JP5361069B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線センサーネットワークにおける無線通信システムに係り、特に、センサーネットワークが構築されているエリアにいる人へ災害等に対する避難を容易に報知できる無線通信システムに関する。

［従来の技術］
複数の無線センサー端末を点在させ、それらの無線センサー端末間で相互に無線通信を行うことによりネットワークを構築している無線センサーネットワーク（以降、センサーネットワークと記載する）において、各無線センサー端末が装備するセンサー装置から取得した情報を監視サーバに送信するセンサーネットワークシステムが知られている。

センサーネットワークでは、微弱無線やＺｉｇＢｅｅなどの近距離無線通信方式の無線通信装置を装備した無線端末に、山火事や土砂災害などの監視をさせるための各種センサーを装備し、屋外などに多数配置するネットワーク構成を採用することが多い。

そして、それらのネットワークは遠方で管理している監視サーバと接続されており、センサーで取得した情報は、監視サーバで収集し、災害発生の検知や災害発生の予兆などを判定する情報として用いられる場合がある。

従来の無線センサー端末はアドホックルーティングプロトコルに代表されるような動的ルーティングを行い、センサーから取得した情報を最適なルートによって、前記の監視サーバまで通知する。
アドホックルーティングではルーティング情報をネットワーク全体へ通知する目的、もしくは、各端末のルーティングテーブル更新の目的でフラッディングが行われる。
フラッディングとは、ある情報をマルチホップ通信によってネットワーク全体へ通知する手段のことであり、フラッディングによって通知される情報がフラッディングメッセージである。

［フラッディングメッセージ：図９］
フラッディングメッセージの送信方法について図９を参照しながら説明する。図９は、フラッディングメッセージの送信方法を示す図である。
図９において、Ａ〜Ｗのアルファベットを円で囲んだものがメッシュトポロジーを構成する無線センサー端末である。

図９では、無線センサー端末Ａからフラッディングメッセージが無線発信され、マルチポップ通信により周辺の無線センサー端末にフラッディングメッセージが伝送される様子を矢印で示している。
また、点線の円は、フラッディングの中心からの同心円が示され、中心の点線円がホップ数「１」で、２番目に大きい点線円がホップ数「２」で、３番目に大きい点線円がホップ数「３」である。尚、無線センサー端末Ａがホップ数「０」である。

［火災検知情報の通知経路：図１０］
センサーネットワークにおける火災検知情報の通知経路について図１０を参照しながら説明する。図１０は、火災検知情報の通知経路を示す図である。
図１０では、無線センサー端末「Ａ」が火災を検知し、その検知した情報を監視サーバ３まで通知する経路について表している。

まず、無線センサー端末間は、動的なルーティングによって決定された最適な経路により、無線センサー端末「Ａ」→「Ｄ」→「Ｉ」→「Ｒ」を経て、屋外無線機（子局）１まで通知される。屋外無線機（子局）１は、屋外無線機（親局）２を中継し、監視サーバ３へセンサー情報を通知する。
このように従来のセンサー情報通知では、センサー情報は、無線センサー端末の「Ａ」、「Ｄ」、「Ｉ」、「Ｒ」にしか流れないため、図１０右上部の避難すべき人へもセンサー情報は何も通知されることはない。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開２００６−２０１９６１号公報「災害時誘導システム、災害時誘導方法およびプログラム」（出願人：株式会社日立製作所）［特許文献１］がある。
特許文献１には、センサー２１からの入力から災害地域を特定し、災害の拡大方向や拡大速度を算出し、災害地域、災害の拡大方向や拡大速度とＩＣタグ３の位置情報を基に、避難経路を算出する災害時誘導システムが示されている。

特開２００６−２０１９６１号公報

しかしながら、従来のセンサーネットワークの無線通信システムでは、センサーネットワークが構築されているエリア内の無線センサー端末の近くにいる人であっても、その情報を得ることができない。

つまり、従来のセンサーネットワークでは、避難が必要な山火事や土砂災害などの情報を扱うことも多いが、図１０に示す構成だけでは、避難すべき人がそれらの情報を取得できない、という問題点があった。

また、従来の無線センサー端末や監視サーバは、避難すべき人の配置までは確認できないため、避難すべき人に対して個別に避難経路を伝達することは困難であった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、センサーネットワーク内にいる人へ、災害発生、災害発生地点、避難方向を報知する無線通信システムを提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、外部環境の変化を検出する検出手段と、検出した情報を無線送信する通信手段と、外部への報知動作を行う報知手段とを備える、複数の無線センサー端末を有する無線通信システムであって、無線センサー端末には、ホップ数に対応した報知動作を記憶する対応処理テーブルが設けられた記憶手段を備え、通信手段は、マルチホップ通信により、検出した情報にインクリメントしたホップ数を組み込んだ通知情報を送信し、他の無線センサー端末から通知情報を受信すると、当該通知情報に含まれるホップ数を検出し、当該検出したホップ数と以前に受信した通知情報に含まれていた以前のホップ数とを比較し、当該検出したホップ数が以前のホップ数より小さい場合に、以前のホップ数に替えて当該検出したホップ数を記憶手段に記憶し、当該通知情報に含まれる検出した情報に、記憶したホップ数をインクリメントしたホップ数を組み込んだ通知情報を送信し、報知手段は、対応処理テーブルを参照し、受信した通知情報に含まれるホップ数に応じて報知動作を行うと共に、以前のホップ数に替えて検出したホップ数を記憶した場合には、以前のホップ数に応じた報知動作から検出したホップ数に応じた報知動作に替えて行うことを特徴とする。

本発明によれば、複数の無線センサー端末が外部環境の変化を検出する検出手段と、検出した情報を無線送信する通信手段と、外部への報知動作を行う報知手段と、ホップ数に対応した報知動作を記憶する対応処理テーブルが設けられた記憶手段とを備え、通信手段が、マルチホップ通信により、検出した情報にインクリメントしたホップ数を組み込んだ通知情報を送信し、他の無線センサー端末から通知情報を受信すると、当該通知情報に含まれるホップ数を検出し、当該検出したホップ数と以前に受信した通知情報に含まれていた以前のホップ数とを比較し、当該検出したホップ数が以前のホップ数より小さい場合に、以前のホップ数に替えて当該検出したホップ数を記憶手段に記憶し、当該通知情報に含まれる検出した情報に、記憶したホップ数をインクリメントしたホップ数を組み込んだ通知情報を送信し、報知手段は、対応処理テーブルを参照し、受信した通知情報に含まれるホップ数に応じて報知動作を行うと共に、以前のホップ数に替えて検出したホップ数を記憶した場合には、以前のホップ数に応じた報知動作から検出したホップ数に応じた報知動作に替えて行う無線通信システムとしているので、無線通信システムのネットワーク内にいる人へ、災害発生、災害発生地点、避難方向を容易に報知でき、更に、火災が延焼した場合には、延焼の状況に応じて報知動作を変更できる効果がある。

本発明の実施の形態に係る無線通信システムの構成ブロック図である。 無線センサー端末の概略構成図である。 火災検知情報のフラッディング状況を示す図である。 対応処理テーブルの概略図である。 フラッディングメッセージ受信処理のフローチャートである。 ホップ数毎の無線センサー端末の状態を示す図である。 衝突防止処理を示すフローチャートである。 延焼した場合におけるホップ数毎の無線センサー端末の状態を示す図である。 フラッディングメッセージの送信方法を示す図である。 火災検知情報の通知経路を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る無線通信システムは、無線センサーネットワークにおいて、無線センサー端末がセンサーから取得した情報に基づいて災害メッセージを含む通知情報（フラッディングメッセージ）をマルチホップ通信によって、センサーネットワーク全体へ通知し、当該通知情報を取得したそれぞれの無線センサー端末は、通知情報のホップ数に従って、無線センサー端末へ装備された報知手段の報知出力を変化させるものであり、これにより、センサーネットワークのエリア内又は近傍にいる人は、報知手段の報知出力の違いを認識し、マルチホップ通信が行なわれた中心の無線センサー端末に対する自分の相対位置を把握することができるものである。

［ネットワーク構成：図１］
本発明の実施の形態に係る無線通信システムについて図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る無線通信システムの構成ブロック図である。
本発明の実施の形態に係る無線通信システム（本システム）は、図１に示すように、複数の無線センサー端末（Ａ〜Ｗ）と、屋外無線機（子局）１と、屋外無線機（親局）２と、監視サーバ３とを基本的に有している。

丸印の中にアルファベットのＡ〜Ｗまで記載されているものが無線センサー端末とその識別ＩＤを表している。以降の文章中にアルファベットに鍵括弧（「」）を付けた表記は、無線センサー端末と識別ＩＤを示しているものとする。

［各部］
図１において、無線センサー端末「Ｒ」と下方に無線接続されているのが、屋外無線機（子局）１である。この屋外無線機（子局）１は、監視サーバ３と接続されている屋外無線機（親局）２と無線で接続されており、無線センサー端末側と監視サーバを中継する役割を担っている。

また、屋外無線機間の通信方式は、無線センサー端末で使用する近距離無線方式ではなく、長距離無線通信が可能な方式を使用することで、監視サーバ３を遠隔地へ設置可能としている。
前述のとおり、センサーネットワークは、防災目的のため、有線ネットワークが敷設されていないような地域に構築される場合が多い。そういった背景から、実施の形態では屋外無線機（子局）１と監視サーバ３との間に屋外無線機（親局）２を配置し無線通信によって中継するネットワーク構成を示したが、センサーネットワークと監視サーバ３との間を有線ネットワークによって接続する構成であってもよい。
また、本システムを工場等の屋内に設置するものであってもよい。

監視サーバ３は、コンピュータで構成され、屋外無線機（子局）１、屋外無線機（親局）２を介して無線センサー端末から送信された信号に含まれるセンサー情報を記憶すると共に、センサー情報を読み込み、センサーネットワーク内の状態を監視している。
センサー情報に異常等があれば、監視サーバ３は、接続するモニター（表示装置）に異常等を表示し、接続するスピーカに報知音又は報知メッセージを出力する。

［無線センサー端末：図２］
本システムにおける無線センサー端末について図２を参照しながら具体的に説明する。図２は、無線センサー端末の概略構成図である。
無線センサー端末は、図２に示すように、無線センサー端末本体１００と、アンテナ１０１と、センサー１０２と、スピーカ１０３とを備えている。

無線センサー端末本体１００は、内部構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１１の制御手段と、メモリ１１２の記憶手段と、無線通信部１１３の通信手段と、電池１１４の電源を備えている。
ＣＰＵ１１１は、センサー１０２からのセンサー情報を入力し、通知情報を生成して無線通信部１１３を動作させてアンテナ１０１から送信し、アンテナ１０１で受信した信号を無線通信部１１３から入力して解析し、必要に応じてスピーカ１０３に報知音等を出力させる。
また、無線通信部１１３は、マルチホップ通信を実現し、無線信号の送受信を行う。
本実施の形態では、メモリ１１２に記憶された処理プログラムをＣＰＵ１１１が読み込み、後述する特徴的処理を実現するものである。
尚、本実施の形態では、ＣＰＵ１１１が無線通信部１１３の制御と、スピーカ１０３の出力制御との両方を行うが、制御部（例えばＣＰＵ）を複数設けて、それぞれ個別に制御してもよい。

アンテナ１０１は、無線通信部１１３に接続し、無線センサー端末間の無線通信を行う。
センサー１０２は、山火事や土砂災害などの外部環境の変化をモニター（検出）し、モニタリング情報（センサー情報）をＣＰＵ１１１に出力する検出手段である。
スピーカ１０３は、ＣＰＵ１１１の制御により報知音又は報知メッセージを出力する報知手段である。この報知音等がセンサーネットワークのエリア内にいる人に災害発生、避難経路を知らせるものである。

［火災検知情報のフラッディング：図３］
次に、センサー情報をセンサーネットワーク全体へフラッディングする機能について図３を用いて説明する。図３は、火災検知情報のフラッディング状況を示す図である。
図３では、無線センサー端末「Ａ」が火災を検知し、センサーネットワークへフラッディングしている状態を図示しており、各種矢印がホップ数毎に異なるフラッディングメッセージを表している。つまり、太い矢印がホップ数「１」の、細い矢印がホップ数「２」の、破線矢印がホップ数「３」のフラッディングメッセージである。
尚、図３において、避難する人を黒丸で表示している。

また、無線センサー端末「Ａ」を中心とした同心円は、同一ホップ数のフラッディングメッセージを受信した無線センサー端末を結ぶ点線円として示している。
このように、通信距離が限られた無線センサー端末によって、メッシュ構成のネットワークトポロジーを構築した状態でフラッディングするので、フラッディングメッセージの発生元から遠ざかるにつれてホップ数が大きくなる現象が見られる。

［対応処理テーブル：図４］
次に、無線センサー端末本体１００内のメモリ１１２に記憶された対応処理テーブルについて図４を参照しながら説明する。図４は、対応処理テーブルの概略図である。
対応処理テーブルは、図４に示すように、ホップ数に応じて音程、音量の設定値を記憶している。

従って、無線センサー端末のＣＰＵ１１１は、受信したフラッディングメッセージのホップ数を判別し、メモリ１１２内の対応処理テーブルを参照して、当該ホップ数に応じた音程、音量でスピーカ１０３を制御する。

つまり、図４の対応処理テーブルは、ホップ数毎のスピーカ出力種別を示すものとなる。
図４に示すように、ホップ数が小さいほど、音量は大きくなり、音程が高くなるように変化させることを示している。
本実施の形態では、火災現場の中心に近づくほど、大きく甲高い音が発生する状況を作り出すような出力としている。

尚、図４に対してホップ数と出力結果が逆で（大きく甲高い音が発生する方向に避難することが可能となる）あったり、音量や音程以外のメロディやリズムを変化させたり、また、報知手段にスピーカ以外の発光体等を用いて実現することも可能である。

［フラッディングメッセージ受信処理：図５］
次に、無線センサー端末のＣＰＵ１１１におけるフラッディングメッセージ受信処理について図５を参照しながら説明する。図５は、フラッディングメッセージ受信処理のフローチャートである。
図５に示すように、ＣＰＵ１１１は、フラッディングメッセージを受信する（Ｓ１）と、フラッディングメッセージを解析する（Ｓ２）。フラッディングメッセージを解析した結果、災害メッセージが含まれているか否かを判定する（Ｓ３）。

ＣＰＵ１１１は、フラッディングメッセージに災害メッセージが含まれていなければ（Ｎｏの場合）、処理を終了する。フラッディングメッセージに災害メッセージが含まれていれば（Ｙｅｓの場合）、フラッディングメッセージに含まれるホップ数を検出する（Ｓ４）。
そして、ＣＰＵ１１１は、メモリ１１２内の対応処理テーブルを参照して報知出力を制御する（Ｓ５）。具体的には、スピーカ１０３の音程、音量を制御してホップ数に応じた報知出力を実現する。

ＣＰＵ１１１は、ホップ数をインクリメント（＋１）して（Ｓ６）、フラッディングメッセージに、災害メッセージと「ホップ数＋１」を組み込んで生成し、無線通信部１１３を動作させてマルチホップ通信によりフラッディングメッセージを送信する（Ｓ７）。

［災害検出の無線センサー端末の処理］
フラッディングメッセージを受信した場合の無線センサー端末の動作を説明したが、災害を検出した場合の無線センサー端末の動作を説明する。
無線センサー端末のＣＰＵ１１１は、センサー１０２から得られたデータにより災害を検出すると、対応処理テーブルを参照してホップ数「０」で報知出力を行い、フラッディングメッセージに、災害メッセージと「ホップ数＋１」を組み込んで生成し、無線通信部１１３を動作させてフラッディングメッセージを送信するようになっている。
災害検出のフラッディングメッセージは、正常時のセンサー情報を定期的に送信する場合とは別に、災害検出すると直ちに生成され、送信されるものである。

［ホップ数毎の無線センサー端末：図６］
次に、ホップ数の異なるフラッディングメッセージを受信した無線センサー端末について図６を用いて説明する。図６は、ホップ数毎の無線センサー端末の状態を示す図である。
まず、無線センサー端末について分類すると、無線センサー端末「Ａ」は火災を検知した端末であり、ホップ数＝０である。次いで、無線センサー端末「Ｂ」〜「Ｅ」がホップ数＝１、無線センサー端末「Ｆ」〜「Ｋ」がホップ数＝２、無線センサー端末「Ｌ」〜「Ｗ」がホップ数＝３である。

図６では、白丸の無線センサー端末がホップ数「０」で、黒丸の無線センサー端末がホップ数「１」で、丸内斜線の無線センサー端末がホップ数「２」で、丸内格子模様の無線センサー端末がホップ数「３」である。

次に、避難すべき人（図６では黒丸で表示）とスピーカ出力の関係について説明する。
避難すべき人は、図６において、無線センサー端末「Ｂ」、「Ｆ」、「Ｇ」、「Ｍ」に囲まれた状態にある。
この状況に置かれている避難すべき人は、無線センサー端末「Ａ」側から大きく音程の高い音が聞こえ、無線センサー端末「Ｍ」側から小さくて音程の低い音が聞こえることになる。つまり、避難すべき人は、聞こえる音から、無線センサー端末「Ｍ」側の避難すべき方角（図６では白矢印で表示）を認識することが可能となる。

［衝突防止処理：図７］
次に、無線センサー端末において、別の複数の無線センサー端末からフラッディングメッセージを受信した場合に、衝突防止の処理について図７を参照しながら説明する。図７は、衝突防止処理を示すフローチャートである。
フラッディングメッセージの衝突防止処理は、ある無線センサー端末が、周囲の複数の無線センサー端末から重複してフラッディングメッセージを受信した場合に、どのフラッディングメッセージに従って報知出力を制御すればよいのかを解決するものである。

図７の処理フローは、図５のホップ数検出処理（Ｓ４）と対応処理テーブルを参照して報知出力を行う処理（Ｓ５）との間に挿入される。
図７に示すように、無線センサー端末のＣＰＵ１１１は、図５におけるホップ数を検出すると（Ｓ４）、記憶されているホップ数≦検出ホップ数を判定する（Ｓ１１）。

記憶されているホップ数≦検出ホップ数であれば（Ｙｅｓの場合）、処理を終了し、記憶されているホップ数＞検出ホップ数であれば（Ｎｏの場合）、検出ホップ数をメモリ１１２に記憶し（Ｓ１２）、そして、対応処理テーブルを参照して報知出力を行う（Ｓ５）。以降は、図５と同様である。

これは、受信したフラッディングメッセージに含まれるホップ数（検出したホップ数）が記憶するホップ数（以前検出したホップ数）より小さい場合に、つまり、火災発生地により近い無線センサー端末からフラッディングメッセージを受信した場合に、それ以前の報知出力の態様に替えて、検出したホップ数で新たな報知出力を行うようにしたものである。
そして、検出したホップ数が記憶するホップ数と同じか、大きい場合は、記憶するホップ数に応じた報知出力を継続させるようにしている。

［延焼した場合：図８］
次に、火災が延焼した場合について図８を用いて説明する。図８は、延焼した場合におけるホップ数毎の無線センサー端末の状態を示す図である。
図８に示すように、無線センサー端末「Ａ」付近で発生した火災が下方の無線センサー端末「Ｄ」、「Ｈ」側まで延焼した場合を表している。
この延焼により下方の無線センサー端末のホップ数もそれぞれ変更になっている。この変更により、避難すべき人に聞こえてくる音も微妙に変わってくるが、下方の無線センサー端末「Ａ」側から大きく音程の高い音が聞こえ、無線センサー端末「Ｍ」側から小さくて音程の低い音が聞こえることには変わらない。

延焼の場合に、図７の衝突防止の処理が実行されれば、延焼の状況に応じて各無線センサー端末が報知動作を行うことになる。
つまり、延焼具合がそのまま聞こえる音に反映されるので、延焼したからといって今まで聞こえていた音の関係が破綻するわけではなく、現状に追従した形で出力され続けることになる。
それは延焼だけに留まらず、例えば、無線センサー端末「Ａ」が燃え尽き、スピーカから出力できなくなった場合でも同様である。

また、本実施の形態では、避難すべき人が聞こえる音に従い、火災の中心の方角を認識した上で、そこから遠ざかるように避難する内容について説明したが、消火等の目的で火災の中心へ向かうために使用することも可能である。

［実施の形態の効果］
本システムによれば、センサーから取得した情報を監視サーバへ通知する従来の機能を損なうことなく、センサーネットワークが構築されているエリアにいる人へセンサーが検知した場所を認識させることができるため、センサー検知場所から避難することや、調査のためにセンサー検知場所へ向かうことを容易に行うことができる効果がある。

本発明は、センサーが取得した情報を監視サーバへ通知すると共に、センサーネットワーク内にいる人へ、災害発生、災害発生地点、避難方向を報知する無線通信システムに好適である。

１…屋外無線機（子局）、 ２…屋外無線機（親局）、 ３…監視サーバ、 １００…無線センサー端末、 １０１…アンテナ、 １０２…センサー、 １０３…スピーカ、 １１１…ＣＰＵ、 １１２…メモリ、 １１３…無線通信部、 １１４…電池

Claims (3)

1. 外部環境の変化を検出する検出手段と、検出した情報を無線送信する通信手段と、外部への報知動作を行う報知手段とを備える、複数の無線センサー端末を有する無線通信システムであって、
   前記無線センサー端末には、ホップ数に対応した報知動作を記憶する対応処理テーブルが設けられた記憶手段を備え、
   前記通信手段は、マルチホップ通信により、検出した情報にインクリメントしたホップ数を組み込んだ通知情報を送信し、他の無線センサー端末から通知情報を受信すると、当該通知情報に含まれるホップ数を検出し、当該検出したホップ数と以前に受信した通知情報に含まれていた以前のホップ数とを比較し、当該検出したホップ数が前記以前のホップ数より小さい場合に、前記以前のホップ数に替えて当該検出したホップ数を前記記憶手段に記憶し、当該通知情報に含まれる検出した情報に、前記記憶したホップ数をインクリメントしたホップ数を組み込んだ通知情報を送信し、
   前記報知手段は、前記対応処理テーブルを参照し、前記受信した前記通知情報に含まれるホップ数に応じて前記報知動作を行うと共に、前記以前のホップ数に替えて前記検出したホップ数を記憶した場合には、前記以前のホップ数に応じた報知動作から前記検出したホップ数に応じた報知動作に替えて行うことを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１記載の無線通信システムであって、
   前記対応処理テーブルには、ホップ数が小さいほど前記報知動作におけるスピーカ出力音量が大きくなるように報知動作が設定されており、
   前記報知手段は、前記対応処理テーブルに従って、ホップ数が小さいほど前記報知動作におけるスピーカ出力音量が大きくなるように報知動作を行う報知手段であることを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１記載の無線通信システムであって、
   前記対応処理テーブルには、ホップ数が大きいほど前記報知動作におけるスピーカ出力音量が大きくなるように報知動作が設定されており、
   前記報知手段は、前記対応処理テーブルに従って、ホップ数が大きいほど前記報知動作におけるスピーカ出力音量が大きくなるように報知動作を行う報知手段であることを特徴とする無線通信システム。

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