JP5312205B2 - 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し転送するルータと、ルータからのデータを受信する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、前記のような小型で無線通信を行うノードと、ノードの情報を中継して転送するデバイス（以下、ルータと呼ぶ）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３種のデバイスが必要である。

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空調管理に利用しようとすると、以下のような課題が発生する。

ビルの空調を管理する場合に温度センサや湿度センサが必要になる。これらのセンサをノードに装着して、温度や湿度の測定データを、ルータを経由してベースに送る。ベースはそれらのデータをサーバに蓄積して、ホストのＣＰＵで分析することにより、空調器にベストなコントロールをするように制御データを送る。これが一般に考えられている、省エネを目指したビルの空調管理技術でありすでに実用化されている。

この時、問題になるのがノード及びルータの設置位置である。ノードは各部屋の温湿度を測定するためにほぼ決められた場所に設置しなくてはならない。しかし、ビル内の金属扉や、コンクリートの壁に阻まれて、そのデータがルータ経由でベースに届くかは、実際にルータを各所に設置してみて、ベースにデータが届くような位置を見つけ出す必要がある。この場合、複数のノードのデータを一つのルータで経由しようとすると、複数のノードすべてに対してデータを経由できるルータの位置を探し出すには大変な時間がかかり、一方、中継するルータの数を増やすと、複数のノードに対して中継するルータの位置を容易に探し出すことが可能となるが、ルータの自身のコストとルータのメンテナンスのコストが増加する。したがって、設置するルータの数と位置を最適化することがセンサネットワークシステムの設定の最大の課題である。そこで、本発明は、前記課題を鑑みてなされたものであり、中継するルータを多く必要とする大規模なセンサネットワークにおいても、迅速にノードとルータとベースの接続状況を分析することができるセンサネットワークシステムを提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明の第１の態様は、センサの感知データを送信するノードと、前記ノードから前記センサの感知データを中継するルータと、前記ルータから前記センサの感知データを受信するベースとから構成される無線センサネットワークシステムにおいて、前記ベースが受信する前記感知データのデータフレームは、前記感知データを受信したルータ及びベースの情報である感知データの経路情報を含むことを特徴としている。

本発明に係るセンサネットワークによれば、ノードから送信される感知データの経路情報を利用することにより、迅速にノードとルータとベースの接続状況を分析することができる。

本発明の第２の態様は、前記感知データの経路情報は、前記感知データを受信したルータもしくはベースのＲＳＳＩ値および／またはＩＤを含むことを特徴としている。

本発明に係るセンサネットワークによれば、ノードから送信される感知データの経路情報としてＲＳＳＩ値および／またはＩＤ値を利用することにより、迅速にノードとルータとベースの接続状況を分析することができる。

本発明の第３の態様は、前記感知データの経路情報は、前記感知データを送信したノードのＩＤを含み、前記感知データは、前記感知データのデータフレームに記憶できるＲＳＳＩ値および／またはＩＤの数をＲＳＳＩ値保持数および／またはＩＤ保持数として設定されるとともに、前記ＲＳＳＩ値保持数および／または前記ＩＤ保持数に到達した後に前記感知データを受信するルータもしくはベースは、それぞれ自身のＲＳＳＩ値および／またはＩＤの書き込みを中止することを特徴としている。

本発明に係るセンサネットワークによれば、ノードから送信される感知データの経路情報のＲＳＳＩ値および／またはＩＤを少なくすることにより、迅速にノードとルータとベースの接続状況を分析することができる。

本発明の第４の態様は、センサの感知データを送信するノードと、前記ノードから前記感知データを中継するルータと、前記ルータから前記感知データを受信するベースとから構成される無線センサネットワークシステムにおいて、前記ベースが受信する前記感知データのデータフレームは、前記ノードから前記ベースまで転送される前記感知データの一部の経路情報が含み、前記ノードが送信する感知データとは関係なく、前記ルータは、該ルータ自身の経路情報を含む定期信号として送信することを特徴としている。

本発明に係るセンサネットワークによれば、ノードから送信される感知データ及びルータから送信される定期信号の経路情報を組み合わせて利用することにより、特に迅速にノードとルータとベースの接続状況を分析することができる。

本発明の第５の態様は、前記センサネットワークシステムにおいて、前記感知データまたは前記定期信号の経路情報は、前記感知データまたは前記定期信号を受信した前記ルータもしくは前記ベースのＲＳＳＩ値および／またはＩＤであることを特徴としている。

本発明に係るセンサネットワークによれば、ノードから送信される感知データ及びルータから送信される定期信号の経路情報としてＲＳＳＩ値および／またはＩＤ値を利用することにより、特に迅速にノードとルータとベースの接続状況を分析することができる。

本発明の第６の態様は、前記センサネットワークシステムにおいて、前記感知データまたは前記定期信号の経路情報は、前記感知データまたは前記定期信号のデータフレームに記憶できるＲＳＳＩ値もしくはＩＤの数をＲＳＳＩ値保持数および／またはＩＤ保持数として設定され、前記ＲＳＳＩ値保持数もしくは前記ＩＤ保持数を満たした後に受信するルータもしくはベースは、それぞれ自身のＲＳＳＩ値および／またはＩＤの書き込みを中止することを特徴としている。

本発明に係るセンサネットワークによれば、ノードから送信される感知データの経路情報のＲＳＳＩ値および／またはＩＤを少なくすることにより、特に迅速にノードとルータとベースの接続状況を分析することができる。

本発明の第７の態様は、前記センサネットワークシステムにおいて、前記ノードもしくは前記ルータは、それぞれの電源として電池を使用することを特徴としている。

本発明に係るセンサネットワークによれば、ノードから送信される感知データの経路情報を少なくすることにより、電池駆動のノードもしくはルータの電池交換期間を延長させることができる。

本発明によれば、ノードが送信する感知データに経路情報を付加し、受信したルータまたはベースの情報をこの経路情報に追加して、ベースで受信した感知データの経路情報を利用することにより、モニタ画面上にノードとルータとベースの接続状況を描画するソフトウェアを使用して、接続状況を迅速に分析できるという効果がある。

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。 本発明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。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜３を参照して説明する。

図１は本発明のセンサネットワークシステムの構成を示す説明図であり、感知センサである温度センサが搭載されているＮ１〜Ｎ５のノードと、その感知データである温度データを中継するルータＲ１〜４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−ルータ間及びルータ−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（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の通信方式で代表される無線を意味している。

次に、温度センサが測定した温度データをノードから送信し、ルータで中継され、ベースで受信される動作について、図３の送信フローチャートに基づき説明する。

まず、温度センサが測定した温度データを受けた各ノードは、ルータに温度データを送信する。このルータは、温度データを受信すると、更に自分より上位のルータに対して温度データを送信する。これを繰り返すことによって同一の温度データが多数のルータを経由して、ベースまで伝達される。

この時、各ノードが送信する温度データのデータフレームの構成を図２の（ａ）に示す。データフレームはプリアンブル、センサ信号（温度データ）、グループＩＤ、ベースＩＤ、送信ノードＩＤ、経路情報とＣＲＣから構成されている。ここでＩＤとはアドレスであり、各ノード、各ルータ、ベースに固有に割り付けられている。

各ノード自身のデータを無線で送ることができる相手のルータは、自身と相手のルータ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の範囲であり、特定小電力のような送信出力の高いものでは１００ｍ程度の範囲で、自身のデータをルータ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−ルータ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。

ノードＮ１から送信される温度データのデータフレームの送信ノードＩＤとルート情報の部分の詳細は図２（ｂ）に示す構成である。すなわち、送信ノードＩＤにはノードＮ１のＩＤ情報すなわちアドレスが書き込まれる。これによってこの情報がどのノードから送信されたかを識別できる。この送信ノードＩＤ はルータを介してベースに転送されるまで変わることはない。同時にルートＩＤ（０）のバイトにもノードＮ1のＩＤが書き込まれる。これが図２（ａ）のデータフレームの一部となってノードＮ１からルータＲ１に送信される。

次に、図２（ｂ）に示す温度データのデータフレームを受け取ったルータＲ１は図２（ｃ）に示すデータフレームのＲＳＳＩ（０）のバイトに温度データ受信時に得られるＲＳＳＩ値（受信感度値）を書き込む。このＲＳＳＩ値はルータＲ１がノードＮ１から送信されたセンサ信号をどのくらいの強さで受け取ったかを示す数値である。一般にこの数値が高ければ通信状態が良く、ルータＲ１は確実にデータを受信できたことを表している。たとえば、ＲＳＳＩ値が５０だとすればノードＮ１とルータＲ１との通信性は外乱の影響を受け易く、それほど通信状態が良くないと判断できる。そのときはＲＳＳＩ値が９０になるまで、ノードＮ１とルータＲ１との距離を縮めて通信の確実性を確保する。

次に、ルータＲ１はノードＮ１のデータをルータＲ２に転送する。この時、転送する前にルートＩＤ（０）のバイトにはルータＲ１のＩＤを書き込む。その前にルートＩＤ（０）に書き込まれていたノードＮ１のＩＤはルートＩＤ（１）にシフトされている。この状態でデータフレームがルータＲ１からルータＲ２に転送される。このデータを受信したルータＲ２は図２の（ｃ）のＲＳＳＩ（０）のバイトに自身のＲＳＳＩ値を書き込む。この時、ＲＳＳＩ（０）に書かれていたルータＲ１のＲＳＳＩ値はＲＳＳＩ（１）にシフトされている。

更に、データがノードＮ１、ルータＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４，ベースへと転送されていくにしたがって、ＲＳＳＩ値またはルートＩＤの転送、書き込み、シフトが繰り返される。これによって図２（ｃ）のデータフレームがＲＳＳＩ値またはルートＩＤで満たされていく。結果として、ＲＳＳＩ（２）にはルータＲ１のＲＳＳＩ値が、ＲＳＳＩ（１）にはルータＲ２のＲＳＳＩ値が、ＲＳＳＩ（０）にはルータＲ３のＲＳＳＩ値が書き込まれており、ルートＩＤ（２）にはルータＲ１のＩＤが、ルートＩＤ（１）にはルータＲ２のＩＤが、ルートＩＤ（０）にはルータＲ３のＩＤが書き込まれる。この状態になったときには図２（ｃ）のデータフレームはすでにすべてのバイトがデータで満たされているためにルータＲ４にこのデータフレームが転送されてもＲ４のＲＳＳＩ値及びルートＩＤはデータフレームへの書き込みを中止する。

すなわち図２（ｃ）のデータフレームは、ノードＮ１の温度データがどのような経路でどのくらいの電波強度で転送されたか（受信感度値）を経路情報として保持することになる。このデータを、ベースを介してサーバに送れば、ノードＮ１のルータＲ３までの経路と電波強度（受信感度値）をモニタに描画することができる。

ここで、図２（ｃ）の経路情報を含むデータフレーム長をより長くして、ベースまでの転送ルートすべてをサーバに送ることもできるが、中継するルータの数が多くなるとそれに比例してデータフレーム長も長くなる。これによって、ルータの送信時間が長くなり、ノードからベースまでの転送時間が長くなり、その分、消費電流も大きくなり、ルータを電池駆動させる無線センサネットシステムにとって、特にルータの電池交換期間が短くなるという課題がある。

そこで、ルータの消費電流を抑えながら、ノードＮ１からベースまでの全経路の接続状況を得ることが可能なセンサネットワークの構成について、次に説明する。

前記の説明ではノードＮ１から温度データを発信させる例について示したが、定期的にルータＲ１〜Ｒ４も信号を出していればノードＮ１の場合と同じようにルート情報をベースに送信することができる。たとえば、ルータＲ３が定期的に送信しているとすれば、この情報はルータＲ４、ベースを介してサーバに到着する。この時の図２（ｃ）のデータフレームには、ＲＳＳＩ（２）にはルータＲ３のＲＳＳＩ値が、ＲＳＳＩ（１）にはルータＲ４のＲＳＳＩ値が、ＲＳＳＩ（０）にはベースのＲＳＳＩ値が書き込まれており、ルートＩＤ（２）にはルータＲ３のＩＤが、ルートＩＤ（１）にはルータＲ４のＩＤが、ルートＩＤ（０）にはベースのＩＤが書き込まれる。この時、ルートＩＤ（０）に書き込まれたベースのＩＤと図３（ａ）のあらかじめ書き込まれているベースＩＤが一致していればルータＲ３からベースまでのルート情報は得られたと解釈できる。この情報と前記したノードＮ１からルータＲ３までのルート情報を合算すれば、ノードＮ１からベースまでの全経路情報が得られることになる。

本説明ではルート情報を記憶する領域として３バイトすなわち３ステップで説明したが、記憶領域を何バイト用意するかは、構築するネットワークの規模にと要求される消費電流との兼ね合いで決まってくる。したがって３ステップに限定されるものではない。

また、ルータの定期送信によってルート情報を構築することも述べたが、ルータからの定期送信だけではなく、配置されたノードＮ１からＮ５が図１のように、どれかのルータと接続状態にある場合には、定期送信せずに各ノードから温度データを送信すれば、結果としてすべてのルート情報が得られることは明白である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の適用は本実施形態には限られず、その技術的思想の範囲内において様々に適用されうるものである。例えば、本発明の実施形態として、温度データをノードから送信し、ルータを中継して、ベースで受信するセンサネットワークシステムについて説明したが、温度データに限らず、湿度、照度、気圧、揺れ、人または動物の侵入等の何らかの状態変化を感知センサで検出し、感知データとしてノードから送信し、ルータを中継して、ベースで感知データを受信するセンサネットワークについても、本発明は適用可能である。

１ ノード
２ ルータ
３ ベース
４ サーバ

Claims (3)

1. センサの感知データを送信するノードと、前記ノードから前記センサの感知データを中継するルータと、前記ルータから前記センサの感知データを受信するベースとから構成されるセンサネットワークシステムにおいて、
   前記ベースが受信する前記感知データのデータフレームは、前記感知データを受信したルータ及びベースの情報である感知データの経路情報を含み、
   前記感知データの経路情報は、前記感知データを受信したルータもしくはベースのＲＳＳＩ値および／またはＩＤと、前記感知データを送信したノードのＩＤを含み、
   前記感知データは、前記感知データのデータフレームに記憶できるＲＳＳＩ値および／またはＩＤの数をＲＳＳＩ値保持数および／またはＩＤ保持数として設定されるとともに、
   前記ＲＳＳＩ値保持数および／または前記ＩＤ保持数に到達した後に前記感知データを受信するルータもしくはベースは、それぞれ自身のＲＳＳＩ値および／またはＩＤの書き込みを中止することを特徴としたセンサネットワークシステム。
2. センサの感知データを送信するノードと、前記ノードから前記感知データを中継するルータと、前記ルータから前記感知データを受信するベースとから構成されるセンサネットワークシステムにおいて、
   前記ベースが受信する前記感知データのデータフレームは、前記ノードから前記ベースまで転送される前記感知データの一部の経路情報を含み、前記ノードが送信する感知データとは関係なく、前記ルータは、該ルータ自身の経路情報を含む定期信号として送信するとともに、
   前記感知データまたは前記定期信号の経路情報は、前記感知データまたは前記定期信号を受信した前記ルータもしくは前記ベースのＲＳＳＩ値および／またはＩＤであり、
   前記感知データまたは前記定期信号の経路情報は、前記感知データまたは前記定期信号のデータフレームに記憶できるＲＳＳＩ値および／またはＩＤの数をＲＳＳＩ値保持数および／またはＩＤ保持数として設定され、
   前記ＲＳＳＩ値保持数もしくは前記ＩＤ保持数を満たした後に受信するルータもしくはベースは、それぞれ自身のＲＳＳＩ値および／またはＩＤの書き込みを中止することを特徴としたセンサネットワークシステム。
3. 前記ノードまたは前記ルータは、それぞれの電源として電池を使用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。

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