JP6138039B2 - 無線通信システム及び無線通信方法 - Google Patents
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Description
なお、詳細については、発明を実施するための形態において説明する。
<無線通信システムの構成>
図1は、本実施形態に係る無線通信システムの構成図である。無線通信システムSは、設備や機器の状態(例えば、橋梁の歪み)を表す物理量をセンサ1(図2参照)で検出し、その検出結果を基地局20を介してサーバ30に送信するシステムである。図1に示すように、無線通信システムSは、複数の無線通信端末11〜19と、基地局20と、サーバ30と、を備えている。
無線通信端末11〜19は、アドホック無線通信を行うことで周囲の他の無線通信端末を自律的に認識してネットワークを構築する機能を有している。無線通信システムSでは、無線通信端末14〜19と基地局20との情報をやり取りを、他の無線通信端末11〜13によって中継する(マルチホップ通信)。無線通信端末11〜19は、自身が送信した情報が基地局20に到達するまでのホップ数に応じて、複数のランクに分類される。以下では、M段のホップで基地局20に接続可能な無線通信端末を「ランクMの無線通信端末」と記す。
なお、図1では、ランク1又はランク2の無線通信端末11〜19を図示したが、実際にはランク3以上の無線通信端末も存在している。
制御部2は、無線通信端末11の動作を統括制御する機能を有し、バスBを介してセンサ1、メモリ3、送信回路4、受信回路6、スイッチ回路7、電池8、及び発電回路9に接続されている。なお、制御部2が実行する処理の詳細については後記する。
受信回路6は、アンテナ5から入力される電気信号を受信する回路である。受信回路6は、前記した電気信号を復調して元の信号を取得するための復調回路(図示せず)を有している。受信回路6の入力側はスイッチ回路7に接続され、出力側は制御部2に接続されている。
図3は、無線通信端末が備える発電回路の機能ブロック図である。図3に示すように、発電回路9は、発電素子9aと、昇圧部9bと、キャパシタ9cと、電力供給制御部9dと、を有している。
昇圧部9bは、発電素子9aから入力される電圧を、キャパシタ9cの蓄電に適した電圧に昇圧する機能を有している。昇圧部9bは、配線K2,K3を介してキャパシタ9cに接続されるとともに、配線K2を介して電力供給制御部9dに接続されている。
なお、図1に示す無線通信端末12〜19も、前記した無線通信端末11と同様の構成(図2、図3参照)を備えている。
図1に示す基地局20は、ランク1の無線通信端末11〜13との間で直接的に無線通信を行ったり、ランク2以上の無線通信端末14〜19との間で間接的に(つまり、ランク1の無線通信端末11〜13を介して)無線通信を行ったりする。基地局20は、自身が取得した情報をネットワークNを介してサーバ30に送信する。その他、基地局20は、ネットワークNを介してサーバ30から受信したコマンド指示を、無線通信端末11〜19に向けて送信する機能も有している。
なお、スイッチ回路22を省略し、送信用アンテナ(図示せず)と受信用アンテナ(図示せず)とを別体で設けてもよい。基地局20の各構成の詳細については説明を省略する。
図1に示すサーバ30は、ネットワークNを介して基地局20から送信される信号を処理する機能を有している。また、サーバ30は、基地局20を介して無線通信端末11〜19にコマンド指示を送信する機能も有している。サーバ30は、無線通信システムSの管理者のコンピュータ(図示せず)に接続されている。
まず、図5を参照して無線通信端末11〜19の動作の概要を説明した後、図6〜図13を参照しつつ無線通信端末11〜19の各動作について詳細に説明する。
図5は、無線通信システムでの上り通信に関する説明図である。図5に示す無線通信端末11,13,15,17,18(白抜きの三角印)では、発電素子9a(図3参照)の発電電力量が充分であり、受信回路6によってデータ信号の中継が行われている。一方、無線通信端末12,14,16,19(斜線入りの三角印)では、発電素子9aの発電電力量が充分でなく、データ信号の中継が行われていない。
まず、無線通信端末17は、自身のランク(=2)を含む送信予告信号を周囲の無線通信端末12,13,16,18にブロードキャストする。この送信予告信号は、周囲の無線通信端末12,13,16,18の中で、発電回路9(図2参照)から受信回路6に電力供給されている無線通信端末13,18によって受信される。なお、無線通信端末12,16では、発電素子9aの発電電力量が充分でなく受信回路6が動作していないため、送信予告信号を受信できない。
図6は、上り通信におけるメッセージシーケンスである。以下では、図5に示す無線通信端末13を「上位ランクの端末」とし、無線通信端末17を「下位ランクの端末」として説明する。
下位ランクの無線通信端末17は、センサ1(図2参照)の検出値を含むデータ信号を基地局20に向けて定期的に送信する。ステップS101において無線通信端末17は、周囲の無線通信端末12,13,16,18(図5参照)に送信予告信号をブロードキャストする。この送信予告信号には、無線通信端末17の端末IDと、ランク(=2)と、が含まれる。ステップS102において無線通信端末17は、後記する受信通知信号の待ち受けを行う。
無線通信端末17から送信予告信号を受信すると、ステップS202において無線通信端末13は、無線通信端末17に対して受信通知信号を送信する。これによって、無線通信端末13,17との間でコネクションが確立される。
ステップS203において無線通信端末13は、データ信号の待ち受け(データ待ち受け)を実行する。
一方、受信側の無線通信端末13(図5参照)は、発電回路9の電力で転送信号の待ち受けを行う(S201:斜線部分)。このとき、受信回路6以外の各構成については電池8の電力で動作しており、制御部2をスリープ状態にして電池8の消耗を最低限に抑えている。
ステップS301において無線通信端末17は、送信すべきデータが発生したか否かを判定する。送信すべきデータの発生には、定期的な信号送信時刻の到来や、他の無線通信端末からのデータ信号の受信が含まれる。
一方、送信予告信号の再送回数が所定回数に達していない場合(S304→No)、無線通信端末17の処理はステップS305に進む。ステップS305において無線通信端末17は、再び送信予告信号をブロードキャストし、ステップS303の処理に戻る。
なお、複数の無線通信端末から受信通知信号を受信した場合、無線通信端末17は、最初に受信した受信通知信号の送信元である無線通信端末13に対して、データ信号を送信することが好ましい。前記したように、信号の受信状態が最も良い無線通信端末13からの受信通知信号が、最も早いタイミングで無線通信端末17に届くからである。
Ack信号を受信していない場合(S307→No)、ステップS308において無線通信端末17は、データ信号の再送回数が所定回数(最大再送回数)に達したか否かを判定する。
一方、データ信号の再送回数が所定回数に達した場合(S308→Yes)、ステップS310において無線通信端末17は、送信処理を停止する。なお、今回送信できなかったデータは、次回の通信でまとめて送られる。
図10は、無線通信端末による中継処理の動作を示すフローチャートである。なお、「START」時において無線通信端末13は、待ち受けを行っていない待機状態とする。
ステップS401において無線通信端末13は、電力供給制御部9d(図3参照)によって、発電素子9aの発電電力量(つまり、キャパシタ9cの蓄電量)が所定値以上であるか否かを判定する。前記した「所定値」は、転送の待ち受けを所定時間継続して行うことができるか否かの判定基準となる閾値であり、予め設定されている。
ステップS406において無線通信端末13は、無線通信端末17からデータ信号を受信したか否かを判定する。データ信号を受信した場合(S406→Yes)、ステップS407において無線通信端末13は、無線通信端末17に対してAck信号を送信する。
図11は、無線通信端末を管理するための端末管理テーブルの説明図である。
サーバ30(図1参照)は、自身に送信されたデータ信号を用いて端末管理テーブルTを作成する。端末管理テーブルTには、送信元である無線通信端末の端末ID・ランク・位置ブロックと、過去に受信した信号の伝達ルートと、データ周期と、前回のデータ受信時刻と、電池残量と、を含む情報が記録される。
サーバ30は、例えば、電池8(図2参照)の電圧値に基づいて、無線通信端末の電池残量を推定する。なお、無線通信端末の合計起動時間、又は信号送受信の合計回数に基づいて電池残量を推定するようにしてもよい。
図12は、それぞれの無線通信端末の位置ブロックを示す説明図である。図12に示す例では、無線通信端末11,14,15を位置ブロックAとして分類し、無線通信端末12,15,16,17を位置ブロックBとして分類し、無線通信端末13,17,18,19を位置ブロックCとして分類している。
図12に示すように、その設置位置によって、1個の無線通信端末が複数の位置ブロックに重複して登録されることもある。また、ランク1の無線通信端末1個当たりに1つの位置ブロックが割り当てるとは限らない。
図13は、サーバから無線端末装置にコマンド指示信号を送信する処理のメッセージシーケンスである。以下では、図12に示すサーバ30から無線通信端末13(上位ランクの端末)を介して、無線通信端末17(下位ランクの端末)にコマンド指示を送る場合について説明する。
ステップS501においてサーバ30は、基地局20に対してコマンド指示信号を送信する。コマンド指示信号には、コマンド指示の内容(例えば、データ周期の変更)に加えて、指示対象となる無線通信端末13の端末ID及び位置ブロックも含まれる。
基地局20は、上位ランクの無線通信端末13からデータ信号を受信した後(S504)、この無線通信端末13にAck信号を送信する(S505)。
無線通信端末17は、自身が受信した信号の中からコマンド指示を読み取り、これに対するコマンド指示Ackを含めたデータ信号を無線通信端末13に送信する(S508)。これに対して、無線通信端末13から無線通信端末17にAck信号が送信される(S509)。
本実施形態では、無線通信端末11〜19のうち発電素子9aの発電電力量(キャパシタ9cの蓄電量)が所定値以上である無線通信端末のみを用いて信号の中継を行うようにした。このように発電回路9からの電力で受信回路6が転送待ち受けを行うことで、中継処理を行う際の電池8の消耗を抑制できる。
また、本実施形態では、発電電力量が所定値未満である無線通信端末は転送待ち受けを行わない。このように中継を行う際の転送待ち受けに電池8の電力を使う必要がないため、発電電力量の小さい無線通信端末の電力消費を抑制できる。
第2実施形態は、他の無線通信端末から受信した複数のデータ信号をまとめて転送する点が第1実施形態と異なるが、各無線通信端末11〜19の構成(図2、図3参照)については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
以下では、一例として、図1に示す無線通信端末13によって信号を中継する場合について説明する。
ステップS602において無線通信端末13は、データ信号の送信時刻になったか否かを判定する。この送信時刻の周期(例えば、300sec:図11参照)は予め設定されている。データ信号の送信時刻になっていない場合(S602→No)、無線通信端末13はステップS602の処理を繰り返す。一方、データ信号の送信時刻になった場合(S602→Yes)、無線通信端末13の処理はステップS603に進む。
ステップS604において無線通信端末13は、ステップS603で生成した合同データの信号を基地局20に送信(転送)する。
本実施形態によれば、他の無線通信端末からの信号をその都度転送する場合と比較して、データ信号の送信(中継)回数を減らすことができる。したがって、第1実施形態よりもさらに電池8の消費電力を削減できる。
第3実施形態は、無線通信端末の周囲に中継可能な他の無線通信端末が存在しない場合、サーバ30が指定した無線通信端末を用いて中継を行う点が第1実施形態と異なるが、その他の点については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
図16は、サーバの動作を示すフローチャートである。
ステップS701においてサーバ30は、定期的なデータ通信(定時データ通信)が途絶えている無線通信端末が存在するか否かを判定する。つまり、サーバ30は、端末管理テーブルT(図11参照)を参照し、データ周期と、前回のデータ受信時刻と、に基づいて、データ周期(所定期間)ごとにデータ通信が行われているか否かを各無線通信端末について判定する。
以下では、図12に示す無線通信端末17(ランク2、位置ブロックC)で定時データ通信が途絶えているものとして説明する。
ステップS703においてサーバ30は、無線通信端末17よりも1つ上のランクの無線通信端末11〜13の中から、信号未達の端末群をカバーできる無線通信端末を抽出する。つまり、サーバ30は、信号未達の無線通信端末よりも基地局20へのホップ数が少なく、かつ、信号未達の無線通信端末を介して過去に信号を中継したことのある無線通信端末(当番端末の候補)を抽出する。当該処理は、端末管理テーブルT(図11参照)のランクと、過去の伝達ルートと、を参照することで行われる。
サーバ30は、例えば、ステップS703で抽出した候補の中で、電池残量が最大であるものを当番端末にする。つまり、サーバ30は、端末管理テーブルT(図11参照)を参照して電池残量を比較し、電池残量が最大であるものを当番端末として指定する。なお、上位側から階層的に複数の無線通信端末を当番端末に指定してもよい。
前記したコマンド指示信号は、図13で説明した手順で送信される。つまり、それまで中継を行っていなかった無線通信端末13が電池8の電力でデータ送信を行った際、基地局20からの受信通知信号にコマンド信号(当番端末の指定)を含めるようにする。
なお、当番端末を指定した後もデータ信号の到達状況が改善しない場合、サーバ30によって、別の無線通信端末を当番端末に指定することが好ましい。
ステップS706においてサーバ30は、ステップS701で特定した無線通信端末17の接続先が、1つ上のランクである他の無線通信端末を介した伝達ルートに含まれているか否かを判定する。前記した「接続先」とは、無線通信端末17と過去にデータのやり取りがあった他の無線通信端末を意味している。
ステップS709においてサーバ30は、無線通信端末17の接続先である上位ランクの無線通信端末13に中継の開始を指示する。この場合、上位ランクの無線通信端末13は、前記した「当番端末」と同様に電池8の電力で中継(転送の受信待ち受け)を行う。
また、ステップS706で特定した伝達ルートが、無線通信端末17のデータ途絶後に使用されていない場合も(S707→No)、サーバ30はステップS709の処理を実行する。
図17は、当番端末となる無線通信端末の動作を示すフローチャートである。以下では、無線通信端末13(図12参照)が当番端末に指定されるものとして説明する。
ステップS801において無線通信端末13は、自身が当番端末に指定されたか否かを判定する。すなわち、無線通信端末13は、定期的なデータ通信を行う際の受信通知信号(S503:図13参照)に、無線通信端末13を当番端末として動作させる旨のコマンド指示が含まれるか否かを判定する。
前記した受信通知信号は、無線通信端末13自身が取得したデータ(センサ1の検出値を含む:図2参照)を送信するために電池8の電力を用いて定期的な送信予告信号を送信した際(S502:図13参照)、基地局20から返信される信号である。
ステップS802において無線通信端末13は、受信回路6の電源を発電素子9a(図3参照)から電池8に切り替える。
ステップS803において無線通信端末13は、受信回路6によって、送信予告信号の待ち受け(転送待ち受け)を開始する。
ステップS805において無線通信端末13は、自身が当番端末として指定されてから所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していない場合(S805→No)、無線通信端末13の処理はステップS804に戻る。一方、所定時間が経過した場合(S805→Yes)、無線通信端末13の処理はステップS808に進む。
なお、送信予告信号を受信してから受信通知信号を送信するまでの遅延時間を、通常の中継処理時よりも長くする(つまり、時間稼ぎをする)ことが好ましい。発電素子9aの電力で自発的に中継を開始した他の無線通信端末が無線通信端末13の近くに存在する可能性があるからである。他の無線通信端末からの受信通知信号が、下位ランクの無線通信端末に先に届けば、無線通信端末13自身が中継を行う必要がなくなり、電池8の消耗を抑制できる。
ステップS808において無線通信端末13は、当番端末としての動作を終了する旨をサーバ30に通知する。これによって、転送の受信待ちを無用に長時間行うことを回避し、電池8の消耗を抑制できる。
ステップS809において無線通信端末13は、受信回路6の電源を電池8から発電素子9aに切り替える。つまり、無線通信端末13は、当番端末としての役割を終了して待機する。
発電電力量が所定値未満である場合(S810→No)、無線通信端末13の処理はステップS804に戻る。一方、発電電力量が所定値以上である場合(S810→Yes)、無線通信端末13の処理はステップS811に進む。
本実施形態によれば、無線通信端末17の周囲に中継可能な無線通信端末が存在しない場合、サーバ30によって指定された無線通信端末13(当番端末)が、電池8の電力を用いて中継を行う。このように、それまで中継を行っていなかった(発電素子9aの発電電力量が充分でない)無線通信端末13を用いて一時的に中継を行うことで、各無線通信端末からのデータ信号を定期的に取得できる。
また、サーバ30は、過去の伝達ルートを調べることで、定時データ通信が途絶えている無線通信端末17について故障している可能性が高いか否かを判定する。これによって、無線通信システムSの管理者は、修理又は交換すべき無線通信端末を容易に把握できる。
第4実施形態は、中継に関わる動作を全て発電回路9の電力で行う点が第1実施形態と異なるが、その他の点については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
なお、図示は省略するが、本実施形態において無線通信端末11〜19の発電回路9(図2参照)は受信回路6に接続されるとともに、送信回路4にも接続されている。つまり、制御部2からの指令に応じて、発電回路9から送信回路4にも電力供給できるようになっている。
また、ステップS403において送信予告信号を受信した場合(S403→Yes)、ステップS405aにおいて無線通信端末13は、発電回路9からの電力で受信通知信号を送信する。
なお、待機中に送信すべきデータが発生した場合、無線通信端末13は待機を中止し、電池8の電力でデータ信号を送信する。
本実施形態によれば、中継処理を行う際の転送待ち受けだけでなく、その後に行う受信通知信号の送信、Ack信号の送信、及びデータ信号の転送も、発電回路9の電力で行う。このように一連の中継処理に発電回路9の電力を用いるため、第1実施形態よりもさらに電池8の消費電力を削減できる。
以上、本発明に係る無線通信システムSについて各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、各実施形態では、発電素子9aが太陽電池である場合について説明したが、これに限らない。すなわち、発電素子9aとして、振動(圧力の変化)に伴うエネルギを電気エネルギに変換する振動発電素子を用いてもよい。振動発電素子は、例えば、圧電素子を敷き詰めてなる板状を呈しており、モータ等の機器に設置される。
また、前記した太陽電池、振動発電素子、熱電素子のうち2種類又は3種類を組み合わせる(並列接続する)ことで発電素子9aを構成してもよい。
11,12,13,14,15,16,17,18,19 無線通信端末
1 センサ
2 制御部
4 送信回路
6 受信回路
8 電池
9 発電回路
9a 発電素子(太陽電池、振動発電素子、熱発電素子)
9b 昇圧部
9c キャパシタ(蓄電素子)
9d 電力供給制御部(制御部)
20 基地局
30 サーバ
N ネットワーク
T 端末管理テーブル
Claims (6)
- アドホック無線通信を行う複数の無線通信端末と、複数の前記無線通信端末と直接又は間接に無線通信を行う基地局と、複数の前記無線通信端末から前記基地局を介して送信される信号を処理するサーバと、を備え、
複数の前記無線通信端末はそれぞれ、信号の受信を行う受信回路と、信号の送信を行う送信回路と、少なくとも前記受信回路に接続される発電回路と、制御部と、を備え、
前記発電回路は、発電素子と、前記発電素子の発電電力を蓄電する蓄電素子と、を有し、
前記制御部は、前記蓄電素子の蓄電量が所定値以上である場合、前記発電回路からの電力供給によって前記受信回路を駆動し、他の無線通信端末からの信号の待ち受けを行い、さらに、前記他の無線通信端末から受信した信号の中継を行い、
前記サーバは、信号の送信元である複数の前記無線通信端末のうち、所定期間内にその信号が前記サーバに到達しない信号未達の無線通信端末が存在する場合、前記信号未達の無線通信端末とは別の無線通信端末を、一時的に中継を行う当番端末に指定し、前記当番端末に対して電池の電力で中継を行う旨のコマンド指示を送信し、
前記コマンド指示を受信した前記当番端末は、電池の電力で前記中継を行うこと
を特徴とする無線通信システム。 - 前記発電回路は、前記送信回路にも接続され、
前記制御部は、前記発電回路からの電力供給によって前記送信回路を駆動し、前記受信回路の前記待ち受けによって受信された信号を、前記送信回路によって他の無線通信端末に転送することで前記中継を行うこと
を特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。 - 前記サーバは、前記信号未達の無線通信端末よりも前記基地局へのホップ数が少なく、かつ、前記信号未達の無線通信端末を介して過去に信号を中継した無線通信端末を前記当番端末の候補とし、前記候補のうち電池残量が最大である無線通信端末を前記当番端末として指定すること
を特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。 - 前記発電素子は、太陽電池、振動発電素子、又は熱発電素子のいずれかであること
を特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の無線通信システム。 - 前記発電素子は、太陽電池、振動発電素子、及び熱発電素子のうち、複数種類が組み合わされてなること
を特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の無線通信システム。 - アドホック無線通信を行う複数の無線通信端末と、複数の前記無線通信端末と直接又は間接に無線通信を行う基地局と、複数の前記無線通信端末から前記基地局を介して送信される信号を処理するサーバと、を備える無線通信システムにおいて実行される無線通信方法であって、
前記無線通信端末は、信号の受信を行う受信回路と、信号の送信を行う送信回路と、少なくとも前記受信回路に接続される発電回路と、制御部と、を備えており、
前記発電回路は、発電素子と、前記発電素子の発電電力を蓄電する蓄電素子と、を有し、
前記制御部は、前記蓄電素子の蓄電量が所定値以上である場合、前記発電回路からの電力供給によって前記受信回路を駆動し、他の無線通信端末からの信号の待ち受けを行い、さらに、前記他の無線通信端末から受信した信号の中継を行い、
前記サーバは、信号の送信元である複数の前記無線通信端末のうち、所定期間内にその信号が前記サーバに到達しない信号未達の無線通信端末が存在する場合、前記信号未達の無線通信端末とは別の無線通信端末を、一時的に中継を行う当番端末に指定し、前記当番端末に対して電池の電力で中継を行う旨のコマンド指示を送信し、
前記コマンド指示を受信した前記当番端末は、電池の電力で前記中継を行うこと
を特徴とする無線通信方法。
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