JP6672511B1 - センサシステム、送信端末、時刻情報処理装置及び同期方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、時刻を生成するクロックの不安定性、キャリアセンス等による送信遅延、パケットエラーによる再送及びCPU(Central Processing Unit)等が他の処理からの割り込みを受けた場合には処理に変動が生じてしまう。そのため、同期精度が低下してしまう場合があった。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態におけるセンサシステム100のシステム構成を示す図である。センサシステム100は、センサ10、送信端末20及び収集装置30を備える。センサ10と送信端末20とは、有線で接続されている。送信端末20と収集装置30とは、ネットワーク40を介して無線で接続されている。ネットワーク40は、例えばISM(Industrial, Scientific and Medical band)バンドのネットワークである。送信端末20と収集装置30との無線接続は、無線LANに限定される必要はなく、無線で通信できればどのような通信方式でもよい。図1では、センサシステム100がセンサ10及び送信端末20を一台備える構成を示しているが、センサシステム100はセンサ10及び送信端末20をそれぞれ複数台備えてもよい。
送信端末20は、受信部21、BPF22、アナログデジタル変換部23、フィルタ部24、クロック発振器25、時刻情報生成部26及び信号処理部27を備える。
受信部21は、センサ10から送信された電気信号を受信する。受信部21は、受信した電気信号をBPF22に出力する。
BPF22は、受信部21によって受信された電気信号からノイズを除去する。BPF22は、ノイズを除去するためのフィルタである。BPF22は、ノイズ除去後の信号をアナログデジタル変換部23に出力する。
フィルタ部24は、アナログデジタル変換部23から出力されたデジタル信号からノイズを除去する。フィルタ部24は、ノイズを除去するためのフィルタである。フィルタ部24は、ノイズ除去後の信号を信号処理部27に出力する。
以下の説明では、受信部21、BPF22、アナログデジタル変換部23及びフィルタ部24で行う処理を前処理として説明する。
イベント信号生成部271は、入力したノイズ除去後のデジタル信号の波形が持続しているか否かを示すゲート信号を生成する。イベント信号生成部271は、例えばエンベロープ検出器及びコンパレータにより実現される。エンベロープ検出器は、ノイズ除去後のデジタル信号のエンベロープを検出する。エンベロープは、例えば、ノイズ除去後のデジタル信号を二乗し、二乗した出力値に対して所定の処理(例えばローパスフィルタを用いた処理やヒルベルト変換)を行うことで抽出される。コンパレータは、ノイズ除去後のデジタル信号のエンベロープが所定の閾値以上であるか否かを判定する。
収集装置30は、バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)やメモリや補助記憶装置などを備え、収集プログラムを実行する。収集プログラムの実行によって、クロック発振器31、時刻情報生成部32、通信部33、受信時刻決定部34及び時刻情報処理部35を備える装置として機能する。なお、収集装置30の各機能の全て又は一部は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアを用いて実現されてもよい。また、収集プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。また、収集プログラムは、電気通信回線を介して送受信されてもよい。
受信時刻決定部34は、受信信号に基づいて受信時刻を決定する。具体的には、受信時刻決定部34は、通信部33によって送信端末20から送信された信号が受信された時刻を受信時刻として決定する。受信時刻は、一般的に受信開始時刻やプリアンブルを発見した時刻又は同期ワード発見時刻を指すがこれに限らない。
図5に示すように、送信端末20はイベント発生時にイベント時刻決定部272によりイベント検知時刻を取得し、通信部274によりイベント検知時刻の情報を収集装置30に送信する。具体的には、まず送信端末20は、イベントが発生すると、イベントが発生した時刻T0をイベント検知時刻に決定する。次に、送信端末20は、イベント検知時刻T0と送信時刻T1とを含む送信データを生成し、生成した送信データを時刻T1に収集装置30に送信する。収集装置30は、送信端末20から送信された送信データを受信する。収集装置30は、送信データを受信した時刻T1´を受信時刻に決定する。収集装置30は、送信端末20から少なくとも送信時刻を含む送信データを受信する度に、受信時刻決定部34において受信時刻を決定する。図5に示すように、送信動作よりもイベント発生が早い場合には、送信端末20による送信は待機され、送信可能なタイミングで送信が開始される。
図8は、第1の実施形態における送信端末20が行う第1の送信方法の具体例を示す図である。第1の送信方法は、送信端末20が、イベントが発生した後のランダムな時間経過したタイミングに、1度の送信で、イベント検知時刻と、送信時刻と、センサデータとを収集装置30に送信する方法である。より具体的には、送信端末20は、イベントが発生した後に、イベント検知時刻の送信時刻を決定し、決定した時刻にイベント検知時刻と、センサデータと、送信時刻とを含む送信データを収集装置30に送信する。収集装置30は、送信端末20から送信された送信データを受信した場合に、受信時刻を生成する。
センサ10は、物理量を検知する(ステップS101)。センサ10は、検知した物理量を電気信号に変換する。センサ10は、検知結果を示す電気信号を送信端末20に送信する(ステップS102)。送信端末20の受信部21は、センサ10から送信された電気信号を受信する。送信端末20は、受信した電気信号に対して前処理を行う(ステップS103)。イベント信号生成部271は、前処理後の信号に基づいてイベント発生を検知する(ステップS104)。イベント信号生成部271は、第1のゲート信号をイベント時刻決定部272に出力する。イベント時刻決定部272は、第1のゲート信号が入力された時刻をイベント検知時刻として決定する(ステップS105)。イベント時刻決定部272は、決定したイベント検知時刻の情報を通信部274に出力する。なお、イベント時刻決定部272は、センサ10から得られたセンサデータも通信部274に出力する。
図5に示すような時刻処理が行われた場合に得られた送信端末20の送信時刻と、収集装置30の受信時刻とに基づいて図13に示すグラフが得られたとする。図13において、yは受信時刻(T´)を表し、f(x)はモデル関数を表し、xは送信時刻(T)を表し、εは誤差を表す。線80は、送信端末20の送信時刻と、収集装置30の受信時刻との関係性を表す線である。この線80は、上記のように回帰分析で得ることができる。図13に示すように、送信時刻と受信時刻との対応関係により得られるポイント81の位置は、線80から多少のずれが生じている。このずれが誤差である。送信端末20及び収集装置30にはそれぞれ、固有の時計(クロック)が内蔵されている。そのため、電源を入れたタイミングが違えば時計の時刻はずれており、また、クロックの速度が厳密に同じでなければ時刻はずれていく。また、送信時刻の正確さや受信時刻の正確さも影響するため、図13に示すような誤差が少なからず生じる。
f(Tn)=aTn+bとしたとき、時刻情報処理部35は、上式(1)のJが最小となるa及びbを以下の式(2)に基づいて算出する。
図13及び図14では、送信端末20が1台の場合を例に説明したが、送信端末20が複数台の場合には図15に示すように、時刻情報処理部35は送信端末20が1台の場合と同様に、各送信端末20と収集装置30との時刻の関係性を求める。また、あらかじめ伝播時刻を推定や測定した場合や、そのほか既知の固定の誤差が存在する場合には、Tn´=aTn+b+cと既知cで補正をすることができる。
イベント信号生成部271は、送信端末20内部の情報に基づいてイベントを検知するように構成されてもよい。送信端末20内部の情報としては、時刻情報やエラー等といったものがある。このように、送信端末20が、送信端末20内部の情報に基づいてイベントを検知する場合、センサシステム100はセンサ10を備えなくてもよい。センサシステム100がセンサ10を備えない場合、送信端末20はクロック発振器25、時刻情報生成部26及び信号処理部27を備えるように構成されてもよい。
第2の実施形態では、第1の実施形態で示したセンサシステム100を弾性波の発生源の位置標定に適用した場合の構成について説明する。すなわち、第2の実施形態では、イベントの発生は、弾性波の検知である。
図16は、第2の実施形態におけるセンサシステム100aのシステム構成を示す図である。センサシステム100aは、複数のセンサ10−1〜10−n(nは3以上の整数)、複数の送信端末20a−1〜20a−n、複数の収集装置30a−1〜30a−n及びサーバ装置50を備える。センサ10−1と送信端末20a−1、センサ10−2と送信端末20a−2、センサ10−nと送信端末20a−nとは、有線で接続されている。複数の送信端末20a−1〜20a−nそれぞれと収集装置30aとは、ネットワーク40を介して無線で接続されている。収集装置30aとサーバ装置50とは、ネットワーク60を介して優先又は無線で接続されている。ネットワーク60は、例えばLANであってもよいし、インターネットであってもよい。
図17は、第2の実施形態における信号処理部27aの内部構成を表す概略ブロック図である。
信号処理部27aは、イベント信号生成部271a、イベント時刻決定部272a、通信時刻決定部273a、通信部274a、特徴量抽出部275及び検知信号生成部276で構成される。
イベント時刻決定部272aは、イベント時刻決定部272と同様の処理を行う。イベント時刻決定部272aは、決定したイベント検知時刻を特徴量と紐づけするため、イベント検知時刻の情報を検知信号生成部276に出力する。
通信部274aは、ネットワーク40を介して収集装置30aとの間で通信を行う通信インタフェースである。通信部274aは、検知信号生成部276から出力された検知情報と、通信時刻決定部273aから出力された送信時刻とを入力する。通信部274aは、記憶部を有してもよい。記憶部は、例えばデュアルポートRAMを有しており、検知情報及び送信時刻を記憶する。記憶部は、必ずしも通信部274a内部に備えられる必要はなく、送信端末20a内に備えられてもよい。通信部274aは、当該検知情報及び送信時刻を無線通信により、所定のタイミングで収集装置30aに送信する。通信部274aの通信に使用する無線の周波数帯は、例えば2.4GHz、920MHz等の帯域である。通信部274aは、検知情報及び送信時刻をまとめて送信したり、検知情報と送信時刻とを別々に送信したりといったように適切なタイミングで送信することも可能である。
収集装置30aは、バスで接続されたCPUやメモリや補助記憶装置などを備え、収集プログラムを実行する。収集プログラムの実行によって、クロック発振器31、時刻情報生成部32、通信部33、受信時刻決定部34、時刻情報処理部35及び位置標定部36を備える装置として機能する。なお、収集装置30aの各機能の全て又は一部は、ASICやPLDやFPGA等のハードウェアを用いて実現されてもよい。また、収集プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。また、収集プログラムは、電気通信回線を介して送受信されてもよい。
センサ10−3は、物理量を検知する(ステップS203)。センサ10−3は、検知した物理量を電気信号に変換する。センサ10−3は、検知結果を示す電気信号を送信端末20a−3に送信する(ステップS204)。
センサシステム100aは、複数のセンサ10を設置することで、複数のイベントの発生時刻差を検出することができ、振動発生源や、雷発生位置をコストの少ない端末による無線で標定することが可能となる。このようなシステムでは、イベントは同じタイミングで発生するため、複数のセンサ10間のイベント検知時刻は略同じ時刻となる。そのため、イベント検知後に一定のランダムな時刻待機することで無線の衝突を防ぐことが可能となる。
図21は、第2の実施形態における位置特定方法の例を説明するための図(2次元の場合)である。図21では、構造物に亀裂が生じ、この亀裂による弾性波が伝搬速度v[m/s]でセンサ10−1〜10−4それぞれに到達する場合の例を示す。センサ10−1〜10−4それぞれに弾性波が到達する時刻は、センサ10−1〜10−4それぞれで異なる。弾性波の受信時刻の時間差がわかると、図21に示されるように、センサ10−1〜10−4それぞれを中心とした円周ARC_1(半径T1)、円周ARC_2(半径T2)、円周ARC_3(半径T3)、及び、円周ARC_4(半径T4)上に弾性波の発生源があると推定できる。すなわち、位置標定部36は、円周ARC_1乃至ARC_4の交点を、弾性波の発生源の位置情報として特定することができる。
センサシステム100aでは、各センサ10から得られた情報に基づいて、センサ10毎のイベント検知時刻を推定する。具体的には、収集装置30aは、時間誤差が小さくなるような補正により、イベント検知時刻を推定している。したがって、収集装置30aは、補正後のイベント検知時刻に基づいてイベント発生源の位置を標定するため、精度よく位置を標定することができる。
収集装置30aの一部の機能がサーバ装置50に実装されてもよい、例えば、収集装置30aが備える時刻情報処理部35及び位置標定部36がサーバ装置50に実装されてもよい。この場合、収集装置30aが、データの収集及び受信時刻の決定を行い、サーバ装置50が、イベント検知時刻の推定及び位置評定を行う。また、例えば、収集装置30aが備える位置標定部36がサーバ装置50に実装されてもよい。この場合、収集装置30aが、データの収集、受信時刻の決定及びイベント検知時刻の推定を行い、サーバ装置50が位置評定を行う。サーバ装置50が少なくとも時刻情報処理部35を備える場合、サーバ装置50はイベントの検知時刻、送信時刻及び受信時刻の全ての時刻情報を取得する取得部を備える。そして、時刻情報処理部35は、取得した複数の送信時刻と、複数の受信時刻とに基づいた処理を行う。具体的な処理は、上述の通りである。
上記のように、収集装置30a及びサーバ装置50のいずれか一方の装置は、少なくともイベント検知時刻の推定及び位置評定のいずれかの処理を行う。収集装置30a及びサーバ装置50は、時刻情報処理装置の一態様である。
Claims (14)
- 物理量を検知するセンサと、前記センサに接続される送信端末と、前記送信端末から送信される情報に基づいた処理を行う時刻情報処理装置とを備えるセンサシステムであって、
前記送信端末は、
前記センサによって検知された前記物理量に基づいて、イベントの発生を検知するイベント信号生成部と、
前記イベントの検知時刻を決定するイベント時刻決定部と、
前記時刻情報処理装置への送信時の送信時刻を決定する通信時刻決定部と、
前記送信時刻の時刻情報及び前記イベントの検知時刻の時刻情報を前記時刻情報処理装置に送信する通信部と、
を備え、
前記時刻情報処理装置は、
前記送信端末から送信される時刻情報の受信時刻を決定する受信時刻決定部と、
複数の前記送信時刻と、複数の前記受信時刻とに基づいた処理を行う時刻情報処理部と、
を備え、
前記時刻情報処理部は、前記複数の送信時刻と、前記複数の送信時刻に対応する複数の受信時刻との関係性を求め、求めた前記関係性と、前記イベントの検知時刻とを用いて前記時刻情報処理装置におけるイベントの検知時刻を推定するセンサシステム。 - 前記イベントの発生源を標定する位置標定部をさらに備え、
前記センサ及び前記送信端末を複数備え、
前記時刻情報処理部は、前記送信端末毎に前記イベントの検知時刻を推定し、
前記位置標定部は、推定された前記送信端末毎の前記イベントの検知時刻を用いてイベントの時間差情報を算出し、算出した前記時間差情報と、前記送信端末の位置情報と、前記センサによって検知される前記物理量の伝搬速度とに基づいて前記イベントの発生源を標定する、請求項1に記載のセンサシステム。 - 前記時刻情報処理部は、前記複数の送信時刻に基づいて送信時刻の時刻差を算出し、前記複数の受信時刻に基づいて受信時刻の時刻差を算出する、請求項1に記載のセンサシステム。
- 前記イベントの発生源を標定する位置標定部をさらに備え、
前記センサ及び前記送信端末を複数備え、
前記時刻情報処理部は、前記送信端末毎に前記送信時刻の時刻差及び前記受信時刻の時刻差を算出し、
前記位置標定部は、算出された前記送信時刻の時刻差と、前記受信時刻の時刻差と、前記送信端末の位置情報と、前記センサによって検知される前記物理量の伝搬速度とに基づいて前記イベントの発生源を標定する、請求項1又は3に記載のセンサシステム。 - 前記通信部は、少なくとも前記イベントの検知時刻と、自送信データを識別するための識別情報とを含む第1の送信データを前記時刻情報処理装置に送信した後に、少なくとも前記第1の送信データの送信時刻と、前記第1の送信データを識別するための識別情報と、自送信データを識別するための識別情報とを含む第2の送信データを前記時刻情報処理装置に送信する、請求項1から4のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 前記通信部は、少なくとも前記イベントの検知時刻を含む第1の送信データの送信前後に、仮想的に発生したイベントに基づいて少なくとも送信時刻を含む第2の送信データを前記時刻情報処理装置に送信する、請求項1から5のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 前記通信部は、前記イベント信号生成部によってイベントの発生が検知された後のランダム時間経過したタイミングに、少なくとも前記イベントの検知時刻と、送信時刻とを含む送信データを前記時刻情報処理装置に送信する、請求項1から6のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 物理量を検知するセンサと、前記センサに接続される送信端末と、前記送信端末から送信される複数の送信時刻と、前記複数の送信時刻に対応する複数の受信時刻と、前記送信端末におけるイベントの検知時刻とに基づいた処理を行い、前記複数の送信時刻と、前記複数の送信時刻に対応する複数の受信時刻との関係性を求め、求めた前記関係性と、前記イベントの検知時刻とを用いて自装置におけるイベントの検知時刻を推定する時刻情報処理装置とを備えるセンサシステムに用いられる前記送信端末であって、
前記センサによって検知された前記物理量に基づいて、イベントの発生を検知するイベント信号生成部と、
前記イベントの検知時刻を決定するイベント時刻決定部と、
送信時の送信時刻を決定する通信時刻決定部と、
前記送信時刻の時刻情報及び前記イベントの検知時刻の時刻情報を前記時刻情報処理装置に送信する通信部と、
を備える送信端末。 - イベントの検知時刻の時刻情報と、前記イベントの検知時刻を通知するための送信データが送信された送信時刻の時刻情報と、前記送信データの受信時刻の時刻情報を取得する取得部と、
取得した複数の前記送信時刻と、複数の前記受信時刻とに基づいた処理を行う時刻情報処理部と、
を備え、
前記時刻情報処理部は、前記複数の送信時刻と、前記複数の送信時刻に対応する複数の受信時刻との関係性を求め、求めた前記関係性と、前記イベントの検知時刻とを用いて自装置におけるイベントの検知時刻を推定する時刻情報処理装置。 - 物理量を検知するセンサと、前記センサに接続される送信端末と、前記送信端末から送信される情報に基づいた処理を行う時刻情報処理装置とを備えるセンサシステムにおける同期方法であって、
前記送信端末が、
前記センサによって検知された前記物理量に基づいて、イベントの発生を検知し、
前記イベントの検知時刻を決定し、
前記時刻情報処理装置への送信時の送信時刻を決定し、
前記送信時刻の時刻情報及び前記イベントの検知時刻の時刻情報を前記時刻情報処理装置に送信し、
前記時刻情報処理装置が、
前記送信端末から送信される時刻情報の受信時刻を決定し、
複数の前記送信時刻と、複数の前記受信時刻とに基づいた処理を行い、
前記時刻情報処理装置が、前記複数の送信時刻と、前記複数の送信時刻に対応する複数の受信時刻との関係性を求め、求めた前記関係性と、前記イベントの検知時刻とを用いて前記時刻情報処理装置におけるイベントの検知時刻を推定する同期方法。 - 物理量を検知するセンサと、前記センサに接続される送信端末と、前記送信端末から送信される情報に基づいた処理を行う時刻情報処理装置とを備えるセンサシステムであって、
前記送信端末は、
前記時刻情報処理装置への送信時の送信時刻の時刻情報及びイベントの検知時刻の時刻情報を前記時刻情報処理装置に送信する通信部、
を備え、
前記時刻情報処理装置は、
前記送信端末から送信される複数の前記送信時刻と、複数の送信時刻に対応する複数の受信時刻との関係性と、前記イベントの検知時刻とに基づいて前記時刻情報処理装置におけるイベントの検知時刻を推定する時刻情報処理部
を備えるセンサシステム。 - 物理量を検知するセンサと、前記センサに接続される送信端末と、前記送信端末から送信される複数の送信時刻と、前記複数の送信時刻に対応する複数の受信時刻との関係性と、イベントの検知時刻とに基づいて自装置におけるイベントの検知時刻を推定する時刻情報処理装置とを備えるセンサシステムに用いられる前記送信端末であって、
前記時刻情報処理装置への送信時の送信時刻の時刻情報及びイベントの検知時刻の時刻情報を前記時刻情報処理装置に送信する通信部、
を備える送信端末。 - イベントを検知した送信端末から自装置への送信時の複数の送信時刻と、複数の送信時刻に対応する複数の受信時刻との関係性と、イベントの検知時刻とに基づいて自装置におけるイベントの検知時刻を推定する時刻情報処理部
を備える時刻情報処理装置。 - 物理量を検知するセンサと、前記センサに接続される送信端末と、前記送信端末から送信される情報に基づいた処理を行う時刻情報処理装置とを備えるセンサシステムにおける同期方法であって、
前記送信端末が、
前記時刻情報処理装置への送信時の送信時刻の時刻情報及びイベントの検知時刻の時刻情報を前記時刻情報処理装置に送信し、
前記時刻情報処理装置が、
前記送信端末から送信される複数の前記送信時刻と、複数の送信時刻に対応する複数の受信時刻との関係性と、前記イベントの検知時刻とに基づいて前記時刻情報処理装置におけるイベントの検知時刻を推定する同期方法。
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