JP5473049B2

JP5473049B2 - 無線センサ端末を用いた無線センサネットワークシステム

Info

Publication number: JP5473049B2
Application number: JP2009079200A
Authority: JP
Inventors: 綱貴川淵
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP2010233011A

Description

本発明は、無線センサ端末を用いたマルチホップによる無線センサネットワークシステムに関する。

従来より、遠隔地の情報を人の手を借りずに取得したいという要望がある。例えば所有する店舗やビルの様子、旅行中の自宅、菜園の温度、地盤の緩みなどの情報取得の要望である。このような要望に対し、これまではインターネットが利用されてきた。すなわち、パソコンに上記情報取得のためのセンサを接続し、常時インターネットに接続しておけば、今日でもこのような情報取得は可能である。

しかしながらパソコンは大きく、観測点を増やす場合に限界がある。また、観測点が移動する場合、例えば人の健康状況を遠隔から監視するような場合、大型のパソコンは携帯性に問題がある。更にインターネット接続は設定が必要であるとか、無線ＬＡＮのカバーエリアが狭いといった問題があり、これも観測点の増加や移動に対する対応を困難にしている。このような状況下で最近開発された技術の一つが、例えば「ＭＯＴＥ（モート）」（登録商標）として知られる小型で自律型の無線センサ端末を用いた無線センサネットワークシステムである（特許文献１）。

この無線センサネットワークにおいては、情報を収集すべき箇所に中継ノードと呼ばれる無線センサ端末が設置される。無線センサ端末は、情報を収集するためのセンサの他に、そのデータを送信する無線送信機能、及び他の無線センサ端末から受信したデータを中継する無線中継機能を備えている。

なかでも特徴的なのは無線中継機能であり、これの機能実現のために、ハードウエアとして、データの送受信を行う無線チップ、及びその無線チップの動作を制御する制御部などを具備しており、自らの無線センサ端末に搭載されたセンサからの情報を送信するのみならず、他の無線センサ端末に搭載されたセンサからの情報を受信して送信する。このような無線中継機能による情報のマルチホップにより、複数の無線センサ端末により、大規模の無線メッシュネットワークが構築される。

すなわち、個々の無線センサ端末は、処理能力、無線能力が低くても、前述の無線中継機能、これによるマルチホップにより、個々の能力を遥かに超える能力のシステムを構築するのである。このため、個々の無線センサ端末は非常に小型かつ安価で低消費電力であり、観測点の増加や移動にも簡単に対応できることになる。この特徴のため、複数の無線センサ端末を用いた無線ネットワークシステムは、海鳥の生態研究などにも用いられ始めている。

そして個々の端末情報は、基地局である無線センサ端末に集められ、これに接続されたパソコンなどのホストコンピュータにより一元管理される。また、そのホストコンピュータがＬＡＮやインターネットに接続されることにより、この無線センサネットワークシステムにおける端末情報は事実上、世界中どこでも入手することができる。

ところで、このような無線センサネットワークシステムを構築する複数個の無線センサ端末は、基本的には、情報を得ようとすべき特定の各箇所に固定設置される。その一方で研究者、動物、自動車などの移動体に無線センサ端末が、携帯、搭載されることもある。特定箇所に固定設置された無線センサ端末（中継ノード）は固定ノードと呼ばれ、移動体に携帯、搭載された無線センサ端末（中継ノード）は移動ノードと呼ばれている。

固定ノード群の中に移動ノードが混在した無線センサネットワークシステムの二次的機能として、移動ノードが現在存在するエリアを検出するエリア検出機能がある。これは、固定ノード群中を移動ノードが移動する場合、移動ノードが送信する信号を受信した固定ノードが受信電波強度の情報を基地局へ送信し、基地局に接続されたコンピュータが、固定ノードが受信した信号の電波強度の強弱から、移動ノードの存在エリアを検出するというものである。

この移動ノードに対するエリア検出機能の原理を図１０により説明する。現存位置の検出対象である移動ノードが、ターゲットノードＴである。設置位置が既知である複数の固定ノードＡ〜Ｄに対しては、自身を中心とする円形のエリアが設定されている。ターゲットノードＴは無指向性のアンテナにより周囲に均等な電波強度で信号を送信する。ターゲットノードＴを中心とする複数の同心円は電波強度分布を表している。

図１０の場合、ターゲットノードＴから送信された信号は、周囲の固定ノードＡ〜Ｄに受信される。固定ノードＡ〜Ｄは、受信された信号の電波強度を基地局へ送信する。基地局に接続されたホストコンピュータで電波強度が比較され、最も電波強度が大きい固定ノードのエリアが、ターゲットノードＴの現存エリアであると判定される。ここでは、ターゲットノードＴは左上の固定ノードＡに最も近く、固定ノードＡにおける受信電波強度が最も大きいことから、固定ノードＡのエリア内にターゲットノードＴが存在していることが検出される。

このような無線センサネットワークシステムにおけるエリア検出機能の問題点の一つとして、固定ノードの分布密度の相違によるエリア検出精度の低下がある。この問題点を図１１（ａ）（ｂ）により説明する。

図１１（ａ）はターゲットノードである移動ノードＴの周囲に存在する固定ノードＡ〜Ｄの分布状態が「密」の場合を模式的に表している。移動ノードＴの周囲に多くの固定ノードＡ〜Ｄが接近して存在しているため、多くの固定ノードＡ〜Ｄが、移動ノードＴからの信号を受信し、しかも、受信強度の差が小さくなる。その結果、基地局でのターゲットノードＴの現存エリアの正確な検出が不可能となる。

一方、図１１（ｂ）はターゲットノードである移動ノードＴの周囲に存在する固定ノードＡ〜Ｃの分布状態が「疎」の場合を模式的に示している。いずれの固定ノードＡ〜Ｃのエリア内にもターゲットノードＴが存在せず、ターゲットノードＴからの送信信号が、いずれの固定ノードＡ〜Ｃにも受信されない。このため、基地局でのターゲットノードＴの現存エリアの検出が不可能となる。

特開２００７−１４４７１号公報

（削除）

本発明の目的は、移動ノードの周囲に存在する固定ノードの分布密度の影響を受けることなく、移動ノードの現存エリアを高精度に検出することができる無線センサネットワークシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の無線センサネットワークシステムは、複数個の無線中継機能付きの無線センサ端末を用いたマルチホップによる無線センサネットワークシステムにおいて、
複数の無線センサ端末が所定エリア内に固定ノードとして設置固定されると共に、前記エリア内を移動し、且つ前記固定ノードと通信可能で送信出力が可変の無線センサ端末が移動ノードとして前記エリア内に配置され、更に前記固定ノード及び前記移動ノードを統括する基地局に、当該基地局を介して収集される前記固定ノード及び前記移動ノードからの諸情報を解析するコンピュータが接続されることにより構築されており、
前記移動ノードとして使用される送信出力が可変の無線センサ端末は、前記固定ノードに対して送信した信号に対して当該固定ノードから返送される受信確認信号の数を検出するカウント手段と、前記受信確認信号の数が予め設定された所定数を超えたか否かを判断する判断手段と、前記受信確認信号の数が所定数を超えた場合に当該受信確認信号が所定数となるまで前記信号の出力を変化させる制御手段とを具備しており、
前記移動ノードが送信する信号を受信した前記固定ノードが受信電波強度の情報を前記基地局へ送信し、当該基地局に接続された前記コンピュータが、前記固定ノードが受信した信号の最大電波強度に基づいて前記移動ノードの現存エリアを検出する際に、前記制御手段は前記移動ノードの送信出力を変化させて、前記移動ノードからの信号を受信する前記固定ノードの数を前記所定数とするものである。
すなわち、ここにおいて所定数を超えるとは、所定数の大きい側へ超える場合と所定数の小さい側へ超える場合の両方を含むものである。

本発明の無線センサネットワークシステムにおいては、移動ノードの周囲に複数の固定ノードが存在する場合、各固定ノードは移動ノードからの信号を受信した後に受信確認信号を送信する。移動ノードは固定ノードが送信した受信確認信号の数を検出する。検出された受信確認信号の数は、移動ノードとの通信が可能な範囲内に存在する固定ノードの個数であるので、この個数から、移動ノード周辺に存在する固定ノードの分布密度が検出される。

本発明の無線ネットワークシステムに移動ノードとして使用される無線センサ端末は、検出された受信確認信号の数が予め設定された所定数を超えたか否かを判断し、検出された受信確認信号の数が所定数を超えた場合に当該受信確認信号が所定数となるまで送信信号の出力を変化させることにより、検出される受信確認信号の数が所定数となる状態を維持する。これにより、移動ノード周辺に存在する通信可能な固定ノード個数が所定数を超える事態が回避される。

ここにおける所定数は、移動ノードの現存エリアの検出が不正確とならない通信可能な固定ノードの個数で、例えば２である。所定数が２の場合、本発明の無線ネットワークシステムに移動ノードとして使用される無線センサ端末は、通信可能な固定ノードの個数として、２より小さい数及び／又は２より大きい数を排除し、常に２を維持することにより、過疎及び過密によるエリア検出精度の低下を回避し、移動ノードの現存エリアの正確な検出を可能とする。

ここにおける所定数は又、移動ノードの現存エリアの検出が不正確とならない通信可能な固定ノード個数の最小値から最大値までの個数範囲であり、例えば１〜３である。所定数が１〜３の場合、本発明の無線センサ端末は、通信可能な固定ノードの個数として、１より小さい数及び３より大きい数を排除し、常に１〜３を維持することにより、過疎及び過密によるエリア検出精度の低下を回避し、移動ノードの現存エリアの正確な検出を可能とする。

本発明の無線センサネットワークシステムは又、複数個の無線中継機能付きの無線センサ端末を用いたマルチホップによる無線センサネットワークシステムにおいて、
複数の無線センサ端末が所定エリア内に固定ノードとして設置固定されると共に、前記エリア内を移動し、且つ前記固定ノードと通信可能で送信出力が可変の無線センサ端末が移動ノードとして前記エリア内に配置され、更に前記固定ノード及び前記移動ノードを統括する基地局に、当該基地局を介して収集される前記固定ノード及び前記移動ノードからの諸情報を解析するコンピュータが接続されることにより構築されており、
前記移動ノードとして使用される送信出力が可変の無線センサ端末は、前記固定ノードに対して送信した信号に対して当該固定ノードから返送される受信確認信号の数を検出するカウント手段と、前記受信確認信号の数が予め設定された所定数より大きいか否かを判断する判断手段と、前記受信確認信号の数が所定数より大きい場合に当該受信確認信号が所定数となるまで前記信号の出力を小さくする制御手段とを具備しており、
前記移動ノードが送信する信号を受信した前記固定ノードが受信電波強度の情報を前記基地局へ送信し、当該基地局に接続された前記コンピュータが、前記固定ノードが受信した信号の最大電波強度に基づいて前記移動ノードの現存エリアを検出する際に、前記制御手段は前記移動ノードの送信出力を小さくして、前記移動ノードからの信号を受信する前記固定ノードの数を前記所定数と同じかこれより小さくするものである。

本発明の無線ネットワークシステムに移動ノードとして使用される無線センサ端末は、検出された受信確認信号の数が予め設定された所定数より大きいか否かを判断し、検出された受信確認信号の数が所定数より大きい場合に当該受信確認信号が所定数となるまで送信信号の出力を小さくすることにより、検出される受信確認信号の数が所定数より大きくなる状態を回避する。

ここにおける所定数は、移動ノードの現存エリアの検出が不正確とならない通信可能な固定ノード個数を判定するための最大側の閾値で、例えば３であり、言うならば過密判定基準値である。所定数が３の場合、本発明の無線ネットワークシステムに移動ノードとして使用される無線センサ端末は、通信可能な固定ノードの個数として、３より大きい数を排除し、常に３かこれより小さい数、すなわち３以下の数を維持することにより、過密によるエリア検出精度の低下を回避し、移動ノードの現存エリアの正確な検出を可能とする。

本発明の無線センサネットワークシステムは又、複数個の無線中継機能付きの無線センサ端末を用いたマルチホップによる無線センサネットワークシステムにおいて、
複数の無線センサ端末が所定エリア内に固定ノードとして設置固定されると共に、前記エリア内を移動し、且つ前記固定ノードと通信可能で送信出力が可変の無線センサ端末が移動ノードとして前記エリア内に配置され、更に前記固定ノード及び前記移動ノードを統括する基地局に、当該基地局を介して収集される前記固定ノード及び前記移動ノードからの諸情報を解析するコンピュータが接続されることにより構築されており、
前記移動ノードとして使用される送信出力が可変の無線センサ端末は、前記固定ノードに対して送信した信号に対して当該固定ノードから返送される受信確認信号の数を検出するカウント手段と、前記受信確認信号の数が予め設定された所定数より小さいか否かを判断する判断手段と、前記受信確認信号の数が所定数より小さい場合に当該受信確認信号が所定数となるまで前記信号の出力を大きくする制御手段とを具備しており、
前記移動ノードが送信する信号を受信した前記固定ノードが受信電波強度の情報を前記基地局へ送信し、当該基地局に接続された前記コンピュータが、前記固定ノードが受信した信号の最大電波強度に基づいて前記移動ノードの現存エリアを検出する際に、前記制御手段は前記移動ノードの送信出力を大きくして、前記移動ノードからの信号を受信する前記固定ノードの数を前記所定値と同じかこれより大きくなるようにするものである。

本発明の無線センサネットワークシステムに移動ノードとして使用される無線センサ端末は、検出された受信確認信号の数が予め設定された所定数より小さいか否かを判断し、検出された受信確認信号の数が所定数より小さい場合に当該受信確認信号が所定数となるまで送信信号の出力を大きくすることにより、検出される受信確認信号の数が所定数より小さい状態を回避する。

ここにおける所定数は、移動ノードの現存エリアの検出が不正確とならない通信可能な固定ノード個数を判定するための最小側の閾値で、例えば１であり、言うならば過疎判定基準値である。この所定数が１の場合、本発明の無線センサネットワークシステムに移動ノードとして使用される無線センサ端末は、通信可能な固定ノードの個数として、１より小さい数を排除し、常に１かこれより大きい数、すなわち１以上の数を維持することにより、過疎によるエリア検出精度の低下を回避し、移動ノードの現存エリアの正確な検出を可能とする。

本発明の無線センサネットワークシステムは又、複数個の無線中継機能付きの無線センサ端末を用いたマルチホップによる無線センサネットワークシステムにおいて、
複数の無線センサ端末が所定エリア内に固定ノードとして設置固定されると共に、前記エリア内を移動し、且つ前記固定ノードと通信可能で送信出力が可変の無線センサ端末が移動ノードとして前記エリア内に配置され、更に前記固定ノード及び前記移動ノードを統括する基地局に、当該基地局を介して収集される前記固定ノード及び前記移動ノードからの諸情報を解析するコンピュータが接続されることにより構築されており、
前記移動ノードとして使用される送信出力が可変の無線センサ端末は、前記固定ノードに対して送信した信号に対して当該固定ノードから返送される受信確認信号の数を検出するカウント手段と、前記受信確認信号の数が予め設定された所定数より大きいか小さいか否かを判断する判断手段と、前記受信確認信号の数が所定数より小さい場合に当該受信確認信号が所定数となるまで前記信号の出力を大きくし、前記受信確認信号の数が所定数より大きい場合に当該受信確認信号が所定数となるまで前記信号の出力を小さくする制御手段とを具備しており、
前記移動ノードが送信する信号を受信した前記固定ノードが受信電波強度の情報を前記基地局へ送信し、当該基地局に接続された前記コンピュータが、前記固定ノードが受信した信号の最大電波強度に基づいて前記移動ノードの現存エリアを検出する際に、前記制御手段は前記移動ノードの送信出力を大きい側か小さい側へ変化させて、前記移動ノードからの信号を受信する前記固定ノードの数を前記所定数と同じとするものである。

本発明の無線センサネットワークシステムに移動ノードとして使用される無線センサ端末は、検出された受信確認信号の数が予め設定された所定数より大きいか小さいかを判断し、検出された受信確認信号の数が所定数より小さい場合に当該受信確認信号が所定数となるまで前記信号の出力を大きくし、検出された受信確認信号の数が所定数より大きい場合に当該受信確認信号が所定数となるまで前記信号の出力を小さくすることにより、検出された受信確認信号の数が所定数より小さくなる状態及び大きくなる状態を回避する。これにより、移動ノード周辺に存在する通信可能な固定ノードの個数が所定数より小さい状態及び移動ノード周辺に存在する数間可能な固定ノードの個数が所定数より大きい状態が回避される。

ここにおける所定数は、移動ノードの現存エリアの検出が不正確とならない通信可能な固定ノード個数で、例えば２であり、言うならば過疎・過密判定基準値である。所定数が２の場合、本発明の無線センサネットワークシステムに移動ノードとして使用される無線センサ端末は、通信可能な固定ノードの個数として、２より小さい数及び２より大きい数を排除し、常に２を維持することにより、過疎及び過密によるエリア検出精度の低下を回避し、移動ノードの現存エリアの正確な検出を可能とする。

ここにおける所定数は又、移動ノードの現存エリアの検出が不正確とならない通信可能な固定ノード個数の最小値から最大値までの個数範囲であってもよく、例えば１〜３でああり、言うならば過疎判定基準値から過密判定基準値までの数、すなわち過疎判定基準値以上で且つ過密判定基準値以下の数である。所定数が１〜３の場合、本発明の無線センサネットワークシステムに移動ノードとして使用される無線センサ端末は、通信可能な固定ノードの個数として、１より小さい数及び３より大きい数を排除し、常に１〜３を維持することにより、過疎及び過密によるエリア検出精度の低下を回避し、移動ノードの現存エリアの正確な検出を可能とする。

（削除）

このように、本発明の無線センサネットワークシステムにおいては、移動ノードの周囲に複数の固定ノードが存在する場合、各固定ノードは移動ノードからの信号を受信した後に受信確認信号を送信する。移動ノードは固定ノードが送信した受信確認信号の数を検出する。検出された受信確認信号の数は、移動ノードとの通信が可能な範囲内に存在する固定ノードの個数であるので、この個数から、移動ノード周辺に存在する固定ノードの分布密度が検出される。そして、その分布密度が適正か否か、すなわち過疎でないか否か、又は過密でないか否か、或いはその両者が判断され、固定ノードの分布密度が適正でない場合は移動ノードからの送信信号の出力調整により、固定ノードの分布密度が適正化される。

したがって、移動ノード周辺の固定ノードの過疎状態又は過密状態、若しくはそれらの両方によって移動ノードの現存エリアの検出精度が低下する事態が回避される。

（削除）

本発明の無線センサネットワークは、移動ノードの周辺に存在する固定ノードからの受信確認信号の数を移動ノードが検出することにより、周辺に存在する通信可能な固定ノードの分布密度を当該移動ノードが把握し、その分布密度に応じて過疎状態や過密状態を回避するように当該移動ノードが送信出力を調整する。これにより、移動ノードの周辺に存在する通信可能な固定ノード個数が適正化され、移動ノードの周囲に存在する固定ノードの分布密度の影響を受けることなく、移動ノードの現存エリアを高精度に検出することが可能となる。

本発明の一実施形態を示す無線センサネットワークの概略システム図である。同無線センサネットワークに使用される無線センサ端末の概略構成図である。同無線センサネットワークシステムにおける移動ノード及び固定ノードの基本動作を、信号の送信受信タイミングについて示すタイムチャートである。同無線センサネットワークシステムにおける移動ノードの動作の詳細を示すフローチャートである。同無線センサネットワークシステムにおける移動ノードの動作の詳細を示すフローチャートである。同無線センサネットワークシステムにおける固定ノードの動作の詳細を示すフローチャートである。同無線センサネットワークシステムにおける基地局の動作の詳細を示すフローチャートである。同無線センサネットワークシステムにおけるコンピュータ側の動作の詳細を示すフローチャートである。同無線センサネットワークの効果を示す模式図であり、（ａ）は移動ノード周囲に存在する固定ノードの分布密度が密の場合、（ｂ）は移動ノード周囲に存在する固定ノードの分布密度が疎の場合をそれぞれ示している。無線センサネットワークにおけるエリア検出原理を示す模式図である。無線センサネットワークにおけるエリア検出機能の問題点を示す模式図であり、（ａ）は移動ノード周囲に存在する固定ノードの分布密度が密の場合、（ｂ）は移動ノード周囲に存在する固定ノードの分布密度が疎の場合をそれぞれ示している。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態の無線センサネットワークは、図１に示すように、多数の地点における気温、湿度、その他の各種データを収集するために、多数個の固定ノード１、移動ノード２及び基地局３を使用している。固定ノード１、移動ノード２及び基地局３は、いずれも無線による送受信機能及び中継機能を備えた端末であり、固定ノード１、移動ノード２及び基地局３の間でハードウエア上の違いは殆どなく、ソフトウエアの相違により固有の機能を有している。

具体的に説明すると、固定ノード１は多数の地点における気温、湿度、その他の各種データを収集するために、既知の地点に固定設置される。移動ノード２は人、動物、車両などの移動体に装着され、この点では固定ノード１と相違するものの、前記各種データの収集を行う点では固定ノード１と同じである。基地局３は固定ノード１及び移動ノード２を統括するもので、基本的にシステム毎に１個であり、コンピュータ４と接続されている。このコンピュータ４は基地局３を介して収集される固定ノード１及び移動ノード２からの諸情報を解析する。情報解析の一つが、移動ノード２の現存エリアの検出である。

無線センサ端末のハードウエアは、図２に示すように、温度、湿度等の各種情報を収集するためのセンサ５と、収集されたデータを処理して各種の演算処理を行う制御部としてのＭＰＵ６と、ＭＰＵ６での演算処理のために時間データを与えるタイマー７と、ＭＰＵ６からの指示に従って無線による送受信を行う無線チップ８と、ＭＰＵ６における演算処理手順を格納するＲＯＭ９と、ＭＰＵ６における演算処理ためにデータの授受を行うＲＡＭ１０などを備えた構成である。

無線センサ端末のハードウエアで重要なのは、移動ノード２として使用される無線センサ端末の無線チップ８が、ＭＰＵ６からの指示に従って送信時の電波強度（送信出力）を制御できるようになっている点である。これを実現するために、該移動ノード２は、上述以外に、固定ノード１からの受信確認信号（Ａｃｋ）の数をカウント可能なカウント手段と、該カウント手段がカウントした受信確認信号（Ａｃｋ）の数が所定数を超えたか否かを判断する判断手段と、該判断手段の判断に基づいて送信時の電波強度（送信出力）を制御可能な制御手段とを具備している。また、無線センサ端末の電源は交換式の乾電池であるので、その交換頻度を低下させるために、消費電力の低減も重要である。

本実施形態の無線センサネットワークにおける基本機能を図３により説明する。図３は固定ノード１及び移動ノート２における無線チップ８の基本動作、すなわち送信受信動作を示している。無線チップ８の送信受信動作がＲＯＭ９に格納された処理手順に基づきＭＰＵ６が実行することは前述したとおりである。

移動ノード２は、固定ノード１（Ａ〜Ｃ）に対して所定時間Ｔ１毎に規則的な電波送信（ビーコン送信）を行う。このビーコン送信を行った後、移動ノード２は所定時間Ｔ２、受信待機状態となる。一方、固定ノード１（Ａ〜Ｃ）は、基地局３へ所定時間Ｔ３毎にパケット送信を行う。このパケットは、移動ノード２からのビーコン送信に関する情報、具体的には送信先である移動ノード２のＩＤ情報、受信した電波の強度情報等を含む移動ノード情報パケットであり、センサ５により収集された諸情報、すなわち本来のセンサ情報も含む。この移動ノード情報パケット送信時以外は、固定ノード１（Ａ〜Ｃ）は受信待機状態にある。そして、この受信待機状態中に移動ノード２からビーコンパケットを受信したときに受信確認信号（Ａｃｋ）を送信する。

これにより、移動ノード２は、ビーコン送信後の受信待機状態中に、周囲の通信可能な領域に存在する固定ノード１（Ａ〜Ｃ）から、受信確認信号（Ａｃｋ）を受信することになる。そして移動ノード２は、受信確認信号（Ａｃｋ）の受信数から、周囲の通信可能な領域に存在する固定ノード１（Ａ〜Ｃ）の個数を前記カウント手段が認識し、その個数が所定数を超えたか否かを前記判断手段が判断し、この判断に基づいて前記制御手段が、無線チップ８の送信時の電波強度（送信出力）を調節する。

具体的には、移動ノード２は、周囲の通信可能な領域に存在する固定ノード１（Ａ〜Ｃ）の個数が、過密判定基準値より大きい場合は、ビーコン送信時、若しくはビーコン送信時及び移動ノード情報パケット送信時の送信出力を下げ、周囲の通信可能な領域に存在する固定ノード１の個数が、過疎基準値より小さい場合は、ビーコン送信時、若しくはビーコン送信時及び移動ノード情報パケット送信時の送信出力を上げる。これにより、移動ノード２の周囲の通信可能な領域に存在する固定ノード１（Ａ〜Ｃ）の個数が、過疎判定基準値から過密判定基準値までの数に管理され、移動ノード２の周囲の通信可能な領域に存在する固定ノード１の分布密度が適正化される結果、移動ノード２の現存エリアの検出が高精度に行われる。

また、移動ノード２の送信電波強度を不必要に強くする事態が回避されるので、移動ノード２の消費電力を削減する点からも、移動ノード２の電波強度の調整は有効である。

以下に、これらの一連の動作の詳細を図４〜図７のフローチャートにより移動ノード２、固定ノード１、基地局３、コンピュータ４の順に説明する。

まず、移動ノード２においては、図４及び図５に示すように、ステップＳ１で移動ノード２の電源がオン状態とされると、ステップＳ２で無線チップ８はスリープ状態になる。これと共に、ステップＳ３でビーコン送信用のタイマー７−１がスタートする。そして、ステップＳ４でタイマー７−１で計測される時間が設定時間（図３中のＴ１）に到達するか否かが判定される。計測時間が設定時間Ｔ１に到達しないときはステップＳ４に戻る。計測時間が設定時間Ｔ１に到達するとステップＳ５でビーコンパケットか送信される（図３中のビーコン送信）。これと共に、ステップＳ６で受信確認信号（Ａｃｋ）を受信するために、その受信期間設定用のタイマー７−２がスタートし、ステップＳ７で無線チップ８は受信待機状態（図３参照）へ移行する。

ステップＳ７に続くステップＳ８で、タイマー７−２による計測時間が設定時間（図３中のＴ２）に到達するか否かが判定される。計測時間が設定時間Ｔ２に送達しないときは、受信待機状態が続けられ、この間、ステップＳ９で、ビーコンパケットを受信した固定ノード１からの受信確認信号（Ａｃｋ）が受信され、ステップＳ１０で、受信した受信確認信号（Ａｃｋ）の数がインクリメントされる。この一連の動作は、ステップＳ８でタイマー７−２による計測時間が設定時間（図３中のＴ２）に到達したと判定されるまで継続する。

ステップＳ８でタイマー２による計測時間が設定時間（図３中のＴ２）に到達したと判定されると、ステップＳ１１でタイマー７−２が停止され、次のステップＳ１２で無線チップ８はスリープ状態に戻る。

ステップＳ１２で無線チップ８がスリープ状態に戻ると、ステップＳ１３に移行する。ステップＳ１３では、受信待機状態中に受信した受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数が、固定ノード１の過密判定基準値と比較される。より具体的には、受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数が、固定ノード１の過密判定基準値より大きいか否かが判断される。受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数は、移動ノード２が送信したビーコンパケットを受信した固定ノード１の個数で、移動ノード２の周辺に存在し且つ移動ノード２との通信が可能な固定ノード１の個数であり、例えば数個である。また、固定ノード１の過密判定基準値とは、移動ノード２の周囲に存在し且つ移動ノード２との通信が可能な固定ノード１の個数の許容上限値であり、これより大きくなると移動ノード２の正確なエリア検出が困難になる。

受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数が、固定ノード１の過密判定基準値より大きい場合は、ステップＳ１４で移動ノード２の送信出力が１段階下げられ、ステップＳ４に戻る。受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数が、固定ノード１の過密判定基準値より大きくない場合、すなわち、受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数が、固定ノード１の過密判定基準値と同じかこれより小さい場合はステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５では、受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数が、過疎判定基準値である１より小さいか否かが判断される。受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数が１より小さい場合、すなわち０の場合はステップＳ１６に移行し、ここで、移動ノード２の送信出力が１段階上げられ、ステップＳ４に戻る。受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数が１より小さくない場合、すなわち１の場合はステップＳ１７で、移動ノード２の送信出力が現状維持され、ステップＳ４に戻る。固定ノード１の過疎判定基準値とは、移動ノード２の周囲に存在し且つ移動ノード２との通信が可能な固定ノード１の個数の許容下限値であり、これより小さくなると移動ノード２の正確なエリア検出が困難になる。

以上の処理を繰り返すことにより、受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数が固定ノード１の過密判定基準値より大きい場合は、該インクリメント個数が固定ノード１の過密判定基準値と同じになるまで、移動ノード２の送信出力が上げられる。反対に、受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数が固定ノード１の過疎判定基準値より小さい場合は、該インクリメント個数が過疎判定基準値となるまで、移動ノード２の送信出力が上げられる。これらの結果、移動ノード２での受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数が、過疎判定基準値と同じかこれより大きい数に維持されると共に、過密判定基準値と同じかこれより小さい数に維持される。すなわち、移動ノード２での受信確認信号（Ａｃｋ）のインクリメント個数は、過疎判定基準値から過密判定基準値までの数に維持される。

このように、移動ノード２では、その制御動作により、移動ノード２が所定の時間間隔Ｔ１でビーコンパケットを送信すると共に、送信後に所定時間Ｔ２、受信待機状態となり（図３参照）、受信待機状態のときに受信した受信確認信号（Ａｃｋ）の個数から、周囲に存在する通信可能な固定ノード１の個数が認識される。そして、その固定ノード１の個数が過疎判定基準値と同じかこれより大きくなり、かつ固定ノード１の過密判定基準値と同じかこれより小さくなるように、無線チップ８の送信出力が調整されることにより、周囲に存在する通信可能な固定ノード１の個数が過疎判定基準値から過密判定基準値までの適正数に管理される。

過疎判定基準値は本実施形態では１としたが、これに限定されず目的に応じて適宜変更することができる。また、過密判定基準値は目的に応じて適宜設定され、通常はこの過密判定基準値と異なる値とされるが、同じ値であってもよい。

次に、固定ノード１における制御動作を図６により説明する。

ステップＳ２１で固定ノード１の電源がオン状態とされると、ステップＳ２２で無線チップ８は受信待機状態となる。次にステップＳ２３で、基地局３へのパケット送信用のタイマー７−３が計時動作を開始する。ステップＳ２４で、計測時間が設定時間（図３中のＴ３）に到達したか否かが判定される。計測時間が設定時間Ｔ３に到達しないときはステップＳ２４に戻る。計測時間が設定時間Ｔ３に到達したならば、ステップＳ２５に移行し、基地局３へ移動ノード情報パケットが送信される。移動ノード情報パケットは、前述したとおり、移動ノード２から受信したビーコンパケットに関する情報、具体的には移動ノード２のＩＤ情報、電波強度情報であり、本来のセンサ情報も含む。基地局３への送信後はステップＳ２４に戻る。

これにより、固定ノード１は所定の時間間隔Ｔ３で基地局３へパケット送信を行う（図３参照）。

固定ノード１では又、次の２つの割り込み処理が行われる。第１の割り込み処理は、移動ノード２からビーコンパケットを受信したときの処理である。この処理では、ステップＳ３１で移動ノード２からビーコンパケットを受信すると、ステップＳ３２に移行し、その移動ノード２のＩＤ情報、受信電波強度情報を一旦、基地局３への送信パケットへ格納する。そうしておいて、ステップＳ３３で移動ノード２へ受信確認信号（Ａｃｋ）を送信する。基地局３への送信パケットに格納された移動ノード情報が、センサ情報等と共に所定時間Ｔ３ごとに基地局３へ送信されることは、前述したとおりである。

第２の割り込み処理は中継処理であり、より詳しくは、他の固定ノード１（自分の子ノード）から更に別の固定ノード１（自分の親ノード）への移動ノード情報パケットの中継処理である。この処理では、ステップＳ３５で他の固定ノード１（自分の子ノード）から基地局３へ送信するべき移動ノード情報、センサ情報等のパケットを受信したとき、ステップＳ３６に移行し、受信した移動ノード情報パケットを自分の親ノードへ送信する。この中継処理は随時、実行される。子ノード、親ノードは個々の固定ノード１に規定されている中継対象ノードのことであり、個々の固定ノード１は子ノードとして規定されている固定ノード１からの移動ノード情報パケットのみを、親ノードとして規定されている固定ノード１へのみ中継する。

次に、基地局３における制御動作を図７により説明する。

ステップＳ４１で基地局３の電源がオン状態とされると、ステップＳ４２で無線チップ８が受信待機状態となる。そしてステップＳ４３で、固定ノード１からの移動ノード情報パケットが受信された否かが判定される。固定ノード１からの移動ノード情報パケットが受信されないときはステップＳ４３に戻る。固定ノード１からの移動ノード情報パケットが受信されると、ステップＳ４４に移行し、受信した移動ノード情報パケット内の情報がコンピュータ４へ有線で送信される。コンピュータ４へ情報送信が終わるとステップＳ４３に戻る。

コンピュータ４へ送信される移動ノード情報は、前述したとおり、ビーコンパケットを受信した移動ノード２のＩＤ情報、受信電波強度情報等である。移動ノード情報を受信したコンピュータ４は、その受信情報に基づいて、移動ノード２のエリア検出を行う。

最後に、コンピュータ４における処理動作、特に移動ノード２のエリア検出についての処理動作を図８により説明する。

ステップＳ５１でエリア検出処理が開始されると、ステップＳ５２で検出エリア判定用のタイマー４がスタートする。ステップＳ５３で、基地局３から移動ノード情報パケットが受信されると、ステップＳ５４に移行する。ステップＳ５４では、移動ノード２からのビーコンパケットを受信した固定ノード１のそれぞれにつき、固定ノード１が移動ノード２から受信した電波の強度を、移動ノード２ごとに分類する。

次に、ステップＳ５５で、タイマー７−４による計測時間が、固定ノード１から基地局３への移動ノード情報の送信間隔として設定された所定時間Ｔ３（図３）に到達したか否かが判定され、所定時間Ｔ３（図３）に到達していないときはステップＳ５３に戻る。所定時間Ｔ３（図３）に到達したときはステップＳ５６に移行する。ステップＳ５６では、各移動ノード２ごとに、各固定ノード１での受信電波強度を分類する。そして、ステップＳ５７で、各移動ノード２ごとに、最も強い電波強度を観測した固定ノード１を選出し、その固定ノード１が存在するエリアを検出エリアと判定して、ステップＳ５３に戻る。

かくして、個々の移動ノード２について、移動ノード２からのビーコンパケットを受信した固定ノード１の中から受信電波強度が最大のものが選出され、その固定ノード１のエリアが、移動ノード２が属するエリアとして検出される。

このエリア検出で問題なのは、移動ノード２からのビーコンパケットを受信する固定ノード１が多数存在する場合と、移動ノード２からのビーコンパケットを受信する固定ノード１が全く存在しない場合である。図１１（ａ）に示す前者の場合、ビーコンパケットを受信する固定ノード１、すなわち固定ノードＡ〜Ｄが多く、受信強度に明確な差が生じないため、直近の固定ノードＣを検出することができず、結果としてエリア検出も困難になる。しかるに、本実施形態の無線センサネットワークシステムの場合、ターゲットノードＴである移動ノード２が、ビーコンパケットを受信した固定ノードＡ〜Ｄから受信確認信号（Ａｃｋ）を受信することにより、現状でのビーコンパケットの受信が可能な固定ノードＡ〜Ｄの個数を検出し、その個数が過密判定基準値と同じかこれより小さくなるように、移動ノード２内の無線チップ８からの送信時の電波強度（送信出力）が弱く調整される。その結果、図９（ａ）に示すように、固定ノードＣのみ、或いは固定ノードＡ，Ｃ，Ｄが、ビーコンパケットの受信が可能となり、ビーコンパケットの受信が可能な固定ノード１の個数が適性化される結果、ターゲットノードＴである移動ノード２が属するエリアの検出が正確に行われる。

反対に、図１０（ｂ）のように、ターゲットノードＴである移動ノード２の周囲に存在する固定ノード１、すなわち固定ノードＡ〜Ｃのうち、移動ノード２からのビーコンパケットを受信する固定ノード１が存在しない場合は、図９（ｂ）に示すように、移動ノード２内の無線チップ８からの送信電波強度が強く調整され、固定ノードＢが、移動ノード２からのビーコンパケットの受信が可能となる。すなわち、移動ノード２からのビーコンバケットの受信が可能となる固定ノード１が最小でも、ここにおける過疎判定基準値である１個は確保される。したがってターゲットノードＴである移動ノード２が属するエリアの検出が可能となる。

このように、本実施形態の無線センサネットワークシステムは、移動ノード２が送信したビーコンパケットを受信する固定ノード１の個数を検出し、検出個数に基づいて送信出力を可変とすることにより、ビーコン受信固定ノード数を適性化するので、移動ノード２の周囲に存在する固定ノード１の分布密度に関係なく、移動ノード２の現存エリアを正確かつ安定的に検出することができる。

１固定ノード
２移動ノード
３基地局
４コンピュータ
５センサ
６ＭＰＵ
７タイマー
８無線チップ
９ＲＯＭ
１０ＲＡＭ

Claims

複数個の無線中継機能付きの無線センサ端末を用いたマルチホップによる無線センサネットワークシステムにおいて、
複数の無線センサ端末が所定エリア内に固定ノードとして設置固定されると共に、前記エリア内を移動し、且つ前記固定ノードと通信可能で送信出力が可変の無線センサ端末が移動ノードとして前記エリア内に配置され、更に前記固定ノード及び前記移動ノードを統括する基地局に、当該基地局を介して収集される前記固定ノード及び前記移動ノードからの諸情報を解析するコンピュータが接続されることにより構築されており、
前記移動ノードとして使用される送信出力が可変の無線センサ端末は、前記固定ノードに対して送信した信号に対して当該固定ノードから返送される受信確認信号の数を検出するカウント手段と、前記受信確認信号の数が予め設定された過疎判定基準値より小さいか否かを判断すると共に、前記受信確認信号の数が予め設定された過密判定基準値より大きいか否かを判断する判断手段と、前記受信確認信号の数が前記過疎判定基準値より小さい場合に前記送信出力を大きくすると共に、前記受信確認信号の数が前記過密判定基準値より大きい場合に前記送信出力を小さくする制御手段とを具備しており、
前記移動ノードが送信する信号を受信した前記固定ノードが受信電波強度の情報を前記基地局へ送信し、当該基地局に接続された前記コンピュータが、前記固定ノードが受信した信号の最大電波強度に基づいて前記移動ノードの現存エリアを検出する際に、前記制御手段は前記移動ノードの送信出力を大きい側か小さい側へ変化させて、前記移動ノードからの信号を受信する前記固定ノードの数を前記過疎判定基準値以上で且つ前記過密判定基準値以下の数とする無線センサネットワークシステム。
請求項１に記載の無線センサネットワークシステムにおいて、前記過疎判定基準値と前記過密判定基準値とは同じ数である無線センサネットワークシステム。
請求項１に記載の無線センサネットワークシステムにおいて、前記過疎判定基準値と前記過密判定基準値とは異なる数である無線センサネットワークシステム。