JP5426190B2 - センサノード、センタノード、マルチホップ無線センサネットワークシステム、及びセンサ情報収集方法 - Google Patents

Description

本発明は、センシングによって取得した情報を収集するためのセンサノード、センタノード、マルチホップ無線センサネットワークシステム、及びセンサ情報収集方法に関する。

マルチホップ無線センサネットワークに関連する技術として、無線通信を行うノードを間欠動作させることで省電力化を行う方法が特許文献１や特許文献２に開示されている。また、各ノードに対して固有のタイムスロットを割り当て、割り当てられたタイムスロット期間のみノードを動作させる方法が特許文献３に開示されている。

本発明に関連するマルチホップ無線センサネットワークにおける情報の取得方法を図９、図１０を参照して説明する。

まず、特許文献１や特許文献２に開示される発明のように、ノードの起動と停止とをスケジュール化し起動時間Ａを短縮することで省電力化を行う方法について説明する。
図９に、センタノード及びセンサノードのそれぞれの無線通信部の起動時間と停止時間とのタイミングチャートを示す。ネットワークの構成は、センタノードを起点としたツリー構造のトポロジである。

動作は周期Ｔを１サイクルとして実施され、起動開始から起動時間Ａが経過した後に停止する。これらの周期Ｔと起動時間Ａとは各ノードに初期設定されている。
センタノードは、センサノードのセンサ情報を受信する際に、第１のセンサノードへセンサ情報送信要求８０１を送信する。センサ情報送信要求８０１を受信した第１のセンサノードは、センサ情報をセンサ情報送信返答８０２として送信する。同様に、センタノードは、センサ情報送信要求８０３を第２のセンサノードへ送信し、センサ情報送信要求８０３を受信した第２のセンサノードは、センサ情報をセンサ情報送信返答８０４として送信する。

このようにして、各ノードに起動時間を設けることにより、省電力化を図ることができる。

次に、特許文献３に開示される発明のように、ノードごとにタイムスロットを割り当てることで信頼性を向上させる方法について説明する。
図１０に、センタノード及びセンサノードのそれぞれの無線通信部の起動時間と停止時間、各ノードに割り当てられたノード時間ｔ１、ノード時間ｔ２についてのタイミングチャートを示す。動作は周期Ｔを１サイクルとして実施され、起動開始から時間Ａが経過した後に停止する。さらに起動時間Ａは、ノード時間ｔ１とノード時間ｔ２とに分けられており、ノード時間ｔ１は起動開始からｔ１時間後まで、ノード時間ｔ２は、起動開始後ｔ１時間が経過した時点からｔ２時間後までである。これらの周期Ｔ、起動時間Ａ、ノード時間ｔ１、ｔ２は各ノードに初期設定されている。ネットワークの構成は、センタノードを起点としたツリー構造のトポロジである。

センタノードは第１のセンサノードのセンサ情報を受信する際に、センサ情報送信要求９０１をノード時間ｔ１の間に第１のセンサノードに送信する。第１のセンサノードは、ノード時間ｔ１の間は情報を送受信可能であり、センサ情報送信要求９０１を受信した第１のセンサノードは、センサ情報をセンサ情報送信返答９０２としてセンタノードへ送信する。同様に、センタノードは、センサ情報送信要求９０３をノード時間ｔ２の間に第２のセンサノードへ送信し、センサ情報送信要求９０３を受信した第２のセンサノードは、センサ情報をセンサ情報送信返答９０４としてセンタノードへ送信する。

このようにして各ノードにタイムスロットを設けることにより、信頼性を向上させることができる。

特開２００６−１４０７８４号公報 特開２００７−１７４１４５号公報 特開２００８−２２８１７７号公報

特許文献１、２に開示される方法は、各ノードに対して決められた間欠動作をスケジュールにて起動・停止を行い通信することから、通信時間を短く取る場合は、各ノードが通信時間内において通信を行うため通信量が増加し、上り方向と下り方向との通信の衝突によって輻輳が発生し、情報が最終目的地まで到達する確率が低くなって、通信の信頼性が低下する。また、通信時間を長くとれば通信量の増加に起因する輻輳は軽減できるが、通信時間が長くなるため各ノードの省電力化が損なわれる。さらに、特許文献１においては、別途無線通信を行う装置を備える必要があるため、センサノードのように安価に実現することが望まれる装置に関してはこれらの技術を適用することが困難である。

特許文献３に開示される発明は、特許文献１、２に開示される発明とは異なり、各ノードに対して固有のタイムスロットを割り当てることから、ノード数が増加すると通信時間も増加するため、省電力化の妨げとなる。また、タイムスロットを割り当てる方式においては、高精度な時刻同期を行う必要があるため、装置に対して電波時計やＧＰＳ（global positioning system）、通信プロトコルなどによって時刻を同期するなどの時刻同期機能が別途必要となる。したがって、センサノードのように安価に実現することが望まれる装置に関しては特許文献３に開示される発明を適用することが困難である。

すなわち、上記のような省電力化と信頼性の向上の手法には、省電力化を向上させることを目的として通信時間を短縮すると、通信品質が低下して信頼性を向上させることができず、逆に、信頼性を向上させることを目的として通信時間を長く取ると、省電力化の妨げとなるという問題がある。端的に言えば、マルチホップ無線センサネットワークにおいて省電力化と信頼性向上とはトレードオフの関係にあるという問題がある。さらに、正確な時刻同期が必要となるため、それを実現するための機能を備えたノードを安価に構成することができないという問題がある。

このように、マルチホップ無線センサネットワークにおいて、ノードの省電力化と信頼性の向上とを両立させ、安価に構成可能なノードは提供されていなかった。

本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、省電力化と通信信頼性の向上とを両立させたセンサノード及びセンタノード、並びにこれらを用いたマルチホップ無線センサネットワークシステム、及びセンサ情報収集方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、センシングによって取得したセンサ情報をネットワークトポロジの最上位に位置するセンタノード宛てに送信するセンサノードであって、時刻情報を管理する時刻管理手段と、他ノード宛てに送信する情報を無線信号に変換して出力するとともに、他のノードから無線信号として情報を受信する無線通信手段と、時刻管理手段によって管理されている時刻情報に基づいて、無線通信手段を周期的に起動する制御手段とを有し、無線通信手段の起動時間は、上り通信時間と、下り通信時間とに分割されており、上り通信時間中には、自ノードにおいてセンシングして取得したセンサ情報及び他のノードから受信したセンサ情報を、上位のノードへ送信し、下り通信時間中には、センタノードから発せられた情報を下位のノードに送信することを特徴とするセンサノードを提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、ネットワークトポロジの最上位に設置され、センサノードがセンシングによって取得したセンサ情報を収集するセンタノードであって、時刻情報を管理する時刻管理手段と、他ノード宛てに送信する情報を無線信号に変換して出力するとともに、他のノードから無線信号として情報を受信する無線通信手段と、時刻管理手段によって管理されている時刻情報に基づいて、無線通信手段を周期的に起動する制御手段とを有し、無線通信手段の起動時間は、上り通信時間と、下り通信時間とに分割されており、上り通信時間中に、センサノードからのセンサ情報を受信するとともに、下り通信時間中に、時刻同期情報をセンサノードへ送信することを特徴とするセンタノードを提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第３の態様として、センシングによってセンサ情報を取得する複数のセンサノードと、ネットワークトポロジの最上位に設置され、センサノードがセンシングによって取得したセンサ情報を収集するセンタノードとを有するマルチホップ無線センサネットワークシステムであって、センタノード及びセンサノードのそれぞれは、時刻情報を管理する時刻管理手段と、他ノード宛てに送信する情報を無線信号に変換して出力するとともに、他のノードから無線信号として情報を受信し、起動時間が、上り通信時間と、下り通信時間とに分割されている無線通信手段と、時刻管理手段によって管理されている時刻情報に基づいて、無線通信手段を周期的に起動する制御手段とを有し、センタノードは、上り通信時間中に、センサノードからのセンサ情報を受信するとともに、下り通信時間中に、時刻同期情報をセンサノードへ送信し、センサノードは、上り通信時間中には、自ノードにおいてセンシングして取得したセンサ情報及び他のノードから受信したセンサ情報を、上位のノードへ送信し、下り通信時間中には、センタノードから発せられた時刻同期情報を下位のノードに送信することを特徴とするマルチホップ無線センサネットワークシステムを提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第４の態様として、センシングによってセンサ情報を取得する複数のセンサノードと、ネットワークトポロジの最上位に設置され、センサノードがセンシングによって取得したセンサ情報を収集するセンタノードとを有するマルチホップ無線センサネットワークシステムにおけるセンサ情報収集方法であって、センタノード及びセンサノードのそれぞれにおいて、他ノード宛てに送信する情報を無線信号に変換して出力するとともに、他のノードから無線信号として情報を受信する無線通信手段の起動時間を、上り通信時間と、下り通信時間とに分割し、時刻管理手段によって管理されている時刻情報に基づいて、無線通信手段を周期的に起動し、センタノードは、上り通信時間中に、センサノードからのセンサ情報を受信するとともに、下り通信時間中に、時刻同期情報をセンサノードへ送信し、センサノードは、上り通信時間中には、自ノードにおいてセンシングして取得したセンサ情報及び他のノードから受信したセンサ情報を、上位のノードへ送信し、下り通信時間中には、センタノードから発せられた時刻同期情報を下位のノードに送信することを特徴とするセンサ情報収集方法を提供するものである。

本発明によれば、省電力化と通信信頼性の向上とを両立させたセンサノード及びセンタノード、並びにこれらを用いたマルチホップ無線センサネットワークシステム、及びセンサ情報収集方法を提供できる。

本発明の好適な実施の形態に係るマルチホップ無線センサネットワークの構成を示す図である。 センタノードとセンサノードとの論理的な接続関係を示す図である。 センタノード及びセンサノードの機能構成を示す図である。 センタノード及びセンサノードを無線接続した状態を示す図である。 センタノード及びセンサノードの無線通信部の動作タイミングを示す図である。 本発明な好適な実施の形態に係るマルチホップ無線センサネットワークの動作の一例を示すシーケンス図である。 センタノード及び第１、第２、第３のセンサノードの無線通信部の周期及び起動時間の一例を示す図である。 特定のセンサノードの周期が異なるようにスケジュールを設定した場合のマルチホップ無線センサネットワークの動作の一例を示す図である。 特許文献１、２に記載の発明の動作を示す図である。 特許文献３に記載の発明の動作を示す図である。

本発明の好適な実施の形態について説明する。図１に、本実施形態に係るマルチホップ無線センサネットワークの構成を示す。センタノード１０１はセンサノード１０２〜１１０がセンシングした情報を収集する装置である。センサノード１０２〜１１０は、屋内、又は屋外に設置され、外界の情報をセンシングして得た情報をセンサノード１０１へ送信する。各ノード間は無線通信によって接続されている。本構成は本発明の好適な実施の形態の一例であり、本発明は収集可能なノードの接続数について限定されることはない。

図２に、センタノード１０１とセンサノード１０２〜１１０との論理的な接続関係を示す。図２に示すように、センタノード１０１を起点とするツリー構造のトポロジを構成しており、センタノード１０１は、センサノード１０２〜１１０がセンシングした情報を収集する。

全てのセンサノードがセンタノードと通信可能な環境にあるという特殊なネットワークトポロジを除いて、各センサノードがセンサ情報をセンタノードへ伝達したり、センタノードが各センサノードへ情報を通知するにはマルチホップ転送を行う必要がある。
マルチホップ転送は、他のノードから受信した情報を別のノードに送信することで、直接通信可能な環境に無いノード間で情報を伝達する方式である。例えば、図２に示すように、センサノード１０２とセンサノード１０８とが直接無線通信できない場合は、センサノード１０８がセンシングした情報は、センサノード１０１へ情報を伝達するために上位のノードであるセンサノード１０５へ送信される。送信された情報は上位のノードであるセンサノード１０５に受信され、マルチホップ転送によって送信される。センサノード１０５から送信された情報は上位のノードであるセンサノード１０２で受信される。
このように、マルチホップ転送を実施することで、直接無線通信できないノード間で情報を伝達することができる。なお、無線通信においては、他のノードが情報を送信中に情報を送信した場合、情報の衝突が発生し、情報を正常に受信できない場合がある。この場合は、情報を即時に送信するのではなく、ランダム時間経過後に送信するなどして情報の衝突を防ぐことが一般的である。

図３に、センタノード１０１及びセンサノード１０２の機能構成を示す。
図３（ａ）に示すように、センタノード１０１は、情報記憶部１０１２、制御部１０１３、時刻管理部１０１４及び無線通信部１０１５を有する。
情報記憶部１０１２は、ノード固有のＩＤやセンサがセンシングした情報を記憶する。情報記憶部１０１２は、ハードディスクやフラッシュメモリ、ＲＡＭ（random access memory）のような記憶媒体を適用可能である。制御部１０１３は、情報送受信部１０１６、無線通信制御部１０１７、スケジュール部１０１８を有する。情報送受信部１０１６は、無線通信部１０１５を介して受信するセンサノードからの情報を情報記憶部１０１２へ格納する機能と、センサノードへ送る情報を無線通信部１０１５へ出力する機能とを有する。無線通信制御部１０１７は、スケジュール部１０１８からの命令に応じて無線通信部１０１５の起動と停止とを行う。スケジュール部１０１８は、時刻管理部１０１４から得られる時刻を基に起動時間、停止時間、マージン、上り時間、下り時間が初期設定時に設定されており、決められた時刻に無線通信制御部１０１７へ起動命令や停止命令を出力する。

時刻管理部１０１４は、書き込みによって時刻を設定可能であり、設定された時刻は読み出しによって取得可能である。時刻管理部１０１４は、基準クロック発生部と、基準クロック発生部が発生させたクロックと同期して計時動作を行う時計回路とを有する。

無線通信部１０１５は、制御部１０１３からの情報を無線通信データとして送信するとともに、他のノードから無線通信データとして受信した情報を制御部１０１３へ出力する機能を司り、無線通信データ送信時にランダム時間経過後に送信することでデータ衝突を回避する機能を有する。また、無線通信部１０１５は、制御部１０１３からの起動命令と停止命令とに応じて起動・停止し、停止中は情報の送受信を行わない。無線通信部１０１５は、無線ＬＡＮやＺｉｇＢｅｅ、特定小電力無線などの無線通信を行うことのできるモジュール又は回路にて構成される。

図３（ｂ）に示すように、センサノード１０２は、情報記憶部１０２２、制御部１０２３、時刻管理部１０２４、無線通信部１０２５、センサ部１０２９を有する。
情報記憶部１０２２は、ノード固有のＩＤやセンサがセンシングした情報を記憶する。情報記憶部３０２は、ハードディスクやフラッシュメモリ、ＲＡＭ（random access memory）のような記憶媒体を適用可能である。制御部１０２３は、情報送受信部１０２６、無線通信制御部１０２７、スケジュール部１０２８を有する。情報送受信部１０２６は、センシングした情報を無線通信部１０２５へ出力する機能と、無線通信部１０２５から受信するセンタノードからの時刻同期通知に含まれる再送要求に応じて、センシングした情報を再送信するためにセンサ情報を無線通信部１０２５へ出力する機能を有する。また、情報送受信部１０２６は、他のセンサノードが送信したセンサ情報を受信した際には、上位のノードへマルチホップ転送すべく送信する。無線通信制御部１０２７は、スケジュール部１０２８からの命令に応じて無線通信部１０２５を起動・停止する。スケジュール部１０２８は、起動時間、停止時間、マージン、上り時間、下り時間が初期設定にて設定されており、時刻管理部１０２４から得られる時刻を基に、決められた時刻に無線通信制御部１０２７へ起動命令や停止命令を出力する。

時刻管理部１０２４は、書き込みによって時刻を設定可能であり、設定された時刻は読み出しによって取得可能である。時刻管理部１０２４は、基準クロック発生部と、基準クロック発生部が発生させたクロックと同期して計時動作を行う時計回路とを有する。

無線通信部１０２５は、制御部１０２３からの情報を無線通信データとして送信するとともに、他のノードから無線通信データとして受信した情報を制御部１０１３へ出力する機能を司り、無線通信データ送信時にランダム時間経過後に送信することでデータ衝突を回避する機能を有する。また、無線通信部１０２５は、制御部１０２３からの起動命令と停止命令とに応じて起動・停止し、停止中は情報の送受信を行わない。無線通信部１０２５は、無線ＬＡＮやＺｉｇＢｅｅ、特定小電力無線などの無線通信を行うことのできるモジュール又は回路にて構成される。

センサ部１０２９は、温度や湿度、電力などをセンシングする機能を有し、センシングしたデータを制御部１０２３へ通知する。

センサノード１０３〜１１０の構成は、センサノード１０２と同様であるため、詳細な説明は省略する。

センタノード１０１及びセンサノード１０２〜１１０は、図４に示すようにそれぞれの無線通信部を介して接続され、図２に示すネットワークトポロジを構成する。

本実施形態に係るマルチホップ無線センサネットワークの動作について説明する。
図５に、センタノード１０１及びセンサノード１０２〜１１０の無線通信部１０１５、１０２５〜１１０５の周期と起動時間、停止時間、マージン、上り時間、下り時間を示す。動作は、周期Ｔを１サイクルとして実施され、起動開始から起動時間Ａが経過した後で停止する。起動時間Ａは、第１のマージン、上り時間ｔｕ、下り時間ｔｄ、第２のマージンに分けられる。第１のマージンは起動開始直後から第１のマージン時間経過後までの期間である。上り時間は、第１のマージン終了後から上り時間ｔｕ経過後までの期間である。下り時間ｔｄは、上り時間ｔｕ終了後から下り時間ｔｄ経過後までの期間である。第２のマージンは、下り時間ｔｄ終了後から第２のマージン時間経過後までの期間である。これらの周期Ｔ、起動時間Ａ、第１のマージン、上り時間ｔｕ、下り時間ｔｄ及び第２のマージンは、各ノードに初期設定として設定されている。また、センタノード１０１の情報記憶部１０１２においてはセンサノードの固有ＩＤも初期設定時に設定されており、ネットワークトポロジをセンタノードにおいて認識可能となっている。

なお、第１のマージン及び第２のマージンは、センサノード１０２〜１１０のそれぞれとセンタノード１０１において周期Ｔ時間以内に見込まれる時刻のずれ量の最大値の合計以上の長さとすることが好ましい。例えば、センタノード１０１において周期Ｔ時間以内に最大で±１秒の時刻のずれが見込まれ、センサノード１０２〜１１０において周期Ｔ時間以内に最大で±１．５秒の時刻のずれが見込まれる場合には、第１のマージン及び第２のマージンを２．５秒とすることで、センタノード１０１とセンサノード１０２〜１１０との時刻のずれによる通信不良を確実に防止できる。このように、センサノード１０２〜１１０のそれぞれとセンタノード１０１において周期Ｔ時間以内に見込まれる最大の時刻のずれ幅の合計であっても、センタノード１０１とセンサノード１０２〜１１０との時刻のずれによる通信不良を防止する効果は得られる。なお、第１、第２マージンの長さが時刻のずれ量の最大値の合計未満の長さであっても通信不良を低減することは可能であり、マージンの長さを時刻のずれ量の最大値の合計以上とした場合よりも起動時間が短くなることで省電力化を図れる。
また、第１のマージンと第２のマージンとは異なる長さであっても良い。さらに、第１のマージン及び第２のマージンは長さがゼロであっても良い。換言すると、第１のマージン及び第２のマージンが必ず設けられていなければならない訳ではない。

周期Ｔは、起動時間Ａが開始される周期である。起動時間Ａは、センタノード１０１及びセンサノード１０２〜１１０の無線通信部１０１５〜１１０５が起動されている時間であり、無線通信を実施可能な期間である。センタノード１０１及びセンサノード１０２〜１１０は、起動時間Ａの間は無線通信情報を送受信可能な状態である。すなわち、起動時間Ａの間は、任意のノードは、センタノード１０１や他のセンサノード１０２〜１１０が送信した無線通信情報を受信することが可能である。第１及び第２のマージンは、ノード間の時間のずれを吸収するための期間である。上り時間ｔｕは、センサノード１０２〜１１０からセンタノード１０１宛てへの無線通信を行う期間である。下り時間ｔｄは、センタノード１０１からセンサノード１０２〜１１０宛ての無線通信を行う期間である。

センサノード１０２〜１１０は上記に示す起動時間Ａに起動し、所定のタイミングの上り時間ｔｕ期間にセンタノード１０１宛てにセンサ情報４０１を送信する。センタノード１０１は、無線通信部１０１５を起動時間Ａに起動し、上り時間ｔｕの期間を待ち合わせる。上り時間ｔｕ経過後に全センサノード１０２〜１１０宛てに時刻同期通知４０２を送信する。センタノード１０１は全センサノード１０２〜１１０からセンサ情報４０１を受信できていれば、下り時間キャンセルを時刻同期通知４０２に含めて送信する。センサノード１０２〜１１０は、時刻同期通知４０２を受信した際に自ノードの時刻を設定し、時刻をセンタノード１０１と同期させる。また、時刻同期通知４０２に下り時間キャンセルが含まれている場合には、無線通信部１０２５〜１１０５を停止し下り時間を短縮する。

センサノードが複数存在する場合のマルチホップ転送について、図２のトポロジ構成の場合においての動作の一例を図６のシーケンス図に示す。
図６において、センタノード１０１及びセンサノード１０２、１０５、１０８の無線通信部１０１５、１０２５、１０５５、１０８５の周期、起動時間、停止時間、マージン、上り時間、下り時間を示す。動作は周期Ｔを１サイクルとして実施され、起動開始から起動時間Ａ経過後に停止する。さらに、起動時間Ａは第１のマージン、上り時間ｔｕ、下り時間ｔｄ、第２のマージンに分けられる。第１のマージンは起動開始直後から第１のマージン時間経過後までの期間である。上り時間は、第１のマージン終了後から上り時間ｔｕ経過後までの期間である。下り時間ｔｄは、上り時間ｔｕ終了後から下り時間ｔｄ経過後までの期間である。第２のマージンは、下り時間ｔｄ終了後から第２のマージン時間経過後までの期間である。これらの周期Ｔ、起動時間Ａ、第１のマージン、上り時間ｔｕ、下り時間ｔｄ及び第２のマージンは、各ノードに初期設定として設定されている。また、センタノード１０１の情報記憶部１０１２においてはセンサノードの固有ＩＤを管理している。

周期Ｔは、起動時間Ａが開始される周期である。起動時間Ａはセンタノード１０１及びセンサノード１０２、１０５、１０８の無線通信部１０１５、１０２５、１０５５、１０８５が起動されている期間であり、無線通信を実施可能である。各ノードは起動時間Ａの間は無線通信情報を送受信可能な状態である。すなわち、任意のノードは、起動時間Ａの間は、センタノード１０１や他のセンサノード１０２、１０５、１０８が送信した無線通信情報を受信可能である。第１及び第２のマージンは、ノード間の時間のずれを吸収する期間である。上り時間ｔｕはセンサノード１０２、１０５、１０８からセンタノード１０１宛ての無線通信を行う期間である。下り時間ｔｄは、センタノード１０１からセンサノード１０２、１０５、１０８宛ての無線通信を行う期間である。

センサノード１０８がセンサ情報５０１を送信する動作に着目して説明する。

センサノード１０８は起動時間Ａに無線通信部１０８５を起動し、それまでにセンシングして得た情報を上り時間ｔｕの期間にセンサ情報５０１として送信する。センサ情報５０１を受信したセンサノード１０５は、マルチホップ転送すべく送信を実施する。この際、センサノード１０８でもセンサ情報５０１を受信できるが、自身が送信した送信データは受信後に破棄する。センサノード１０５からマルチホップ転送されたセンサ情報５０１は、センサノード１０２に受信され、さらにマルチホップ転送されてセンタノード１０１に受信される。このようにマルチホップ転送を繰り返すことで、センタノード１０１に対してセンサ情報５０１を送信できる。
センサノード１０５がセンシングによって得たセンサ情報５０２も同様にマルチホップ転送によってセンタノード１０１へ送信される。センサノード１０２はセンタノードと直接通信可能な環境にあるため、センシングによって得たセンサ情報５０３はマルチホップ転送ではなく、通常の無線通信によってセンタ端末１０１へと送信される。
最終的にセンタノード１０１はセンサ情報５０１〜５０３を受信するが、センタノード１０１においてはマルチホップ転送を実施しない。

次に、センタノード１０１が時刻同期通知５０４を送信する動作について説明する。
センタノード１０１は、起動時間Ａに無線通信部１０１５を起動し、上り時間ｔｕ経過後に全センサノード１０２、１０５、１０８宛てに時刻同期通知５０４を送信する。センタノード１０１は全センサノード１０２、１０５、１０８からの情報が取得できていれば、全センサノード１０２、１０５、１０８宛てに下り時間キャンセルを含む時刻同期通知５０４を下り時間ｔｄの期間内に送信する。時刻同期通知５０４を受信したセンサノード１０２は、時刻同期通知５０４を受信した際に、自ノードの時刻を設定し、時刻をセンタノード１０１と同期させる。さらに、マルチホップ転送すべく送信を実施する。この際、センタノード１０１でも時刻同期通知５０４を受信できるが、センタノード１０１自身が送信した送信データは受信後に破棄する。センサノード１０２からマルチホップ転送された時刻同期通知５０４は、センサノード１０５に受信され、さらにマルチホップ転送されてセンサノード１０８に受信される。このようなマルチホップ転送を繰り返すことで、各センサノード１０２、１０５、１０８に対して時刻同期通知５０４を送信できる。
時刻同期通知５０４を受信した各センサノード１０２、１０５、１０８は、時刻同期通知５０４内に下り時間キャンセルが含まれている場合には、時刻同期通知５０４の転送を実施後に無線通信部１０２５、１０５５、１０８５を停止し、下り時間を短縮する。

センタノード１０１は、センサ情報を取得できていないセンサノードが存在する場合には、固有ＩＤによって要求先を指定した再送要求を含む時刻同期通知５０４を下り時間ｔｄの期間内に送信する。時刻同期通知５０４を受信したセンサノード１０２は、時刻同期通知５０４を受信した際に、自ノードの時刻を設定し、時刻をセンタノード１０１と同期させる。さらに、マルチホップ転送すべく送信を実施する。この際、センタノード１０１でも時刻同期通知５０４を受信できるが、センタノード１０１自身が送信した送信データは受信後に破棄する。センサノード１０２からマルチホップ転送された時刻同期通知５０４は、センサノード１０５に受信され、さらにマルチホップ転送されてセンサノード１０８に受信される。このようなマルチホップ転送を繰り返すことで、各センサノード１０２、１０５、１０８に対して時刻同期通知５０４を送信できる。
時刻同期通知５０４を受信した各センサノード１０２、１０５、１０８は、時刻同期通知５０４内に自ノードが要求先として指定された再送要求が含まれている場合には、センシングによって得た情報を即時に送信する。

以下にセンサノード１０５からのセンサ情報が衝突によって受信できない場合の動作について説明する。

センタノード１０１は、センサノード１０５からのセンサ情報５０２を受信できていない場合、センサノード１０５へのセンサ情報再送要求を含めた時刻同期通知５０４を下り時間ｔｄの期間内に送信する。時刻同期通知５０４を受信したセンサノード１０２は、マルチホップ転送をすべく送信を実施する。この際、センタノード１０１でも時刻同期通知５０４を受信できるが、センタノード１０１自身が送信した送信データは受信後に破棄する。

時刻同期通知５０４を受信したセンサノード１０５は、自ノード宛てのセンサ情報再送要求が時刻同期通知５０４に含まれていることを確認すると、センサ情報５０２を再送信する。センサ情報５０２を受信したセンサノード１０２は、マルチホップ転送をすべく送信を実施する。
最終的に、センタノード１０１は、センサノード１０２からマルチホップ転送されたセンサ情報５０２を受信することで、全てのセンサノード１０２、１０５、１０８からセンサ情報を受信する。なお、図においては、センサノード１０５が下り時間ｔｄにセンサ情報５０２を再送信しているが、次回の上り時間ｔｕにおいて送信するセンサ情報に、センタノード１０１から再送要求されたセンサ情報を加えて送信することも可能である。後者の場合には、下り時間中に上り通信が発生しないため、通信の衝突による輻輳を防ぐことができる。

次に、スケジュールの再設定動作を説明する。
センタノードは、第１〜第３のセンサノードのセンサ情報の受信確率を逐次計算しており、受信確率が１００％となるよう周期Ｔ１、起動時間、マージン、上り時間、下り時間の設定を行う。具体的には、各ノードに対して時刻同期通知を使用し、周期Ｔを短く（停止時間を短く）したり、起動時間Ａを長くしたりすることにより、１周期中に起動時間が占める割合を増やすように指示を送る。また、受信確率が１００％であるならば、各ノードに対して時刻同期通知を使用し、周期Ｔを長く（停止時間を長く）したり、起動時間Ａを短くしたりすることにより、１周期中に起動時間が占める割合を減らすように指示を送る。

図７に、センタノード及び第１、第２、第３のセンサノードの無線通信部の周期及び起動時間の一例を示す。動作は周期Ｔを１サイクルとして実施されており、起動時間Ａにはマージン、上り時間、下り時間が含まれるが簡略化して示している。各ノードは周期Ｔ、起動時間、マージン、上り時間、下り時間の設定がされており、周期的に起動と停止とを繰り返している。

図７は、起動時間Ａを短くする例を示している。
センタノードは、第１周期、第２周期においては、上り時間にセンサノードからセンサ情報を受信し、下り時間に時刻同期通知６０１、６０２をセンサノードへ送信する。第３周期の上り時間において全てのセンサノードからセンサ情報を受信した時点で、３回続けて全てのセンサノードからセンサ情報を取得できたため、センタノードは第３周期の下り時間では、起動時間Ａを短く変更して起動時間Ｂとしたスケジュールを含む時刻同期通知６０３を送信する。これを受信したセンサノードは、それ以降は起動時間Ｂとしたスケジュールにて周期的に実行されることとなり、第４周期以降は図示するように起動時間が短くなって省電力化が図られる。起動時間が短くなった第４周期以降も、上り時間にはセンサノードからセンタノードへセンサ情報が送られ、下り時間にはセンタノードからセンサノードへ時刻同期通知６０４、６０５が送られる。

また、本実施形態に係るマルチホップ無線センサネットワークの別のスケジュール設定の一例について説明する。図８に、特定のセンサノードの周期が異なるようにスケジュールを設定した場合のマルチホップ無線センサネットワークの動作を示す。
センタノードと第１のセンサノードとは、周期Ｔ１にて間欠動作している。一方、第２のセンサノードは、周期Ｔ１の２倍の長さの周期Ｔ２にて間欠動作している。
第２のセンサノードは、変化する頻度の低い物性値をセンシングするノードであり、周期Ｔ１ほど頻繁にセンサ情報の取得が必要ないものとする。このようなセンサノードに対しては、基本周期（センタノードの動作周期Ｔ１）の整数倍となるように周期Ｔ２を決定し、スケジュール化することで、更なる省電力化が可能である。
なお、上記に示すスケジュールの変更は、初期設定やセンタノードからの指示だけではなく、センサノード自身がセンサ情報の変動を監視し、変動状況によりスケジュールを変更してもよい。

以上のように、本実施形態によれば、センサノードがセンサ情報を送信する上り時間とセンタノードが時刻同期通知を送信する下り時間とに分割することで、上り下りの無線通信の衝突を回避可能であり、情報の到達確率を高めて信頼性を向上させることができる。仮にセンサノードからセンサ情報を受信できなかった場合には、下り時間において再送処理を実施することで、信頼性をさらに向上させることができる。また、全センサノードからのセンサ情報を受信できた場合には下り時間を繰り上げて終了して起動時間を短縮できるため、省電力化を図れる。さらに、各ノードの時刻に誤差がある場合でも、マージンを備えることで時刻の誤差を吸収できるため、精度の低い時刻同期でも適用可能であり、高精度な時刻同期機能を追加することなく、ノードを安価に構成できる。

さらに、情報受信精度が低い場合には周期を短く又は起動時間を長くし、情報受信精度が高い場合には周期を長く又は起動時間を短くすることにより、その時点での情報受信確率を考慮してスケジュールを動的に設定し、省電力化を図ることが可能である。

なお、上記実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されることはない。
例えば、上記実施形態においては、無線通信部で使用する無線規格を無線ＬＡＮやＺｉｇＢｅｅ、特定小電力無線としているが、無線通信を行えれば良く、Bluetoothといった他の無線通信規格を使用しても良い。
また、無線通信部のデータ衝突を回避する機能については、ランダム時間経過後に送信することで送信データの衝突を防いでいるが、ノード固有ＩＤを種としてランダム時間を生成し、送信時間をずらして送信データの衝突を回避しても良い。
さらに、センサ部においてセンシングする情報として、温度や湿度、電力を例としてあげたが、これら以外の情報をセンシングしても良い。
さらに、センタノードにもセンサ部を設けることも可能である。
このように、本発明は様々な変形が可能である。

１０１ センタノード
１０２〜１１０ センサノード
４０１、５０１、５０２、５０３ センサ情報
４０２、５０４、６０１〜６０６ 時刻同期通知
１０１２、１０２２ 情報記憶部
１０１３、１０２３ 制御部
１０１４、１０２４ 時刻管理部
１０１５、１０２５ 無線通信部
１０１６、１０２６ 情報送受信部
１０１７、１０２７ 無線通信制御部
１０１８、１０２８ スケジュール部
１０１９ センサ部

Claims (29)

1. センシングによって取得したセンサ情報をネットワークトポロジの最上位に位置するセンタノード宛てに送信するセンサノードであって、
   時刻情報を管理する時刻管理手段と、
   他ノード宛てに送信する情報を無線信号に変換して出力するとともに、他のノードから無線信号として情報を受信する無線通信手段と、
   前記時刻管理手段によって管理されている前記時刻情報に基づいて、前記無線通信手段を周期的に起動する制御手段とを有し、
   前記無線通信手段の起動時間は、上り通信時間と、下り通信時間とに分割されており、
   前記上り通信時間中には、自ノードにおいてセンシングして取得した前記センサ情報及び他のノードから受信した前記センサ情報を、上位のノードへ送信し、
   前記下り通信時間中には、前記センタノードから発せられた情報を下位のノードに送信し、
   前記起動時間の最初及び最後の少なくとも一方にマージン時間が設けられ、
   前記マージン時間の長さを前記センタノードからの指示に応じて変更することを特徴とするセンサノード。
2. 前記起動時間の周期並びに前記上り通信時間及び前記下り通信時間の長さを前記センタノードからの指示に応じて変更することを特徴とする請求項１項記載のセンサノード。
3. 前記起動時間の周期並びに前記上り通信時間及び前記下り通信時間の長さを前記センサ情報の変動に応じて変更することを特徴とする請求項１記載のセンサノード。
4. 前記マージン時間は、自ノード及び前記センタノードのそれぞれにおいて１周期内で見込まれる時刻のずれの最大値の合計以上の長さであることを特徴とする請求項１記載のセンサノード。
5. 前記マージン時間の長さを前記センサ情報の変動に応じて変更することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のセンサノード。
6. 前記センタノードから発せられる時刻同期情報を前記下り通信時間中に受信し、該時刻同期情報に基づいて前記時刻情報を更新することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のセンサノード。
7. 自ノードにおいてセンシングして取得した前記センサ情報を、前記センタノードからの要求に応じて再送信することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のセンサノード。
8. 前記センタノードから発せられた下りキャンセル情報を前記下り通信時間中に受信した場合に、前記制御手段は前記起動時間の満了を待たずに前記無線通信手段を停止させることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のセンサノード。
9. ネットワークトポロジの最上位に設置され、センサノードがセンシングによって取得したセンサ情報を収集するセンタノードであって、
   時刻情報を管理する時刻管理手段と、
   他ノード宛てに送信する情報を無線信号に変換して出力するとともに、他のノードから無線信号として情報を受信する無線通信手段と、
   前記時刻管理手段によって管理されている前記時刻情報に基づいて、前記無線通信手段を周期的に起動する制御手段とを有し、
   前記無線通信手段の起動時間は、上り通信時間と、下り通信時間とに分割されており、
   前記上り通信時間中に、前記センサノードからの前記センサ情報を受信するとともに、前記下り通信時間中に、時刻同期情報を前記センサノードへ送信し、
   所定回数連続して前記上り通信時間中に全てのセンサノードから前記センサ情報を受信できた場合には、前記無線通信手段の起動の周期に占める前記起動時間の割合を減らし、前記下り通信時間中に前記センサノードに前記起動時間の周期並びに前記上り通信時間及び前記下り通信時間の長さの変更を指示することを特徴とするセンタノード。
10. 前記上り通信時間中に前記センサ情報を受信できなかったセンサノードが存在する場合には、前記無線通信手段の起動の周期に占める前記起動時間の割合を増やし、前記下り通信時間中に前記センサノードに前記起動時間の周期並びに前記上り通信時間及び前記下り通信時間の長さの変更を指示することを特徴とする請求項９記載のセンタノード。
11. 前記起動時間の最初及び最後の少なくとも一方にマージン時間が設けられたことを特徴とする請求項９または１０記載のセンタノード。
12. 前記マージン時間は、自ノード及び前記センサノードのそれぞれにおいて１周期内で見込まれる時刻のずれの最大値の合計以上の長さであることを特徴とする請求項１１項記載のセンタノード。
13. 前記上り通信時間中に前記センサ情報を受信できなかったセンサノードが存在する場合には、前記無線通信手段の起動の周期に占める前記起動時間の割合を増やし、前記マージン時間の長さの変更を指示することを特徴とする請求項１１又は１２記載のセンタノード。
14. 所定回数連続して前記上り通信時間中に全てのセンサノードから前記センサ情報を受信できた場合には、前記無線通信手段の起動の周期に占める前記起動時間の割合を減らし、前記マージン時間の長さの変更を指示することを特徴とする請求項１１から１３のいずれか１項記載のセンタノード。
15. 前記上り通信時間中に前記センサ情報を受信できなかったセンサノードが存在する場合には、そのセンサノードに対して、前記下り通信時間中に前記センサ情報の再送信を要求することを特徴とする請求項９から１４のいずれか１項記載のセンタノード。
16. 前記上り通信時間中に前記センサ情報を受信できなかったセンサノードが存在しない場合には、前記起動時間の終了を指示する下りキャンセル情報を、前記下り通信時間中に前記センサノードへ送信することを特徴とする請求項９から１５のいずれか１項記載のセンタノード。
17. 任意の前記センサノードに対して、その無線通信手段を、起動時間を自ノードと同じとして間欠的な周期で起動させるように指示することを特徴とする請求項９から１６のいずれか１項記載のセンタノード。
18. センシングによってセンサ情報を取得する複数のセンサノードと、ネットワークトポロジの最上位に設置され、前記センサノードがセンシングによって取得したセンサ情報を収集するセンタノードとを有するマルチホップ無線センサネットワークシステムであって、
    前記センタノード及び前記センサノードのそれぞれは、
    時刻情報を管理する時刻管理手段と、
    他ノード宛てに送信する情報を無線信号に変換して出力するとともに、他のノードから無線信号として情報を受信し、起動時間が、上り通信時間と、下り通信時間とに分割されている無線通信手段と、
    前記時刻管理手段によって管理されている前記時刻情報に基づいて、前記無線通信手段を周期的に起動する制御手段とを有し、
    前記センタノードは、前記上り通信時間中に、前記センサノードからの前記センサ情報を受信するとともに、前記下り通信時間中に、時刻同期情報を前記センサノードへ送信し、
    前記センサノードは、前記上り通信時間中には、自ノードにおいてセンシングして取得した前記センサ情報及び他のノードから受信した前記センサ情報を、上位のノードへ送信し、前記下り通信時間中には、前記センタノードから発せられた前記時刻同期情報を下位のノードに送信し、
    前記センタノードは、所定回数連続して前記上り通信時間中に全てのセンサノードから前記センサ情報を受信できた場合には、前記無線通信手段の起動の周期に占める前記起動時間の割合を減らし、前記下り通信時間中に前記センサノードに前記起動時間の周期並びに前記上り通信時間及び前記下り通信時間の長さの変更を指示することを特徴とするマルチホップ無線センサネットワークシステム。
19. 前記起動時間の最初及び最後の少なくとも一方にマージン時間が設けられたことを特徴とする請求項１８記載のマルチホップ無線センサネットワークシステム。
20. 前記マージン時間は、前記センサノード及び前記センタノードのそれぞれにおいて１周期内で見込まれる時刻のずれの最大値の合計以上の長さであることを特徴とする請求項１９記載のマルチホップ無線センサネットワークシステム。
21. 前記センサノードは、前記時刻同期情報に基づいて前記時刻情報を更新することを特徴とする請求項１８から２０のいずれか１項記載のマルチホップ無線センサネットワークシステム。
22. 前記センタノードは、前記上り通信時間中に前記センサ情報を受信できなかったセンサノードが存在する場合には、そのセンサノードに対して、前記下り通信時間中に前記センサ情報の再送信を要求し、
    前記センサノードは、自ノードにおいてセンシングして取得した前記センサ情報を、前記センタノードからの要求に応じて再送信することを特徴とする請求項１８から２１のいずれか１項記載のマルチホップ無線センサネットワークシステム。
23. 前記センタノードは、前記上り通信時間中に前記センサ情報を受信できなかったセンサノードが存在しない場合には、前記起動時間の終了を指示する下りキャンセル情報を、前記下り通信時間中に前記センサノードへ送信し、
    前記センサノードは、前記下りキャンセル情報を前記下り通信時間中に受信した場合に、前記起動時間の満了を待たずに前記制御手段が前記無線通信手段を停止させることを特徴とする請求項１８から２２のいずれか１項記載のマルチホップ無線センサネットワークシステム。
24. センシングによってセンサ情報を取得する複数のセンサノードと、ネットワークトポロジの最上位に設置され、前記センサノードがセンシングによって取得したセンサ情報を収集するセンタノードとを有するマルチホップ無線センサネットワークシステムにおけるセンサ情報収集方法であって、
    前記センタノード及び前記センサノードのそれぞれにおいて、
    他ノード宛てに送信する情報を無線信号に変換して出力するとともに、他のノードから無線信号として情報を受信する無線通信手段の起動時間を、上り通信時間と、下り通信時間とに分割し、
    時刻管理手段によって管理されている時刻情報に基づいて、前記無線通信手段を周期的に起動し、
    前記センタノードは、前記上り通信時間中に、前記センサノードからの前記センサ情報を受信するとともに、前記下り通信時間中に、時刻同期情報を前記センサノードへ送信し、
    前記センサノードは、前記上り通信時間中には、自ノードにおいてセンシングして取得した前記センサ情報及び他のノードから受信した前記センサ情報を、上位のノードへ送信し、前記下り通信時間中には、前記センタノードから発せられた前記時刻同期情報を下位のノードに送信し、
    前記センタノードは、所定回数連続して前記上り通信時間中に全てのセンサノードから前記センサ情報を受信できた場合には、前記無線通信手段の起動の周期に占める前記起動時間の割合を減らし、前記下り通信時間中に前記センサノードに前記起動時間の周期並びに前記上り通信時間及び前記下り通信時間の長さの変更を指示することを特徴とするセンサ情報収集方法。
25. 前記起動時間の最初及び最後の少なくとも一方にマージン時間を設けることを特徴とする請求項２４記載のセンサ情報収集方法。
26. 前記マージン時間は、前記センサノード及び前記センタノードのそれぞれにおいて１周期内で見込まれる時刻のずれの最大値の合計以上の長さであることを特徴とする請求項２５記載のセンサ情報収集方法。
27. 前記センサノードは、前記時刻同期情報に基づいて前記時刻情報を更新することを特徴とする請求項２４から２６のいずれか１項記載のセンサ情報収集方法。
28. 前記センタノードは、前記上り通信時間中に前記センサ情報を受信できなかったセンサノードが存在する場合には、そのセンサノードに対して、前記下り通信時間中に前記センサ情報の再送信を要求し、
    前記センサノードは、自ノードにおいてセンシングして取得した前記センサ情報を、前記センタノードからの要求に応じて再送信することを特徴とする請求項２４から２７のいずれか１項記載のセンサ情報収集方法。
29. 前記センタノードは、前記上り通信時間中に前記センサ情報を受信できなかったセンサノードが存在しない場合には、前記起動時間の終了を指示する下りキャンセル情報を、前記下り通信時間中に前記センサノードへ送信し、
    前記センサノードは、前記下りキャンセル情報を前記下り通信時間中に受信した場合に、前記起動時間の満了を待たずに前記制御手段が前記無線通信手段を停止させることを特徴とする請求項２４から２８のいずれか１項記載のセンサ情報収集方法。

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