JP5078670B2 - センサネットワークシステム - Google Patents

Description

本発明は、センサデータを送信するノードと、そのノードからセンサデータを受信するベース、ならびにノードとベースから構成されるセンサネットワークシステムに関するものである。

近年、センサに無線通信機能を有する小型の電子回路を付加して、現実世界の様々な情報をリアルタイムに情報処理装置に取り込むセンサネットワークシステムが検討されている。センサネットワークシステムには幅広い応用が考えられており、例えば、無線回路、プロセッサ、センサ、電池を集積した指輪型の小型電子回路により、脈拍等を常時モニタし、モニタ結果は無線通信により診断装置に送信され、モニタ結果に基づいて健康状態を判定するといったような医療応用も考えられている（例えば、非特許文献１参照。）。

センサネットワークシステムを広く実用化するためには、無線通信機能、センサ、および、電池等の電源を搭載する電子回路（以下、ノードという）を、長時間に渡ってメンテナンスフリー、かつセンサデータを送信し続けられるものとし、かつ外形も小型化することが重要になる。このため、超小型でどこにでも設置できるノードの開発が進められている。現段階では、実用上、１年程度の期間、電池交換をせずに使用可能であることが、メンテナンスコストおよび使い勝手の両面から必要と考えられている。

例えば、非特許文献２には、「Ｍｉｃａ２Ｄｏｔ」と呼ばれる、直径３ｃｍ程度の小型のノードのプロトタイプが紹介されている。このＭｉｃａ２Ｄｏｔは、無線通信に必要な機能を集積したＲＦチップと、低消費電力なプロセッサチップから構成される。このプロトタイプにおいては、９９％の時間は待機状態で、残りの１％の時間のみを間欠的に起動してセンサを動かして結果を無線通信するという間欠動作により、小型電池にて１年程度の動作が可能としている。

センサネットワークシステムには、上記のような小型で無線通信を行うノードと、センシングされたデータを無線で収集して、インターネットなどの有線ネットワークに接続するデバイス（以下、ベースと呼ぶ）の２種のデバイスが必要である。ノードは、小型かつ移動性を加味して電池で駆動されることが多いのに対し、ベースは据え置きでＡＣ電源駆動されるケースが多い。
Sokwoo Rhee他「Artifact-Resistant Power-Efficient Design of Finger-Ring Plethysmographic Sensors」,IEEE Transactions On Biomedical Engineering, Vol.48, No.7, July 2001, pp.795-805 Crossbow 「Smarter Sensors In Silicon」、インターネット、URL : HYPERLINK "http://www.xbow.com/Support/Support#pdf#files/" http://www.xbow.com/Support/Support#pdf#files/Motetraining/Hardware.pdf

センサネットワークシステムをビル等の施設の防犯システムに利用しようとすると、以下のような課題が発生する。前述したように、ノードは敷設のやりやすさから電池駆動が強く求められている。しかし、電池駆動ではその寿命に制限が発生する。

防犯センサが稼働し信号がノードから送出されると、この信号は他のノードを経由してベースに伝達される。例えば図２のようにノードn-1からノードｎへ、そしてノードn+1へ信号が伝達される場合、まずノードn-1のデータはノードｎへ無線転送される。ノードｎはノードn-1へデータを受信したことを知らせる信号を送信する。この信号をＡＣＫ信号と呼ぶ。ＡＣＫ信号を送信後、ノードｎはノードn+1へ防犯信号を送信する。この信号を受信したノードn+1は防犯信号を受信したことをノードｎに知らせる為に、ＡＣＫ信号を送信する。このように防犯信号を送信→ＡＣＫ信号を送信→防犯信号を送信→ＡＣＫ信号を送信と時系列的な手続きを踏んで防犯信号がノードからベースへ伝達される。すなわち中継されるノードの数の倍の数だけ送信が行われることになる。すなわち、各ノードは防犯信号とＡＣＫ信号の2回送信しなければならない為、消費電力が増加してしまうという課題がある。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、センサの感知信号を送信するノードと、
前記ノードから前記センサの感知信号を受信するベースとから構成され、
無線ネットワークシステムを利用してサーバに伝達するセンサネットワークシステムにおいて、上位ノードへ送信された信号を下位ノードへのＡＣＫ信号として使用するセンサネットワークシステムにある。

本発明の第２の態様は、前記信号はIndexとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータを含んでいるデータフレームであることを特徴としたセンサネットワークシステムにある。

本発明の第３の態様は前記ノードはログエリアとＡＣＫエリアと受信バッファからなるメモリを有することを特徴としたセンサネットワークシステムにある。

本発明の第４の態様は、前記受信バッファにある信号に含まれているIndexとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータを前記ＡＣＫエリアにある信号に含まれているIndexとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータのうち、一つもしくは最大３つをそれぞれ比較することを特徴としたセンサネットワークシステムにある。

本発明の第５の態様は、前記受信バッファにある信号に含まれているIndexとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータを前記ログエリアにある信号に含まれているIndexとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータのうち、一つもしくは最大３つをそれぞれ比較することを特徴としたセンサネットワークシステムにある。

本発明の第６の態様は、前記比較した結果、Indexとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータのうち、一つもしくは最大３つが一致した時に、ログエリア内の当該データフレームをＡＣＫエリアに移動させることを特徴としたセンサネットワークシステムにある。

本発明によれば、通信回数を減少させ、ノードが無駄な電力を消費しないため、電池寿命の長いシステムを構築できるという効果がある。

本発明の代表的な実施形態の概要は次のとおりである。各ノードは自分（以下、下位ノードと言う）よりベースに距離的に近いノード（以下、上位ノードと言う）に送信する。

まず防犯センサが検知した信号（以下、防犯信号と言う）を受けた各ノードは、上位ノードに信号を送信する。この上位ノードは、さらに自分より上位のノードに対して防犯信号を送信する。これを繰り返すことによって同一の防犯信号が多数のノードを経由して、ベースまで伝達される。

この時送信するデータフレームの構成を図３に示す。データフレームはIndexとメッセージデータである防犯信号を送信したノードアドレスであるノードIDと送信元アドレスであるＭｙＩＤ, メッセージデータである防犯センサの検知信号IDデータで構成されている。

図１にセンサネットワークシステムの一実施形態を示し、詳細に説明する。防犯センサが搭載されているＮ１のノードとその防犯信号を中継するノードＮ２〜４と、サーバにＬＡＮケーブルで接続されたベースから構成される。各ノード間、及びノード−ベース間は双方向の無線で接続されている。矢印は、お互いに双方向で通信できることを意味している。ここで無線とは、微弱、特定省電力、ZigBee、Bluetooth等の通信方式で代表される無線を意味している。

各ノードが自身のデータを無線で送ることができる相手のノードは、自身と相手のノードとの距離によって決まる。その距離は具体的には無線方式によって異なっている。例えば、微弱無線のような送信出力の低いものでは３〜５ｍ、特定小電力のような送信出力の高いものでは１００ｍ程度距離が離れていても、自身の信号を相手のノードに送ることが可能である。したがって、送信出力の高い無線方式ではノード間の距離を離すことが出来る為に、広範囲なセンサネットワークシステムを構築することができる。

防犯センサから発生した防犯信号はノードＮ１から上位のノードＮ２に送信される。ノードＮ２が防犯信号を受信するとノードＮ２は上位のノードＮ３に向けて防犯信号を送信する。この時、ノードＮ２が送信した防犯信号は無指向性の電波であるので、当然ノードＮ１にも到達している。ノードＮ１はこの防犯信号を受信した段階で、自分がノードＮ２に対して送信した防犯信号をノードＮ２が受信し、更に上位のノードであるＮ３へ送信されたことがわかる。すなわち、従来ならノードＮ２がノードＮ１に出すＡＣＫ信号の代わりに、ノードＮ２がノードＮ３に出す防犯信号がノードＮ１へのＡＣＫ信号になっている。したがって防犯信号が４回出ればノードＮ１から出た防犯信号はベースに伝達されたことになる。これにより、従来ノードの数の倍、すなわち８回だけ通信しなければベースに届かなかった防犯信号が、ノードの数と同じだけの回数である４回でベースまで到達させることができる。

しかし、ここで問題がある。例えば、ノードＮ２からノードＮ３に送信された防犯信号が、ノードＮ１にどのようにしてＡＣＫ信号と認識させるかである。各ノードは通信制御用にμプロセッサを搭載している。そのプロセッサには受信バッファとログエリアとＡＣＫエリアの３つのメモリ領域を持たせる。もちろん、プロセッサ外に専用メモリとして持たせても構わない。

受信バッファは送信元から送信されたデータフレームを一時的に蓄積しておくメモリ領域である。例えばノードＮ１から送信された防犯信号を含むデータフレームの構成を図３に示す。

データフレームはIndexとノードＩＤとＭｙＩＤとメッセージデータから構成されている。ここで、IndexとはノードＮ１で設定される任意の数字が入っている。この数字は乱数発生器等により発生されるものであり、構成されるシステム中に存在する防犯センサが複数あろうとも、同一の時期に同一の数字が設定される確率は極めて低い。 また、このIndexに入る数字は防犯信号がノードを経由してベースに転送される過程で絶対に変わらないものである。これによって、他の防犯センサが装着されているノードから発せられた信号と区別している。

ノードＩＤは防犯センサが装着されているノードの番号であり図１の例ではＮ１なので１が格納されている。またＭｙＩＤは防犯信号を送信したノードの番号でありこの場合も１が格納されている。ただし、防犯信号がノードＮ２、Ｎ３、Ｎ４と転送されるにつれ、常に送信元のノード番号が格納される。例えば、ノードＮ３がノードＮ４に防犯信号を送信した場合にはＭｙＩＤにはノードＮ３の番号である３が格納されている。

メッセージデータにはセンサ情報が格納されるものであり、本実施例では人感センサで構成される防犯信号として説明する。防犯信号データは人の侵入により人感センサが反応した時に発生するものであり、発生と同時にその信号がメッセージデータに格納される。例えば常にゼロであるものが、人感センサ等の防犯センサが反応することにより１に変化する。また、人感センサ以外のセンサが接続された時にはこのデータは１ではなく、他の数字になる。すなわち、このメッセージデータにはセンサの種類によって異なる固有のデータが格納される。

では実際の例として、ノードＮ１に接続されている人感センサ等の防犯センサが反応して防犯信号がベースに届くまでの過程を図５に示す。特に以下ではノードＮ３がノードＮ４から防犯信号を受信した状態について説明する。この場合、ノードＮ３がノードＮ４に送信するデータフレームはIndex＝１、ノードＩＤ＝１、ＭｙＩＤ＝３、防犯信号データ＝１となる。このデータがノードＮ４に送信されるわけであるが、同時に電波の無指向性の特徴の為、ノードＮ２にも送信されるのでノードＮ２は同じデータを受信する。この時、ノードＮ２はこの受信したデータを受信バッファにまずメモリする。次にノードＮ２はこのデータが過去自分が送信したデータなのかの判別行為に入る。具体的には、前記したログエリアにあるデータ及びＡＣＫエリアにあるデータとこの受信バッファのデータをそれぞれ比較する。

ここでログエリアのメモリについて説明する。ログエリアには過去に自分が受信したデータが記憶されている。そのデータフレームを図４に示す。Ｔｘカウンタは当該データが既に次ノードに送信したかどうかの識別データ領域である。例えばＴｘカウンタ＝１なら送信済み、Ｔｘカウンタ＝２なら未送信となる。次のIndexにはノードＮ１から受信したデータであるからIndex＝１が、ノードＩＤには発信源のノードＮ１のノード番号の１が、ＭｙＩＤにはノードＮ１から送られてきたデータなので１が、そして防犯信号データには１がメモリされている。

まず、受信バッファとＡＣＫエリアのデータが比較される。比較されるのはIndexデータである。このIndexデータが同じならば、そのデータは過去に自分（ノードＮ２）が受信したデータということを意味している。したがって、再送する必要がない為に受信バッファのデータを削除する。

しかし、受信バッファとＡＣＫエリアのデータが比較され、もしIndexデータが違っていた場合には、過去に自分（ノードＮ２）が送信した信号でないと判断し、なんら処理はせず、次のステップに進む。

次のステップは、受信バッファとログエリアのデータが比較される。比較されるのはIndexデータである。このIndexデータが同じならば、そのデータは過去に自分（ノードＮ２）が受信したデータということを意味している。その結果自分（ノードＮ２）が送信したデータはノードＮ３が受信しかつノードＮ４に対してノードＮ３が送信したと解釈する。すなわち、これが従来のＡＣＫ信号に機能的に相当する。その後、ログエリア内にあるこのデータはＡＣＫエリアにあるメモリに移動され、ログエリア内から削除される。すなわち、ＡＣＫエリアに移動されたデータは確実に隣接している次のノードに転送されたことを意味している。その後、受信バッファのデータを削除する。

しかし、受信バッファとログエリアのデータが比較され、もしIndexデータが違っていた場合には、今までに受信したことのないデータであり、次のノードに転送しなければならない。したがってこのデータをログエリアに移動させ、送信の用意をする。そのとき、Ｔｘカウンタには２がセットされる。 実際に送信する為には、その後送信バッファにコピー転送され送信される。この時、ログエリアに残された同一のデータのＴｘカウンタは送信済みを意味する１がセットされる。その後、受信バッファのデータを削除する。

前述したように、受信したノードは受信したというＡＣＫ信号を発信しない。この理由はＡＣＫ信号を発信すると、それだけ電池の電力を消費し電池寿命を短くするからである。ノードＮ１の防犯検知信号をベースに伝達する時間が多くかかってしまう。これは、防犯目的で設置される本システムにとっては致命的欠点である為、本発明では、ＡＣＫ信号を発信せず、次ノードへの送信信号を前のノードへのＡＣＫ信号として使用することによりシステムを構成させている。これを、ログエリアとＡＣＫエリアというメモリ領域を持たせることによって実現している。

上記説明では比較されるデータはIndexデータであると記したが、どこのノードから防犯信号が発生したのかを示すデータであるノードＩＤも比較すればさらにシステムの信頼度があがる。なぜなら、２つ以上の防犯センサが同時に検知し、それぞれのIndexデータが乱数発生された場合に、その２つ以上発生したIndexデータがたまたま同じであっても、発生したノードＩＤも比較すれば２つ以上のデータフレームを固有に区別できる。さらに、ノードに防犯センサ以外の複数のセンサが付いている場合にはIndexデータとノードＩＤだけでは区別できない。そのときにはメッセージデータも比較すれば、同一のノードのうち、どのセンサが反応したか区別することができる。なぜなら、メッセージデータはセンサの種類ごとに異なるデータを格納するからである。

本発明のセンサネットワークの一実施形態を示す図である。 従来のデータ送信形態を示す図である。 本発明の受信バッファのデータフレーム構成を示す図である。 本発明のログエリアのデータフレーム構成を示す図である。 本システムの送信フローチャートを示す図である。

符号の説明

１ 防犯センサ
２ ノード
３ ベース
４ サーバ

Claims (5)

1. センサの感知信号を送信するノードと、前記ノードから前記センサの感知信号を受信するベースとから構成され、無線ネットワークシステムを利用してサーバに伝達するセンサネットワークシステムにおいて、
   上位ノードへ送信された信号を下位ノードへのＡＣＫ信号として使用するとともに、前記ノードはログエリアとＡＣＫエリアと受信バッファからなるメモリを有することを特徴としたセンサネットワークシステム。
2. 前記信号はＩｎｄｅｘとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータを含んでいるデータフレームであることを特徴とした請求項１に記載のセンサネットワークシステム。
3. 前記受信バッファにある信号に含まれているＩｎｄｅｘとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータを前記ＡＣＫエリアにある信号に含まれているＩｎｄｅｘとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータとを、必要に応じてＩｎｄｅｘとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータのうち一つもしくは最大３つを、それぞれ比較することを特徴とした請求項１または２に記載のセンサネットワークシステム。
4. 前記受信バッファにある信号に含まれているＩｎｄｅｘとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータを前記ログエリアにある信号に含まれているＩｎｄｅｘとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータとを、必要に応じてＩｎｄｅｘとセンサ信号を最初に送信したノードＩＤとセンサ信号の種類を示すメッセージデータのうち１つもしくは最大３つを、それぞれ比較することを特徴とした請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサネットワークシステム。
5. 前記比較した結果、１つもしくは最大３つのデータが一致した時に、ログエリア内の当該データフレームをＡＣＫエリアに移動させることを特徴とした請求項４に記載のセンサネットワークシステム。

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