JP6311636B2 - 無線中継装置、無線通信システム、及び無線中継方法 - Google Patents

無線中継装置、無線通信システム、及び無線中継方法 Download PDF

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Description

本発明は、無線中継装置、無線通信システム、及び無線中継方法に関する。
従来から、プラントや工場等においては、分散制御システム(DCS:Distributed Control System)が構築されており、高度な自動操業が実現されている。この分散制御システムは、フィールド機器と呼ばれる現場機器(測定器、操作器)と、これらの制御を行う制御装置とが通信手段を介して接続されたシステムである。このような分散制御システムの基礎をなす通信システムは、有線によって通信を行うものが殆どであった。近年においては、ISA100.11aやWirelessHART(登録商標)等の産業用無線通信規格に準拠した無線通信を行う無線通信システムも実現されている。
このような無線通信システムでは、セキュリティを確保する必要があることから、無線ネットワークを介して通信される各種データが、暗号技術を用いて暗号化されることが多い。例えば、上述したISA100.11aに準拠した無線通信システムでは、無線ネットワークの管理を行う管理装置から各フィールド機器に配布された暗号鍵を用いて暗号化が行われる。各フィールド機器に配布される暗号鍵は互いに異なるため、高いセキュリティが確保される。
以下の非特許文献1には、上述したISA100.11aに準拠した無線通信システムの概要が開示されている。また、以下の非特許文献1には、ゲートウェイ機能、システム管理機能(システムマネージャ)、及びセキュリティ管理機能(セキュリティマネージャ)等が一体化されたゲートウェイが開示されている。このゲートウェイにおいては、セキュリティ管理機能によって、セキュリティ鍵(暗号鍵)の配布及び更新が行われる。
山本周二,他3名,「世界初ISA100.11a準拠無線フィールド機器」,横河技報,Vol.53,No.2,2010
ところで、上述した非特許文献1に開示された無線通信システムにおいて、無線ネットワークを介して通信されるデータの暗号化及び復号を行う暗号鍵は、フィールド機器とゲートウェイとに設けられている。このため、フィールド機器とゲートウェイとの間の経路に配置された機器(例えば、無線ルータ)で、暗号化されたデータを復号して参照することはできない。
上述した非特許文献1に開示された無線通信システムにおいて、作業員が、フィールド機器で得られる各種データ(測定データ、機器の状態を示すデータ等)を現場で参照する方法としては、以下の2つの方法が考えられる。
(1)携帯端末装置を用いる第1方法
フィールド機器と通信が可能な携帯端末装置を作業員が操作し、フィールド機器との間で通信を行わせ、フィールド機器から得られたデータを携帯端末装置に表示させる方法。
(2)表示装置へのデータ転送を行う第2方法
フィールド機器からゲートウェイに送信されたデータを、ゲートウェイから表示装置(例えば、無線通信が可能であって携帯性を有する表示装置)に転送して表示させる方法。
上記の第1方法では、作業者がフィールド機器の設置場所に赴いて、携帯端末装置を操作してフィールド機器からデータを取得する作業が必要になる。このため、複数のフィールド機器からデータを得るには、上記の作業をフィールド機器毎に繰り返す必要がある。また、フィールド機器は、作業者が近づくのが困難な場所に設置されていることもあり、上記の作業が困難な場合もある。このように、上記の第1方法は、作業性の面で難があると考えられる。
上記の第2方法では、フィールド機器から無線ネットワークを介してゲートウェイ(或いは、上位の制御システム)に送信されたデータを、再び無線ネットワークを介して表示装置に転送する必要があることから、通信リソース(例えば、通信帯域)が無駄に消費されてしまう。また、フィールド機器や無線ルータが、電池を電源として用いるものである場合には、電池の消耗が早くなってしまう。このように、上記の第2方法は、通信リソースや電池が無駄に消費されてしまうことが考えられる。
加えて、上述した非特許文献1に開示された無線通信システムにおいて、無線ネットワークを管理するシステムマネージャに障害が発生した場合には、フィールド機器等は、システムマネージャによって管理される無線ネットワークから離脱することになる。すると、上記の第2の方法では、フィールド機器からゲートウェイへのデータ送信、及びゲートウェイから表示装置へのデータ転送が行えなくなる。このように、上記の第2方法は、システムマネージャに障害が発生すると、フィールド機器で得られる各種データを現場で参照することができなくなると考えられる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、通信リソース及び電池の無駄な消費を抑えつつ、無線ネットワークを介して通信される暗号化されたデータを参照することが可能な無線中継装置、無線通信システム、及び無線中継方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の第1態様による無線中継装置は、無線ネットワーク(N1)を介する暗号化されたデータの中継を行う無線中継装置(12、30)において、前記無線ネットワークを介して自装置宛てに送信されてくる第1データを、前記無線ネットワークを介して予め設定された転送先に第2データとして転送する転送制御部(24)と、前記第1データを復号して前記転送制御部に出力するとともに、前記転送制御部によって転送される前記第2データを暗号化する暗号処理部(23)とを備えることを特徴としている。
また、本発明の第2態様による無線中継装置は、第1態様による無線中継装置において、前記暗号処理部から前記転送制御部に出力される復号された前記第1データを格納する第1格納部(26)を備えることを特徴としている。
また、本発明の第3態様による無線中継装置は、第2態様による無線中継装置において、前記転送制御部が、予め設定された転送条件が満たされた場合に、前記第1格納部に格納された前記第1データを読み出して前記第2データとして転送することを特徴としている。
また、本発明の第4態様による無線中継装置は、第2態様又は第3態様による無線中継装置において、外部機器(TM)が接続可能なインターフェイス部(27)と、前記インターフェイス部に接続された前記外部機器からの要求に基づいて、前記第1格納部に格納された前記第1データを読み出して前記インターフェイス部に出力する制御部(25)とを備えることを特徴としている。
また、本発明の第5態様による無線中継装置は、第1態様による無線中継装置において、自装置が参入している第1無線ネットワークとは異なる第2無線ネットワーク(NS)を管理する管理部(31)を備えることを特徴としている。
また、本発明の第6態様による無線中継装置は、第2態様又は第3態様による無線中継装置において、自装置が参入している第1無線ネットワークとは異なる第2無線ネットワーク(NS)を管理する管理部(31)を備えることを特徴としている。
また、本発明の第7態様による無線中継装置は、第6態様による無線中継装置において、前記第2無線ネットワークを管理するために前記管理部で用いられるネットワーク管理情報(Q1)を格納する第2格納部(26)を備えることを特徴としている。
また、本発明の第8態様による無線中継装置は、第7態様による無線中継装置において、前記第2無線ネットワークを介したデータの送受信タイミングを規定する送受信設定情報(Q2)を格納する第3格納部(26)を備えており、前記転送制御部が、前記第3格納部に格納された前記送受信設定情報に基づいて、データの送信元及び送信先に対する送受信設定を行うことを特徴としている。
また、本発明の第9態様による無線中継装置は、第8態様による無線中継装置において、外部機器(TM)が接続可能なインターフェイス部(27)と、前記インターフェイス部に接続された前記外部機器からの要求に基づいて、前記第1格納部に格納された前記第1データ、前記第2格納部に格納された前記ネットワーク管理情報、及び前記第3格納部に格納された前記送受信設定情報の少なくとも1つを読み出して前記インターフェイス部に出力する制御部(25)とを備えることを特徴としている。
また、本発明の第10態様による無線中継装置は、第5態様から第9態様の何れかの態様による無線中継装置において、前記転送制御部が、前記第1無線ネットワークを介した無線通信に用いる通信プロトコルとは異なる通信プロトコルを用いて前記第2無線ネットワークを介した通信を行うことを特徴としている。
また、本発明の第11態様による無線中継装置は、第5態様から第10態様の何れかの態様による無線中継装置において、前記管理部が、前記第2無線ネットワークへの参入要求が送信されてきた場合に、該参入要求を送信した無線機器を前記第2無線ネットワークへ参入させるための参入処理を行うことを特徴としている。
また、本発明の第12態様による無線中継装置は、第1態様から第11態様の何れかの態様による無線中継装置において、前記暗号処理部が、前記第1データの送信元毎に異なる暗号鍵(K1)を用いて前記第1データを復号し、前記第2データの転送先毎に異なる暗号鍵(K2、K3を用いて前記第2データを暗号化することを特徴としている。
また、本発明の第13態様による無線中継装置は、第1態様から第12態様の何れかの態様による無線中継装置において、前記転送制御部が、前記第1データの送信元と前記第2データの転送先とが対応付けられた転送テーブル(TB)を参照して転送制御を行うことを特徴としている。
本発明の第1態様による無線通信システムは、無線ネットワーク(N1)を介した無線通信が可能な無線通信システム(1、2)において、前記無線ネットワークを介する暗号化されたデータの中継を行う第1態様から第13態様の何れかに記載の無線中継装置(12、30)と、前記無線中継装置において前記第2データの送信先の1つに設定されたゲートウェイ(15)とを備えることを特徴としている。
また、本発明の第2態様による無線通信システムは、第1態様による無線通信システムにおいて、前記ゲートウェイが、前記無線中継装置に対し、前記第1データの送信元と前記第2データの転送先とが対応付けられた転送テーブル(TB)の設定を行うことを特徴としている。
本発明の無線中継方法は、無線ネットワーク(N1)を介する暗号化されたデータの中継を行う無線中継方法であって、前記無線ネットワークを介して送信されてくる自装置宛ての第1データを受信する第1ステップ(S11)と、前記第1ステップで受信された前記第1データを復号する第2ステップ(S12)と、前記第2ステップで復号された前記第1データを予め設定された転送先に転送するための処理を行う第3ステップ(S16)と、前記第3ステップの処理が行われた前記第1データを暗号化して第2データとする第4ステップ(S17)と、前記第2データを前記無線ネットワークに送信する第5ステップ(S18)とを有することを特徴としている。
本発明によれば、無線ネットワークを介して自装置宛てに送信されてくる第1データを復号し、再び暗号化してから無線ネットワークを介して予め設定された転送先に第2データとして転送する無線中継装置を無線ネットワーク内に設けているため、通信リソース及び電池の無駄な消費を抑えつつ、無線ネットワークを介して通信される暗号化されたデータを参照することが可能であるという効果がある。
本発明の第1実施形態による無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の第1実施形態による無線中継装置としての無線アダプタの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第1実施形態による無線中継方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の第2実施形態による無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の第2実施形態による無線中継装置としての無線アダプタの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第2実施形態による無線中継装置としての無線アダプタの障害復旧時の動作を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態による無線中継装置、無線通信システム、及び無線中継方法について詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
〈無線通信システム〉
図1は、本発明の第1実施形態による無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。図1に示す通り、本実施形態の無線通信システム1は、無線デバイス11、無線アダプタ12(無線中継装置)、バックボーンルータ13、システムマネージャ14、ゲートウェイ15、及び監視制御装置16を備える。かかる構成の無線通信システム1は、無線ネットワークN1を介したTDMA(Time Division Multiple Access:時分割多元接続)方式による無線通信が可能である。
この無線通信システム1は、例えばプラントや工場等(以下、これらを総称する場合には、単に「プラント」という)に構築される。ここで、上記のプラントとしては、化学等の工業プラントの他、ガス田や油田等の井戸元やその周辺を管理制御するプラント、水力・火力・原子力等の発電を管理制御するプラント、太陽光や風力等の環境発電を管理制御するプラント、上下水やダム等を管理制御するプラント等がある。
上記の無線ネットワークN1は、プラントの現場に設置された機器(無線デバイス11、無線アダプタ12、及びバックボーンルータ13)によって形成されて、システムマネージャ14によって管理される無線ネットワークである。尚、図1においては、図示を簡略化しているが、無線ネットワークN1を形成する無線デバイス11、無線アダプタ12、及びバックボーンルータ13の数は任意である。
また、無線通信システム1が構築されるプラントには、上記の無線ネットワークN1に加えて、バックボーンネットワークN2及び制御ネットワークN3が設けられている。バックボーンネットワークN2は、無線通信システム1の基幹となる有線ネットワークであり、バックボーンルータ13、システムマネージャ14、及びゲートウェイ15が接続される。制御ネットワークN3は、バックボーンネットワークN2の上位に位置づけられる有線ネットワークであり、ゲートウェイ15及び監視制御装置16が接続される。尚、これらバックボーンネットワークN2及び制御ネットワークN3は、無線通信ネットワークで実現されていても良い。
無線デバイス11は、プラントの現場に設置されて監視制御装置16の制御の下でプロセス制御に必要な測定や操作等を行うフィールド機器(無線フィールド機器)である。具体的に、無線デバイス11は、例えば流量計や温度センサ等のセンサ機器、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等のアクチュエータ機器、プラント内の状況や対象物を撮影するカメラやビデオ等の撮像機器、プラント内の異音等を収集したり警報音等を発したりするマイクやスピーカ等の音響機器、各機器の位置情報を出力する位置検出機器、その他の機器である。この無線デバイス11は、電池を電源として省電力動作(例えば、間欠動作)を行い、無線通信規格ISA100.11aに準拠したTDMA方式による無線通信が可能である。
ここで、図1においては、理解を容易にするために、流量の測定を行う無線デバイス11であるセンサ機器11aと、センサ機器11aから得られるデータ(センサ値)を表示する無線デバイス11である表示機器11bとを1つずつ図示している。これら、センサ機器11a及び表示機器11bには、セキュリティを確保するために、互いに異なる暗号鍵がそれぞれ配布されている。具体的に、センサ機器11aには暗号鍵K1が配布されており、表示機器11bには暗号鍵K2が配布されている。
暗号鍵K1は、センサ機器11aと無線アダプタ12との間で暗号化通信を行うために用いられる暗号鍵である。暗号鍵K2は、表示機器11bと無線アダプタ12との間で暗号化通信を行うために用いられる暗号鍵である。これら暗号鍵K1,K2は、センサ機器11a及び表示機器11bが無線ネットワークN1に参入する際に、システムマネージャ14によってそれぞれ配布される。
また、センサ機器11a及び表示機器11bは、データの送受信設定が行われている。具体的に、センサ機器11aには、データの送信先として無線アダプタ12が設定されているとともに、無線アダプタ12へのデータの送信タイミング(送信間隔)が設定されている。また、表示機器11bには、データの受信タイミング(受信間隔)が設定されている。これらの設定は、センサ機器11a及び表示機器11bが無線ネットワークN1に参入した後に、ゲートウェイ15によって行われる。
無線アダプタ12は、上記の無線通信規格ISA100.11aに準拠した無線通信が可能であり、無線ネットワークN1に通信可能に接続され、無線ネットワークN1を介するデータ(暗号化されたデータ)の中継を行う。具体的に、無線アダプタ12は、無線ネットワークN1を介して自機宛てに送信されてくるデータを、無線ネットワークN1を介して予め設定された転送先に転送する。例えば、無線アダプタ12は、センサ機器11aから自機宛てに送信されてくるデータを、無線ネットワークN1を介して表示機器11b及びゲートウェイ15に転送する。
無線アダプタ12は、上記の転送処理を行う際に、自機宛てに送信されてくるデータ(第1データ)を復号し、復号したデータを再び暗号化して新たなデータ(第2データ)としてから予め設定された転送先に転送する。このような復号及び暗号化を行うのは、セキュリティを確保しつつ、無線ネットワークN1を介して通信される暗号化されたデータを、プラントの現場で参照可能にするためである。尚、無線アダプタ12で復号されたデータは、無線アダプタ12内に蓄積される。
図1に示す通り、無線アダプタ12には、セキュリティを確保するために、互いに異なる暗号鍵がそれぞれ配布されている。具体的には、前述した暗号鍵K1,K2に加えて、暗号鍵K3が配布されている。暗号鍵K3は、無線アダプタ12とゲートウェイ15との間で暗号化通信を行うために用いられる暗号鍵である。これら暗号鍵K1,K2,K3は、無線アダプタ12が無線ネットワークN1に参入する際に、システムマネージャ14によって配布される。
また、無線アダプタ12には、上記の転送処理で用いられる転送テーブルTB(図2参照)が設定されている。この転送テーブルTBは、データの送信元(無線アダプタ12宛てにデータを送信する送信元)とデータの転送先とが対応付けられたテーブルである。例えば、この転送テーブルTBには、データの送信元としてのセンサ機器11aと、データの転送先としての表示機器11b及びゲートウェイ15とが対応付けられている。この転送テーブルTBの設定は、無線アダプタ12が無線ネットワークN1に参入した後に、ゲートウェイ15によって行われる。
また、無線アダプタ12は、スマートフォン、タブレット型のコンピュータ、ノート型のコンピュータ等の情報端末装置TM(外部機器)と通信可能に構成されている。例えば、無線アダプタ12は、情報端末装置TMとの間で、赤外線通信若しくはNFC(Near field communication)等の無線通信が可能に構成されている。尚、USB(Universal Serial Bus)通信等の有線通信が可能に構成されていても良い。無線アダプタ12は、情報端末装置TMからの要求に基づいて、内部に蓄積したデータを情報端末装置TMに出力する。尚、無線アダプタ12の内部構成については後述する。
バックボーンルータ13は、無線ネットワークN1とバックボーンネットワークN2とを接続し、無線ネットワークN1とバックボーンネットワークN2との間で送受信されるデータの中継を行う。尚、バックボーンルータ13も、上記の無線通信規格ISA100.11aに準拠した無線通信を行う。
システムマネージャ14は、無線ネットワークN1を介して行われる無線通信の制御を行う。具体的には、無線デバイス11、無線アダプタ12、バックボーンルータ13、及びゲートウェイ15に対する通信リソース(タイムスロット及び通信チャネル)の割り当て制御を行って、無線ネットワークN1を介したTDMAによる無線通信を実現する。また、システムマネージャ14は、無線デバイス11、無線アダプタ12、及びバックボーンルータ13を無線ネットワークN1に参入させるか否かの処理(参入処理)を行う。尚、システムマネージャ14は、無線デバイス11、無線アダプタ12、及びバックボーンルータ13を無線ネットワークN1に参入させる際に、前述した暗号鍵K1〜K3の配布を行う。
ゲートウェイ15は、バックボーンネットワークN2と制御ネットワークN3とを接続し、無線デバイス11及びシステムマネージャ14等と、監視制御装置16との間で送受信される各種データの中継を行う。このゲートウェイ15を設けることで、セキュリティを維持しつつ、バックボーンネットワークN2と制御ネットワークN3とを相互に接続することができる。ゲートウェイ15は、無線ネットワークN1に参入したセンサ機器11a及び表示機器11bに対し、前述したデータの送受信設定を行う。また、ゲートウェイ15は、無線ネットワークN1に参入した無線アダプタ12に対し、前述した転送テーブルTBの設定を行う。尚、ゲートウェイ15には、セキュリティを確保するために、前述した暗号鍵K3が配布されている。
監視制御装置16は、無線デバイス11等の監視及び管理を行う。具体的に、監視制御装置16は、ゲートウェイ15を介して無線デバイス11から送信されてくる各種データ(例えば、センサ機器11aから送信されてくるデータ)を収集することによって無線デバイス11等の監視を行う。また、監視制御装置16は、収集した各種データに基づいて無線デバイス11の制御量を求め、この制御量を示す制御データを、ゲートウェイ15を介して一定の時間間隔で送信することによって無線デバイス11を制御する。
〈無線中継装置〉
図2は、本発明の第1実施形態による無線中継装置としての無線アダプタの要部構成を示すブロック図である。図2に示す通り、無線アダプタ12は、無線通信部21、パケット処理部22、暗号処理部23、ゲートウェイ部24(転送制御部)、制御部25、メモリ26(第1格納部)、及びインターフェイス部27を備えており、無線ネットワークN1を介する暗号化されたデータの中継を行う。
無線通信部21は、制御部25の制御の下で、無線信号の送受信を行う。具体的に、無線通信部21は、無線ネットワークN1を介して無線信号で送信されてくるデータ(パケット)を受信するとともに、無線ネットワークN1を介して送信すべきデータ(パケット)を無線信号にして送信する。パケット処理部22は、制御部25の制御の下で、無線通信部21で送受信されるパケットの中継処理を行う。具体的に、パケット処理部22は、無線通信部21で受信されたパケットが自機宛て(無線アダプタ12のゲートウェイ部24宛て)である場合には暗号処理部23に出力し、自機宛てでない場合には無線通信部21に出力する。また、パケット処理部22は、暗号処理部23から出力されるデータ(無線ネットワークN1を介して送信すべきデータ)を無線通信部21に出力する。
暗号処理部23は、制御部25の制御の下で、図1に示す暗号鍵K1〜K3を用いて暗号処理を行う。具体的に、暗号処理部23は、パケット処理部22から出力されるデータを復号してゲートウェイ部24に出力し、ゲートウェイ部24から出力されるデータを暗号化してパケット処理部22に出力する。例えば、暗号処理部23は、無線ネットワークN1を介してセンサ機器11aから送信されてくる自機宛てのデータを、暗号鍵K1を用いて復号してゲートウェイ部24に出力する。また、暗号処理部23は、ゲートウェイ部24から出力される表示機器11bに送信すべきデータを、暗号鍵K2を用いて暗号化してパケット処理部22に出力する。また、暗号処理部23は、ゲートウェイ部24から出力されるゲートウェイ15に送信すべきデータを、暗号鍵K3を用いて暗号化してパケット処理部22に出力する。
ゲートウェイ部24は、メモリ26に記憶された転送テーブルTBを用いて、自機宛てに送信されてきたデータの転送処理を行う。例えば、ゲートウェイ部24は、転送テーブルTBを用いて、センサ機器11aから自機宛てに送信されてきたデータを、表示機器11b及びゲートウェイ15に転送する。ここで、ゲートウェイ部24は、ゲートウェイ15によって予め設定された転送条件が満たされた場合(例えば、予め設定された転送タイミングが到来した場合)に、メモリ26に記憶されたデータ(センサ値SV)を読み出して転送処理を行う。このような転送処理を行うのは、以下の理由による。つまり、無線デバイス11等の監視のために必要となるデータは、ある程度の時間間隔で収集されれば良く、厳密なリアルタイム性が求められる訳ではないからである。
制御部25は、無線アダプタ12の動作を統括して制御する。例えば、制御部25は、無線通信部21、パケット処理部22、暗号処理部23、及びゲートウェイ部24を制御して、上述したデータの転送制御を行わせる。また、制御部25は、図1に示す情報端末装置TMからの要求に基づいて、メモリ26に記憶されたセンサ値SVを読み出して情報端末装置TMに出力する制御を行う。
メモリ26は、例えば不揮発性の半導体メモリであり、前述したゲートウェイ部24で用いられる転送テーブルTB、及び暗号処理部23で復号されたデータ(センサ値SV)等を記憶する。ここで、メモリ26に記憶されるセンサ値SVは、例えば以下に示す情報を含むものである。
・センサ値…センサ機器11aの測定結果(例えば、流量)
・センサステータス…センサ機器11aの状態を示す情報
・送信時間…センサ機器11aがデータを送信した時間
・受信時間…無線アダプタ12がセンサ機器11aからのデータを受信した時間
・シーケンス番号…パケットの順番を示す番号
インターフェイス部27は、情報端末装置TMを無線アダプタ12に接続するためのインターフェイスである。このインターフェイス部27は、例えば赤外線通信若しくはNFC等の無線通信が可能に構成されている。尚、USB通信等の有線通信が可能に構成されていても良い。
〈無線中継方法〉
図3は、本発明の第1実施形態による無線中継方法の一例を示すフローチャートである。尚、以下では、センサ機器11aから送信されたデータ(センサ値)が、表示機器11b及びゲートウェイ15(監視制御装置16)に転送される場合を例に挙げて説明する。尚、図3に示すフローチャートは、センサ機器11aから送信されたデータが無線アダプタ12に入力された場合に開始される。
処理が開始されると、まずセンサ機器11aから無線ネットワークN1を介して送信されてきたデータが、無線アダプタ12の無線通信部21で受信される(ステップS11:第1ステップ)。無線通信部21で受信されたデータは、パケット処理部22に出力される。ここで、センサ機器11aから送信されてきたデータは、無線アダプタ12宛て(無線アダプタ12のゲートウェイ部24宛て)のデータである。このため、パケット処理部22に出力されたデータは、暗号処理部23に出力される。
すると、暗号処理部23において、センサ機器11aから送信されてきたデータを、暗号鍵K1(図1参照)を用いて復号する処理が行われる(ステップS12:第2ステップ)。復号されたデータは、暗号処理部23から制御部25に出力されてメモリ26にセンサ値SVとして記憶される(ステップS13)。続いて、転送条件が満たされたか否かが制御部25で判断される(ステップS14)。例えば、予め設定された転送タイミングが到来したか否かが制御部25で判断される。
転送条件が満たされていないと判断された場合(判断結果が「NO」の場合)には、ステップS14の処理が繰り返される。尚、ステップS14の処理が繰り返されている間に、センサ機器11aから送信されたデータは、メモリ26にセンサ値SVとして記憶されて蓄積されていく。これに対し、転送条件が満たされたと判断された場合(判断結果が「YES」の場合)には、メモリ26からセンサ値SVを読み出してゲートウェイ部24に出力する処理が制御部25によって行われる(ステップS15)。すると、表示機器11b及びゲートウェイ15に対するデータの転送処理がゲートウェイ部24で行われる(ステップS16:第3ステップ)。具体的には、メモリ26から読み出されたデータを、表示機器11b及びゲートウェイ15にそれぞれ転送するための処理がゲートウェイ部24で行われる。
以上の転送処理がゲートウェイ部24で行われると、表示機器11bに転送されるべきデータ、及びゲートウェイ15に転送されるべきデータが、ゲートウェイ部24から暗号処理部23に順次出力される。すると、表示機器11bに転送されるべきデータを、暗号鍵K2を用いて暗号化し、ゲートウェイ15に転送されるべきデータを、暗号鍵K3を用いて暗号化する処理が暗号処理部23で行われる(ステップS17:第4ステップ)。暗号化されたデータは、暗号処理部23からパケット処理部22を介して無線通信部21に出力され、無線信号として無線ネットワークN1に送信される(ステップS18:第5ステップ)。
無線アダプタ12から無線信号として送信されたデータは、表示機器11b及びバックボーンルータ13でそれぞれ受信される。表示機器11bで受信されたデータは、表示機器11bに配布されている暗号鍵K2を用いて復号されて表示機器11bに表示される。他方、バックボーンルータ13で受信されたデータは、バックボーンネットワークN2を介してゲートウェイ15で受信され、ゲートウェイ15に配布されている暗号鍵K3を用いて復号される。この復号されたデータが、ゲートウェイ15から制御ネットワークN3を介して監視制御装置16に収集される。
ここで、現場の作業者が、無線アダプタ12の設置場所の近くにおいて、情報端末装置TMを操作してセンサ値SVの取得指示を行ったとする。すると、まず情報端末装置TMと無線アダプタ12との間で通信が開始され、情報端末装置TMが無線アダプタ12のインターフェイス部27に接続された状態になる。次に、情報端末装置TMから無線アダプタ12の制御部25に対し、センサ値SVの送信要求が送信される。この送信要求が受信されると、メモリ26からセンサ値SVを読み出してインターフェイス部27から情報端末装置TMに送信させる制御が制御部25によって行われる。
以上の通り、本実施形態においては、ゲートウェイ機能を有する無線アダプタ12を無線ネットワークN1内に設置し、センサ機器11aから無線アダプタ12宛てに送信されるデータを復号した後に、暗号化して表示機器11b及びゲートウェイ15に転送するようにしている。このため、従来よりも通信リソース及び電池の無駄な消費を抑えつつ、無線ネットワークN1を介して通信される暗号化されたデータを、現場において参照することができる。
また、本実施形態では、無線アダプタ12にメモリ26を設け、無線アダプタ12で復号されたデータを無線アダプタ12内に蓄積するとともに、無線アダプタ12内に蓄積さえたデータを情報端末装置TMで取得可能としている。これにより、仮にシステムマネージャ14に障害が発生したとしても、障害が発生するまでに無線アダプタ12に蓄積されたデータを取得することができる。尚、アクセスしやすい場所に無線アダプタ12を設置することで、無線アダプタ12に蓄積されたデータを容易に取得することが可能である。
〔第2実施形態〕
〈無線通信システム〉
図4は、本発明の第2実施形態による無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。尚、図4においては、図1に示す構成と同じ構成については同一の符号を付してある。図4に示す通り、本実施形態の無線通信システム2は、図1に示す無線通信システム1の無線アダプタ12を無線アダプタ30に代えた構成であり、無線アダプタ30が参入している無線ネットワークN1(第1無線ネットワーク)とは異なるサブ無線ネットワークNS(第2無線ネットワーク)を無線アダプタ30によって管理するようにしたものである。
このような管理を行うのは、システムマネージャ14に障害が発生して無線ネットワークN1の運用が停止した場合であっても、無線アダプタ30によって管理されるサブ無線ネットワークNSの運用を継続させるためである。つまり、本実施形態の無線通信システム2は、無線アダプタ30によってサブ無線ネットワークNSの運用を継続させることで、システムマネージャ14に障害が発生した場合であっても、サブ無線ネットワークNSを介して通信される暗号化されたデータの参照を可能としている。
無線アダプタ30は、図1に示す無線アダプタ12に、サブ無線ネットワークNSの管理を行う機能を追加したものである。つまり、無線アダプタ30は、無線アダプタ12と同様に、無線通信規格ISA100.11aに準拠した無線通信が可能であり、データの中継(無線ネットワークN1及びサブ無線ネットワークNSを介する暗号化されたデータの中継)、並びにデータの復号及び暗号化を行う。また、無線アダプタ30は、無線アダプタ12と同様に、スマートフォン等の情報端末装置TMとの通信が可能である。
加えて、無線アダプタ30は、サブ無線ネットワークNSの管理を行う。具体的に、無線アダプタ30は、サブ無線ネットワークNSに参入している無線デバイス11に対する通信リソース(タイムスロット及び通信チャネル)の割り当て制御、無線デバイス11の参入処理、無線デバイス11に対する暗号鍵K1,K2の配布等を行う。尚、無線アダプタ30が配布する暗号鍵K1,K2は、システムマネージャ14から無線アダプタ30に対して予め配布されたものである。
以下では、図4に示す通り、無線アダプタ30によって管理されるサブ無線ネットワークNSには、センサ機器11a及び表示機器11bが参入しているものとする。尚、図4においては、システムマネージャ14によって管理される無線ネットワークN1に参入している無線デバイス11を「無線デバイス11c」として図示している。
〈無線中継装置〉
図5は、本発明の第2実施形態による無線中継装置としての無線アダプタの要部構成を示すブロック図である。尚、図5においては、図2に示す構成と同じ構成については同一の符号を付してある。図5に示す通り、無線アダプタ30は、図2に示す無線アダプタ12にシステムマネージャ部31(管理部)を追加し、ネットワーク管理情報Q1及び送受信設定情報Q2をメモリ26(第2格納部、第3格納部)に記憶させたものである。
システムマネージャ部31は、制御部25の制御の下で、サブ無線ネットワークNSの管理を行う。具体的に、システムマネージャ部31は、センサ機器11a及び表示機器11bに対する通信リソース(タイムスロット及び通信チャネル)の割り当て制御を行って、サブ無線ネットワークNSを介して行われるTDMAによる無線通信を実現する。また、システムマネージャ部31は、サブ無線ネットワークNSへの参入要求(ジョイン要求)が送信されてきた場合に、センサ機器11a及び表示機器11bをサブ無線ネットワークNSに参入させるか否かの処理(参入処理)を行う。尚、システムマネージャ部31は、センサ機器11a及び表示機器11bをサブ無線ネットワークNSに参入させる際に、前述した暗号鍵K1,K2の配布を行う。
メモリ26に記憶されるネットワーク管理情報Q1は、サブ無線ネットワークNSを管理するためにシステムマネージャ部31で用いられる情報であり、例えば以下に示す情報を含むものである。
・サブネットID…サブ無線ネットワークNSに割り当てられる識別子
・ジョインキー…サブ無線ネットワークNSの参入処理で用いられる認証鍵
・ロール…無線デバイス11の役割(フィールド機器又は無線ルータ)
・経路情報…通信を行う無線デバイス11(通信元及び通信先)を示す情報
・通信チャネル(ホッピングパターン)…使用するチャネルのリスト
メモリ26に記憶される送受信設定情報Q2は、サブ無線ネットワークNSを介したデータの送受信タイミングを規定するための情報であり、例えば以下に示す情報を含むものである。この送受信設定情報Q2は、システムマネージャ部31で参入処理が完了した後に、ゲートウェイ部24で用いられる。
・更新周期…データの送受信を行う周期
・送受信デバイス…データの送受信を行うデバイス
・送受信タイミング(Phase)情報…送受信タイミングを示す情報
尚、無線アダプタ30の制御部25は、図2に示す無線アダプタ12の制御部25と同様に、図4に示す情報端末装置TMからの要求に基づいて、メモリ26に記憶されたセンサ値SVを読み出して情報端末装置TMに出力する制御を行う。また、無線アダプタ30の制御部25は、メモリ26に記憶されたセンサ値SVに加えて、或いはメモリ26に記憶されたセンサ値SVとは別に、メモリ26に記憶されたネットワーク管理情報Q1及び送受信設定情報Q2の少なくとも一方を読み出して情報端末装置TMに出力する制御を行う。
〈無線中継方法〉
[通常時]
システムマネージャ14に障害が発生しておらず、無線ネットワークN1を介した無線通信が可能な通常時には、無線アダプタ30では、図3を用いて説明した動作と同様の動作が行われる。つまり、センサ機器11aからサブ無線ネットワークNSを介して無線アダプタ30宛て(無線アダプタ30のゲートウェイ部24宛て)のデータが送信されてくると、そのデータは、無線アダプタ30の無線通信部21で受信される(ステップS11)。受信されたデータは、暗号処理部23で暗号鍵K1を用いて復号され(ステップS12)、メモリ26にセンサ値SVとして記憶される(ステップS13)。
次いで、転送条件が満たされたか否かが制御部25で判断される(ステップS14)。転送条件が満たされたと判断された場合(判断結果が「YES」の場合)には、メモリ26に記憶されたセンサ値SVが制御部25によって読み出され(ステップS15)、表示機器11b及びゲートウェイ15にそれぞれ転送するための処理(転送処理)がゲートウェイ部24で行われる(ステップS16)。続いて、表示機器11bに転送されるべきデータを、暗号鍵K2を用いて暗号化し、ゲートウェイ15に転送されるべきデータを、暗号鍵K3を用いて暗号化する処理が暗号処理部23で行われる(ステップS17)。最後に、暗号化されたデータが、無線通信部21から無線信号としてサブ無線ネットワークNS及び無線ネットワークN1にそれぞれ送信される(ステップS18)。
無線アダプタ30からサブ無線ネットワークNSに送信されたデータは表示機器11bで受信され、無線アダプタ30から無線ネットワークN1に送信されたデータはバックボーンルータ13で受信される。表示機器11bで受信されたデータは、表示機器11bに配布されている暗号鍵K2を用いて復号されて表示機器11bに表示される。他方、バックボーンルータ13で受信されたデータは、バックボーンネットワークN2を介してゲートウェイ15で受信され、ゲートウェイ15に配布されている暗号鍵K3を用いて復号される。この復号されたデータが、ゲートウェイ15から制御ネットワークN3を介して監視制御装置16に収集される。
尚、現場の作業者が、無線アダプタ30の設置場所の近くにおいて、情報端末装置TMを操作してセンサ値SV、ネットワーク管理情報Q1、及び送受信設定情報Q2の少なくとも1つの取得指示を行ったとする。すると、情報端末装置TMが無線アダプタ30のインターフェイス部27に接続された状態になり、情報端末装置TMから無線アダプタ30の制御部25に対して、指示された情報の送信要求が送信される。この送信要求が受信されると、メモリ26からセンサ値SVを読み出してインターフェイス部27から情報端末装置TMに送信させる制御が制御部25によって行われる。
[障害発生時]
システムマネージャ14に障害が発生したとすると、無線ネットワークN1の運用が停止され、無線アダプタ30は無線ネットワークN1から離脱する。これにより、無線アダプタ30からゲートウェイ15へのデータ送信が行えなくなる。但し、無線ネットワークN1の運用が停止されたとしても、無線アダプタ30によって管理されるサブ無線ネットワークNSの運用は継続される。このため、センサ機器11aから無線アダプタ30へのデータ送信、無線アダプタ30内におけるデータの蓄積(センサ値SVの蓄積)、及び無線アダプタ30から表示機器11bへのデータ送信は継続される。尚、このような動作は、システムマネージャ14が復旧するまで継続される。
図6は、本発明の第2実施形態による無線中継装置としての無線アダプタの障害復旧時の動作を示すフローチャートである。システムマネージャ14が復旧したとすると、システムマネージャ14からは、広告(無線デバイス11c及び無線アダプタ30を無線ネットワークN1に参入させるために必要となる情報)が定期的に送信される。図6に示すフローチャートは、システムマネージャ14からの広告が無線アダプタ30に入力された場合に開始される。
処理が開始されると、まずシステムマネージャ14から送信された広告を受信する処理が無線通信部21で行われる(ステップS21)。尚、受信された広告に含まれる情報は、制御部25に出力される。次に、無線ネットワークN1への参入要求(ジョイン要求)をシステムマネージャ14に送信する処理が制御部25の制御によって行われる(ステップS22)。続いて、システムマネージャ14からの参入許可(無線ネットワークN1への参入を許可する旨を示す情報)を受信したか否かが制御部25で判断される(ステップS23)。
参入許可を受信していないと判断された場合(判断結果が「NO」の場合)には、ステップS23の処理が繰り返される。尚、システムマネージャ14からの参入拒否(無線ネットワークN1への参入を拒否する旨を示す情報)を受信した場合には、図6に示す一連の処理が終了する。これに対し、参入許可を受信したと判断された場合(判断結果が「YES」の場合)には、制御部25の制御によって無線ネットワークN1に参入する処理が行われる(ステップS24)。
次いで、メモリ26に記憶されているセンサ値SVのうち、ゲートウェイ15に送信されていない未送信のセンサ値SVをゲートウェイ15に逐次送信する処理が制御部25の制御により行われる(ステップS25)。つまり、システムマネージャ14の障害が発生して無線ネットワークN1の運用が停止された後に、無線アダプタ30に蓄積されたセンサ値SVをゲートウェイ15に逐次送信する処理が行われる。以上の処理が完了すると、前述した通常時の動作に移行する。
以上の通り、本実施形態においては、ゲートウェイ機能に加えてシステムマネージャの機能を有する無線アダプタ30を無線ネットワークN1内に設置し、無線ネットワークN1とは異なるサブ無線ネットワークNSを管理するようにしている。これにより、システムマネージャ14に障害が発生していない通常時には、第1実施形態と同様に、センサ機器11aから無線アダプタ30宛てに送信されるデータが復号された後に、暗号化されて表示機器11b及びゲートウェイ15に転送される。このため、従来よりも通信リソース及び電池の無駄な消費を抑えつつ、無線ネットワークN1を介して通信される暗号化されたデータを、現場において参照することができる。
また、システムマネージャ14に障害が発生した障害発生時には、無線ネットワークN1の運用が停止されても、サブ無線ネットワークNSの運用は継続される。これにより、無線アダプタ30からゲートウェイ15へのデータ送信は行えなくなるものの、センサ機器11aから無線アダプタ30へのデータ送信、無線アダプタ30内におけるデータの蓄積(センサ値SVの蓄積)、及び無線アダプタ30から表示機器11bへのデータ送信は継続される。このため、システムマネージャ14に障害が発生したとしても、サブ無線ネットワークNSを介して通信される暗号化されたデータを、現場において参照することができる。
また、本実施形態では、システムマネージャ14が復旧した場合に、無線アダプタ30に蓄積されたセンサ値SVのうち、ゲートウェイ15に送信されていない未送信のセンサ値SVをゲートウェイ15に逐次送信するようにしている。これにより、システムマネージャ14の障害が発生してから復旧するまでの間にセンサ機器11aで得られたデータの全てをゲートウェイ15に送信することができる。
以上、本発明の実施形態による無線中継装置、無線通信システム、及び無線中継方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記第2実施形態において、無線ネットワークN1を介した無線通信に用いる通信プロトコルと、サブ無線ネットワークNSを介した無線通信に用いる通信プロトコルとは、同じであっても、異なっていても良い。
上述した第2実施形態では、無線ネットワークN1を介した無線通信に用いる通信プロトコル、及びサブ無線ネットワークNSを介した無線通信に用いる通信プロトコルは、何れも無線通信規格ISA100.11aに準拠した通信プロトコルであった。しかしながら、例えば、無線ネットワークN1を介した無線通信に用いる通信プロトコルは、無線通信規格ISA100.11aに準拠した通信プロトコルにし、サブ無線ネットワークNSを介した無線通信に用いる通信プロトコルは、WirelessHART(登録商標)或いはZigBee(登録商標)に準拠した通信プロトコルにしても良い。
また、上記第2実施形態において、システムマネージャ14と無線アダプタ30とを時刻同期させても良く、時刻同期させなくても良い。システムマネージャ14と無線アダプタ30とを時刻同期させた場合には、無線ネットワークN1を介する無線通信と、サブ無線ネットワークNSを介する無線通信との干渉を防止することができる。システムマネージャ14と無線アダプタ30とを時刻同期させない場合には、上記の干渉によってデータ送信が失敗する可能性が考えられるが、データの再送等によって対処すれば良い。
また、上述した第1,第2実施形態では、バックボーンルータ13、システムマネージャ14、及びゲートウェイ15がそれぞれ別々の装置として実現されている例について説明した。しかしながら、これらのうちの任意の2つ以上の装置を1つの装置として実現することも可能である。
1,2 無線通信システム
12 無線アダプタ
15 ゲートウェイ
23 暗号処理部
24 ゲートウェイ部
25 制御部
26 メモリ
27 インターフェイス部
30 無線アダプタ
31 システムマネージャ部
K1 暗号鍵
K2 暗号鍵
K3 暗号鍵
N1 無線ネットワーク
NS サブ無線ネットワーク
Q1 ネットワーク管理情報
Q2 送受信設定情報
TB 転送テーブル
TM 情報端末装置

Claims (12)

  1. 無線ネットワークを介する暗号化されたデータの中継を行う無線中継装置において、
    自装置が参入しており、管理装置によって無線通信を可能とする管理が行われる第1無線ネットワークとは異なる第2無線ネットワークを介した無線通信を可能とする管理を行う管理部と、
    前記第2無線ネットワークを介して自装置宛てに送信されてくる第1データを、前記第1無線ネットワーク及び前記第2無線ネットワークの少なくとも一方を介して予め設定された転送先に第2データとして転送する転送制御部と、
    前記第1データを復号して前記転送制御部に出力するとともに、前記転送制御部によって転送される前記第2データを暗号化する暗号処理部と、
    前記暗号処理部から前記転送制御部に出力される復号された前記第1データを格納する第1格納部と、
    外部機器が接続可能なインターフェイス部と、
    前記インターフェイス部に接続された前記外部機器からの要求に基づいて、前記第1格納部に格納された前記第1データを読み出して前記インターフェイス部に出力する制御部と
    を備えることを特徴とする無線中継装置。
  2. 前記転送制御部は、予め設定された転送条件が満たされた場合に、前記第1格納部に格納された前記第1データを読み出して前記第2データとして転送することを特徴とする請求項1記載の無線中継装置。
  3. 前記第2無線ネットワークを管理するために前記管理部で用いられるネットワーク管理情報を格納する第2格納部を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の無線中継装置。
  4. 前記第2無線ネットワークを介したデータの送受信タイミングを規定する送受信設定情報を格納する第3格納部を備えており、
    前記転送制御部は、前記第3格納部に格納された前記送受信設定情報に基づいて、データの送信元及び送信先に対する送受信設定を行う
    ことを特徴とする請求項3記載の無線中継装置。
  5. 外部機器が接続可能なインターフェイス部と、
    前記インターフェイス部に接続された前記外部機器からの要求に基づいて、前記第1格納部に格納された前記第1データ、前記第2格納部に格納された前記ネットワーク管理情報、及び前記第3格納部に格納された前記送受信設定情報の少なくとも1つを読み出して前記インターフェイス部に出力する制御部と
    を備えることを特徴とする請求項4記載の無線中継装置。
  6. 前記転送制御部は、前記第1無線ネットワークを介した無線通信に用いる通信プロトコルとは異なる通信プロトコルを用いて前記第2無線ネットワークを介した通信を行うことを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の無線中継装置。
  7. 前記管理部は、前記第2無線ネットワークへの参入要求が送信されてきた場合に、該参入要求を送信した無線機器を前記第2無線ネットワークへ参入させるための参入処理を行うことを特徴とする請求項1から請求項6の何れか一項に記載の無線中継装置。
  8. 前記暗号処理部は、前記第1データの送信元毎に異なる暗号鍵を用いて前記第1データを復号し、前記第2データの転送先毎に異なる暗号鍵を用いて前記第2データを暗号化することを特徴とする請求項1から請求項7の何れか一項に記載の無線中継装置。
  9. 前記転送制御部は、前記第1データの送信元と前記第2データの転送先とが対応付けられた転送テーブルを参照して転送制御を行うことを特徴とする請求項1から請求項8の何れか一項に記載の無線中継装置。
  10. 無線ネットワークを介した無線通信が可能な無線通信システムにおいて、
    前記無線ネットワークを介する暗号化されたデータの中継を行う請求項1から請求項9の何れか一項に記載の無線中継装置と、
    前記無線中継装置において前記第2データの送信先の1つに設定されたゲートウェイと
    を備えることを特徴とする無線通信システム。
  11. 前記ゲートウェイは、前記無線中継装置に対し、前記第1データの送信元と前記第2データの転送先とが対応付けられた転送テーブルの設定を行うことを特徴とする請求項10記載の無線通信システム。
  12. 無線ネットワークを介する暗号化されたデータの中継を行う無線中継方法であって、
    自装置が参入しており、管理装置によって無線通信を可能とする管理が行われる第1無線ネットワークとは異なる無線ネットワークであって、自装置が無線通信を可能とする管理を行う第2無線ネットワークを介して送信されてくる自装置宛ての第1データを受信する第1ステップと、
    前記第1ステップで受信された前記第1データを復号して格納部に格納する第2ステップと、
    前記第2ステップで復号された前記第1データを予め設定された転送先に転送するための処理を行う第3ステップと、
    前記第3ステップの処理が行われた前記第1データを暗号化して第2データとする第4ステップと、
    前記第2データを前記第1無線ネットワーク及び前記第2無線ネットワークの少なくとも一方を介して前記予め設定された転送先に送信する第5ステップと、
    外部機器からの要求に基づいて、前記格納部に格納された前記第1データを読み出して前記外部機器に出力する第6ステップと
    を有することを特徴とする無線中継方法。
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