ｒ_ｍａｘ≧２の場合がクラスターツリー構成に相当し、Ｒ_ｍａｘ＝１の場合、前述のリニアーツリー構成に相当する。クラスターツリー構成は、例えば、オフィスや農作物畑等の２次元的なスペース内での利用に適したネットワーク構成である。一方、リニアーツリー構成は、例えば、トンネルやビニールハウス等の長辺が短辺に対して極端に長い１次元的なスペース内での利用に適したネットワーク構成である。

また、上記のどちらのネットワーク構成も可能な、動作パラメータ：Ｃ_ｍａｘ、Ｒ_ｍａｘ、Ｄ_ｍａｘで決定され、各ノードには、動作パラメータ：Ｃ_ｍａｘ、Ｒ_ｍａｘ、Ｄ_ｍａｘで決定される一意なアドレスが付与されている。また、動作パラメータ：Ｃ_ｍａｘ、Ｒ_ｍａｘ、Ｄ_ｍａｘは、事前に設定した値を、ＧＮが稼動した後においても、ソフトウェアにて変更することができるため、リニアーツリー構造またはクラスターツリー構造への対応を柔軟に行えるようにしている。

具体的にクラスターツリー構成について説明すると、図１に示すように、階層ｄ＝０にあるアドレス０のＧＮをデータ収集用のノードにして、例えば、階層ｄ＝１に中継機能を有するアドレス１と１４の２つのＲＮと、中継機能を有しないアドレス２７と２８の２つのＳＮのそれぞれを配している。

また、階層ｄ＝２に中継機能を有するアドレス２，７，１５，２０の４つのＲＮと、中継機能を有しないアドレス１２，１３，２５，２６の４つのＳＮのそれぞれを配している。

さらに、階層ｄ＝３に中継機能を有しないアドレス３，４，５，６，８，９，１０，１１，１６，１７，１８，１９，２１，２２，２３，２４の１６個のＳＮを配している。このとき、ＲＮはＳＮの機能を併せ持っている。

以上のようなクラスターツリー構成でのデータ（計測データおよび動作パラメータ等）のノード間伝送に関する具体的なノードアドレス計算式は、
Ｃ_ｓｋｉｐ（ｄ）＝（１＋（Ｃ_ｍａｘ−Ｒ_ｍａｘ）−（Ｃ_ｍａｘ×Ｒ_ｍａｘ ^{（Ｄｍａｘ−ｄ−１）}））／（１−Ｒ_ｍａｘ）：ｄ＝０，…，（Ｄ_ｍａｘ−１）
Ａ_ＧＮ＝０
Ａ_ＲＮ（ｄ）＝Ａ_ＰＮ＋１＋Ｃ_ｓｋｉｐ（ｄ−１）×（ｎ−１）：ｄ＝１，…，Ｄ_ｍａｘ、ｎ＝１，…，Ｒ_ｍａｘ
Ａ_ＳＮ（ｄ）＝Ａ_ＰＮ＋Ｃ_ｓｋｉｐ（ｄ−１）×Ｒ_ｍａｘ＋ｎ：ｄ＝１，…，Ｄ_ｍａｘ、ｎ＝１，…，（Ｃ_ｍａｘ−Ｒ_ｍａｘ）
ここで、Ｃ_ｍａｘは最大子ノード数、Ｒ_ｍａｘは最大ルータ数、Ｄ_ｍａｘは最大ホップ数である。また、Ａ_ＧＮはゲートウエイノードアドレス、Ａ_ＲＮはルータノードアドレス、Ａ_ＳＮはセンサノードアドレス、Ａ_ＰＮは親ノードアドレスである。

このクラスターツリー構成において、動作パラメータ：Ｃ_ｍａｘ、Ｒ_ｍａｘ、Ｄ_ｍａｘが全ノードで共通であり、このうち最大ルータ数Ｒ_ｍａｘは２以上となる。

尚、上位ノードと下位ノードとの２点間に着目した場合において、上位側を親ノード（ＰＮ）、下位側を子ノード（ＣＮ）と称する。

例えば、Ｃ_ｍａｘ＝４、Ｒ_ｍａｘ＝２、Ｄ_ｍａｘ＝３、ＧＮの階層ｄ＝０とすると、スキップ値は、Ｃ_ｓｋｉｐ（０）＝１＋４−２−４×２^{（３−０−１）}／（１−２）＝１３となる。同様に、ｄ＝１の場合、Ｃ_ｓｋｉｐ（１）＝５となり、また、ｄ＝２の場合、Ｃ_ｓｋｉｐ（２）＝１となる。

ＲＮのアドレス計算は、ｄ＝１の場合、Ａ_ＰＮ＝Ａ_ＧＮ＝０であるから、Ａ_ＲＮ（１）＝０＋１＋Ｃ_ｓｋｉｐ（０）×（ｎ−１）＝１＋１３×（ｎ−１）となり、ここでｎは１または２であるから、ｎ＝１のときＡ_ＲＮ（１）＝１、ｎ＝２のときＡ_ＲＮ（１）＝１４となる。ｄ＝２の場合は、Ａ_ＰＮ＝Ａ_ＲＮ＝１又は１４となり、Ａ_ＰＮ＝１のとき、Ａ_ＲＮ（２）＝１＋１＋Ｃ_ｓｋｉｐ（１）×（ｎ−１）＝２＋５×（ｎ−１）となる。ここでｎ＝１のときはＡ_ＲＮ（２）＝２、ｎ＝２のときはＡ_ＲＮ（２）＝７となる。同様に、ｄ＝２の場合、Ａ_ＰＮ＝１４であって、ｎ＝１のときはＡ_ＲＮ（２）＝１５、ｎ＝２のときはＡ_ＲＮ（２）＝２０となる。同様に、ｄ＝３の場合、Ａ_ＰＮ＝Ａ_ＲＮ（２）＝２，７，１５，２０の４つとなり、Ａ_ＰＮ＝２であって、ｎ＝１のときはＡ_ＲＮ（３）＝３、ｎ＝２のときはＡ_ＲＮ（３）＝４となる。また、Ａ_ＰＮ＝７であって、ｎ＝１のときはＡ_ＲＮ（３）＝８、ｎ＝２のときはＡ_ＲＮ（３）＝９となる。また、Ａ_ＰＮ＝１５であって、ｎ＝１のときはＡ_ＲＮ（３）＝１６、ｎ＝２のときはＡ_ＲＮ（３）＝１７となる。また、Ａ_ＰＮ＝２０であって、ｎ＝１のときはＡ_ＲＮ（３）＝２１、ｎ＝２のときはＡ_ＲＮ（３）＝２２となる。ここで、ｄ＝３＝Ｄ_ｍａｘであるから、Ａ_ＲＮ（３）はルータノードとしてではなくセンサノードとして動作するものとなり、中継機能を無効にする。

また、ＳＮのアドレス計算は、ｄ＝１の場合、Ａ_ＰＮ＝Ａ_ＧＮ＝０だから、Ａ_ＳＮ（１）＝０＋Ｃ_ｓｋｉｐ（０）×２＋ｎ＝０＋１３×２＋ｎ＝ｎ＋２６となり、Ｃ_ｍａｘ−Ｒ_ｍａｘ＝４−２＝２だから、ｎ＝１または２となるので、ｎ＝１のときＡ_ＳＮ（１）＝１＋２６＝２７、ｎ＝２のときＡ_ＳＮ（１）＝２＋２６＝２８となる。また、ｄ＝２の場合、Ａ_ＰＮ＝Ａ_ＲＮ（１）＝１，１４となり、Ａ_ＰＮ＝１であってｎ＝１のときＡ_ＳＮ（２）＝１２、ｎ＝２のときＡ_ＳＮ（２）＝１３となる。また、Ａ_ＰＮ＝１４であってｎ＝１のときＡ_ＳＮ（２）＝２５、ｎ＝２のときＡ_ＳＮ（２）＝２６となる。また、ｄ＝３の場合、Ａ_ＰＮ＝Ａ_ＲＮ（２）＝２，７，１５，２０の４つとなり、Ａ_ＰＮ＝２であってｎ＝１のときＡ_ＳＮ（３）＝５、ｎ＝２のときＡ_ＳＮ（３）＝６となる。また、Ａ_ＰＮ＝７であってｎ＝１のときＡ_ＳＮ（３）＝１０、ｎ＝２のときＡ_ＳＮ（３）＝１１となる。また、Ａ_ＰＮ＝１５であってｎ＝１のときＡ_ＳＮ（３）＝１８、ｎ＝２のときＡ_ＳＮ（３）＝１９となる。また、Ａ_ＰＮ＝２０であってｎ＝１のときＡ_ＳＮ（３）＝２３、ｎ＝２のときＡ_ＳＮ（３）＝２４となる。

こうして、階層ｄ＝０にあるアドレス０のＧＮから、階層ｄ＝１におけるアドレス１，１４のＲＮ、アドレス２７，２８のＳＮそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝１にあるアドレス１のＲＮから階層ｄ＝２におけるアドレス２，７のＲＮ、アドレス１２，１３のＳＮそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝１にあるアドレス１４のＲＮから階層ｄ＝２におけるアドレス１５，２０のＲＮ、アドレス２５，２６のＳＮそれぞれに動作パラメータを伝送する。また、階層ｄ＝２にあるアドレス２のＲＮから、階層ｄ＝３のアドレス３，４，５，６のＳＮに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝２にあるアドレス７のＲＮから、階層ｄ＝３におけるアドレス８，９，１０，１１のＳＮに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝２にあるアドレス１５のＲＮから、階層ｄ＝３におけるアドレス１６，１７，１８，１９のＳＮに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝２にあるアドレス２０のＲＮから、階層ｄ＝３におけるアドレス２１，２２，２３，２４のＳＮに動作パラメータを伝送する。

一方、計測データは、階層ｄ＝３におけるアドレス３，４，５，６のＳＮから、階層ｄ＝２におけるアドレス２のＲＮに伝送され、階層ｄ＝３におけるアドレス８，９，１０，１１のＳＮから、階層ｄ＝２におけるアドレス７のＲＮに伝送され、階層ｄ＝３におけるアドレス１６，１７，１８，１９のＳＮから、階層ｄ＝２におけるアドレス１５のＲＮに伝送され、階層ｄ＝３におけるアドレス２１，２２，２３，２４のＳＮから、階層ｄ＝２におけるアドレス２０のＲＮに伝送される。また、計測データは、階層ｄ＝２にあるアドレス２，７のＲＮおよびアドレス１２，１３のＳＮから、階層ｄ＝１におけるアドレス１のＲＮに伝送され、階層ｄ＝２にあるアドレス１５，２０のＲＮおよびアドレス２５，２６のＳＮから、階層ｄ＝１におけるアドレス１４のＲＮに伝送される。さらに、計測データは、階層ｄ＝１におけるアドレス１，１４のＲＮおよびアドレス２７，２８のＳＮから、階層ｄ＝０におけるアドレス０のＧＮに伝送される。

リニアーツリー構成は、図２に示すように、階層ｄ＝０にあるアドレス００のＧＮをデータ収集用のノードにして、例えば、階層ｄ＝１に中継機能を有するアドレス１０の１つのＲＮと、中継機能を有しないアドレス１１，１２，１３の３つのＳＮのそれぞれを配し、階層ｄ＝２に中継機能を有するアドレス２０の１つのＲＮと、中継機能を有しないアドレス２１，２２，２３の３つのＳＮのそれぞれを配し、階層ｄ＝３に中継機能を有しないアドレス３０，３１，３２，３３の４個のＳＮを配している。このとき、ＲＮはＳＮの機能を併せ持っている。

以上のようなリニアーツリー構成でのデータ（計測データおよび動作パラメータ等）のノード間伝送に関するノードアドレス計算式は、
Ｃ_ｓｋｉｐ＝固定値
Ａ_ＧＮ＝０
Ａ_ＲＮ（ｄ）＝ｄ×Ｃ_ｓｋｉｐ：ｄ＝１，…，Ｄ_ｍａｘ
Ａ_ＳＮ（ｄ）＝Ａ_ＲＮ（ｄ）＋ｎ：ｄ＝１，…，Ｄ_ｍａｘ、ｎ＝１，…，Ｃ_ｍａｘである。

ここで、Ｃ_ｓｋｉｐは階層ｄに依存することなく固定値をとる。リニアーツリー構成においても、動作パラメータ：Ｃ_ｍａｘ、Ｒ_ｍａｘ、Ｄ_ｍａｘが全ノードで共通であり、最大ルータ数Ｒ_ｍａｘは１となる。

例えば、動作パラメータ：Ｃ_ｍａｘ＝４、Ｒ_ｍａｘ＝１、Ｄ_ｍａｘ＝３としたとき、リニアーツリー構成でのＣ_ｓｋｉｐ値は、階層ｄに依らずに一定値となっているため、例えば、この固定値を１０と設定すれば、ｄ＝１の場合、Ａ_ＲＮ（１）＝１×Ｃ_ｓｋｉｐ＝１×１０＝１０となり、ｄ＝２の場合、Ａ_ＲＮ（２）＝２０、ｄ＝３の場合、Ａ_ＲＮ（３）＝３０となる。ここでｄ＝３＝Ｄ_ｍａｘであるため、Ａ_ＲＮ（３）はＲＮではなくＳＮとして動作する。尚、固定値は、環境、例えば、子ノード（ＣＮ）の数量等に応じて変更可能である。

また、ＳＮのアドレス計算は、Ａ_ＳＮ（ｄ）＝Ａ_ＲＮ（ｄ）＋ｎ＝ｄ×Ｃ_ｓｋｉｐ＋ｎなので、ｄ＝１の場合、Ａ_ＳＮ（１）＝１×１０＋ｎ＝１０＋ｎとなり、ｎ＝１のとき、Ａ_ＳＮ（１）＝１１、ｎ＝２のとき、Ａ_ＳＮ（１）＝１２、ｎ＝３のとき、Ａ_ＳＮ（１）＝１３となる。また、ｄ＝２の場合は、ｎ＝１のときＡ_ＳＮ（２）＝２１、ｎ＝２のときＡ_ＳＮ（２）＝２２、ｎ＝２のときＡ_ＳＮ（２）＝２３となる。また、ｄ＝３の場合は、ｎ＝１のときＡ_ＳＮ（３）＝３１、ｎ＝２のときＡ_ＳＮ（３）＝３２、ｎ＝３のときＡ_ＳＮ（３）＝３３となる。

こうして、階層ｄ＝０にあるアドレス０のＧＮから、階層ｄ＝１におけるアドレス１０のＲＮおよびアドレス１１，１２，１３のＳＮのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝１にあるアドレス１０のＲＮから階層ｄ＝２におけるアドレス２０のＲＮおよびアドレス２１，２２、２３のＳＮのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝２にあるアドレス２０のＲＮから階層ｄ＝３におけるアドレス３０，３１，３２，３３のＳＮに動作パラメータを伝送する。

一方、計測データは、階層ｄ＝３におけるアドレス３０，３１，３２，３３のＳＮから、階層ｄ＝２におけるアドレス２０のＲＮに伝送され、階層ｄ＝２におけるアドレス２０のＲＮおよびアドレス２１，２２，２３のＳＮから、階層ｄ＝１におけるアドレス１０のＲＮおよびアドレス１１，１２，１３のＳＮから、階層ｄ＝０におけるアドレス０のＧＮに伝送される。

また、通信を行う計測データの種別としては、センシングデータ、時刻同期情報、ネットワーク構成があるが、時刻同期情報、ネットワーク構成のデータ送信回数および送信時間を減らすことにより、省電力化を図っている。

親ノード（ＰＮ）となるＧＮまたはＲＮにマスタークロック、子ノード（ＣＮ）となるＲＮまたはＳＮにスレーブクロックを実装させることにより、ＣＮが有している時刻情報とＰＮが有している時刻情報とのズレ量を計算し、マスタークロックの時刻に同期するため、ＰＮとＣＮ間またはＧＮとＧＮ以外の全ノード（ＲＮまたはＳＮ）間において、それぞれが持つ時刻情報を、マスタークロックとスレーブクロック間の誤差許容時間内に最低１回送信する方式をとり、計測データの送信フレームに重畳させる。

ネットワーク構成については、クラスターツリーの場合は、図３に示すように、また、リニアーツリーの場合は、図４に示すように、それぞれ各ノードのグループを作り、各ノードが所属するグループ毎に通信可能な時間帯および同一グループに所属するノード間における通信可能な時間帯をそれぞれ設定し、ネットワーク構成に依らず自律的に動作する方式とする。すなわち、ＧＮに同時に計測データを送れないようにし、通信タイミングを変えるか、あるいは通信時間を分割する。

この場合、クラスターツリー時のグループ番号計算式は、ＧＮグループとしてはＧ_ＧＮ＝１、自分のグループとしてはＧ_ＯＷＮ＝（Ｇ_ＰＮ−１）×Ｒ_ｍａｘ＋ｎ＋１；ｎ＝１，…，Ｒ_ｍａｘである。一方、リニアーツリー時のグループ番号計算式は、ＧＮグループとしてはＧ_ＧＮ＝１、自分のグループとしてはＧ_ＯＷＮ＝Ｇ_ＰＮ＋１である。これらはＧＮと直接通信するノード群のうち、子ノードを持つＲＮのグループ計算式となる。ここで、Ｇ_ＧＮはＧＮのグループ番号、Ｇ_ＰＮは親ノードのグループ番号、Ｇ_ＯＷＮは自ノードが親ノードとなる場合のグループ番号である。

クラスターツリー時のグループ番号計算式で、例えば、ｄ＝１に位置するＲＮの自身のグループ番号は、Ｒ_ｍａｘ＝２であるから、Ｇ_ＯＷＮ＝（１−１）×２＋ｎ＋１＝ｎ＋１となり、ｎ＝１のときＧ_ＯＷＮ＝１＋１＝２、ｎ＝２のときＧ_ＯＷＮ＝２＋１＝３となる。ｄ＝２に位置するＲＮの自身のグループ番号は、Ｇ_ＰＮ＝２の場合、Ｇ_ＯＷＮ＝（２−１）×２＋ｎ＋１＝２＋ｎ＋１＝ｎ＋３となり、ｎ＝１のときＧ_ＯＷＮ＝１＋３＝４、ｎ＝２のときＧ_ＯＷＮ＝２＋３＝５となる。また、Ｇ_ＰＮ＝３の場合、Ｇ_ＯＷＮ＝（３−１）×２＋ｎ＋１＝４＋ｎ＋１＝ｎ＋５となり、ｎ＝１のときＧ_ＯＷＮ＝１＋５＝６、ｎ＝２のときＧ_ＯＷＮ＝２＋５＝７となる。

一方、リニアーツリー時のグループ番号計算式で、Ｇ_ＧＮ＝１とする。このとき、Ｃ_ｍａｘ＝４、Ｒ_ｍａｘ＝１、Ｄ_ｍａｘ＝３とすると、Ｇ_ＯＷＮ＝Ｇ_ＰＮ＋１から、ｄ＝１に位置するＲＮのグループ番号は、Ｇ_ＰＮ＝Ｇ_ＧＮ＝１であるからＧ_ＯＷＮ＝１＋１＝２となる。また、ｄ＝２に位置するＲＮのグループ番号は、Ｇ_ＰＮ＝２であるからＧ_ＯＷＮ＝２＋１＝３となる。

また、センサによる計測および計測データ送受信、時刻同期情報送受信、ネットワーク構築、中継機能によるフレーム転送を行っていない間は、時計機能以外の全ての機能（ＣＰＵ部、ＲＦ部、センサ部）をスリープさせる方式とし、センサによる計測を行っている場合には、ＲＦ部をスリープさせる方式とし、中継機能によるフレーム転送を行う場合には、センサ部をスリープさせる方式とする。
例えば、ＳＮのセンシング時および通信時のみアクティブとなり、それ以外の時間帯ではスリープ状態にする。また、ＲＮのセンシング時および通信時のみアクティブとなり、さらに配下のノードが通信する時間帯にもアクティブとなる。それ以外の時間帯では、スリープ状態にする。特に、電力の消費は無線通信が一番大きいため、不必要な時にはこのように電波の送受信を休止させるのが好都合である。

また、センサ情報を送る際の時刻同期機能としては、ＬＴＳＰ（ＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＴｉｍｅＳｙｎｃＰｒｏｔｏｃｏｌ）を採用し、図５に示すように、子ノード（ＣＮ）を親ノード（ＰＮ）と同期する場合と、図６に示すように、ＲＮ／ＳＮがＧＮと同期する場合との２つに分かれる。例えば、各ノード間に１秒の誤差を発生させないためには、１日に２回の同期補正が必要である。

図５に示すように、親ノード（ＰＮ）と同期する場合では、下位におけるノードＡからノードＢに計測データ＋時刻情報が送られ、ノードＢからノードＡに時刻情報だけが送られる。一方、ノードＢからノードＣおよびノードＣから上位におけるＧＮには、それぞれ計測データのみが送られる。

また、図６に示すように、ＧＮと同期する場合では、下位におけるノードＡからノードＢおよびノードＣおよび上位におけるＧＮの順に、それぞれ計測データ＋時刻情報が送られる。一方、上位におけるＧＮからノードＣおよびノードＢおよび下位におけるノードＡの順に、時刻情報だけが送られる。

尚、動作パラメータとしては、時刻同期動作時では、時刻情報となるが、動作パラメータの変更通知時では、ＧＮから配下の全ノードに配布するため、多数の動作パラメータ（Ｃ_ｍａｘ、Ｒ_ｍａｘ、Ｄ_ｍａｘ、ｅｔｃ）がデータとして流れる。

そして、ＬＴＳによる具体的な時刻同期方式としては、図７に示すように、親ノード（ＰＮ）と子ノード（ＣＮ）との間の時刻同期は、送信時刻Ｔｓ、受信時刻Ｔｒとすれば、ペイロード：Ｌ_ＣＮ（Ｔｓ）およびペイロード：Ｌ_ＣＮ（Ｔｓ），Ｌ_ＰＮ（Ｔｒ），Ｌ_ＰＮ（Ｔｓ）を使った平均化により、親ノード（ＰＮ）に対する差分値がＯ_ＣＮ＝（Ｌ_ＰＮ（Ｔｓ）−Ｌ_ＣＮ（Ｔｒ）＋Ｌ_ＰＮ（Ｔｒ）−Ｌ_ＣＮ（Ｔｓ））／２で与えられ、これの値を基にして時刻同期補正がなされる。また、この方式においては、親ノード（ＰＮ）と子ノード（ＣＮ）との間の時刻同期（図中１で示す）と、ＧＮとＲＮ／ＳＮとの間の時刻同期（図中２で示す）とのいずれか一方を選択可能としている。

次に、以上のように構成された本発明の最良の形態について、使用・動作の一例を説明する。

先ず、クラスターツリー構成について説明する。

図１に示すように、階層ｄ＝０にあるアドレス０のＧＮから、階層ｄ＝１におけるアドレス１，１４のＲＮ、アドレス２７，２８のＳＮのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝１にあるアドレス１のＲＮから階層ｄ＝２におけるアドレス２，７のＲＮ、アドレス１２，１３のＳＮのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝１にあるアドレス１４のＲＮから階層ｄ＝２におけるアドレス１５，２０のＲＮ、アドレス２５，２６のＳＮのそれぞれに動作パラメータを伝送する。また、階層ｄ＝２にあるアドレス２のＲＮから、階層ｄ＝３のアドレス３，４，５，６のＳＮに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝２にあるアドレス７のＲＮから、階層ｄ＝３におけるアドレス８，９，１０，１１のＳＮに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝２にあるアドレス１５のＲＮから、階層ｄ＝３におけるアドレス１６，１７，１８，１９のＳＮに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝２にあるアドレス２０のＲＮから、階層ｄ＝３におけるアドレス２１，２２，２３，２４のＳＮに動作パラメータを伝送する。

次に、リニアーツリー構成について説明する。

図２に示すように、階層ｄ＝０にあるアドレス０のＧＮから、階層ｄ＝１におけるアドレス１０のＲＮおよびアドレス１１，１２，１３のＳＮのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝１にあるアドレス１０のＲＮから階層ｄ＝２におけるアドレス２０のＲＮおよびアドレス２１，２２、２３のＳＮのそれぞれに動作パラメータを伝送し、階層ｄ＝２にあるアドレス２０のＲＮから階層ｄ＝３におけるアドレス３０，３１，３２，３３のＳＮに動作パラメータを伝送する。

図５に示すように、親ノード（ＰＮ）と同期する場合では、下位におけるノードＡからノードＢに計測データ＋時刻情報が送られ、ノードＢからノードＡに時刻情報だけが送られる。一方、ノードＢからノードＣ、およびノードＣから上位におけるＧＮには、それぞれ計測データのみが送られる。

また、図６に示すように、ＧＮと同期する場合では、下位におけるノードＡからノードＢおよびノードＣおよび上位におけるＧＮの順にそれぞれ計測データ＋時刻情報が送られる。一方、上位におけるＧＮからノードＣおよびノードＢおよび下位におけるノードＡの順に時刻情報だけが送られる。

本発明に係るワイヤレスセンサネットワークの省電力化システムは、ビルオートメーションの保守管理等の分野に限らず、建築物環境の計測から医療に至るまで、幅広い分野で利用・応用することができる。

クラスターツリー構成の内容を示す説明図である。リニアーツリー構成の内容を示す説明図である。クラスターツリー構成の他の例を示す説明図である。リニアーツリー構成の他の例を示す説明図である。親ノードと同期する場合の説明図である。ＧＮと同期する場合の説明図である。（ａ）は親ノード（ＧＮまたはＲＮ）と子ノード（ＲＮまたはＳＮ）との間の時刻同期、ＧＮとＧＮ以外の全ノード（ＲＮまたはＳＮ）との間の時刻同期の流れの一例を示す説明図、（ｂ）はＬＴＳＰ方式による時刻同期の一例を示す説明図で、縦軸は時間軸を表す。クラスターツリー構成によるワイヤレスセンサネットワークの具体的な構成例を示す説明図である。

符号の説明

ＧＮ…ゲートウエイノード
ＲＮ…ルータノード
ＳＮ…センサノード
ｄ…階層
Ｃｓｋｉｐ（ｄ）：クラスターツリー構造において、階層ｄにおけるアドレス・スキップ値
Ｃｓｋｉｐ：リニアーツリー構造におけるアドレス・スキップ値
Ｃｍａｘ：最大子ノード数
Ｒｍａｘ：最大ルータ子ノード数
Ｄｍａｘ：最大ホップ数

Claims

１台のゲートウエイノード（ＧＮ）を頂点とし、その配下に、中継機能を持つルータノード（ＲＮ）または中継機能を持たないセンサノード（ＳＮ）を接続して成る広範囲スペース内で使用される多段接続によるネットワーク構成を備え、無線による通信のために、各ノードには最大子ノード数（Ｃ_ｍａｘ）、最大ルータ数（Ｒ_ｍａｘ）、最大ホップ数（Ｄ_ｍａｘ）で決定される、一意なアドレスを付与され、前記各ノードが共通で持つ、最大子ノード数（Ｃ _ｍａｘ）、最大ルータ数（Ｒ _ｍａｘ）、最大ホップ数（Ｄ _ｍａｘ）は、事前に設定した値を、ゲートウエイノードが稼動した後においても、ソフトウェアにて変更可能とし、設定される最大ルータ数に応じてリニアーツリー構造またはクラスターツリー構造への自律的な対応を可能としたワイヤレスセンサネットワークシステムであって、
親ノード（ＰＮ）となるＧＮまたはＲＮにマスタークロック、子ノード（ＣＮ）となるＲＮまたはＳＮにスレーブクロックを実装させることにより、ＣＮが有している時刻情報とＰＮが有している時刻情報とのズレ量を計算し、マスタークロックの時刻に同期するため、ＰＮとＣＮ間またはＧＮとＧＮ以外の全ノード（ＲＮまたはＳＮ）間において、各ノードが計測データを送信する際のタイミングを基準として、それぞれが持つ時刻情報を、計測データに送信元の送信時刻、これに対応する対向ノードが応答する際のデータに、受信元の受信時刻及び応答送信時刻を重畳して時刻同期を行って、マスタークロックとスレーブクロック間の誤差許容時間内に最低１回送信して、計測データの送信フレームに重畳させるようにしてなり、
センサによる計測および計測データ送受信、時刻同期情報送受信、ネットワーク構築、中継機能によるフレーム転送を行っていない間は、時計機能以外の全ての機能（ＣＰＵ部、ＲＦ部、センサ部）をスリープさせ、センサによる計測を行っている場合には、ＲＦ部をスリープさせ、中継機能によるフレーム転送を行う場合には、センサ部をスリープさせることを特徴とするワイヤレスセンサネットワークの省電力化システム。
ネットワーク構成については、各ノードのグループを作り、各ノードが所属するグループ毎に通信可能な時間帯および同一グループに所属するノード間における通信可能な時間帯をそれぞれ設定し、クラスターツリーまたはリニアーツリーのネットワーク構成に依らず、自律的に動作する請求項１に記載のワイヤレスセンサネットワークの省電力化システム。
クラスターツリー時のグループ番号計算式は、
Ｇ _ＧＮ＝１、
Ｇ _ＯＷＮ＝（Ｇ _ＰＮ −１）×Ｒ _ｍａｘ＋ｎ＋１；ｎ＝１，…，Ｒ _ｍａｘ
とし、
一方、リニアーツリー時のグループ番号計算式は、
Ｇ _ＧＮ＝１、
Ｇ _ＯＷＮ＝Ｇ _ＰＮ＋１
とした（ここで、Ｇ _ＧＮ：ＧＮが親ノードとなる場合のグループ番号、Ｇ _ＰＮ：親ノードのグループ番号、Ｇ _ＯＷＮ：自ノードが親ノードとなる場合のグループ番号）
請求項２に記載のワイヤレスセンサネットワークの省電力化システム。