JP5103324B2

JP5103324B2 - 無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法及びプログラム

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Publication number: JP5103324B2
Application number: JP2008209572A
Authority: JP
Inventors: 充史宮下; 康一星
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-08-18
Also published as: JP2010045701A

Description

本発明は、無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法及びそのプログラムに関する。さらに詳述すると、本発明は、変電所構内などの金属構造物が多く電波の多重反射などの影響により通信できない区間が発生し易い場所で無線センサネットワークを構築する場合や、広い場所に少数のセンサ端末を設置することにより無線センサネットワークを構築する場合に好適な無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法及びそのプログラムに関する。

無線センサネットワークは、無線機能を持ったセンサ端末(以下「ノード」ともいう)を複数設置することで、複数のセンサ端末が相互に通信の中継を行うなどして無線によるネットワークを構築し、各センサ端末で収集したセンサ情報を伝送する機能を持つものであり、医療、福祉、防犯、防災、環境計測などへの応用が期待されている（特許文献１，２）。

特に、近年、電力会社ではコスト低減のためにTBM(Time Based Maintenance)からCBM(Condition Based Maintenance)へ移行しつつあることから、電力機器の状態を継続して計測・記録していくことが重要であり、無線センサネットワークの活用が期待されている。この無線センサネットワークは、センサ端末を狭い範囲に多数設置する場合には、ネットワーク構成をメッシュ状にできるため、通信ルートが途絶えるといったことは起きにくいと考えられている。

無線センサネットワークは無線を使うシステムのため、通信には電波が目的の場所まで到達する必要がある。理論的には送信電力と送信アンテナの利得、受信アンテナの利得と受信機の感度から自由空間伝搬損失のマージンを計算し、通信できる距離を求めることができる。そこで、算出された通信可能な距離から求まる範囲内にセンサ端末を配置することで、複数のセンサ端末が相互に通信の中継を行うことにより無線によるネットワークを構築することができるものと考えられている。

特表２００５−５２６４１６特開２００８−７８９６３

しかしながら、実際には周囲の環境によって通信できる場所、できない場所が決まってくる。このため、例えば変電所構内などの金属構造物が多い場所に無線センサネットワークを構築した場合には、電波の多重反射、遮蔽、外部雑音などの影響により通信できない区間が発生し、全てのセンサデータを安定して収集できないことがある。つまり、変電所などの広い場所に少数設置する場合には、ネットワーク構成をメッシュ状に構成することができず、一つのルートに通信が集中することがある。その結果、そのルートが途絶えるなどした場合には、複数センサ端末のデータが収集できなくなる可能性がある。

この問題を解決するには、センサ端末の位置を調整して各センサ端末間の通信状態が電波の多重反射、遮蔽、外部雑音などの影響を受けないようにして、全てのセンサ端末で通信できない区間を無くすと共に全てのセンサ端末が多ルートを確保するようにする必要がある。しかし、センサ端末の位置調整により全てのセンサ端末で多ルートを確保しようとする場合、図１に示すように、１つのセンサ端末の移動が、他の区間にも影響を与えるため、繰り返しの調整が必要となる。このため、電波の多重反射などの影響が大きい施設や広域な監視対象領域での無線センサネットワークの構築は難しいという問題がある。

そこで、電波伝搬が複雑である環境下での無線センサネットワーク構築のためのセンサ端末位置調整を効率的に支援するような仕組みが求められている。

本発明は、かかる要望に応えるものであって、無線センサネットワーク構築時のセンサ端末配置位置の調整を効率的に支援できる無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法及びそのプログラムを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法は、無線機能を有しかつ通信成功率測定用データの受信数を計数するカウンタ機能と受信電界強度の計測機能とを備えるセンサ端末を予め監視対象領域内に複数設置し、各センサ端末が相互に通信の中継を行うことにより多数のセンサデータを収拾する無線センサネットワークを仮構築した後、前記監視対象領域内に適当に配置した複数の前記センサ端末のうち、特定のセンサ端末以外の前記センサ端末に対して基地局から通信成功率と受信電界強度測定用の信号を受信させる命令を中継データとして一斉に送信させる一方、特定の１つの前記センサ端末に対しては任意数の通信成功率と受信電界強度測定用信号を前記特定センサ端末以外の前記センサ端末に対して中継不能なデータとして直接送信する指示を前記基地局から送信させ、前記特定のセンサ端末以外の前記センサ端末から何個のデータを受信したか受信信号強度と共に中継データとして前記基地局に送信させる一連の処理を、順次前記特定センサ端末を切替えながら通信可能な全てのセンサ端末に対して実行させて、通信可能なセンサ端末と、各センサ端末間の通信成功率と受信電界強度とを収集し、画像表示装置に各センサ端末間相互の通信成功率と受信電界強度とをマトリックス表示させ、かつ前記各センサ端末と各センサ端末間の通信成功率が閾値を超えるときに前記センサ端末間を結ぶルートを画像表示装置に表示させる処理を行い、前記画像表示情報から判明した複数ルートが確立されていない前記端末センサの位置調整あるいは端末センサの追加を行い、全ての前記センサ端末間に複数のルートを確保するようにしている。

また、本発明の無線センサネットワークのセンサ端末配置支援プログラムは、無線機能を有しかつ通信成功率測定用データの受信数を計数するカウンタ機能と受信電界強度の計測機能とを備えるセンサ端末を予め監視対象領域内に複数設置し、各センサ端末が相互に通信の中継を行うことにより多数のセンサデータを収拾するように仮構築された無線センサネットワークを対象とし、前記監視対象領域内に適当に配置した複数の前記センサ端末のうち、特定のセンサ端末以外の前記センサ端末に対して基地局から通信成功率と受信電界強度測定用の信号を受信させる命令を中継データとして一斉に送信させる処理と、特定の１つの前記センサ端末に対しては任意数の通信成功率と受信電界強度測定用信号を前記特定センサ端末以外の前記センサ端末に対して中継不能なデータとして直接送信する指示を前記基地局から送信させる処理と、前記特定のセンサ端末以外の前記センサ端末から前記カウンタ機能により計数された受信データ数と前記受信電界強度計測機能により計測された受信信号強度とを共に中継データとして前記基地局に送信させる処理とを、順次前記特定センサ端末を切替えながら通信可能な全てのセンサ端末に対して実行させる処理と、前記特定センサ端末以外の全ての前記センサ端末からの送信データから通信可能なセンサ端末と、各センサ端末間の通信成功率と受信電界強度とを収集し、画像表示装置に各センサ端末間相互の通信成功率と受信電界強度とをマトリックス表示させ、かつ前記各センサ端末と各センサ端末間の通信成功率が閾値を超えるときに前記センサ端末間を結ぶルートを画像表示装置に表示させる処理とをコンピュータに実行させるようにしている。

したがって、本発明によると、各センサ端末間の受信電界強度や通信成功率からセンサ端末間の接続状態を逐次把握することにより、各センサ端末の位置調整や中継センサ端末の追加の要否判断を支援することができる。

本発明によれば、無線センサネットワーク構築時におけるセンサ端末の適切な配置が手間を掛けずに容易に実現することができる。つまり、新たに無線センサネットワークを構築する際に、本ツールを使うことにより、ネットワークの弱点などが分かるため、電波環境からみたセンサ端末の適切な配置が可能となる。

また、ネットワーク全体の把握が容易である。例えば、公知のセンサ端末例えばMICAz（米国クロスボー社製無線機能搭載のセンサ端末）にインストールされているソフトウェアなどでは、データが流れているルートしか表示できないため、他のセンサ端末との繋がりについては知ることができないが、本発明によると、今まで分かりにくかった無線センサネットワーク全体のネットワーク構成を簡単に知ることができる。

また、本発明の無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法及びプログラムは、無線ネットワークを構築する初期段階のみでなく、天候が変化したときや季節が移り変わったときなどに、定期的にどの程度受信電界が変動するのかを調べることにより、天候による電波環境の変化を知ることができる。

さらに、本発明の無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法及びプログラムは、無線センサネットワークを構築して運用を始めた後で、データが収集できないなどの障害が発生した場合、電波環境に原因があるのか否かを調べることができる。特に、同一周波数を使った他のシステムとの干渉の場合、干渉を受けているセンサ端末ほど通信成功率が低下するので、干渉源のおおまかな場所を特定することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

図２及び図３に本発明の無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法及びプログラムの実施の一形態を示す。この実施形態は、変電所構内などの金属構造物が多い場所に無線センサネットワークを構築する場合を例に挙げたものである。尚、無線センサネットワークとは、無線通信機能を備えた多数のセンサ端末により各センサ端末同士が相互に通信の中継を行うことにより多数のセンサデータを収拾するように構成されるネットワークであり、センサ端末とは、センサ端末相互間でマルチホップ通信により自律的にデータ伝送を行うものである。また、センサネットワークとは、ユビキタスネットワークを実現するための技術の一つであって、通信機能を有するセンサ端末を用いて形成されるネットワークをいい、マルチホップ通信とは、アクセスポイントの介在なしに相互に接続する通信をいう。

ここで、本実施形態において用いられるセンサ端末２は、本来有する所望のセンサ機能や無線信号の送受信機能の他に、通信成功率測定用パケットの受信数を計数するカウンタ機能と受信電界強度の計測機能とを備えるものである。例えば、図６に示すように、センサ端末２は、データの送受信を行うデータ通信部３、当該センサ端末２に所定のセンシングをセンサ５に実行させる制御部４、通信成功率測定用データの受信データ（パケット）数を計数するカウンタ部６、受信電界強度を計測する受信電界強度計測部７並びにカウンタ部６及び受信電界強度計測部７で検出した受信データ数及び受信電界強度測定値を基地局１からの送信指令に対応して送信するまで格納する記憶部８、電源部９などから構成される。尚、電源部９は、乾電池や太陽電池等の自立駆動を可能とする電源であり、センサ端末２のデータ通信部３、制御部４、センサ５、カウンタ部６、受信電界強度計測部７、記憶部８に対して電源を供給するものである。また、記憶部８には、センサ端末２の制御プログラムを予め記憶させておくものとする。

本実施形態におけるセンサ端末２としては、無線センサネットワークに良く使用されているWPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)向けのプロトコルIEEE802.15.4(2.4GHz帯)が採用されたもの、例えば米国クロスボー社のMICAz（商品名）の使用が好ましい。無線センサネットワーク用センサ端末として現在市販されているものは、例えばMICAzには無線用チップとして米国TEXASINSTRUMENTS社(旧Chipcon社)のCC2420が搭載されている。このチップは、IEEE802.15.4の2.4GHz用に開発されたものであり、パケットを受信した際に受信電界強度を計測する機能を持っている。したがって、受信電界強度の計測は、通信成功率を計測する際に受信電界強度の値を保存しておき、通信成功率の結果を基地局１から要求された際に、平均受信電界強度を計算して通信成功率と一緒に基地局へ伝送することができる。また、計測用PCとしては、OSにwindowsXP（登録商標）を搭載したパソコンを使用した。センサ端末配置支援ツールは、MICAzのプログラムと、計測用PCのプログラムからできており、組み合わせて使用する。

上述のセンサ端末２を用いて無線センサネットワークを構築するには、まず、図２のフローチャートに基づき、予めセンサ端末を監視対象領域内に電波の届く範囲で適当な間隔をもって複数設置する（ステップＳ１０１）。これにより、無線センサネットワークが仮に構築される。

次いで、センサ端末を仮設置した後の現在のネットワークの接続状況を調べる。特に全てのセンサ端末が多ルートを確保できているか、確認する必要がある。もし確保できていない場合には、センサ端末の位置調整や追加を行う必要がある。そこで、ネットワークの接続状況を確認するために、監視対象基地局からの指示に従い、全センサ端末間の受信電界強度、通信成功率を計測し、各センサ端末が持っているデータ中継・収集機能を用いてその計測データを収集する。そして、各センサ端末間の計測データをマトリックスに表示すると共に、各センサ端末間の接続状態を示したネットワーク構成図を作成して表示する（ステップＳ１０２）。これにより、ユーザはネットワークの接続状況を把握しやすくなる。

ここで、センサ端末２の位置調整を行う際、図１に示すように、一つのセンサ端末２を動かすと、他のセンサ端末２との接続状態も変化してしまうため、繰り返し調整が必要となる。そこで、センサ端末２の位置調整や追加を行った後は、もう一度ネットワークの接続状態を調べ、接続状況が改善したか確認する必要がある。センサ端末２の位置調整や追加により、通信状態に改善がみられると、例えば図７に示すように新たなルートが表示されたり、通信成功率を示すマトリックスの表示が８０％未満の状態から８０％以上の状態に切り替わることにより、視覚的に瞬時に理解できる。このセンサ端末２の位置調整やセンサ端末２の追加と、ネットワークの接続状況の確認を繰り返し行い、全てのセンサ端末２が多ルートを確保できるようにすることが、安定した無線センサネットワークを構築するためには必要である。

そこで、前述のマトリックス並びに各センサ端末間の接続状態を示したネットワーク構成図から不適切なセンサ端末・リンクは存在するか否かを判断する（ステップＳ１０３）。不適切なセンサ端末・リンクがある場合にはセンサ端末の位置変更あるいは追加を行う（ステップＳ１０４）。その後、再度ステップＳ１０２の全センサ端末間の受信電界強度、通信成功率を計測し、各センサ端末が持っているデータ中継・収集機能を用いてその計測データを収集するステップを実行する。これを不適切なセンサ端末・リンクが存在しなくなるまで繰り返す。

不適切なセンサ端末・リンクが存在しなくなったときにセンサ端末間に複数のルートを確保する無線センサネットワークが構築されたと判断して終了する（ステップＳ１０５）。

ここで、ステップＳ１０２のセンサ端末配置支援方法は、具体的には例えば図３のシーケンスフローチャートに示す処理の一例に基づいて行われる。

まず、予め監視対象領域内に適当に配置した複数のセンサ端末２のうち、特定のセンサ端末以外のセンサ端末に対して基地局１から通信成功率並びに受信電界強度測定用データを受信させる命令を中継可能なデータとして一斉に送信させる。具体的には、特定のセンサ端末以外の全てのセンサ端末に受信カウンタリセット命令を出す（ステップＳ１０２_−１）。そして、受信カウンタリセット了解の返信をさせる（ステップＳ１０２_−２）。

因みに、本実施形態では通信の信頼度を上げるために、基地局１からの命令に対して各センサ端末２は必ず基地局１へ応答する方式を採っている。また、基地局１から各センサ端末２に命令を送っても１秒以上応答が返ってこない場合には、パケットが届かなかったとみなし、再度命令を送信するようにしている。３回目の送信でも応答が無かった場合には、そのセンサ端末とは通信ができないと判断し、エラーを表示するようにしている。これにより、特定センサ端末以外の全てのセンサ端末２のカウンタ６がリセットされると共に、応答が無かったセンタ端末は通信不良として基地局１のメモリに記憶される。

次に、特定の１つのセンサ端末（図３では送信側のセンサ端末Ｂ）２に対しては任意数の通信成功率と受信電界強度測定用信号を特定センサ端末以外のセンサ端末（図３ではセンサ端末Ａ）２に対して中継不能なデータとして直接送信する指示を基地局から送信させる。具体的には、送信側のセンサ端末Ｂに通信成功率計測のためのパケット送信命令を送る（ステップＳ１０２_−３）。センサ端末Ｂは基地局１からの通信成功率計測のためのパケット送信命令を受信すると、基地局１へパケット送信了解の応答をする（ステップＳ１０２_−４）。そして、センサ端末Ｂが例えば１００個の通信成功率計測用のパケットを送信する（ステップＳ１０２_−５）。その後、センサ端末Ｂは基地局１へ通信成功率測定用パケット送信完了を報告する（ステップＳ１０２_−６）。尚、通信成功率を計測するためのパケットサイズは38byteで、温度・明るさ・音の大きさ・振動を計測することを想定した大きさである。これを20ms間隔で送信している。

その後、特定のセンサ端末（図３では送信側のセンサ端末Ｂ）２以外のセンサ端末（図３ではセンサ端末Ａ）２から何個のデータを受信したか受信信号強度と共に中継データとして基地局１に送信させる。具体的には、特定のセンサ端末（センサ端末Ｂ）からの通信成功率並びに受信電界強度測定用パケット送信完了通知を基地局が受信すると（ステップＳ１０２_−６）、特定のセンサ端末以外のセンサ端末（センサ端末Ａ）に対して、基地局１から結果要求命令が出され（ステップＳ１０２_−７）、特定のセンサ端末以外の各センサ端末から受信カウンタ値、平均受信電界強度が送信される（ステップＳ１０２_−８）。各センサ端末２間での通信成功率の計測は、図４（ａ）に示すように個別に各センサ端末間で行っていけば、ネットワーク全体の通信成功率を計測することができるが、センサ端末の数が増えてくると計測に時間がかかるようになってくる。そこで、各センサ端末が通信成功率計測用のパケットを送信する回数を１回で済ませられるよう手順を図４(b)のようにした。

上述の一連の処理を、順次特定センサ端末２を切替えながら通信可能な全てのセンサ端末２に対してコンピュータ・制御部４に実行させて、通信可能なセンサ端末と、各センサ端末間の通信成功率と受信電界強度とを収集する。ここで、通信成功率や受信電界強度を計測するため、基地局と各センサ端末間で計測命令や結果データを伝送する際の通信のルーチングプロトコルとしては、フラッディングを用いた。これは、パケットを受信したセンサ端末は一度だけ中継し、同じパケットをもう一度受信しても２度目は中継をしないというルールでパケットを中継していくものである。図５に計測データ収集イメージを示す。

そして、全てのセンサ端末間の通信成功率が分かると、各センサ端末の通信可能なセンサ端末が判明するため、どのようなネットワーク構成になっているのかをマトリックス表示１１並びにルート表示（ネットワーク構成図）１２で示すことができる。ネットワーク構成図を基に単ルート構成や片方向通信といった無線センサネットワークにおいて信頼性に欠けるネットワーク部分を見つけることが可能である。尚、単ルート構成とは、各センサ端末から基地局までの経路の途中に、他のルートで代替できないルート(以下「単ルート」という)が含まれている場合である。その単ルートが途絶すると、そのルートを使用する他のセンサ端末の通信まで途絶してしまうことから、単ルートの部分が無い様にネットワークを構築する必要がある。また、片方向通信とは、センサ端末間において、一方向の通信成功率が良く、反対方向の通信成功率が悪い場合をいう。基地局からセンサ端末に対しての命令は届くが、センサ端末から基地局への応答は届かないといった現象となる。他に正常なルートが多数存在する場合には問題とならない場合もあるが、できるだけ片方向通信は無い方が望ましい。

本実施形態においては、センサ端末間相互の通信成功率と受信電界強度の状況をマトリックスによる表示（以下、マトリックス表示と呼ぶ）１１とネットワーク構成のルートによる表示（以下、ルート表示と呼ぶ）１２の双方を同時に実施するにより支援効果を高めている。つまり、マトリックス表示１１では、あるノードに対して接続の可能性のある全てのノードを整理して表示されるので、送信側（行）・受信側（列）の各々の観点から、どこのリンク（接続）が弱そうか把握し易い。厳密には、１つの送信ノードが送信して複数の受信ノードが計測するので、列毎に同時測定されたものが並ぶが、逆に、行毎に見れば、１つの受信ノードが、複数の送信ノードに対してどんな接続状況か分かる。また、干渉雑音の影響がある場合、受信電界が高くても通信成功率が低くなることからも分かるが、通信成功率のマトリックスが非対称（受信側のみ）になることからも、分かり易い。また、１ルートしか確保できていないリンクのノード（対向の２つ）のうち、どちらのノードをどっちへ動かすと良さそうかという「予想」を行うには、マトリックス表示１１だけからは判断しづらい。つまり、当該ノードを動かすと、そのノードの他のリンクに影響するので、他のノードの２ルートを維持できそうか否かを予想する必要がある。更に影響を受けた場合にその先のノードも調整できそうか否かを予想する必要がある。つまり、２手先から数手先まで先読みして調整することが望ましい。その場合には、ルート表示（ネットワーク構成図）１２があった方が、全体構成への影響や数手先の先読みが容易である。しかしながら、場合によってはマトリックス表示１１とルート表示１２のいずれかのみを行うことによってもセンサ端末の配置位置の調整を支援することができる。

ここで、画像表示装置に表わされるマトリックス表示１１とルート表示１２とは、各センサ端末と各センサ端末間の通信成功率が閾値毎に色表示されあるいは閾値を超えるときにセンサ端末間を結ぶルートを表示させる処理をコンピュータに実行させることで行う。そして、この画像表示情報から判明した複数ルートが確立されていない端末センサの位置調整あるいは端末センサの追加を行い、全てのセンサ端末間に複数のルートを確保することを可能とする。

具体的には、ネットワーク構成図作成については、取得した全てのセンサ端末間の通信成功率データを基に基地局側コンピュータで作成し、画像表示装置に表示するようにしている。例えば、図８にセンサ端末配置支援ツールの計測結果画面の一例を示す。画面は上部と下部に分かれており、上部画面には各センサ端末間の通信成功率および平均受信電界強度をマトリックス表示１１によって示している。数値の背景色については、例えば得られた通信成功率を基に閾値毎に色分けし、通信成功率８０％以上で緑色、５０％以上８０％未満で黄色、５０％未満で赤色とするようにしている。下部画面には、ネットワーク構成を図示化したもの、即ち通信ルートが確立されているか否かを線の有無で可視化するルート表示１２によって示されている。図中、四角に番号の入ったものがセンサ端末２である。ここで、センサ端末２の色については、通信ルートが２ルート以上確保できているか否かを分かるようにするものであり、二つ以上のセンサ端末２と通信成功率８０％以上でつながっている場合には水色、それ以外の場合は赤色（添付の図中では便宜上、水色は比較的薄く細線の枠で、赤色は比較的濃く太線の枠で表示する）となっている。また、センサ端末２の間をつないでいる線については、通信の安定度を表しており、通信成功率が相互に８０％以上の場合は緑色、片方向のみ８０％以上の場合は黄色（添付の図１５中では便宜上、緑色は比較的濃く、黄色は比較的薄く表示する）、それ以下であった場合は線を引いていない。尚、画面上のセンサ端末２の位置はマウスでドラッグすることにより動かすことができ、ユーザは自分が配置したセンサ端末の物理的配置と同じように画面上でセンサ端末を配置することができる。

ユーザは、画像表示情報から判明した複数ルートが確立されていない端末センサ２の位置調整あるいは端末センサ２の追加を行うことにより、全てのセンサ端末間に複数のルートを確保することができる。ここで、現在の無線センサネットワークにおいて測定された通信成功率と受信電界強度の値並びにその可視化画像が示す情報は、金属構造物による影響と外部雑音による干渉の有無を判定するものとして以下のとおり有用である。

(１）金属構造物による影響
一般に電波は金属によって反射する。このため、送信点と受信点の間に金属がある場合には遮蔽されて通信ができなくなると言われる。しかし実際には、周囲からの反射や回り込みによって通信ができる場合もある。特に形状が複雑な金属の場合、電波は様々な方向に反射することになる。変電所構内の金属構造物には様々な形状のものがあり、様々な方向に反射する。しかも、送信点から送信された電波は、直接受信点に届くものや反射してから届くものなどがあり、経路の違いなどからそれらの強度や位相は異なっている。受信点ではそれらが合成されて受信されるため、受信電界強度が強くなる場合と弱くなる場合がある。このように伝搬経路の異なる電波が受信点に届く現象をマルチパスという。この現象が発生している場合、受信点を移動させると、届く電波の強度や位相が変化することから、受信電界強度が大きく変動する。また、電波が打ち消し合ってまったく受信できないヌルポイントと呼ばれる場所が発生することもある。
変電所構内は金属構造物が多く、マルチパスが発生しやすい環境である。そのため、周囲のセンサ端末からの電波が弱い場所にセンサ端末を設置してしまう場合がある。しかしこれは、センサ端末の位置を多少動かすことにより解決できることが多い。どのセンサ端末が受信電界の弱い所に取付けられているかは、センサ端末間の受信電界強度を計測することにより、知ることができる。

(２)天候による影響
さらに、無線センサネットワークは天候による影響を受けることがあり、一般に10GHz以上の電波では降雨減衰が顕著になるといわれている。これは伝搬路上の雨滴による減衰である。IEEE802.15.4で使用する2.4GHz帯などは降雨減衰がほぼ無いに等しいといわれているが、実際には降雨時に通信が途絶えることがある。しかし、これは伝搬路上の雨滴などによる減衰ではなく、アンテナやセンサ端末を収容したケースなどに雨滴がつくことによって水膜ができ、それが電波の反射や遮蔽、吸収を起こすことが原因と考えられる。また、通常は電波を通過させるような材質の物でも、降雨により表面に水膜ができることによって電波を反射する面が構成されることも考えられる。降雨によってできた水溜りや、降雪による積雪なども同様である。天候が変化することによって電波の反射具合が変化するため、マルチパスによる影響が出てくることが考えられる。そこで、これら天候の影響への対策としては、ある程度の期間、受信電界強度を継続して計測し、降雨時などにどの程度受信電界強度が変化するのかを把握するとともに、その変化量を受信マージンとして確保できるようにセンサ端末の位置調整をすることが好ましい。

(３)外部雑音による干渉
同一周波数を使うシステムが近くにある場合、それらからの電波が無線センサネットワークの電波に干渉し、通信エラーを発生させる可能性がある。通信エラーがどの程度発生するかを知る方法として、通信成功率を計測するという方法がある。この通信成功率を計測すれば、外部雑音による影響を計測できると考えられる。
通信成功率とは、送信センサ端末から送信したデータが受信センサ端末でいくつ正常に受信できたかを示すものであり、ここでは次により定義する。
通信成功率=(受信したデータ数/受信すべきデータ数)×100[%]
通信成功率は、センサ端末Ａとセンサ端末Ｂがある場合、相互に送信と受信の計測を行う必要がある。
1センサ端末Ａから送信してセンサ端末Ｂで受信
2センサ端末Ｂから送信してセンサ端末Ａで受信
これは、センサ端末Ａ，Ｂ，Ｃがこの順番で１つの直線上に配置されている場合、センサ端末Ｂだけがセンサ端末Ｃからの妨害を受けている場合、Ａ→ＢとＢ→Ａでは通信成功率に違いがでてくるためである。

以上の手順・プログラムに従って各センサ端末間相互の通信成功率と受信電界強度とを測定し、取得した全てのセンサ端末間の通信成功率データを基に基地局側コンピュータでネットワーク構成図を作成するようにしているので、単ルートの区間に対し、センサ端末を少し動かすことで２ルートが確保できるようになること(図７参照)や、受信電界強度が高くても通信成功率が低いセンサ端末は、外部雑音を受けていることなどが、容易に把握できるようになった。したがって、マトリックス並びに各センサ端末間の接続状態を示したネットワーク構成図から不適切なセンサ端末・リンクは存在するか否かを判断して、不適切なセンサ端末・リンクがある場合にはセンサ端末の位置変更あるいは追加を適宜行いながら、再度各センサ端末が有しているデータ中継・収集機能を用いて全センサ端末間の受信電界強度、通信成功率の計測とその計測データの収集を不適切なセンサ端末・リンクが存在しなくなるまで繰り返すことにより、全てのセンサ端末間に複数のルートを確保することができる。

本発明の無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法及びプログラムの評価を次のようにして行った。

（１）センサ端末を机の上に並べた場合
図９に示すように机の上にセンサ端末２であるMICAzを並べて通信成功率他の計測を行ったところ、図１０のような結果となった。すべてのセンサ端末間で通信成功率が１００％であり、メッシュ状のネットワークが構成できていることが分かる。このようなネットワークの場合、一つのセンサ端末が故障しても他のセンサ端末のデータ収集に影響が出る恐れは無く、障害に強いネットワークといえる。

（２）部屋に２センサ端末ずつ配置した場合
図１１は壁１０を隔てて三つ並んだ部屋にそれぞれセンサ端末２を二つずつ設置して計測した場合の計測結果である。画像表示装置の下段の図で分かるように、図上でセンサ端末を表す記号□３で示されるセンサ端末２を中央にして、記号□１，２で示されるセンサ端末２のネットワークと記号□４，５，６で示されるセンサ端末２のネットワークが分かれている。このようなネットワーク構成の場合、記号□３で示されるセンサ端末が故障などで停止した場合には、記号□１，２で示されるセンサ端末のネットワークと記号□４，５，６センサ端末のネットワークが繋がらなくなってしまい、データの収集が困難になってしまう恐れがある。よってこのようなネットワークの場合は、センサ端末の設置位置を調整するなどして、もっと冗長性を持ったネットワークを再構築する必要がある。

（３）センサ端末設置時の配置支援
無線センサネットワークを構築することを想定し、実際にセンサ端末２を配置して、本発明の無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法及びプログラムを使用することにより、安定したネットワークを構築することが可能であるか実験した。
壁１０を隔てて三つ並んだ部屋にそれぞれ二つのセンサ端末２を設置して計測した時の計測結果が、図１２である。記号□１，２で示されるセンサ端末の間が単ルートとなっており、このルートが通信できなくなった場合には、記号□１で示されるセンサ端末が通信できずに孤立する可能性がある。そこで、記号□１で示されるセンサ端末を１０ｃｍほど移動させ、再度計測を行った。結果は図１３に示すとおりである。
記号□１で示されるセンサ端末の位置を動かすことにより、記号□２で示されるセンサ端末の他に記号□３で示されるセンサ端末とも通信ができるようになり、２ルートが確保できた。このことから、本発明の無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法及びプログラムを使うことによって安定したネットワークを構築することが可能であることが分かった。

（４）同一周波数帯を使ったシステムからの影響
将来、変電所構内に無線センサネットワーク(IEEE802.15.4)が導入された場合、近くで使用される可能性がある無線LAN(IEEE802.11g)とICタグシステム(2.4GHz帯)について、どのような影響が発生するかを計測した。

（Ａ）無線LAN(lEEE802.11g)の無線センサネットワークへの影響については、図示していないが、使用周波数が重なる場合と、重ならない場合とで無線センサネットワークの通信成功率がどのように変化するかを計測した結果、使用周波数が重なっている時だけに通信成功率に影響が出ており、距離が１０ｍ程度までは通信成功率の大きな低下が見られた。また、無線LANのトラヒックが無い状態ではどのチャネルでも通信成功率は100%であり、影響は見られなかった。これは、トラヒックが無い場合、ほとんど電波の送信が行われていないためであると思われる。

（Ｂ）応用実験
図１４に示すように二つの部屋の間に４台のセンサ端末を直線に1ｍ間隔で配置し、図上右端のセンサ端末に近い場所にノートPC２台を並べて無線LANのトラヒックを発生させた際の計測結果が図１５である。受信センサ端末別に見ていくと、無線LAN機器に近いセンサ端末1が大きい影響を受けていることが分かる。また、センサ端末1の受信だけをみると、センサ端末間の距離が大きくなるにつれて通信成功率が低下していることが分かる。このことから、センサ端末が無線LAN機器の近くにある場合には受信に影響を受けやすく、受信電界強度が弱い端末との間の通信成功率が低下することが分かった。
無線LANのトラヒックを無くして計測したのが図１６である。通信成功率は95%以上確保できていることが分かる。
無線LANのトラヒックがある場合と無い場合で、受信電界強度を比較してみると、通信成功率が下がっている部分でも受信電界強度はほとんど変化がないことが分かる。このことから、無線LANの電波による影響は、通信成功率に影響し、受信電界強度には影響しないことが分かった。

（Ｃ）無線lCタグシステム(2.4GHz帯)の無線センサネットワークへの影響
無線lCタグシステム(2.4GHz帯)について検討した結果、使用周波数が重なる場合と、重ならない場合で大差はなく通信成功率ほとんど変わらなかった。無線ICタグリーダライタをセンサ端末に向けて使用している場合には、数パーセントの通信成功率低下が認められる程度であった。また、無線lCタグリーダからの距離が離れるとともに通信成功率は良くなっている。このことから、通信成功率に与える影響が無線LANに比べて小さくなっていると考えられる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本発明によると、基地局からの計測命令の届きにくいセンサ端末が存在する場合において、基地局から特定のセンサ端末に対しての命令が、必ず通信成功率の悪いルートを通らないと伝わらない場合、その特定のセンサ端末に関する通信成功率が計測できず、エラーになる場合がある。これは通信成功率の計測にも同じ電波を使用しているからであり、通信成功率を計測するための命令なども届きにくいからである。そこで、このようなケースにおける対策としては、仮に中継センサ端末を設置し計測のための命令が届くようにすることである。

また、本実施形態においては、センサ端末間の通信成功率から色分けしたネットワーク構成図を描くようにしているが、場合によっては受信電界強度の表示においても色分けや図示などで視認し易くすることが好ましい。

さらに、本実施形態の表示画像からは、どのセンサ端末が２ルート以上確保できていないかを視覚的に知ることができるが、実際に２ルート以上確保できていないことを解決するためにどのセンサ端末をどの程度（どちらの方向にどの位移動させるのか）位置調整すべきかまでは判断していない。そこで、受信電界のマージンなどから判断して、どのセンサ端末をどちらの方向にどの位移動させるのかを指示するようにしても良い。

通信状態の劣化要因例を示す説明図である。無線センサネットワーク構築手順の一例を示すフローチャートである。通信成功率計測の流れを示すシーケンスフローチャートの一例である。通信成功率計測時間の短縮方法を示す説明図である。計測データ収集イメージ図である。センサ端末の一例を示す機能ブロック図である。ノード位置調整による改善の例を示す説明図である。画面表示装置に表示された計測結果図面の一例とその働きを示す説明図である。本発明の無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法及びプログラムの評価試験を行うためのセンサ端末の配置例の１つを示す図で、センサ端末を机の上に並べた場合を示す。机の上のネットワーク計測結果を示す画像表示装置上での表示画像の図である。３部屋に２センサ端末ずつ配置した場合のネットワーク計測結果を示す画像表示装置上での表示画像の図である。単ルート構成があるネットワークの例を示す画像表示装置上での表示画像の図である。センサ端末の位置調整後のネットワークの状態を示す画像表示装置上での表示画像の図である。他のセンサ端末の配置例による実験を示すもので、壁を境に左右に２つずつのセンサ端末を配置した状態を示す説明図である。無線ＬＡＮのトラヒックがある場合のネットワークの例を示す画像表示装置上での表示画像の図である。無線ＬＡＮのトラヒックが無い場合のネットワークの例を示す画像表示装置上での表示画像の図である。

符号の説明

１基地局
２センサ端末
３データ通信部
４制御部
５センサ部
６通信成功率測定用データの受信データ（パケット）数を計数するカウンタ部
７受信電界強度を計測する受信電界強度計測部
８検出した受信データ数及び受信電界強度測定値を格納する記憶部
９電源部
１１各センサ端末間相互の通信成功率と受信電界強度とのマトリックス表示
１２各センサ端末間の接続状態を示したルート表示（ネットワーク構成図）

Claims

無線機能を有しかつ通信成功率測定用データの受信数を計数するカウンタ機能と受信電界強度の計測機能とを備えるセンサ端末を予め監視対象領域内に複数設置し、各センサ端末が相互に通信の中継を行うことにより多数のセンサデータを収拾する無線センサネットワークを仮構築した後、前記監視対象領域内に適当に配置した複数の前記センサ端末のうち、特定のセンサ端末以外の前記センサ端末に対して基地局から通信成功率と受信電界強度測定用の信号を受信させる命令を中継データとして一斉に送信させる一方、特定の１つの前記センサ端末に対しては任意数の通信成功率と受信電界強度測定用信号を前記特定センサ端末以外の前記センサ端末に対して中継不能なデータとして直接送信する指示を前記基地局から送信させ、前記特定のセンサ端末以外の前記センサ端末から何個のデータを受信したか受信信号強度と共に中継データとして前記基地局に送信させる一連の処理を、順次前記特定センサ端末を切替えながら通信可能な全てのセンサ端末に対して実行させて、通信可能なセンサ端末と、各センサ端末間の通信成功率と受信電界強度とを収集し、画像表示装置に各センサ端末間相互の通信成功率と受信電界強度とをマトリックス表示させ、かつ前記各センサ端末と各センサ端末間の通信成功率が閾値を超えるときに前記センサ端末間を結ぶルートを画像表示装置に表示させる処理を行い、前記画像表示情報から判明した複数ルートが確立されていない前記端末センサの位置調整あるいは端末センサの追加を行い、全ての前記センサ端末間に複数のルートを確保することを特徴とする無線センサネットワークのセンサ端末配置支援方法。
無線機能を有しかつ通信成功率測定用データの受信数を計数するカウンタ機能と受信電界強度の計測機能とを備えるセンサ端末を予め監視対象領域内に複数設置し、各センサ端末が相互に通信の中継を行うことにより多数のセンサデータを収拾するように仮構築された無線センサネットワークを対象とし、前記監視対象領域内に適当に配置した複数の前記センサ端末のうち、特定のセンサ端末以外の前記センサ端末に対して基地局から通信成功率と受信電界強度測定用の信号を受信させる命令を中継データとして一斉に送信させる処理と、特定の１つの前記センサ端末に対しては任意数の通信成功率と受信電界強度測定用信号を前記特定センサ端末以外の前記センサ端末に対して中継不能なデータとして直接送信する指示を前記基地局から送信させる処理と、前記特定のセンサ端末以外の前記センサ端末から前記カウンタ機能により計数された受信データ数と前記受信電界強度計測機能により計測された受信信号強度とを共に中継データとして前記基地局に送信させる処理とを、順次前記特定センサ端末を切替えながら通信可能な全てのセンサ端末に対して実行させる処理と、前記特定センサ端末以外の全ての前記センサ端末からの送信データから通信可能なセンサ端末と、各センサ端末間の通信成功率と受信電界強度とを収集し、画像表示装置に各センサ端末間相互の通信成功率と受信電界強度とをマトリックス表示させ、かつ前記各センサ端末と各センサ端末間の通信成功率が閾値を超えるときに前記センサ端末間を結ぶルートを画像表示装置に表示させる処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする無線センサネットワークのセンサ端末配置支援プログラム。