JP5581356B2 - 多点計測システムおよび時刻同期方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の計測点の物理量を同時計測する多点計測システムに関し、特に、そのようなシステムにおける時刻同期に関する。

多点計測システムは、複数の計測点に設置されたローカル局装置でその地点の物理量を計測し、各ローカル局装置の計測データを収集して複数点の物理量を同時に計測するシステムである。このため、多点計測システムでは各ローカル局装置が同じ時刻を計時していることが重要である。

正確な時刻を取得する手段としてＧＰＳ（Global Positioning System）や電波時計などがあるが、ローカル局装置はそれらの電波が届かない箇所に設置されることがあり、また、長時間の電池駆動を可能にするために省電力化が求められるため、ＧＰＳや電波時計の利用ができないことがある。そこで、基準となる時刻を計時する基準局装置を設けて、各ローカル局装置が基準局装置と時刻同期する方法が有効となる。

しかし、ローカル局装置は省電力化やローコスト化により計時精度は低いことが多く、一度基準局装置と時刻同期してもローカル局装置が計時する時刻は基準時刻から徐々にずれる。そこで、ローカル局装置と基準局装置との間で定期的にあるいは不定期に時刻同期処理を行う必要がある（例えば、特許文献１参照）。

基準局装置およびローカル局装置は有線通信や無線通信によって時刻データをやり取りし合って時刻同期をする。しかし、ＣＳＭＡ／ＣＤなどによる通信ネットワークのトラフィック監視による送受信待ちやＴＣＰ／ＩＰなどにおけるデータ再送処理などにより、装置間の送受信遅延時間が大きくばらつく。図１３は、装置間の通信と送受信遅延時間の例を模式的に示す。基準局装置とローカル局装置との間の時刻同期処理は、通常、ローカル局装置が基準局装置に時刻を問い合わせ、基準局装置が現在時刻をローカル局装置へ送信することで行われる。ΔＴｓｌａｖｅ＝Ｔ１−Ｔ０は、ローカル局装置から基準局装置へ時刻データを送信し、基準局装置が時刻データを受信して内部で処理するまでの時間であり、ローカル局装置における送信時間、アクセス時間、伝搬遅延時間、基準局装置における受信時間を含む。ΔＴｍａｓｔｅｒ＝Ｔ２−Ｔ１は、基準局装置からローカル局装置へ時刻データを送信し、ローカル局装置が時刻データを受信して内部で処理するまでの時間であり、基準局装置における送信時間、アクセス時間、伝搬遅延時間、ローカル局装置における受信時間を含む。

送信時間とは、各装置が時刻データを作成して所定の処理をしてから通信デバイスに時刻データを渡すまでの時間をいう。アクセス時間とは、通信デバイスに渡された時刻データが実際にネットワーク上に送信されるまでの時間をいう。伝搬遅延時間とは、ネットワーク上に送信されたデータが各装置の通信デバイスに届くまでの時間をいう。受信時間とは、通信デバイスが受信した時刻データが各装置のアプリケーションに渡されるまでの時間をいう。

図１３の例の場合、ローカル局装置は時刻Ｔ１を知ることができないため、ΔＴｍａｓｔｅｒとΔＴｓｌａｖｅとが等しいという仮定の下、Ｔ０とＴ２の中間の時刻をＴ１として、基準局装置から受信した時刻データを補正してローカル時刻を更新する。

また、ＵＤＰ（User Datagram Protocol）通信や特定小電力無線で用いられる１対多の同時通信などにより、基準局装置から複数のローカル局装置に時刻データをブロードキャスト送信するようなシステムもある。図１４は、基準局装置から複数のローカル局装置にデータをブロードキャスト送信したときの基準局装置およびローカル局装置における時刻の例を模式的に示す。基準局装置は時刻ｔ０に時刻データをブロードキャスト送信する。あるローカル局装置（図中の「ローカル局Ｂ」）が時刻データを受信して内部での処理が完了する時刻をｔ１、別のローカル局装置（図中の「ローカル局Ａ」）が時刻データを受信して内部で処理が完了する時刻をｔ２とすると、基準局装置の内部処理の状態および各ローカル局装置の内部処理の状態などによりｔ０およびｔ１とｔ２にずれが生じる。

また、専用の通信回線を設けて時刻同期を行うシステムもある。さらに、専用回線にサンプリングクロックを分配するシステムもある。

特開２００７−１７４６７６号公報

基準局装置とローカル局装置との時刻同期処理においてＮＴＰ(Network Time Protocol）では数十バイトのデータ長となり、またその他の時刻情報のやり取りにおいても年月日日時を含み時間分解能をミリ秒単位以下等の分解能に上げれば時刻設定であることを判定すために付加される命令等も含めて十数バイト以上のデータ長の時刻データの送受信が発生することがある。データ長が長いことにより、通信デバイスの処理によるデータの分割送信が発生し遅延時間がばらついたり、データの誤り率が高くなり再送要求が発生したり、基準局装置とローカル局装置の内部処理時間が大きくなったりばらついたりする。また、データ通信の信頼性が低かったり、時刻同期のための通信データ量が多い場合、基準局装置からローカル局装置へ時刻データを送信してからローカル局装置が受信した時刻データを内部で処理するまでに要する時間が計測のサンプリング周期に比べて大きいと、データ取得時刻に誤差が発生してしまう。例えば、振動検知システムではサンプリング周期が１ｍｓ〜１０ｍｓ程度であるため、基準局装置とローカル局装置との時刻同期処理はそれよりも短い時間で行う必要があるか、または送受信遅延時間をあらかじめ求め、基準局装置とローカル局装置に設定して補正を行う必要がある。

上記問題に鑑み、本発明は、多点計測システムにおけるローカル局装置に低消費電力のＭＰＵ（Micro Processor Unit）や通信デバイスを用いて装置全体の省電力化を図りつつ基準局装置とローカル局装置との間で高精度な時刻同期を実現することを課題とする。

本発明の一局面に従った多点計測システムは、基準時刻値を持つ基準局装置と、センシング装置を有し、ローカル時刻値を持つ複数のローカル局装置とを備えており、前記基準局装置が、前記ローカル時刻値を初期化または記憶するための命令を前記ローカル局装置に送信し、その後、前記ローカル時刻値を更新すべきタイミングを決定して前記タイミングに対応する前記基準時刻値を表す修正値を前記ローカル局装置に送信するように構成されており、前記ローカル局装置が、前記命令を受信して前記ローカル時刻値をゼロに初期化または前記命令を受信したときの前記ローカル時刻値を記憶し、その後、前記修正値を受信して前記ローカル時刻値が前記タイミングに対応する値になったときに前記ローカル時刻値を前記修正値に更新するように時刻同期を行う。

これによると、命令を短いデータ長（例えば、１〜数バイト程度）のデータとすることで、基準局装置とローカル局装置との間の送受信遅延時間を小さくすることができるため、基準局装置のデータ送信からごくわずかな時間差でローカル局装置のローカル時刻値を初期化または記憶することができる。その後、ローカル局装置が基準局装置から修正値を受信してローカル時刻値を修正することで、ローカル時刻値を基準時刻値に高精度に同期させることができる。

前記ローカル局装置が、前記命令を受信すると直ちに応答となる命令を前記基準局装置に返送するように構成されており、前記基準局装置が、前記ローカル局装置との間で前記命令の送受信を連続して繰り返し行って、前記ローカル局装置に前記命令を送信してから前記ローカル局装置から前記命令を受信するまでの送受信遅延時間を連続して繰り返し計測し、その後、前記送受信遅延時間が前記計測した最小値以下または前記連続して繰り返し計測した前記送受信遅延時間を昇順に順次所定回数比較した値以下になるまで前記ローカル局装置との間で前記命令の送受信を再び連続して繰り返し行い、最後に前記命令を送信または受信したタイミングに対応する前記基準時刻値および最後に計測した前記送受信遅延時間に基づいて前記修正値を算出するように構成されていてもよい。

また、前記基準局装置および前記ローカル局装置が、前記命令を送受信している期間中は前記時刻同期処理以外の処理を停止するように構成されていてもよい。

また、前記基準局装置および前記ローカル局装置は、前記送受信遅延時間を計測中はコネクションレス型プロトコルで通信し、それ以外はコネクション型プロトコルで通信してもよい。

また、前記時刻同期処理中は、前記ローカル局装置が、前記基準局装置から送信される前記命令を前記センシング装置のサンプリング周期よりも短い時間間隔で待ち受けるように構成されていてもよい。

また、前記ローカル局装置のいずれか一つが、トリガー開始命令を前記基準局装置に送信するように構成されており、前記基準局装置が、前記トリガー開始命令を受信して前記命令を前記ローカル局装置に送信するように構成されていてもよい。

また、前記基準局装置が、コネクションレス型プロトコル通信により前記命令を前記ローカル局装置に送信するように構成されていてもよい。

また、前記基準局装置が、基準ＲＴＣ（Real Time Clock）時刻値を保持するＲＴＣおよび前記基準時刻値を保持するタイマーを有しており、かつ、前記タイミングに対応する前記基準ＲＴＣ時刻値を表すＲＴＣ修正値を前記ローカル局装置に送信するように構成されており、前記ローカル局装置が、ローカルＲＴＣ時刻値を保持するＲＴＣおよび前記ローカル時刻値または相対時間を保持するタイマーを有しており、かつ、前記ＲＴＣ修正値を受信して前記ローカル時刻値または前記相対時間が前記タイミングに対応する値になったときに前記ローカルＲＴＣ時刻値を前記ＲＴＣ修正値に更新するように構成されていてもよい。

また、前記ローカル時刻値を更新すべきタイミングが、前記基準ＲＴＣ時刻値が変化するタイミングと一致するタイミングであってもよい。

また、前記基準局装置が、所定時間間隔で、前記ローカル局装置との間の時刻同期を自動で行うように構成されていてもよい。

本発明の別の局面に従った時刻同期方法は、基準時刻値を持つ基準局装置とローカル時刻値を持つ複数のローカル局装置とを備えた多点計測システムにおいて前記ローカル時刻値を前記基準時刻値に同期させる方法であって、前記基準局装置が、前記ローカル時刻値を初期化または記憶するための命令を前記ローカル局装置に送信するステップと、前記ローカル局装置が、前記命令を受信して前記ローカル時刻値をゼロに初期化または前記命令を受信したときの前記ローカル時刻値を記憶するステップと、前記基準局装置が、前記命令を送信した後、前記ローカル時刻値を更新すべきタイミングを決定して前記タイミングに対応する前記基準時刻値を表す修正値を前記ローカル局装置に送信するステップと、前記ローカル局装置が、前記ローカル時刻値を初期化または記憶した後、前記修正値を受信して前記ローカル時刻値が前記タイミングに対応する時刻値になったときに前記ローカル時刻値を前記修正値に更新するステップとを備えている。

前記修正値を送信するステップでは、前記基準局装置が、前記タイミングに対応する前記ローカル時刻値を表すタイミング値を前記ローカル局装置に送信し、前記ローカル時刻値を更新するステップでは、前記ローカル局装置が、前記タイミング値を受信し、前記ローカル時刻値が前記タイミング値になったときに前記ローカル時刻値を更新してもよい。

上記の多点計測システムまたは時刻同期方法において、前記命令は、時刻データよりも短いデータ長のデータ、前記センシング装置のサンプリング周期よりも短い時間で送受信可能なデータ長のデータ、および相手方装置を特定するＩＤを含むデータのいずれかであってもよい。

本発明によると、ローカル局装置に低消費電力のＭＰＵや通信デバイスを採用して装置全体の省電力化を図りつつ基準局装置とローカル局装置との間で高精度な時刻同期を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る多点計測システムの構成図 一例に係る基準局装置またはローカル局装置の構成図 ＰＣを基準局装置として用いたときの多点計測システムの構成図 マルチホップ通信に対応した多点計測システムの構成図 基準局装置およびローカル局装置における時刻とサンプリングタイミングの例を示す模式図 基準局装置およびローカル局装置における時刻とこれら装置間の通信の例を示す模式図 図５Ａの続きの図 基準局装置の動作例を示すフローチャート 図６Ａの続きの図 図６Ｂの続きの図 ローカル局装置の動作例を示すフローチャート 時刻同期後の基準局装置およびローカル局装置における時刻とカウントアップタイミングの例を示す模式図 ローカル局装置が電源オンまたはウェイクアップするときの基準局装置およびローカル局装置における時刻とカウントアップタイミングの例を示す模式図 相異なる箇所に設置されたローカル局装置でそれぞれ計測された加速度波形の例を示す図 基準局装置がトリガー開始命令を中継するときの基準局装置およびローカル局装置における時刻とこれら装置間の通信の例を示す模式図 データ取得後に時刻同期処理を行う場合の各装置の動作例を示すフローチャート 装置間の通信と送受信遅延時間の例を示す模式図 基準局装置から複数のローカル局装置にデータをブロードキャスト送信したときの基準局装置およびローカル局装置における時刻の例を示す模式図

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

≪多点計測システム≫
図１は、本発明の一実施形態に係る多点計測システムの構成を示す。本実施形態に係る多点計測システムは、基準局装置１０と複数のローカル局装置２０とを含んでいる。ローカル局装置２０は、センシング装置３０を備え、設置地点の任意の物理量を計測可能になっている。基準局装置１０が同様のセンシング装置３０を備えていてもよい。

基準局装置１０およびローカル局装置２０は相互に通信することができる。通信手段は、有線ＬＡＮ（Local Area Network）、無線ＬＡＮ、Bluetooth（登録商標）、ZigBee（登録商標）、特定小電力無線、ＰＬＣ（電力線搬送通信）などである。多点計測システム内でこれらの通信手段が混在していてもよい。

基準局装置１０およびローカル局装置２０は自装置内で時刻を計時している。すなわち、基準局装置１０は基準時刻値を持ち、ローカル局装置２０はローカル時刻値を持つ。

図２は、基準局装置１０またはローカル局装置２０の構成の一例を示す。通信デバイス１０１は上述の通信手段を提供する既存のデバイスである。通信デバイス１０１は、ＭＰＵ１０２が有する汎用的な通信インタフェースに対応する任意のデバイスと交換可能である。ＭＰＵ１０２が有する汎用的な通信インタフェースは、例えば、ＬＡＮ、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Tansmitter）、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、Ｉ^２Ｃ（Inter-Integreted Circuit、登録商標）、ＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）などである。

センシング装置３０は、センサー３１、センサー信号を増幅およびフィルタリング処理するアンプ＆フィルター３２、フィルタリング処理されたアナログ信号をデジタル値に変換するＡＤ変換器３３を含む。センサー３１は、例えば加速度センサー、温度センサー、電圧計などである。

ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）１０３は、センシング装置３０の補正値などを保持する。例えば、センサー３１が加速度センサーの場合、ＥＥＰＲＯＭ１０３は、センシング装置３０の出力を重力加速度を基準にした単位へ変換するための補正値を保持する。

ＲＡＭ（Random Access Memory）１０４は、センシング装置３０の出力を常時ループして記憶するための揮発性メモリである。ＲＡＭ１０４に記憶されたデータの中から、後述するトリガー条件により必要なセンサーデータが抽出される。記録部１０５は、センサーデータを保存するための不揮発性メモリである。記録部１０５として、ＥＥＰＲＯＭやＳＤカード（登録商標）などを用いることができる。

タイマー１０６およびＲＴＣ１０７は、自装置内の時刻を計時する計時手段である。タイマー１０６は装置が動作しているときに動作するのに対して、ＲＴＣ１０７は装置がスリープ状態や電源オフ状態にあっても時刻を計時し続けることができる。基準局装置１０のタイマー１０６およびＲＴＣ１０７は、それぞれ、基準カウント値および基準ＲＴＣ時刻値を計時する。ローカル局装置２０のタイマー１０６およびＲＴＣ１０７は、それぞれ、ローカルカウント値およびローカルＲＴＣ時刻値を計時する。ローカル局装置２０のタイマー１０６は、年月日まで保持しなくてもよく、時刻同期調整時だけの経過時間、つまり相対時間を保持してもよい。発振器１０８は、ＭＰＵ１０２、ＡＤ変換器３３、タイマー１０６、ＲＴＣ１０７などに動作クロック信号を供給する。

ＡＤ変換器３３がタイマーの役割をすることもある。例えば、ＡＤ変換器３３がデータ読み出し可能時にデータ出力イネーブル信号を発する場合、ＭＰＵ１０２はＡＤ変換器３３からイネーブル信号を受信するたびに割り込み処理を行うかまたはイネーブル信号の変化をモニターすることでＡＤ変換値を取得することができる。ＡＤ変換器３３がイネーブル信号をカウントするカウンター機能を有している場合、ＡＤ変換器３３をタイマーとして使用することができる。例えば、ＡＤ変換器３３のサンプリングレートを１００ＳＰＳ（samples per second）に設定することで１０ｍｓ間隔でカウントするタイマーが構成される。一方、ＡＤ変換器３３がカウンター機能を有していない場合、ＭＰＵ１０２内のタイマーがイネーブル信号の割り込み処理でカウントするようにしてもよい。

電源部１０９は、装置内の各部に電力を供給する。電源部１０９として外部電源や電池を用いることができる。上記以外に、基準局装置１０またはローカル局装置２０は、装置の状態などを表示するための表示部１１０や装置の各種設定をするための操作部１１１を備えている。

以上のように、基準局装置１０およびローカル局装置２０には基本的に同じ構成の装置を用いることができる。システム内のいずれの装置を基準局装置１０として用いるかは任意に決定することができる。例えば、操作部１１１を操作して、あるいは、ＰＣなどの外部装置を接続して、システム内の任意の装置を基準局装置１０に設定することができ、これをＥＥＰＲＯＭ１０３などへ記憶しておいて電源投入後にＥＥＰＲＯＭ１０３のデータから自装置が基準局装置かローカル局装置かの判定を行い所定の動作をする。

なお、基準局装置１０として用いる装置にはＧＰＳ装置や電波時計などを内蔵してもよい。

また、ＰＣを基準局装置１０として用いてもよい。図３Ａは、ＰＣを基準局装置１０として用いたときの多点計測システムの構成例を示す。この構成では、ＰＣ１２は接続された通信デバイス１０１を介してローカル局装置２０と通信する。また、ＰＣ１２は図示しないＧＰＳ装置や電波時計あるいはＮＴＰサーバに接続して正確な時刻情報を得るようにしてもよい。具体的には、ＰＣ１２はＮＴＰ、ＧＰＳ、電波時計などから正確な時刻情報を得て、その時刻値をＲＴＣ１０７にセットする。これにより、ＰＣ１２はＲＴＣ１０７から正確な基準時刻値を取得することができる。

また、図３Ｂは、マルチホップ通信に対応した多点計測システムの構成例を示す。この構成では、基準局装置１０をマスターノードとしてスレーブノードのローカル局装置２０群と時刻同期を行う。また、基準局装置１０から電波の届きにくい場所に設置されたローカル局装置２０群については、基準局装置１０は中継ノードのローカル局装置２０を介して電波の届きにくい場所に設置されたローカル局装置２０と時刻同期を行い、当該ローカル局装置２０をマスターノードとしてスレーブノードのその他のローカル局装置２０群と時刻同期を行う。ただし、この構成では、時刻同期処理が中継されるごとに同期誤差が蓄積するため、各装置間の時刻同期精度をより向上する必要がある。

図４は、多点計測システムにおける基準局装置１０およびローカル局装置２０における時刻とサンプリングタイミグの例を模式的に示す。図中の上矢印は、サンプリング周期が１０ｍｓであるときの各装置におけるサンプリングタイミングを表す。あるローカル局装置２０（図中の「ローカル局Ａ」）のローカル時刻は、基準局装置１０（図中の「基準局」）の基準時刻と年月日および時分までは一致しているが秒レベルで１サンプリング周期以内のずれが生じている。すなわち、このローカル局装置２０と基準局装置１０とでサンプリングタイミングがずれている。別のローカル局装置２０（図中の「ローカル局Ｂ」）は基準局装置１０とサンプリングタイミングが一致しているが、このローカル局装置２０のローカル時刻は基準時刻からサンプリング周期の整数倍だけずれている。具体的には基準時刻よりも０．０５秒遅れている。さらに別のローカル局装置２０（図中の「ローカル局Ｃ」）のローカル時刻は基準時刻と一致している。すなわち、このローカル局装置２０と基準局装置１０との間では理想的な時刻同期がとれている。

多点計測システムにおいてサンプリングタイミングとデータ取得時刻を各装置間で一致させることは、同一時刻でのセンサー信号間の相対評価をする上で非常に重要となる。よって、各装置における時刻はサンプリング周期の１／２未満の精度、さらにはサンプリング周期の５％以下の精度で互いに一致させる必要がある。本実施形態に係る多点計測システムでは下記の手法によりそのような時刻同期を達成することができる。

≪時刻同期処理≫
図５Ａ〜Ｂは、基準局装置１０およびローカル局装置２０における時刻とこれら装置間の通信の例を模式的に示す。図６Ａ〜Ｃは、基準局装置１０の動作例のフローを示す。図７は、ローカル局装置２０の動作例のフローを示す。以下、これら図面を参照しながら本実施形態に係る多点計測システムにおける時刻同期処理について説明する。なお、説明の便宜上、基準局装置１０およびローカル局装置２０は図２に示したような構成であり、ＡＤ変換器３３のサンプリング周期を１０ｍｓとする。タイマー１０６の計時周期はＡＤ変換器３３のサンプリング周期よりも短くし、好ましくはサンプリング周期の１／２、さらにはサンプリング周期の５％よりも短くする。ここでは、タイマー１０６の計時周期を１ｍｓとする。

まず、基準局装置１０は、ローカル時刻値を初期化または記憶するための命令（設定実行命令）をローカル局装置２０に送信する（図５Ａ中の＜１＞）。設定実行命令は時刻同期処理開始を表すものであり、時刻情報を含まない１〜数バイト程度のデータである。例えば、所定の文字や文字列、あるいは基準局装置１０やローカル局装置２０のＩＤ番号などを当該データに含めることができる。すなわち、設定実行命令中に相手方装置であるローカル局装置２０のＩＤを付加し、これによりターゲットとなるローカル局装置２０を指定してもよい。また、設定実行命令にターゲットとなるローカル局装置２０のＩＤを付加し、時間同期において、この特定されたローカル局装置２０しか反応しなくなるようにすれば、データ長は１バイトでもよい。あるいは、設定実行命令が１バイトデータであると他の命令やデータと間違えやすいので、設定実行命令のデータ長を長くしてもよい。

ローカル局装置２０は、基準局装置１０から送信された設定実行命令を受信して（図５Ａ中の＜２＞）、自身のタイマー１０６をゼロにセットして（図５Ａ中の＜３＞）、受信した命令に対する応答となる命令（設定完了命令）を基準局装置１０に返送する（図５Ａ中の＜４＞）。すなわち、ローカル局装置２０のタイマー１０６は、基準局装置１０から設定実行命令を受信するたびにゼロからカウントをし直す。

なお、タイマー１０６のゼロセットとして、タイマー１０６をリセットせずにそのときのカウント値をオフセット値として記憶しておいて、オフセット値を差し引いた値をタイマー１０６のカウント値として取得するようにしてもよい。

基準局装置１０は、ローカル局装置２０から返送された設定完了命令を受信すると（図５Ａ中の＜５＞）、設定実行命令の送信から設定完了命令の受信までに要した送受信遅延時間Δｔを計測する。具体的には、ローカル局装置２０に設定実行命令を送信したときの基準カウント値を表すｔｓとローカル局装置２０から設定完了命令を受信したときの基準カウント値を表すｔｒとの差分からΔｔを計測することができる。

上記のように基準局装置１０から短いデータ長の設定実行命令を送信することにより、基準局装置１０とローカル局装置２０との間での送受信遅延時間を極力短くして時刻同期精度を向上することができる。特に、設定実行命令の送受信遅延時間をサンプリング周期よりも短くすることができれば、時刻同期精度をサンプリング周期未満にすることができるため、より理想的な時刻同期が実現できる。

また、ローカル局装置２０が基準局装置１０から受信した設定実行命令に対する応答として同一データまたは同一データ長となる設定完了命令を返送することで、基準局装置１０からローカル局装置２０への通信時間とローカル局装置２０から基準局装置１０への通信時間とを同じにすることができるか、または同じにする確率を高めることができる。基準局装置１０が設定実行命令を送信してローカル局装置２０が当該設定実行命令を受信して内部的に処理するのに要する遅延時間は、基準局装置１０が設定実行命令を送信してからローカル局装置２０から返送された設定完了命令を受信するまでの送受信遅延時間の半分と予測されるため、基準局装置１０からローカル局装置２０への通信時間とローカル局装置２０から基準局装置１０への通信時間とを同一データまたは同一データ長の最小データの送受信により同じ通信時間になる確率を上げることで、上記遅延時間をより高精度に予測することができる。

Δｔの計測は複数回行う。すなわち、基準局装置１０とローカル局装置２０との間で命令の送受信を連続して繰り返し行って、Δｔを連続して繰り返し計測して配列変数Δｔ［ｉ］に格納する。これは、そのときどきの通信の輻輳状態や各装置の動作状態などに応じてΔｔが変動するからである。また、無線通信においては同一周波数電波の混信待ちを回避するキャリアセンス待ち時間によりΔｔが変動する。したがって、Δｔを有限時間内で複数回計測してその最小値を見つけることが望ましい。これは、通信デバイス１０１が交換可能であることから、装置の電源投入から測定開始までの時間を実用的な時間に限定する必要があるためである。

図５Ａ中の＜１＞〜＜５＞までの基準局装置１０の動作例のフローを図６Ａを参照して説明する。時刻同期処理が開始されると、各種パラメータが初期化される（Ｓ１０２）。ｎは基準局装置１０とローカル局装置２０との間での命令の送受信の繰り返し回数であり、例えばｎ＝１００に初期化される。ｉは繰り返しインデックスであり、ｉ＝０に初期化される。ｔｍｉｎは基準局装置１０とローカル局装置２０との間の送受信遅延時間の最小値（最小遅延時間）であり、ｔｍｉｎ＝０に初期化される。ｋは後述するように最小遅延時間の近傍を探索するためのインデックスであり、ｋ＝０に初期化される。

ｉがｎよりも小さいか判定され（Ｓ１０４）、ＹＥＳなら基準局装置１０の現在時刻値がｔｓにセットされ（Ｓ１０６）、ＮＯなら図６Ｂのフローに遷移する。その後、ローカル局装置２０に設定実行命令が送信され（Ｓ１０８）、ローカル局装置２０から返送された設定完了命令を受信したか判定され（Ｓ１１０）、ＹＥＳなら基準局装置１０の現在時刻値がｔｒにセットされ（Ｓ１１２）、Δｔ［ｉ］にｔｒとｔｓとの差分がセットされる（Ｓ１１４）。その後、ｉがインクリメントされて（Ｓ１１６）、ステップＳ１０４に戻る。

ローカル局装置２０からの設定完了命令の返送を待っている最中に（Ｓ１１０のＮＯ）、時刻同期処理の中止指令を判定してもよい（Ｓ１１８）。もし、中止指令があれば（Ｓ１１８のＹＥＳ）、ローカル局装置２０へ時刻同期中止のコマンドが送信され（Ｓ１２０）、時刻同期処理は終了する。中止指令がなければ（Ｓ１１８のＮＯ）、引き続きローカル局装置２０からの設定完了命令の返送を判定する（Ｓ１１０）。なお、この時刻同期処理の中止判定プロセスは、ローカル局装置２０から応答がない場合のタイムアウト判定や手動での中止処理などである。基準局装置１０は、タイムアウトを判定した場合、時間を置いて時刻同期をリトライしてもよい。また、Ｓ１１４とＳ１１６の間にΔｔ［ｉ］がサンプリング周期の１／２未満、さらにはサンプリング周期の５％以下といった所望の時刻同期精度を得るための値になったことを判定するステップを挿入し、ＹＥＳのとき図６Ｂのフローに遷移するようにしてもよい。

なお、図６Ａの動作例のフローではＳ１０６からＳ１１６までの処理を所定回数繰り返しているが、所定時間内で可能な限り多くの回数繰り返すようにしてもよい。

図５Ａ中の＜１＞〜＜５＞までのローカル局装置２０の動作例のフローを図７を参照して説明する。時刻同期処理が開始されると、基準局装置１０から設定実行命令を受信したか判定される（Ｓ２０２）。ＹＥＳならタイマー１０６がゼロにセットされ（Ｓ２０４）、受信した設定実行命令に対する応答である設定完了命令が基準局装置１０に返送される（Ｓ２０６）。

以上の処理は、基準局装置１０におけるタイマー１０６の基準カウント値ｔｓに対するローカル局装置２０におけるタイマー１０６の相対カウント値を最小の誤差で設定するのみであり、ローカル局装置２０のローカル時刻値を基準局装置１０の基準時刻値に同期させる処理は以下に述べる手順に従って行われる。

基準局装置１０とローカル局装置２０との間で命令の送受信を連続して繰り返し行ったならば、次に、基準局装置１０とローカル局装置２０との間の送受信遅延時間が計測したΔｔの最小値以下またはそれに近い値になるまで、基準局装置１０とローカル局装置２０との間で命令の送受信を再び連続して繰り返し行う。すなわち、ローカル局装置２０のタイマー１０６のカウント状態を、基準局装置１０とローカル局装置２０との間で最小遅延時間で設定実行命令が送受信できたときの状態に再設定する。

このときの基準局装置１０の動作例のフローを図６Ｂを参照して説明する。まず、Δｔが昇順にソートされる（Ｓ１２２）。例えば、Δｔ［０］＝１００、Δｔ［１］＝２００、Δｔ［２］＝５０、…、Δｔ［５０］＝１０、…、Δｔ［９９］＝３２４という結果を得たとする。この場合、昇順ソートによって、例えば、Δｔ［０］＝２、Δｔ［１］＝１０、Δｔ［２］＝２５、…、Δｔ［５０］＝１００、…、Δｔ［９９］＝５２６に変化する。ｉがｉ＝０に初期化され（Ｓ１２４）、ｉがｎよりも小さいか判定され（Ｓ１２６）、ＹＥＳなら基準局装置１０の現在時刻値がｔｓにセットされる（Ｓ１２８）。その後、ローカル局装置２０に設定実行命令が送信され（Ｓ１３０）、ローカル局装置２０から返送された設定完了命令を受信したか判定され（Ｓ１３２）、ＹＥＳなら基準局装置１０の現在時刻値がｔｒにセットされ（Ｓ１３４）、ｔｍｉｎにｔｒとｔｓとの差分がセットされる（Ｓ１３６）。そして、ｔｍｉｎとΔｔ［ｋ］との大小が比較され（Ｓ１３８）、もしｔｍｉｎがΔｔ［ｋ］よりも大きければ（Ｓ１３８のＮＯ）、ｉがインクリメントされて（Ｓ１４０）、ステップＳ１２６に戻る。一方、もしｔｍｉｎがΔｔ［ｋ］以下であれば（Ｓ１３８のＹＥＳ）、ループ処理を中止して図６Ｃのフローに遷移する。

ｉ＝１００になるまで上記処理をループしてもｔｍｉｎがΔｔ［ｋ］以下にならなければ（Ｓ１２６のＮＯ）、ｋがインクリメントされ（Ｓ１４２）、ｋがｎ以上か判定され（Ｓ１４４）、ＮＯならばステップＳ１２４に戻る。すなわち、ｔｍｉｎが次に小さなΔｔ以下になるまで上記処理をループする。昇順に所定回数ごとに判定値を変更する理由は、昇順変更後の最小値Δｔ［０］を得た通信状態から、電波環境や通信環境の変化などのなんらかの理由により最小値を得た状態を再現できないことに対応した処理であり、時刻同期精度を順次落としても時刻同期の実行完了を実用的な有限の時間内に終えることによる。

ローカル局装置２０からの設定完了命令の返送を待っている最中に（Ｓ１３２のＮＯ）、時刻同期処理の中止指令を判定してもよい（Ｓ１４６）。もし、中止指令があれば（Ｓ１４６のＹＥＳ）、ローカル局装置２０へ時刻同期中止のコマンドが送信され（Ｓ１４８）、時刻同期処理は終了する。中止指令がなければ（Ｓ１４６のＮＯ）、引き続きローカル局装置２０からの設定完了命令の返送を判定する（Ｓ１３２）。また、ｋ＝１００になった場合も（Ｓ１４４のＮＯ）、ローカル局装置２０へ時刻同期中止のコマンドが送信され（Ｓ１４８）、時刻同期処理は終了する。

なお、図６Ｂの動作例のフローではｋをインクリメントしてｔｍｉｎが次に小さなΔｔ以下になるまで処理をループしているが、ｔｍｉｎがΔｔ［０］以下にならなければ時刻同期処理を中止するようにしてもよい。

最小遅延時間ｔｍｉｎが特定できたならば、次に、基準局装置１０はローカル局装置２０のローカル時刻値を更新すべきタイミングを決定してそのタイミングに対応する基準時刻値を表す修正値をローカル局装置２０に送信する。ローカル局装置２０は修正値を受信してローカル時刻値が当該タイミングに対応する値になったときにローカル時刻値を修正値に更新する。

基準局装置１０は、ローカル局装置２０のタイマー１０６がゼロにセットされたときの自身のタイマ―１０６の基準カウント値ｔｂを正確に知ることはできないが、基準局装置１０とローカル局装置２０との間で均等に通信遅延が発生していると仮定すると、ｔｂ＝ｔｓ＋ｔｍｉｎ／２またはｔｂ＝ｔｒ−ｔｍｉｎ／２と予測できる。したがって、ローカル局装置２０のタイマー１０６のローカルカウント値がｔｘになったときの基準局装置１０のタイマー１０６の基準カウント値は、ｔｅ＝ｔｂ＋ｔｘ＝ｔｓ＋ｔｍｉｎ／２＋ｔｘ、またはｔｅ＝ｔｒ−ｔｍｉｎ／２＋ｔｘになると予測できる。そこで、基準局装置１０は、ｔｅよりも前の適当なタイミング、すなわち、基準カウント値がｔ０および基準ＲＴＣ時刻値がＴＤのときに、ｔｘ、ｔｅ、およびｔｅに対応する基準ＲＴＣ時刻値ＴＤ’（＝ＴＤ＋ｔｅ−ｔ０）を修正値としてローカル局装置２０に送信する（図５Ｂ中の＜１０＞）。なお、ＴＤ’は、基準カウント値がｔｓまたはｔｒのときの基準ＲＴＣ時刻値から計算することもできる。

ローカル局装置２０は、基準局装置１０から送信された修正値を受信して（図５Ｂ中の＜１１＞）、自身のタイマー１０６のローカルカウント値がｔｘになったときにタイマー１０６のローカルカウント値をｔｅに更新するとともに自身のＲＴＣ１０７のローカルＲＴＣ時刻値をＴＤ’に更新する（図５Ｂ中の＜１２＞）。また、ローカル局装置２０は、このタイミングで必要に応じて自身のＡＤ変換器３３（図２を参照）のサンプリングタイミングをリセットする。これにより、ローカル局装置２０において時刻同期が完了する。その後、ローカル局装置２０は、基準局装置１０に時刻同期が完了したこと通知し（図５Ｂ中の＜１３＞）、基準局装置１０は当該通知を受けてローカル局装置２０において時刻同期が完了したことを知ることができる（図５Ｂ中の＜１４＞）。

このようにタイマー１０６とＲＴＣ１０７を別々に取り扱うのは、ＲＴＣ１０７のカウントアップタイミングは通常１秒間隔であり、そのようなＲＴＣ１０７からは時間分解能の高いサンプリングタイミングや時刻同期を取得や設定できないからである。また、もし時刻同期に失敗した場合、ローカル局装置２０のローカルＲＴＣ時刻値がでたらめになってしまうおそれがあるからである。したがって、ローカル局装置２０が基準局装置１０に送信する時刻同期完了通知にローカルＲＴＣ時刻値を含めてもよい。これにより、基準局装置１０はローカル局装置２０の時刻同期が成功したか否かを知ることができる。さらに、基準局装置１０は、時刻同期が失敗したと判断した場合には、同じローカル局装置２０との間で時刻同期処理を再度実施することができる。

図５Ｂ中の＜１０＞〜＜１４＞までの基準局装置１０の動作例のフローを図６Ｃを参照して説明する。まず、ローカル局装置２０に送信される修正値が計算され（Ｓ１５０）、ローカル局装置２０に計算された修正値が送信される（Ｓ１５２）。その後、ローカル局装置２０から同期完了の通知を受信したか判定され（Ｓ１５４）、ＹＥＳなら時刻同期処理は終了する。

ローカル局装置２０からの同期完了通知待ちの最中に（Ｓ１５４のＮＯ）、時刻同期処理の中止指令を判定してもよい（Ｓ１５６）。もし、中止指令があれば（Ｓ１５６のＹＥＳ）、ローカル局装置２０へ時刻同期中止のコマンドが送信され（Ｓ１５８）、時刻同期処理は終了する。中止指令がなければ（Ｓ１５６のＮＯ）、引き続きローカル局装置２０からの同期完了通知を判定する（Ｓ１５４）。

なお、図６Ｃの動作例のフローではローカル局装置２０にｔｘが送信されるが、ｔｘをあらかじめ定めておいて基準局装置１０およびローカル局装置２０に記憶しておいてもよい。これにより、ｔｘを送信する必要がなくなり、修正値送信やパラメータ演算を簡略化することができる。

図８は、時刻同期後の基準局装置１０およびローカル局装置２０における時刻とカウントアップタイミングの例を模式的に示す。図中の上矢印は、カウントアップタイミングを示す。本実施形態に係る時刻同期処理によると、基準局装置１０とローカル局装置２０との間でタイマー１０６およびＲＴＣ１０７のカウントアップタイミングを一致させることができ、高精度な時刻同期が達成される。

基準局装置１０は、所定時間間隔でローカル局装置２０との間の時刻同期を自動で行ってもよい。当該所定時間は、ローカル局装置２０の計時精度に基づき、前回の時刻同期調整終了後から、基準局装置１０との計時誤差が許容範囲を超えるかもしれないような経過時間とする。これにより、基準局装置１０の基準時刻に対するローカル局装置２０のローカル時刻のずれを常に許容範囲内に収めることができ、高精度な時刻同期を維持することができる。

本実施形態に係る時刻同期処理においてｔｘは任意に設定することができるが、ローカル局装置２０が修正値を受信したときの基準カウント値をｔ１（図５Ｂを参照）とすると、ｔｘはｔ１−ｔｂよりも大きく、かつ、ローカル局装置２０において修正値を受信してから実際にタイマー１０６およびＲＴＣ１０７を更新するまでに十分な処理時間を確保した値であることが好ましい。例えば、ｔｘは、ローカル局装置２０における通信デバイス１０１（図２を参照）の持つ性能上の最大遅延時間よりも大きい値にしてもよいし、Δｔの最大値、例えば、ソート済みのΔｔ［９９］の所定倍数にしてもよい。これにより、ローカル局装置２０に低消費電力で比較的動作の遅いＭＰＵ１０２（図２を参照）が用いられていても、ＭＰＵ１０２の性能に依らずに高精度な時刻同期を達成することができる。

ＲＴＣ１０７に対する時刻値の読み出しおよび書き込みが例えば１秒単位でしか行えないような場合には、ｔｘを基準ＲＴＣ時刻値が変化するタイミングに一致させてもよい。これにより、時刻同期後のＲＴＣ時刻値とタイマーカウント値のカウントアップタイミングを一致させることができる。逆に、ＲＴＣ１０７の計時周期がサンプリング周期よりも十分に短ければ、基準局装置１０およびローカル局装置２０はタイマー１０６を備える必要はなく、ＲＴＣ時刻値を用いて基準局装置１０とローカル局装置２０との間の送受信遅延時間の計測および修正値の算出を行うことができる。

基準局装置１０およびローカル局装置２０が時刻同期処理と同時に他の処理を行っていると、ＭＰＵ１０２においてタスク切り替えが頻発するだけではなく、通信が輻輳するおそれがある。特に装置全体の省電力化のために低消費電力のＭＰＵ１０２を用いることが多いが、そのようなＭＰＵ１０２は処理能力が低いため、時刻同期の割り込み処理が発生しても他のタスクの保存や復帰に時間を要して時刻同期精度が低下してしまう。一方、時刻同期の割り込み処理を頻繁にモニタリングすると、ＡＤ変換値の読み出しや、演算、データ保存などの他の処理が遅れるおそれがある。そこで、基準局装置１０とローカル局装置２０との間の送受信遅延時間の計測期間中（図５Ａおよび図５Ｂ中の＜１＞〜＜５＞の処理中）は基準局装置１０およびローカル局装置２０において他の処理を停止することが好ましい。例えば、基準局装置１０としてＰＣを用いている場合、マルチタスクＯＳにおける他の処理を停止して時刻同期のみ処理させるようにしてもよい。あるいは、ＭＰＵ１０２、タイマー１０６、ＡＤ変換器３３などが高速動作モードと低速動作モードの切り替えが可能であれば、一時的に消費電力が増大するが、時刻同期調整中にこれらを高速動作モードで動作させてもよい。

上記のように基準局装置１０とローカル局装置２０との間の送受信遅延時間の計測期間中に他の処理を停止することで、ＭＰＵ１０２やＯＳにおけるタスク切り替えによる待ち時間や通信の輻輳による不確定な通信待ち時間を排除することができる。これにより、より短い送受信遅延時間を求めることができる。

基準局装置１０およびローカル局装置２０は、省電力化のために電源の自動オフやスリープ機能を有する場合がある。装置が電源オフまたはスリープした場合、ＲＴＣ１０７以外のタイマー機能が停止する。その後、装置が電源オンまたはウェイクアップしたときにタイマー１０６などのカウント値が消去されていることがある。このような場合、装置が電源オンまたはウェイクアップしたときにＲＴＣ１０７を基準にしてタイマー１０６などのカウント値を復旧させる必要がある。

図９は、ローカル局装置２０が電源オンまたはウェイクアップするときの基準局装置１０およびローカル局装置２０における時刻とカウントアップタイミングの例を模式的に示す。ローカル局装置２０が電源オフまたはスリープ中はタイマー１０６は停止しており、ＲＴＣ１０７のみ動作している。ここで、基準局装置１０とローカル局装置２０との間で一旦時刻同期を行っていれば、しばらくの間はこれら装置間でＲＴＣ１０７は同じ時刻を計時し続ける。ローカル局装置２０が電源オンまたはウェイクアップするとタイマー１０６が動作を始めるが、そのカウントアップタイミングは基準局装置１０のタイマー１０６のカウントアップタイミングとずれていることがある。したがって、ローカル局装置２０は、電源オンまたはウェイクアップ後に自身のＲＴＣ１０７の時間遷移を監視し、ＲＴＣ１０７のローカルＲＴＣ時刻値が変化するタイミングで自身のタイマ―１０６に適正な値を設定する。これにより、ローカル局装置２０が電源オンまたはウェイクアップした後に、ローカル局装置２０のタイマー１０６のカウントアップタイミングを基準局装置１０のタイマー１０６のカウントアップタイミングに一致させて、ローカル時刻値を電源オフまたはスリープ前の状態に復旧することができる。

図１や図３Ａに示したように、ローカル局装置２０が複数存在する場合には、基準局装置１０は各ローカル局装置２０と１対１で通信を行って順番に時刻同期をしてもよいし、複数のローカル局装置２０に時刻同期処理開始を表す短いデータ長の設定実行命令をブロードキャスト送信してもよい。すなわち、インターネットなどで用いられるＵＤＰや特定小電力無線で用いられる１対多の同時通信などのコネクションレス型プロトコル通信により、複数のローカル局装置２０に一斉に設定実行命令を送信してもよい。

基準局装置１０から複数のローカル局装置２０に比較的データ量の大きい時刻データをブロードキャスト送信すると、データが分割送信されたり、ルーターなどの中継局や未知の通信デバイスの内部処理などの各種時間遅延要因により、各ローカル局装置２０へのデータ到達時間のばらつきが大きくなる。図１４の例ではｔ１とｔ２のずれが大きくなる。また、基準局装置１０におけるデータ処理からデータ送信までに要する時間も比較的長くなり、基準局装置１０とローカル局装置２０との間の時刻のずれが大きくなる。図１４の例ではｔ０とｔ１のずれ、およびｔ０とｔ２のずれが大きくなる。基準局装置１０がローカル局装置２０と同様に低消費電力で比較的動作の遅いＭＰＵを搭載している場合には時刻のずれはより大きくなる。

これに対して、本実施形態では基準局装置１０からブロードキャストする設定実行命令のデータ長を極力短くしているため、基準局装置１０から各ローカル局装置２０への設定実行命令の到達時間が短くなる。これにより、図１４の例において、ｔ０とｔ１のずれ、およびｔ０とｔ２のずれが小さくなり、また、ｔ１とｔ２のずれも小さくなり、基準局装置１０とローカル局装置２０との間の時刻同期精度が向上する。さらに、基準局装置１０が設定実行命令をブロードキャスト送信してから各ローカル局装置２０がそれを受信して内部で処理するまでに要する時間（図１４の例ではｔ１−ｔ０およびｔ２−ｔ０）を各装置のサンプリング周期よりも短くすることが好ましい。これにより、基準局装置１０とローカル局装置２０との間でサンプリング周期未満の誤差で時刻同期を達成することができる。

ブロードキャスト送信はコネクションレス型プロトコル通信であるため、受信側からの応答は必要なく、また、再送処理も発生しない。このため、信頼性は低いものの高速なデータ伝送が可能である。本実施形態において基準局装置１０から時刻同期処理開始を表す短いデータ長の設定実行命令をブロードキャスト送信する場合、各ローカル局装置２０は当該設定実行命令を受信して自身のタイマー１０６をゼロにセットする。その後、図５Ｂ中の＜１０＞〜＜１１＞のように、基準局装置１０はローカル局装置２０のローカル時刻値を更新すべきタイミングを決定してそのタイミングに対応する基準時刻値を表す修正値を個別にローカル局装置２０に送信し、ローカル局装置２０は修正値を受信してローカル時刻値が当該タイミングに対応する値になったときにローカル時刻値を修正値に更新する。さらに、図５Ｂ中の＜１３＞〜＜１４＞のように、ローカル局装置２０は、基準局装置１０に時刻同期が完了したこと通知し、基準局装置１０は当該通知を受けてローカル局装置２０において時刻同期が完了したことを知ることができる。

なお、図５Ｂ中の＜１０＞以降の処理、すなわち、修正値の送信および同期完了の通知では、それまでのコネクションレス型プロトコル通信からＴＣＰ／ＩＰなどのコネクション型プロトコル通信に切り替えてもよい。これにより、ローカル局装置２０のタイマー１０６のゼロセットでは通信遅延を短くすることが優先され、その後の修正値の送信および同期完了の通信では通信の信頼性が優先されるため、より高精度な時刻同期を達成することができる。

≪振動検知システムへの応用例≫
次に、本実施形態に係る多点計測システムを振動検地システムに応用した例を説明する。振動検知システムは、建築物や土木構造物の柱、梁、壁などに加速度センサーを設置して、地震などによる振動が生じた場合に所定期間、その振動の履歴情報を記録するようにしたシステムである。図１や図３Ａに示した本実施形態に係る多点計測システムにおいて、センシング装置３０として加速度センサーを搭載した基準局装置１０およびローカル局装置２０を対象物の任意の箇所に設置することで振動検知システムを構築することができる。特に、図３Ａに示したように、基準局装置１０にＰＣを用いた場合、対象物の揺れをリアルタイムにモニターすることができる。

振動検知システムでは、基準局装置１０およびローカル局装置２０において所定のトリガー条件が設定され、この条件に合致したときに加速度波形を所定時間記録するようになっている。トリガーとは、検知した加速度の大きさが閾値に達したときに記録を開始して所定時間後に所定範囲のデータを保存する機能のことである。すべての期間のデータを保存するには膨大な記憶容量と消費電力が必要になるため、装置を小型化し電池駆動を可能にするためにトリガー条件が設定される。

図１０は、相異なる箇所に設置されたローカル局装置２０でそれぞれ計測された加速度波形の例を示す。トリガーレベルは例えば１０ｇａｌである。あるローカル局装置２０（図中の「ローカル局Ａ」）では、時刻ｔ１０に設置箇所の加速度がトリガーレベルを超えることで加速度の記録が開始され、所定時間後の時刻ｔ１２に記録が終了する。一方、別のローカル局装置２０（図中の「ローカル局Ｂ」）では、時刻ｔ１０では設置箇所の加速度はトリガーレベルを超えておらず、時刻ｔｚになってトリガーが発生している。

このように、ローカル局装置２０が設置された箇所によって振動が異なることによりすべてのローカル局装置２０でトリガー条件が一致せずに、同一時間内の対象物の多点同時計測データの比較ができなくなってしまうことがある。また、たとえトリガー条件が一致したとしても各装置の時刻値がずれていると多点同時計測の信頼性が低下する。特に、ローカル局装置２０には比較的精度が低い低消費電力の発振器１０８（図２を参照）が用いられることが多いため、時刻同期を実施しても時間とともに時刻のずれが大きくなる。

そこで、振動検知システムにおいて、基準局装置１０をシステム全体のトリガーを決定するトリガーマスターとして指定し、トリガーマスターにおいてトリガーが発生したときにトリガーマスターからすべてのローカル局装置２０にトリガー開始命令を一斉に送信するとよい。あるいは、振動検知システムにおけるいずれか一つのローカル局装置２０をトリガーマスターとして指定し、基準局装置１０を中継局として用いて、基準局装置１０がトリガーマスターからのトリガー開始命令を中継してトリガーマスターを含むすべてのローカル局装置２０にトリガー開始命令を一斉に送信してもよい。いずれの場合も、上述したように基準局装置１０から設定実行命令をブロードキャスト送信する形態を応用することができる。基準局装置１０はトリガー判定をするだけであれば、ローカル局装置２０と同じ構成にしてもよい。

なお、トリガーマスターから送信したトリガー開始命令が各ローカル局装置２０に受信されるまでの通信遅延をできるだけ小さくするために、トリガー開始命令は時刻同期処理開始を表す設定実行命令と同様にできるだけデータ長の短いデータであることが好ましい。

また、各装置が無線通信する場合、中継する基準局装置１０は、すべてのローカル局装置２０との間で良好な無線通信ができるように電波状態のよい箇所に設置することが好ましい。

図１１は、基準局装置１０がトリガー開始命令を中継するときの基準局装置１０およびローカル局装置２０における時刻とこれら装置間の通信の例を模式的に示す。まず、トリガーマスターに指定されているローカル局装置２０（図中の「ローカル局Ａ」）においてトリガーが発生し、トリガーマスターから基準局装置１０（図中の「中継局」）にトリガー開始命令が送信される（図中の＜１＞）。なお、トリガーマスターに指定されているか否かは、例えば、ＥＥＰＲＯＭ１０３（図２を参照）などに保存されている。基準局装置１０は、トリガー開始命令を受信して（図中の＜２＞）、ＵＤＰなどのコネクションレス型プロトコル通信にてトリガーマスターを含むすべてのローカル局装置２０にトリガー開始命令をブロードキャスト送信する（図中の＜３＞）。このトリガー開始命令として設定実行命令を送信してもよい。各ローカル局装置２０は、トリガー開始命令を受信すると、その受信時刻をトリガーポイントと定める（図中の＜４＞）。また、基準局装置１０やローカル局装置２０の通信遅延時間が既知であれば、その時間分遡った時刻をトリガーポイントと定めてもよい。また、同時に外部（中継局）からのトリガー開始命令であることをパラメータに保持してもよい。

トリガーマスターにおいてトリガー発生から所定時間が経過すると記録が終了する（図中の＜５＞）。ここで、すべてのローカル局装置２０でトリガーポイントが一致しているため、別のローカル局装置２０（図中の「ローカル局Ｂ」）においても記録が終了する。その後、トリガーマスターは基準局装置１０に記録終了通知を送信する（図中の＜６＞）。この通知にはトリガーマスターのローカル時刻値が含まれていてもよい。基準局装置１０は記録終了通知を受信して（図中の＜７＞）、基準時刻値をすべてのローカル局装置２０にブロードキャスト送信する（図中の＜８＞）。この基準時刻値は、記録開始時の基準時刻値または記録終了時の基準時刻値のいずれでもよい。各ローカル局装置２０は基準時刻値を受信してローカル時刻値を修正し（図中の＜９＞）、データ保存範囲を確定して（図中の＜１０＞）、修正したローカル時刻値および外部トリガーであるパラメータをセンサーデータに付加して記録部１０５（図２を参照）にセンサーデータを保存する（図中の＜１１＞）。ここで、ローカル局装置２０においてローカル時刻値は修正しなくてもよい。なぜならば図中の＜４＞および＜５＞のタイミングは各ローカル局装置２０で管理可能であり、データ保存範囲はトリガーマスターと同一範囲であることを前提に考えると、トリガーマスターから送信された時間情報を付加してデータ保存すればよいからである。

トリガーレベルは地震波のＳ波を検出できる大きさに設定しているため、Ｐ波が到達してもトリガーが発生せずにＰ波の計測結果が保存されないおそれがある。そこで、ローカル局装置２０がプリトリガー機能を有する場合には、計測値が一時的に記憶されているＲＡＭ１０４（図２を参照）においてトリガーポイントからプリトリガーとして設定された時間だけ遡った時刻からのセンサーデータを取得する。

なお、図１１中の＜１＞〜＜４＞の通信において通信障害などにより動作不全が発生した場合には、すべてのローカル局装置２０でトリガーポイントを一致させる必要はなく、各ローカル局装置２０で発生したトリガーに従ってセンサーデータを記録するとよい。これは、各ローカル局装置２０のトリガーを一致させることよりもデータの取り逃しを防止することの方が優先されるからである。

また、図１１中の＜６＞〜＜９＞の通信はなくてもよい。これは、各ローカル局装置２０の間でＲＴＣ時刻値が多少ずれていても、各ローカル局装置２０がトリガー開始命令が外部からのものであること示すパラメータをセンサーデータと一緒に保存・参照することで、外部のトリガー開始命令によって保存されたセンサーデータであると判断できるからである。

また、図１１中の＜８＞〜＜９＞の通信は余裕のある時間に行うことが好ましい。これは、各ローカル局装置２０で記録終了時刻に多少のずれが生じることがあり、そのずれの影響を排除するためである。

また、トリガーマスターとして処理能力の高いＰＣを用いた場合は、各ローカル局装置２０から記録終了（図１１中の＜５＞）を個別に受信し、図１１中の＜８＞〜＜１１＞の処理を個別に行ってもよい。

ローカル局装置２０において通信デバイス１０１（図２を参照）の受信待機電力が小さければ通信デバイス１０１の電源をオンのままにしておいて、基準局装置１０と常時通信ができる状態にしておいてもよい。しかし、通信デバイス１０１の消費電力が大きい場合、電池駆動のローカル局装置２０を用いて地震などを長期に亘って観測する上で、通信デバイス１０１の受信待機電力をいかに低減するかが重要な課題となる。そこで、ローカル局装置２０において通信デバイス１０１の電源を常時オフしておき、振動を検知したときにのみ通信デバイス１０１の電源をオンし、データを取得した後に再び通信デバイス１０１の電源をオフするようにするとよい。一方、中継局として機能する基準局装置１０には商用電源を供給し、さらに必要に応じてバックアップバッテリーを設け、通信デバイス１０１を常時電源オンの状態にしておく。トリガーマスターに指定されたローカル局装置２０は通信デバイス１０１の電源がオンしてから所定時間後に基準局装置１０と通信する。所定時間待つ理由はすべてのローカル局装置２０において通信デバイス１０１の電源がオンするのを待つためである。

なお、トリガーマスターに指定されたローカル局装置２０は地面などに設置することで、地震のみに反応して通信デバイス１０１の電源をオンすることができる。その他のローカル局装置２０は、トリガーマスターの設置箇所よりも必ず大きな振動が検知される箇所、例えば建築物の１階から最上階に設置することが好ましい。また、基準局装置１０が加速度センサーを有していれば、振動を検知したときにのみ通信デバイス１０１の電源をオンするようにしてもよい。地震を観測する場合、基準局装置１０も地面などに設置するとよい。

省電力化を図るローカル局装置２０ではデータ取得後に時刻同期処理を行ってもよい。例えば、上述したように基準局装置１０が所定時間間隔でローカル局装置２０との時刻同期を自動で行う場合でも、トリガー中やデータ取得中はローカル局装置２０は時刻同期処理を行わずにデータ取得後に時刻同期処理を行ってもよい。図１２は、データ取得後に時刻同期処理を行う場合の各装置の動作例のフローを示す。基準局装置１０（図中の「中継局」）またはトリガーマスターに指定されたローカル局装置２０（図中の「トリガーマスター」）において、振動が検知されると（Ｓ３０２）、通信デバイス１０１の電源がオンにされ（Ｓ３０４）、その後、その他のローカル局装置２０における通信デバイス１０１の電源がオンになるで所定時間待ちをする（Ｓ３０６）。一方、その他のローカル局装置２０（図中の「ローカル局」）において、振動が検知されると（Ｓ４０２）、通信デバイス１０１の電源はオフのままで振動データが取得され（Ｓ４０４）、データ取得後に通信デバイス１０１の電源がオンにされる（Ｓ４０６）。

なお、計測している加速度がトリガーレベルを超えたと判定することで振動を検知することができる。計測値とトリガーレベルとの比較にはアナログコンパレータなどを用いて省電力化を図ってもよい。

基準局装置１０およびトリガーマスターのローカル局装置２０では所定時間待った後に、その他のローカル局装置２０では通信デバイス１０１の電源がオンにされてから、時刻同期処理が行われる（Ｓ３０８，Ｓ４０８）。時刻同期処理の具体例については上述したとおりである。その後、基準局装置１０およびトリガーマスターのローカル局装置２０では通信終了の判定処理が行われ（Ｓ３１０）、通信デバイス１０１の電源がオフにされる（Ｓ３１２）。なお、すべてのローカル局装置２０から計測データを受信したとき、通信終了と判定することができる。所定時間以上経っても計測データができなければタイムアウトして通信終了と判定してもよい。一方、その他のローカル局装置２０では通信デバイス１０１の電源がオフにされ（Ｓ４１０）、センサーデータにステップＳ４０８で時刻同期されたローカル時刻値がタイムスタンプとして付加されて記録部１０５に保存される（Ｓ４１２）。

このように、基準局装置１０とローカル局装置２０との間の時刻同期処理は、各ローカル局装置２０において振動データを取得してから当該データを記録部１０５に保存する前に行ってもよい。

なお、ローカル局装置２０に時刻同期処理や外部との通信を行うＭＰＵと計測用のＭＰＵとを別々に設けてもよい。１個の高速のＭＰＵにすべての処理をさせるよりも、２個のＭＰＵで各処理を分担させた方が装置全体を低消費電力化することができる。

本発明に係る多点計測システムは、基準局装置とローカル局装置との間で高精度な時刻同期を実現することができるため、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を応用した振動検知システムなどとして有用である。

１０ 基準局装置
２０ ローカル局装置
３０ センシング装置
１０６ タイマー
１０７ ＲＴＣ

Claims (14)

1. 基準時刻値を持つ基準局装置と、
   センシング装置を有し、ローカル時刻値を持つ複数のローカル局装置とを備え、
   前記基準局装置が、前記ローカル時刻値を初期化または記憶するための命令を前記ローカル局装置に送信し、その後、前記ローカル時刻値を更新すべきタイミングを決定して前記タイミングに対応する前記基準時刻値を表す修正値を前記ローカル局装置に送信するように構成されており、
   前記ローカル局装置が、前記命令を受信して前記ローカル時刻値をゼロに初期化または前記命令を受信したときの前記ローカル時刻値を記憶し、その後、前記修正値を受信して前記ローカル時刻値が前記タイミングに対応する値になったときに前記ローカル時刻値を前記修正値に更新するように時刻同期を行う
   ことを特徴とする多点計測システム。
2. 請求項１に記載の多点計測システムにおいて、
   前記ローカル局装置が、前記命令を受信すると直ちに応答となる命令を前記基準局装置に返送するように構成されており、
   前記基準局装置が、前記ローカル局装置との間で前記命令の送受信を連続して繰り返し行って、前記ローカル局装置に前記命令を送信してから前記ローカル局装置から前記命令を受信するまでの送受信遅延時間を連続して繰り返し計測し、その後、前記送受信遅延時間が前記計測した最小値以下または前記連続して繰り返し計測した前記送受信遅延時間を昇順に順次所定回数比較した値以下になるまで前記ローカル局装置との間で前記命令の送受信を再び連続して繰り返し行い、最後に前記命令を送信または受信したタイミングに対応する前記基準時刻値および最後に計測した前記送受信遅延時間に基づいて前記修正値を算出するように構成されている
   ことを特徴とする多点計測システム。
3. 請求項２に記載の多点計測システムにおいて、
   前記基準局装置および前記ローカル局装置が、前記命令を送受信している期間中は前記時刻同期処理以外の処理を停止するように構成されている
   ことを特徴とする多点計測システム。
4. 請求項２および３のいずれか一つに記載の多点計測システムにおいて、
   前記基準局装置および前記ローカル局装置は、前記送受信遅延時間を計測中はコネクションレス型プロトコルで通信し、それ以外はコネクション型プロトコルで通信する
   ことを特徴とする多点計測システム。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の多点計測システムにおいて、
   前記時刻同期処理中は、前記ローカル局装置が、前記基準局装置から送信される前記命令を前記センシング装置のサンプリング周期よりも短い時間間隔で待ち受けるように構成されている
   ことを特徴とする多点計測システム。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の多点計測システムにおいて、
   前記ローカル局装置のいずれか一つが、トリガー開始命令を前記基準局装置に送信するように構成されており、
   前記基準局装置が、前記トリガー開始命令を受信して前記命令を前記ローカル局装置に送信するように構成されている
   ことを特徴とする多点計測システム。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載の多点計測システムにおいて、
   前記基準局装置が、コネクションレス型プロトコル通信により前記命令を前記ローカル局装置に送信するように構成されている
   ことを特徴とする多点計測システム。
8. 請求項１から７のいずれか一つに記載の多点計測システムにおいて、
   前記基準局装置が、基準ＲＴＣ（Real Time Clock）時刻値を保持するＲＴＣおよび前記基準時刻値を保持するタイマーを有しており、かつ、前記タイミングに対応する前記基準ＲＴＣ時刻値を表すＲＴＣ修正値を前記ローカル局装置に送信するように構成されており、
   前記ローカル局装置が、ローカルＲＴＣ時刻値を保持するＲＴＣおよび前記ローカル時刻値または相対時間を保持するタイマーを有しており、かつ、前記ＲＴＣ修正値を受信して前記ローカル時刻値または前記相対時間が前記タイミングに対応する値になったときに前記ローカルＲＴＣ時刻値を前記ＲＴＣ修正値に更新するように構成されている
   ことを特徴とする多点計測システム。
9. 請求項８に記載の多点計測システムにおいて、
   前記ローカル時刻値を更新すべきタイミングが、前記基準ＲＴＣ時刻値が変化するタイミングと一致するタイミングである
   ことを特徴とする多点計測システム。
10. 請求項１から９のいずれか一つに記載の多点計測システムにおいて、
    前記命令は、時刻データよりも短いデータ長のデータ、前記センシング装置のサンプリング周期よりも短い時間で送受信可能なデータ長のデータ、および相手方装置を特定するＩＤを含むデータのいずれかである
    ことを特徴とする多点計測システム。
11. 請求項１からの１０のいずれか一つに記載の多点計測システムにおいて、
    前記基準局装置が、所定時間間隔で、前記ローカル局装置との間の時刻同期を自動で行うように構成されている
    ことを特徴とする多点計測システム。
12. 基準時刻値を持つ基準局装置とローカル時刻値を持つ複数のローカル局装置とを備えた多点計測システムにおいて前記ローカル時刻値を前記基準時刻値に同期させる方法であって、
    前記基準局装置が、前記ローカル時刻値を初期化または記憶するための命令を前記ローカル局装置に送信するステップと、
    前記ローカル局装置が、前記命令を受信して前記ローカル時刻値をゼロに初期化または前記命令を受信したときの前記ローカル時刻値を記憶するステップと、
    前記基準局装置が、前記命令を送信した後、前記ローカル時刻値を更新すべきタイミングを決定して前記タイミングに対応する前記基準時刻値を表す修正値を前記ローカル局装置に送信するステップと、
    前記ローカル局装置が、前記ローカル時刻値を初期化または記憶した後、前記修正値を受信して前記ローカル時刻値が前記タイミングに対応する時刻値になったときに前記ローカル時刻値を前記修正値に更新するステップとを備えている
    ことを特徴とする時刻同期方法。
13. 請求項１２に記載の時刻同期方法において、
    前記修正値を送信するステップでは、前記基準局装置が、前記タイミングに対応する前記ローカル時刻値を表すタイミング値を前記ローカル局装置に送信し、
    前記ローカル時刻値を更新するステップでは、前記ローカル局装置が、前記タイミング値を受信し、前記ローカル時刻値が前記タイミング値になったときに前記ローカル時刻値を更新する
    ことを特徴とする時刻同期方法。
14. 請求項１２および１３のいずれか一つに記載の時刻同期方法において、
    前記命令は、時刻データよりも短いデータ長のデータ、前記ローカル局装置におけるセンシング装置のサンプリング周期よりも短い時間で送受信可能なデータ長のデータ、および相手方装置を特定するＩＤを含むデータのいずれかである
    ことを特徴とする時刻同期方法。

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