JP5088062B2

JP5088062B2 - 無線制御システム

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Publication number: JP5088062B2
Application number: JP2007243617A
Authority: JP
Inventors: 庸介石井
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: US8681754B2; US20090080394A1; JP2009077119A

Description

本発明は、無線制御システムに関し、特に無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることを可能とする無線制御システムに関する。

近年、たとえばインダストリアルオートメーションにおけるプロセス制御システムを、無線通信を利用した無線制御システムを構成することが提案されている。これは、従来の制御システムが有線ネットワークとして構成されていたことに起因して、通信距離の制限や配線の引き回しの制約などで温度や流量などを測定するセンサをプラント内の最適位置に設置できず、制御精度が低下する不都合を解消するためのものである。

このような従来の無線制御システムに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特表２００５−５１５６９５号公報

図９は、従来の無線制御システムの一例を示す構成ブロック図である。図９において、監視ノード１はネットワークＮＷ１００を介してゲートウェイノード２〜３と相互に接続されている。ゲートウェイノード２は無線ネットワーク回線（以下、無線回線という）ＣＮ１０１を介して無線ノード４に接続され、無線回線ＣＮ１０２を介して無線ノード５に接続され、無線回線ＣＮ１０３を介して無線ノード６に接続されている。

ゲートウェイノード３は、無線回線ＣＮ１０４を介して無線ノード４に接続され、無線回線ＣＮ１０５を介して無線ノード５に接続され、無線回線ＣＮ１０６を介して無線ノード６に接続されている。

無線ノード４は、無線回線ＣＮ１０７を介して無線ノード５に接続され、無線回線ＣＮ１０９を介して無線ノード７に接続され、無線回線ＣＮ１１０を介して無線ノード８に接続されている。

無線ノード５は、無線回線ＣＮ１１１を介して無線ノード７に接続され、無線回線ＣＮ１１２を介して無線ノード８に接続され、無線回線ＣＮ１１３を介して無線ノード９に接続され、無線回線ＣＮ１０８を介して無線ノード６に接続されている。無線ノード６は、無線回線ＣＮ１１４を介して無線ノード８に接続され、無線回線ＣＮ１１５を介して無線ノード９に接続されている。

無線ノード８は、無線回線ＣＮ１１６を介して無線ノード７に接続され、無線回線ＣＮ１１７を介して無線ノード９に接続されている。このように、これら無線ノード４〜９はメッシュ型のマルチホップ無線ネットワークを形成している。また図９では、無線ノード７が無線ノード４、ゲートウェイノード２を介して監視ノード１にデータを送信するデータ通信ＮＲ１００の動作を示している。

図９の無線制御システムにおいて、監視ノード１は、センサ機能を有した無線ノード４〜９で測定された測定データを収集・記憶し、測定データを把握する。ゲートウェイノード２〜３は、主に各無線ノードや監視ノード１と通信を行う通信機能を有している。無線ノード４〜９は、プラントに設置されて無線センサネットワークを形成し、温度や流量などの物理量を測定するセンサ機能やこれらの測定データを無線伝送する無線通信機能を有し、他の無線ノードから受信したデータを転送する。

なお、監視ノード１は収集した測定データを図示しないコントローラに転送し、コントローラは測定データを所定の目標値に収束するように図示しないバルブや調整弁などの制御機器を操作制御するための制御データを算出し、制御データに基づいて制御機器を操作制御するものであってもよい。

図１０は図９の無線ノード７の無線通信機能の一例を示す構成ブロック図である。図１０において、無線通信部７１は演算制御部７２に接続され、演算制御部７２は記憶部７３に接続されている。無線通信部７１は主に他の無線ノードやゲートウェイノード２、３との間で無線通信を行う。演算制御部７２は各部の動作を制御する。記憶部７３は無線ノードとして動作させるためのプログラムや無線ノードからゲートウェイ２、３に到達するまでの経路情報などが格納されている。無線ノード４〜６、８〜９も無線ノード７と同様の構成である。

ここで、無線ノード４〜９は、アドレス／名前解決とともに経路探索を行ったり、オペレータが事前に各無線ノードに経路情報を設定することにより、データをゲートウェイノード２、３に転送するための経路情報をあらかじめ把握しているものとする。また、ゲートウェイノード２、３は、監視ノード１に到達するまでの経路情報をあらかじめ把握しているものとする。

従来の無線制御システムの動作を図１１のフロー図を用いて説明する。まず、ステップＳ１０１において、無線ノード７の演算制御部７２は、記憶部７３に格納されたプログラムを読み出し実行することにより、センサを制御して流量や温度などの物理量を測定し、測定データを記憶部７１に記憶する。なお、無線ノード７の演算制御部７２が記憶部７３に格納されたプログラムを読み出し実行して各部を制御する動作については、他の無線ノードについても同様であるので以下省略する。

ステップＳ１０２において、無線ノード７の演算制御部７２は、記憶部７３にあらかじめ格納された経路情報に基づき、監視ノード１へ測定データを転送するための中継点として無線ノードもしくはゲートウェイノードを選択し、流量、温度などの物理量の測定データを送信する。たとえば、無線ノード７の演算制御部７２は、記憶部７３にあらかじめ記憶されている経路情報に基づいて、無線ノード４を中継点に選択し、無線回線ＣＮ１０９を介して測定データを無線ノード４に送信する。

ステップＳ１０３において、無線ノード４は、図示しない記憶部にあらかじめ格納された経路情報に基づき、監視ノード１へ測定データを転送するための中継点として、無線ノードもしくはゲートウェイノードを選択し、無線ノード７から受信した測定データを送信する。たとえば、無線ノード４は、ゲートウェイノード２を選択して無線ノード７から得た測定データを送信する。

ステップＳ１０４において、ゲートウェイノード２は、無線ノード４から受信した測定データをネットワークＮＷ１００を介して監視ノード１に送信する。すなわち、無線ノード７は、図９のデータ通信ＮＲ１００に示すように無線ノード４、ゲートウェイノード２を介して監視ノード１に測定データを送信することになる。

監視ノード１は、ゲートウェイノード２から転送される測定データを記憶し、無線ノード７で測定された測定データを把握する。なお、監視ノード１は同様に他の無線ノードからも測定データを収集・記憶するので、プラントの運転状態を把握することができる。また、監視ノード１は各無線ノードから収集した測定データを図示しないコントローラに転送し、コントローラは測定値があらかじめ設定されている目標値に収束してプラントが最適に運転されるように、図示しないバルブやヒータなどの所定の制御機器を制御するものであってもよい。

この結果、監視ノードは各無線ノードから測定データを収集・記憶することによりプラントの運転状態を把握でき、プラントの最適な運転を支援することができる。

ところで、このような無線制御システムを構築するのにあたり、各無線ノードは、あらかじめゲートウェイノードの個数、設置場所、ＩＰアドレスなどのネットワーク情報を把握している必要がある。

そこで、ネットワーク情報を事前に各無線ノードに設定したり、アドレス／名前解決機構を利用し無線ネットワークを介してネットワーク情報を取得することが行われている。

また、ゲートウェイノードは多数の無線ノードからデータを収集するので通信負荷が高くなってしまい、システムの性能が低下することがあり、ゲートウェイノードの通信負荷を低減させるために、複数のゲートウェイノードを設置して通信負荷を分散することが行われている。

さらに、緊急度の高いアラームデータ専用の緊急用ゲートウェイノードを設置し、無線ノードが緊急用ゲートウェイノードの固有の名前やＩＤなどの識別情報に基づき、緊急用ゲートウェイノードを介する経路を選択してアラームデータを送信することも行われている。

しかし、ネットワーク情報を事前に各無線ノードに設定する方法では、新たにゲートウェイノードや無線ノードを設置したりアドレスなどを変更するようなシステムの構成変更や拡張を行うと、その都度各無線ノードに設定されているネットワーク情報を変更しなければならず、システムの拡張性および柔軟性の面で問題点がある。

また、アドレス／名前解決機構を利用し無線ネットワークを介してネットワーク情報を取得する方法では、各無線ノードはアドレス／名前解決用のディレクトリサービス機能を有する無線ノードから無線回線を介してゲートウェイノードのアドレス情報を取得するので、無線ネットワークのトラフィックの増大を招くことになり、システム全体の性能が低下してしまうという問題点がある。

また、複数のゲートウェイノードを設置して通信負荷を分散する方法でも、無線ノードやゲートウェイノードの設置場所によってはゲートウェイノードの通信負荷に偏りを生じることがあり、ゲートウェイノードの負荷を制御できないといった問題点がある。

さらに、緊急用ゲートウェイノードを設置する場合は、ゲートウェイノードの名前やＩＤなどの変更、ゲートウェイノードの新規設置や撤去などによってシステムの構成が変更する度に、無線ノードは変更または新規設置されたゲートウェイノードの識別情報を取得しなければならず、結局は上述のアドレス／名前解決機構を利用した場合と同様にトラフィックの増大を招くことになり、システム全体の性能が低下することになる。

また、無線ノードの設置場所によっては、障害物が存在すると電波障害が生じて無線通信が不安定に陥りやすくなり、ゲートウェイノードの通信負荷に偏りが生じてシステム全体の性能が低下するといった問題点がある。

本発明はこれらの問題点を解決するものであり、その目的は、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることを可能とする無制御システムを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
無線ネットワークを構成する複数の無線ノードからゲートウェイノードを介して監視ノードにデータを送信する無線制御システムにおいて、
前記各ゲートウェイノードと前記各無線ノードはあらかじめ設定されたグループＩＤをそれぞれ有し、
前記各無線ノードは、自ノードと同じグループＩＤを有する前記ゲートウェイノードに到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信し、
さらに、前記各ゲートウェイノードは、少なくとも自ノードのグループＩＤを含むＧＷ情報通知データを前記各無線ノードに送信し、
前記各無線ノードは、自ノードから前記各ゲートウェイノードに到達するまでの経路情報および自ノードから送信先ノードに到達するまでの通信品質を表す指標である経路コスト情報を有し、自ノードのグループＩＤ、前記ＧＷ情報通知データ、前記経路情報、前記経路コスト情報に基づいて、自ノードと同じグループＩＤを有する前記ゲートウェイノードに到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを前記ゲートウェイノードもしくは他の無線ノードに送信することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載のフィールド制御システムにおいて、
前記各無線ノードは、前記ＧＷ情報通知データに基づき前記各ゲートウェイノードのグループＩＤを記憶し、前記ＧＷ情報通知データを他の無線ノードに転送することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１または請求項２記載のフィールド制御システムにおいて、
前記各無線ノードは、自ノードと同じグループＩＤを有する前記ゲートウェイノードに到達する経路で通信品質が良好な経路を複数個選択しデータを送信することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項１〜請求項３いずれかに記載のフィールド制御システムにおいて、
前記各無線ノードは、
自ノードから前記各ゲートウェイノードに到達するまでの第１の経路情報、経路コスト情報、自ノードおよび前記各ゲートウェイノードのグループＩＤを格納する記憶部と、
無線通信を行う無線通信部と、
前記ＧＷ情報通知データを他の無線ノードに転送するとともに前記ＧＷ情報通知データに基づき少なくとも前記各ゲートウェイノードのグループＩＤを前記記憶部に記憶し、前記経路情報、前記経路コスト情報および前記ＧＷ情報通知データに基づいて自ノードと同じグループＩＤを有する前記ゲートウェイノードに到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択し、この経路に基づいて自ノードで得たデータもしくは他の無線ノードから受信したデータを前記ゲートウェイノードもしくはその他の無線ノードに送信する演算制御部とから構成されることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、
請求項１〜請求項４いずれかに記載のフィールド制御システムにおいて、
前記各ゲートウェイノードは、
前記各ゲートウェイノードを介して前記各無線ノードからデータを収集する監視ノードに到達するまでの第２の経路情報および自ノードのグループＩＤを格納する記憶部と、
無線通信、有線通信の少なくともいずれか一つによるデータ通信を行う通信部と、
前記ＧＷ情報通知データを前記各無線ノードに送信し、前記第２の経路情報に基づいて前記各無線ノードからの前記データを前記監視ノードに転送する演算制御部とから構成されることを特徴とする。

本発明によれば、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることができる。

図１は本発明に係る無線制御システムの一実施例を示す構成ブロック図である。図１において、監視ノード１１はネットワークＮＷ２００を介してゲートウェイノード２１〜２５と相互に接続されている。ゲートウェイノード２１は無線回線ＣＮ２０１を介して無線ノード３１に接続され、無線回線ＣＮ２０２を介して無線ノード３２に接続されている。

ゲートウェイノード２２は、無線回線ＣＮ２０３を介して無線ノード３２に接続され、無線回線ＣＮ２０４を介して無線ノード３３に接続されている。ゲートウェイノード２３は、無線回線ＣＮ２０５を介して無線ノード３３に接続され、無線回線ＣＮ２０６を介して無線ノード３４に接続されている。

ゲートウェイノード２４は無線回線ＣＮ２０７を介して無線ノード３４に接続されている。ゲートウェイノード２５は無線回線ＣＮ２０８を介して無線ノード３４に接続され、無線回線ＣＮ２０９を介して無線ノード３７に接続されている。

無線ノード３１は、無線回線ＣＮ２１０を介して無線ノード３２に接続され、無線回線ＣＮ２１１を介して無線ノード３５に接続されている。無線ノード３２は、無線回線ＣＮ２１２を介して無線ノード３５に接続され、無線回線ＣＮ２１３を介して無線ノード３６に接続され、無線回線ＣＮ２１４を介して無線ノード３３に接続されている。

無線ノード３３は、無線回線ＣＮ２１５を介して無線ノード３６に接続され、無線回線ＣＮ２１６を介して無線ノード３７に接続され、無線回線ＣＮ２１７を介して無線ノード３４に接続されている。

無線ノード３４は、無線回線ＣＮ２１８を介して無線ノード３７に接続されている。また、無線ノード３６は、無線回線ＣＮ２１９を介して無線ノード３５に接続され、無線回線ＣＮ２２０を介して無線ノード３７に接続されている。

図１の無線制御システムにおいて、監視ノード１１は監視ネットワークを形成し、センサ機能を有する無線ノード３１〜３７で測定された測定データなどのデータを収集・記憶し、測定データを把握する。ゲートウェイノード２１〜２５は、主に無線ノード３１〜３７および監視ノード１１などと通信を行う通信機能を有している。無線ノード３１〜３７は、プラントに設置され、無線センサネットワークを構成し、温度や流量などの物理量を測定するセンサ機能やとこれらの測定データを無線伝送する無線通信機能を有し、他の無線ノードから受信したデータを転送する。また図１ではゲートウェイ２１〜２５を太線で表している。

また説明を簡単にするために、無線ノード３１〜３７はメッシュ型のマルチホップ無線ネットワークを形成しているものとする。なお、監視ノード１１は図示しないコントローラに収集した測定データを転送し、コントローラは測定データを所定の目標値に収束するように図示しないバルブや調整弁などの制御機器を操作制御するための制御データを算出し、制御データに基づいて制御機器を操作制御するものであってもよい。

ところで、ゲートウェイノード２１〜２５と無線ノード３１〜３７にはグループＩＤがあらかじめ設定され、グループＩＤがグループＩＤ格納部にそれぞれ格納されている。たとえば、図１に示すようにゲートウェイノード２２、ゲートウェイノード２４、無線ノード３３および無線ノード３５にはグループＩＤ「Ａ」が設定され、ゲートウェイノード２１、ゲートウェイノード２５、無線ノード３１、無線ノード３４および無線ノード３６にはグループＩＤ「Ｂ」が設定され、ゲートウェイノード２３、ゲートウェイノード２５、無線ノード３２および無線ノード３７にはグループＩＤ「Ｃ」が設定され、各グループＩＤは各ノードのグループＩＤ格納部にそれぞれ格納されている。また、図１ではグループＩＤ「Ａ」が設定されている機器を○、グループＩＤ「Ｂ」が設定されている機器を□、グループＩＤ「Ｃ」が設定されている機器を△で示している。

図２は図１の無線ノード３２の一例を示す構成ブロック図である。図２において、無線通信部３２１は演算制御部３２２に接続され、演算制御部３２２は記憶部３２３に接続されている。無線通信部３２１は主に他の無線ノードやゲートウェイノードとの間で無線通信を行う。演算制御部３２２は各部の動作を制御する。記憶部３２３には無線ノードとして動作させるためのプログラムや自ノードからゲートウェイノード２１〜２５に到達するまでの経路情報、経路コスト情報、自ノードのグループＩＤおよび各ゲートウェイノードのグループＩＤなどが格納されている。無線ノード３１、３３〜３７も無線ノード３２と同様の構成である。

なお、経路情報は、少なくとも無線ノードやゲートウェイのＩＰアドレスなどの次のホップの宛先とゲートウェイのＩＰアドレスである最終的な宛先が記憶されていればよく、この経路情報と経路コスト情報とは互いに関連付けされているものでもよい。

また、経路コスト情報は、データの送信元から送信先へ到達するまでの経路全体の通信品質を表す指標であり、たとえば、ホップ数や電波の受信強度の積算値、ビットエラーレート、位置情報（ＧＰＳや三点測量などを用いたもの）などでもよい。

図３は図２の無線ノード３２を構成する演算制御部３２２の機能ブロック例図である。データ送受部３２２１は、主にデータフレームを生成し、データの送受信を行う。経路情報格納部３２２２は、主に次ホップアドレスや各ゲートウェイノードに到達するまでの経路情報、経路コスト情報などを格納する。グループＩＤ格納部３２２３は、主に自ノードのグループＩＤや他の無線ノードやゲートウェイノードのグループＩＤなどを格納する。経路情報提供部３２２４は、自ノードおよび他の無線ノードの設置場所、アドレスなどのネットワーク情報を他の無線ノードに通知する。経路選択部３２２５は、経路情報格納部３２２２の経路情報、経路コスト情報およびグループＩＤ格納部３２２３のグループＩＤに基づいて監視ノード１１に測定データを転送するための最適な経路を選択する。センサ部３２２６は図示しないセンサを制御して流量や温度などの物理量を測定する。

図４は図１のゲートウェイノード２２の一例を示す構成ブロック図である。図４において、通信部２２１は演算制御部２２２に接続され、演算制御部２２２は記憶部２２３に接続されている。通信部２２１は主に他の無線ノードや他のゲートウェイノード、監視ノード１１との間で通信を行う。演算制御部２２２は各部の動作を制御する。記憶部２２３には主にゲートウェイノードとして動作させるためのプログラムや自ノードから監視ノード１１に到達するまでの経路情報などが格納されている。ゲートウェイノード２１、２３〜２５もゲートウェイノード２２と同様の構成である。

図５は図４のゲートウェイノード２２を構成する演算制御部２２２の機能ブロック例図である。データ送受部２２２１は、主にデータフレームを生成しデータの送受信を行う。経路情報格納部２２２２は、主に自ノードから監視ノード１１に到達するまでの経路情報などを格納する。グループＩＤ格納部２２２３は、主に自ノードのグループＩＤや各無線ノード、他のゲートウェイノードのグループＩＤなどを格納する。経路情報提供部２２２４は、ゲートウェイノードの設置場所、アドレスなどのネットワーク情報を他の無線ノードに通知する。グループＩＤ管理部２２２５は、グループＩＤ格納部２２２３に格納されているグループＩＤの変更・管理を行う。

本発明の無線制御システムの動作を、図６のデータ通信の流れを示す説明図および図７のフロー図を用いて説明する。なお、無線ノード３１〜３７は、アドレス／名前解決を行うとともに、経路探索や事前に各無線ノードに経路情報を設定することなどにより、データを各無線ノードを介してゲートウェイノード２１〜２５に転送するための経路情報やその経路コスト情報、次ホップの宛先などをあらかじめ把握しているものとする。

図６において、データ通信ＤＦ２００はゲートウェイノード２２から無線ノード３２にデータを送信する流れを示し、データ通信ＤＦ２０１は無線ノード３２から無線ノード３５にデータを送信する流れを示し、データ通信ＤＦ２０２は無線ノード３５から無線ノード３２にデータを送信する流れを示し、データ通信２０３は無線ノード３２からゲートウェイノード２２にデータを送信する流れを示し、通信経路ＣＰ２００は無線ノード３５から無線ノード３２およびゲートウェイノード２２を介して監視ノード１１にデータが到達する流れを示している。

まず、図７のステップＳ２０１において、ゲートウェイノード２２の演算制御部２２２が記憶部２２３に格納されたプログラムを読み出し実行することにより、演算制御部２２２の経路情報提供部２２２４はデータ送受部２２２１を制御し、ゲートウェイノード２２のグループＩＤ情報（たとえばグループＩＤ「Ａ」）やゲートウェイノードのアドレス情報などを付加した「ゲートウェイ情報通知データ（以下、ＧＷ情報通知データという）」を自ノードと接続されている各無線ノードに送信する。ゲートウェイノード２２はたとえば図６のデータ通信ＤＦ２００の流れに示すように無線ノード３２にＧＷ情報通知データを送信する。なお、ゲートウェイノード２２は無線ノード３２だけでなく、接続している全ての無線ノード、すなわち、無線ノード３３にもＧＷ情報通知データを送信するものであってもよい。

ステップＳ２０２において、無線ノード３２の演算制御部３２２は記憶部３２３に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、ゲートウェイノード２２から得たＧＷ情報通知データに基づき、ゲートウェイノード２２のグループＩＤを演算制御部３２２のグループＩＤ格納部３２２３に記憶し、ゲートウェイノード２２のアドレス情報などを経路情報格納部３２２２に記憶する。なお、無線ノード３２の演算制御部３２２が記憶部３２３に格納されたプログラムを読み出し実行して各部を制御する動作については、他の無線ノードと同様であるので以下省略する。

ステップＳ２０３において、無線ノード３２の演算制御部３２２の経路情報提供部３２２４は、データ送受部３２２１を制御してゲートウェイノード２２から得たＧＷ情報通知データを無線ノード３５に転送する。無線ノード３２はたとえば図６のデータ通信ＤＦ２０１の流れに示すように無線ノード３５にＧＷ情報通知データを転送する。なお、無線ノード３２は無線ノード３５だけでなく、接続している全ての無線ノード、すなわち、無線ノード３１、３３、３６にもＧＷ情報通知データを転送するものであってもよい。

また、各無線ノードは、各無線ノードはマルチホップ無線ネットワークの形成時に、近隣の無線ノードとの無線通信を確立する一方で、近隣の無線ノードゲートウェイノードからのＧＷ情報通知データを記憶しつつ他の無線ノードにＧＷ情報通知データを転送するものであってもよい。

ステップＳ２０４において、無線ノード３５の図示しない演算制御部は、無線ノード３２から受信したＧＷ情報通知データに基づき、ゲートウェイノード２２のグループＩＤを図示しないグループＩＤ格納部に記憶し、ゲートウェイノード２２のアドレス情報などを図示しない経路情報格納部に記憶する。

ステップＳ２０５において、無線ノード３５の図示しない演算制御部は、図示しない記憶部に格納されたプログラムを読み出し実行することによりセンサ部を制御して流量や温度などの物理量を測定し、測定データを記憶部に記憶する。

ステップＳ２０６において、無線ノード３５の演算制御部の経路選択部は、グループＩＤ格納部に格納されたグループＩＤおよび経路情報格納部に格納された経路情報、経路コスト情報に基づいて、自ノードのグループＩＤと同じグループＩＤを持つゲートウェイノードを介して監視ノード１１に到達する経路で最も通信品質が良好な経路を選択する。たとえば、無線ノード３５の経路選択部は、無線ノード３５のグループＩＤ「Ａ」と同じグループＩＤ「Ａ」を持つゲートウェイノード２１、２２に到達する経路のうち、最も通信品質が良好な経路（たとえば図６の通信経路ＣＰ２００に示すような無線ノード３２、ゲートウェイノード２２を介して監視ノード１１に到達する経路）を選択する。

ステップＳ２０７において、無線ノード３５の演算制御部のデータ送受部は、経路選択部が選択した経路および経路情報格納部に格納された経路情報に基づいて、測定データを無線ノード３２に送信する。無線ノード３５はたとえば図６のデータ通信ＤＦ２０２の流れに示すように無線ノード３２に測定データを送信する。

なお、無線ノード３５のデータ送受部は、経路選択部で選択した「経路情報」や最終的な宛先であるゲートウェイノードのＩＰアドレスおよびグループＩＤなどを測定データに付加して無線ノード３２に送信するものであってもよい。

ステップＳ２０８において、無線ノード３２の演算制御部のデータ送受部は、無線ノード３５から得た測定データや経路情報に基づいて、無線ノード３５と同じグループＩＤを持つゲートウェイノードに到達する経路で最も通信品質が良好な経路を選択して、無線ノード３５から得た測定データをゲートウェイノード２２に送信する。無線ノード３２はたとえば図６のデータ通信ＤＦ２０３の流れに示すようにゲートウェイノード２２に測定データを送信する。

なお、無線ノード３２は、測定データに付加されたゲートウェイ情報や経路情報に基づき、測定データをゲートウェイノード２２に転送するものであってもよい。

ステップＳ２０９において、ゲートウェイノード２２の演算制御部２２２のデータ送受部２２２１は、経路情報格納部２２２２に格納された経路情報に基づいて、無線ノード３２から受信した測定データ、すなわち、無線ノード３５が測定したデータをネットワークＮＷ２００を介して監視ノード１１に転送する。

図８のデータ通信の流れを示す説明図を用いて、無線ノード３４および３７が測定データを送信する場合の動作を説明する。なお、無線ノード３１〜３７は、ゲートウェイノード２１〜２５のグループＩＤ、監視ノード１１にデータを転送するための経路情報や次ホップアドレス、経路コスト情報などをあらかじめ把握しているものとする。

図８において、通信経路ＣＰ２０１は無線ノード３４からゲートウェイノード２５を介して監視ノード１１にデータが到達する流れを示し、通信経路ＣＰ２０２は無線ノード３７から無線ノード３３およびゲートウェイノード２３を介して監視ノード１１にデータが到達する流れを示している。

無線ノード３４の演算制御部の経路選択部は、グループＩＤ格納部に格納されたグループＩＤおよび経路情報格納部に格納された経路情報、経路コスト情報に基づいて、自ノードの同じグループＩＤ「Ｂ」を持つゲートウェイノード２５を介して監視ノード１１に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択して測定データを送信する。無線ノード３４は、たとえば図８の通信経路ＣＰ２０１に示すようなゲートウェイノード２５を介して監視ノード１１に到達する経路を選択して測定データを送信する。

同様に、無線ノード３７の演算制御部の経路選択部は、グループＩＤ格納部に格納されたグループＩＤおよび経路情報格納部に格納された経路情報、経路コスト情報に基づき、自ノードの同じグループＩＤ「Ｃ」を持つゲートウェイノード２３を介して監視ノード１１に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択して測定データを送信する。無線ノード３７は、たとえば図８の通信経路ＣＰ２０２に示すような無線ノード３７から無線ノード３３、ゲートウェイノード２３を介して監視ノード１１に到達する経路を選択して測定データを送信する。

この結果、各ゲートウェイノードはグループＩＤやＩＰアドレスなどのゲートウェイノード情報を含むＧＷ情報通知データを各無線ノードに送信し、各無線ノードはこのＧＷ情報通知データに基づいてゲートウェイのグループＩＤ、ＩＰアドレスなどを記憶するとともにＧＷ情報通知データを各無線ノードに転送し、各無線ノードは自ノードと同じグループＩＤを有するゲートウェイノードに到達する経路のうち通信品質が最も良好である経路を選択して測定データを送信することにより、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることができる。

また、本発明の無線制御システムによれば、各ゲートウェイノードはＧＷ情報通知データを各無線ノードに送信し、各無線ノードはこのＧＷ情報通知データを記憶するとともに各無線ノードに転送するので、無線ノードやゲートウェイノードの撤去や新規設置を行った場合であっても容易にゲートウェイノードと無線ノードとをグループＩＤによって関係付けすることができる。

すなわち、ゲートウェイノードと無線ノードとをグループＩＤによって容易に関係付けすることができるので、無線ノードやゲートウェイノードの撤去や新規設置などをより柔軟に行うことが可能になる。

また、ゲートウェイノードと無線ノードとをグループＩＤで関係付けすることが可能になるので、複数個のゲートウェイノードを配置することが容易になる。さらに複数個のゲートウェイノードを配置する結果として、無線ノードからゲートウェイノードを介し監視ノードに到達する経路が冗長化されるのでシステムの信頼性が向上する。

これは、複数のゲートウェイノードと監視ノードとが有線ネットワークで相互に接続されていることにより、ゲートウェイノードから監視ノードまでの経路はシステム全体のパフォーマンスへ影響を及ぼさないため、ゲートウェイノードを複数個配置すれば無線ノードから監視ノードへの経路が冗長化されるからである。

また、各無線ノードは、経路コスト情報に基づき無線ノードからゲートウェイノードまでの経路のうち通信品質の良好な経路を選択することにより、ホップ数の削減や通信効率が向上し、中継点となる無線ノードの負荷分散や電波送受信回数の節約による各無線ノードの省電力化を図ることができる。

なお、上記実施例では、無線制御システムがインダストリアルオートメーションにおけるプラントの運転を支援する例を説明したが、特にこれに限定されるものではなく、たとえばファクトリーオートメーションにおける浄水場の制御システムや、ビルの空調・照明システムなどの運転を支援するものであっても構わない。

たとえば、ビルオートメーションシステムにおいては、照明やスイッチなどを無線ノードとした場合、無線ノードが設置されるビル内部も機器や什器など多くの障害物が存在するので電波障害も生じやすい。このため、各ゲートウェイノードはグループＩＤやアドレス情報などのゲートウェイノード情報を含むＧＷ情報通知データを各無線ノードに送信し、各無線ノードはこのＧＷ情報通知データを記憶するとともに各無線ノードに転送し、各無線ノードは自ノードのグループＩＤと同じゲートウェイノードに到達する経路で通信品質が良好な経路を選択して測定データを送信することにより、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることができる。

また、アラームのような緊急を要し優先度の高いデータを送信する無線ノードが設置される場合でも、本発明の無線制御システムによれば、ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を高めることなく緊急性や優先度を考慮したデータ配送が可能になる。

このような場合、既設のゲートウェイノードのグループＩＤを緊急度の高いアラームデータ専用に変更または新たなゲートウェイノードを追加設置することにより、各無線ノードはゲートウェイノードからのＧＷ情報通知データに基づきゲートウェイノードのグループＩＤなどを把握し、自ノードと同じグループＩＤを有するゲートウェイノードに到達する経路のうち通信品質が最も良好である経路を選択して測定データを送信するので、ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を高めることなく緊急性や優先度を考慮したデータ配送が可能になる。

また、上記実施例では、ゲートウェイノード２１〜２５のグループＩＤがあらかじめ設定されているが、オペレータによって手動でグループＩＤを変更するものでもよい。たとえば、オペレータはマウスやキーボートなどの入力装置を介してグループＩＤを入力し、演算制御部のグループＩＤ管理部は入力情報に基づいてグループＩＤを変更するものでもよい。

また、ゲートウェイノードの演算制御部のグループＩＤ管理部は、ネットワークを介して受信したグループＩＤを設定するための設定情報に基づいてグループＩＤを変更してもよいし、あらかじめ定められた時間になると自動的にグループＩＤを変更するものであってもよい。

また、上記実施例では、無線ノードの演算制御部の経路選択部は、グループＩＤおよび経路情報格納部に格納された経路情報、経路コスト情報に基づいて、自ノードと同じグループＩＤを有するゲートウェイノードを介し監視ノード１１に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択して転送するとしているが、無線ノードは、経路情報および経路コスト情報に基づいて通信品質が良好なものから順に複数の経路を選択して転送するものであってもよい。また、無線ノードは自ノードと同じグループＩＤを持つゲートウェイノードに到達する経路の中から１個以上の経路を選択するものであってもよい。

また、上記実施例では、無線ノード３１〜３７から構成される無線ネットワークを示しているが、無線通信方式は無線通信の標準規格であるＩＥＥＥ８０２．１５．４を用いるものであっても構わないし、各無線ノードが無線回線を介してデータの送受信をすることが信能であるならば、どのようなものを用いても構わない。

また、上記実施例では、各無線ノードは、測定データを他の無線ノードやゲートウェイに転送するとしているが、各無線ノードは転送する際に宛先であるゲートウェイのアドレス情報を測定データに付加して転送するものであってもよい。

また、上記実施例では、ゲートウェイノード２１〜２５は、経路情報に基づき監視ノード１１に受信した測定データを転送するとしているが、各無線ノードが測定データを送信する際に最終的な宛先である監視ノードのアドレス情報を付加して測定データを転送し、各ゲートウェイは受信した測定データに付加されたアドレス情報に基づいて測定データを監視ノードに転送するものであってもよい。

また、上記実施例では、無線ノード３１〜３７の経路情報格納部は、主に次ホップアドレスや各ゲートウェイノードに到達するまでの経路情報、経路コスト情報などを格納し、グループＩＤ格納部は、主に自ノードのグループＩＤや他の無線ノードやゲートウェイノードのグループＩＤなどを格納するとしているが、特にこれに限定するものではなく、各無線ノードは、次ホップの宛先アドレスや各ゲートウェイノードに到達するまでの経路情報、経路コスト情報、自ノードのグループＩＤや他の無線ノードやゲートウェイノードのグループＩＤを少なくとも記憶するものであってもよい。

また、上記実施例では、各無線ノードは経路コスト情報を記憶しているが、各無線ノードはマルチホップ無線ネットワークの構成時における近隣の無線ノードと無線通信を確立する際に、各無線ノード間や無線ノードとゲートウェイノード間の無線通信の通信品質を測定して転送して互いに記憶することにより、これらの通信品質に基づき送信元無線ノードから送信先ゲートウェイノードへ至る経路の経路コスト情報を算出するものであってもよい（たとえば、各ノード間の通信品質を積算するなど）。

また、各無線ノードは、データの送信元から送信先へ到達するまでの経路全体の通信品質を表す経路コスト情報を把握できるのであれば、無線ノードの位置情報や最終宛先に到達するまでのホップ数、各無線ノードの電池寿命などに基づいて経路コスト情報を算出するものであってもよい。

また、上記実施例の無線ノード３５は、無線ノード３２を経由して監視ノード１１にデータを送信しているが、無線ノードが自ノードからゲートウェイに到達するまでの経路探索する方法は、データがゲートウェイに到達できるのであればどのような経路探索方法や経路中継方法であっても構わない。

また、上記実施例のゲートウェイノード２１〜２５、無線ノード３１〜３７は、グループＩＤを有しているが、各ゲートウェイノードおよび各無線ノードは複数のグループＩＤを有するものであっても構わない。たとえば、ゲートウェイノードはグループＩＤ「Ａ」と「Ｂ」を有し、無線ノードはグループＩＤ「Ａ」と「Ｃ」を有する。

また、上記実施例の無線制御システムは、監視ノード１１、ゲートウェイノード２１〜２５、無線ノード３１〜３７で構成されているが、１個以上の監視ノード、１個以上のゲートウェイノード、１個以上の無線ノードから構成されるものであっても構わない。

また上記実施例の監視ノード１１の具体的な構成は示していないが、各ゲートウェイノードからデータを収集することが可能であるならばどのような構成であっても構わない。たとえば、監視ノード１１は、主にゲートウェイノードとの間で通信を行う通信部、各部の動作を制御する演算制御部、監視ノードとして動作させるためのプログラムやデータの経路情報、経路コスト情報などが格納される記憶部などで構成され、通信部は演算制御部に接続され、演算制御部は記憶部に接続されているものであってもよい。

また、上記実施例の無線制御システムにおける監視ノード１１とゲートウェイノード２１〜２５は、それぞれ有線ネットワークを介して通信を行っているが、監視ノードとゲートウェイノードとの通信は、無線通信であっても有線通信であっても構わない。

以上説明したように、本発明によれば、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷が軽減された信頼性の高い無制御システムを実現でき、インダストリアルオートメーションにおけるプロセス制御システムや、ファクトリーオートメーションにおける浄水場の制御システムや、ビルの空調・照明システムなどの運転支援などに好適である。

本発明に係る無線制御システムの一実施例を示す構成ブロック図である。図１の無線ノード３２の一例を示す構成ブロック図である。図２の無線ノード３２を構成する演算制御部３２２の機能ブロック例図である。図１のゲートウェイノード２２の一例を示す構成ブロック図である。図４のゲートウェイノード２２を構成する演算制御部２２２の機能ブロック例図である。データ通信の流れを説明する説明図である。本発明の無線制御システムの動作を説明するフロー図である。データ通信の流れを説明する説明図である。従来の無線制御システムの一例を示す構成ブロック図である。図９の無線ノード７の無線通信機能の一例を示す構成ブロック図である。従来の無線制御システムの動作を説明するフロー図である。

符号の説明

１、１１監視ノード
２、３、２１、２２、２３、２４、２５ゲートウェイノード
４、５、６、７、８、９、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７無線ノード
７１、３２１無線通信部
７２、２２２、３２２演算制御部
７３、２２３、３２３記憶部
２２１通信部
２２２１、３２２１データ送受部
２２２２、３２２２経路情報格納部
２２２３、３２２３グループＩＤ格納部
２２２４、３２２４経路情報提供部
２２２５グループＩＤ管理部
３２２５経路選択部
３２２６センサ部

Claims

無線ネットワークを構成する複数の無線ノードからゲートウェイノードを介して監視ノードにデータを送信する無線制御システムにおいて、
前記各ゲートウェイノードと前記各無線ノードはあらかじめ設定されたグループＩＤをそれぞれ有し、
前記各無線ノードは、自ノードと同じグループＩＤを有する前記ゲートウェイノードに到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信し、
さらに、前記各ゲートウェイノードは、少なくとも自ノードのグループＩＤを含むＧＷ情報通知データを前記各無線ノードに送信し、
前記各無線ノードは、自ノードから前記各ゲートウェイノードに到達するまでの経路情報および自ノードから送信先ノードに到達するまでの通信品質を表す指標である経路コスト情報を有し、自ノードのグループＩＤ、前記ＧＷ情報通知データ、前記経路情報、前記経路コスト情報に基づいて、自ノードと同じグループＩＤを有する前記ゲートウェイノードに到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを前記ゲートウェイノードもしくは他の無線ノードに送信することを特徴とする無線制御システム。
前記各無線ノードは、前記ＧＷ情報通知データに基づき前記各ゲートウェイノードのグループＩＤを記憶し、前記ＧＷ情報通知データを他の無線ノードに転送することを特徴とする
請求項１記載の無線制御システム。
前記各無線ノードは、自ノードと同じグループＩＤを有する前記ゲートウェイノードに到達する経路で通信品質が良好な経路を複数個選択しデータを送信することを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の無線制御システム。
前記各無線ノードは、
自ノードから前記各ゲートウェイノードに到達するまでの第１の経路情報、経路コスト情報、自ノードおよび前記各ゲートウェイノードのグループＩＤを格納する記憶部と、
無線通信を行う無線通信部と、
前記ＧＷ情報通知データを他の無線ノードに転送するとともに前記ＧＷ情報通知データに基づき少なくとも前記各ゲートウェイノードのグループＩＤを前記記憶部に記憶し、前記経路情報、前記経路コスト情報および前記ＧＷ情報通知データに基づいて自ノードと同じグループＩＤを有する前記ゲートウェイノードに到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択し、この経路に基づいて自ノードで得たデータもしくは他の無線ノードから受信したデータを前記ゲートウェイノードもしくはその他の無線ノードに送信する演算制御部とから構成されることを特徴とする
請求項１〜請求項３いずれかに記載の無線制御システム。
前記各ゲートウェイノードは、
前記各ゲートウェイノードを介して前記各無線ノードからデータを収集する監視ノードに到達するまでの第２の経路情報および自ノードのグループＩＤを格納する記憶部と、
無線通信、有線通信の少なくともいずれか一つによるデータ通信を行う通信部と、
前記ＧＷ情報通知データを前記各無線ノードに送信し、前記第２の経路情報に基づいて前記各無線ノードからの前記データを前記監視ノードに転送する演算制御部とから構成されることを特徴とする
請求項１〜請求項４いずれかに記載の無線制御システム。