JP7107393B2 - モニタリングシステム、および同期方法 - Google Patents

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Description

本開示はモニタリングシステム、および同期方法に関し、特に、無線ネットワークを利用したモニタリングシステム、および同期方法に関する。
高度経済成長期時代の集中投資により整備された道路インフラの老朽化が深刻な社会問題となっており、維持管理の効率化等を目的にIT技術を利用したモニタリングシステムの社会実装が進められている。
このようなモニタリングシステムでは各種のセンサが使われる。例えば、橋梁などの物理特性の変化をモニタリングするための代表的なセンサとして振動センサがある。振動センサをモニタリング対象の構造物の複数個所に配置し、取得した振動データの位相情報を分析する場合、複数個所から取得した振動データが同期している必要がある。
特許文献1には、時刻同期サーバを用いずに、他のネットワーク端末間で計時している時刻情報を、端末間で展開することで時刻同期を可能にする技術が開示されている。
国際公開第2010/116968号
ところで、構造物の複数個所に設置したセンサからセンサデータを収集する場合、設置費用等の観点から特定小電力無線を利用した無線ネットワークを使用することが有効である。しかし、特定小電力無線による無線ネットワークを使用し、ゲートウェイとセンサノード間の1対1の通信で時刻同期を行った場合、無線通信状態が悪い場合(他の通信と電波の衝突や一時的にセンサノードまで電波が届かない等)に発生するパケット再送処理等により、通信完了時間に揺らぎが発生し、同期精度は低下するという問題がある。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、無線ネットワークを利用した場合であっても、センサの同期精度を向上させたモニタリングシステム、および同期方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様にかかるモニタリングシステムは、構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備え、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信部と、
前記複数のセンサノードにより測定された各測定値を補正する補正部と、を有し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期部と、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算部と、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定部と、
前記時刻同期差分と、前記測定部で測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置の前記補正部に送信する補正情報送信部と、を有し、
前記補正部は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する。
本発明の第2の態様にかかるモニタリングシステムは、構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、
前記ゲートウェイ装置とネットワークを介して接続された分析サーバと、
を備え、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信部を有し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期部と、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算部と、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定部と、
前記差分計算部で計算された時刻同期差分と、前記測定部で測定された測定値を前記分析サーバに送信する補正情報送信部と、を有し、
前記分析サーバは、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する補正部を有する。
本発明の第3の態様にかかる同期方法は、構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備えたモニタリング装置の同期方法であって、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算し、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始し、
前記時刻同期差分と、前記測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置に送信し、
前記ゲートウェイ装置は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する。
本開示によれば、センサの同期精度を向上させたモニタリングシステム、および同期方法を提供することができる。
実施の形態1にかかる特定小電力無線ネットワークを用いたモニタリングシステム1の構成例を示すブロック図である。 実施の形態1にかかるセンサデータの取得のフローチャートである。 本実施の形態にかかるリサンプリング処理を説明する図である。 実施の形態2にかかる実施の形態2にかかるモニタリングシステム1の構成例を示すブロック図である。 実施の形態2にかかるセンサデータの取得のフローチャートである。 実施の形態2にかかるセンサデータの取得シーケンス図である。 実施の形態2にかかる3回の測定開始同期パケットの受信状態別センサノード動作を説明する図である。 実施の形態3にかかる同期制御システム10の構成例を示すブロック図である。
実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、特定小電力無線ネットワークを用いたモニタリングシステム1の構成例を示す。モニタリングシステム1は、1つ以上のセンサノード11と、無線ネットワーク12と、ゲートウェイ装置13と、を備える。モニタリングシステム1は、構造物に設置された複数のセンサノード11a、11b,・・・11nからセンサデータを受信することで、構造物の健全性や構造性能、劣化状態などを診断する。ここで、構造物とは、道路インフラ(特に橋梁)、鉄道の鉄橋、電力や無線アンテナなどの鉄塔、ビルなどの建設物、道路標識等の道路付帯設備が挙げられるが、これらに限定されない。
こうした構造物には、構造物の物理量などを検知する複数のセンサノード11a、11b,・・・11nが設置されている。センサノード11は、例えば、構造物が地震で振動している場合、構造物の加速度、傾き、温度、振動の周波数、位相情報及び位置情報などの様々な物理量を測定することができる。
ゲートウェイ装置13は、複数のセンサノード11a,・・・11nと無線ネットワーク12を介して通信可能に接続されている。なお、本例では、センサネットワークとして、920MHz帯の特定小電力無線ネットワークを使用している。また、センサノード11は、低消費電力化及び無線通信のタイムラグの最小化のため、マルチホップ通信は行わないものとする。
特定小電力無線ネットワークを用いたセンサシステムにおいて複数のノードに接続されたセンサの信号をノード間で1ms以内の同期精度で取得したい場合、無線通信パケットのロストやセンサノードの動作クロック精度(水晶発振子を使用した場合、一般的には狭偏差タイプのもので±15ppm程度)等の影響のため、実現が困難であった。このため、これまではセンサノード毎にGPSモジュールや原子時計等を実装し、高精度な時刻情報を用いることでセンサ信号を高精度に同期させていた。しかしながらGPSモジュールや原子時計は高額であり、センサノード数に比例して必要となるため、モニタリングシステムのコストが増大するという課題があった。そこで、本実施の形態では、ゲートウェイ装置が各センサノードに対して、同期パケットを送信することで、このような課題を解決している。
ゲートウェイ装置13は、CPU(Central Processing Unit)、メモリ、及び入出力ポート等からなる制御部を有し、制御部は、細分化された処理のそれぞれを実行する機能演算部としての機能も担う。具体的には、ゲートウェイ装置13の制御部は、同報通信により複数のセンサノード11a,・・・11nに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信部131と、複数のセンサノード11a,・・・11nからの測定データの各時間を補正する補正部132と、時計部133と、を有する。ゲートウェイ装置13の時計部133は、水晶発振子を有するが、より高い精度や正確性が要求される場合は、GPSモジュールや原子時計を有するようにしてもよい。
複数のセンサノード11は、CPU、メモリ、及び入出力ポート等からなる制御部を有し、該制御部は、細分化された処理のそれぞれを実行する機能演算部としての機能も担う。具体的には、センサノード11aの制御部は、同期部111aと、差分計算部112aと、測定部113aと、補正情報送信部114aと、時計部115aと、を有する。同期部111aは、受信した同期パケットに示された同期時刻に、センサノードの時刻を同期させる。差分計算部112aは、受信した同期パケットに示された同期時刻と、同期前におけるセンサノード11a内の時刻との差である時刻同期差分を計算する。測定部113aは、同期パケットに示された測定開始時刻に物理量の測定を開始する。補正情報送信部114aは、差分計算部112aで計算された時刻同期差分と、測定部113aで測定された測定値を、ゲートウェイ装置13の補正部132に送信する。
説明の簡略化のため、図面では省略されているが、センサノード11b・・11nについても、センサノード11aと同様に構成されている。
補正部132は、時刻同期差分に基づいて、複数のセンサノード11a、11b・・11nからの測定値をそれぞれ補正することができる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、高い同期精度で、センサデータを取得することができる。
続いて、図1及び図2を参照して、本実施の形態にかかるセンサデータの取得の処理フローを詳細に説明する。
センサ計測開始前、ゲートウェイ装置13は、各センサノード11a、11b,・・・11nに対して測定開始を指示する同期パケットSPを同報通信で送信する(ステップS201)。同期パケットは、時刻同期のための同期時刻(例:12:30.000)及び測定開始時刻(例:12:30.600)情報を含んでいる。ゲートウェイ装置13は、後述するように、各センサノード11a、11b,・・・11nに物理量の測定(センサデータの取得)を指示する毎に、この同期パケットSPを同報通信で送信することになる。
各センサノード11a、11b,・・・11nは、受信した同期パケットSP中の同期時刻(例:12:30.000)に、各センサノード内で管理している時刻を同期させる(ステップS202)。これにより、ゲートウェイ装置13から受信した同期パケット中に含まれる「同期時刻」情報と、センサノード11a、11b,・・・11nがそれぞれ管理している「時刻」情報との差がゼロになる(一致する)。すなわち、この時点では、各センサノードの時刻は、高い精度で同期していることになる。
しかし、前述したように、各センサノードは、特定小電力無線ネットワークを使用し、ゲートウェイ装置13と通信しているため、無線通信状態が悪い場合には、通信完了時間に揺らぎが発生すること、および各センサノードの時刻の進み方にばらつきが生じることにより、同期精度は低下してしまう。そこで、本実施の形態では、通信での揺らぎに対しては、同期パケットを送信し、また、センサノード内の時計のバラツキに対しては、時刻同期時の差分情報を用いてキャリブレーションを行うことで、これらの問題に対処している。以下に、具体的な手順を説明する。
センサノード11の差分計算部112は、ゲートウェイ装置13から受信した同期パケットSPに含まれる「同期時刻」情報と、同期処理(ステップS202)前の各センサノードが管理している「時刻」情報との差をそれぞれ計算し(ステップS203)、時刻同期差分TDa、TDb・・・TDnとして保存する(ステップS204)。
各センサノード11a、11b,・・・11nはゲートウェイ装置13から受信した同期パケットにしたがった測定開始時刻にセンサ信号の取得を開始する(ステップS207)。なお、上述したように、同期パケットSPは、測定開始時刻T4(12:30.600)を示しているので、各センサノードは、同報通信で送られた同期パケットSPを受信すると、各センサノードの時計部115において、同一時刻T4(12:30.600)に測定を開始することになる。
各センサノードは事前に定められた測定時間分のセンサデータの取得が完了した時点でセンサデータの取得を終了する。例えば、測定時間30秒間、サンプリング周期400Hzでセンサデータを取得した場合、各センサノード11aの時計部115において、センサノード11aで取得したセンサデータをDa0、Da1、Da2・・・DaNと呼ぶ。その後、センサノード11aは取得したセンサデータ(Da0、Da1、Da2・・・DaN)と時刻同期差分情報(TDa)をセンサノード毎に定められたタイミングでゲートウェイ装置13に送信する。他のセンサノード11b・・・11nについても同様とする(ステップS208)。
ゲートウェイ装置13は、センサノード11aから収集したセンサデータを分析する。その際、ゲートウェイ装置13は、センサノード11aについては、時刻同期差分(TDa)を、前回の同期時刻から今回の同期時刻までの時間(同期間隔時間STa、なお、測定毎に同期パケットを送るので、測定時間間隔とも呼ばれる場合がある)で除算することで、単位時間当たりの誤差EDa(=TDa/STa)を算出する。誤差EDaにセンサデータの測定時間MTを乗算することで測定中にセンサノード11a内の時計部で発生した時刻ずれの値ETa(=EDa×MT)を推定することができる。
ここでサンプリング周波数が400Hz、測定時間が30秒である場合を例に説明する。前述のETaが1msとすると、最後の測定値の測定タイミングは測定開始時点から30.001秒後に測定した値となる。本例では、同期パケットを受信した時刻から測定開始時刻までの時間は、600msと非常に短い時間なので、この間に発生する時刻ずれは無視することができる。測定開始直後のセンサノード内の時計部の時刻は高い精度で同期していること、末尾のセンサデータの取得時刻を推定可能なこと及びセンサデータ取得間隔はセンサノードの時刻ずれの影響を受けずに等間隔であると推定できることから図3に示すようにリサンプリング処理を行うことで高い精度で同期したセンサデータの値を算出可能である。
同様に、ゲートウェイ装置13は、センサノード11b,・・・11nから収集したセンサデータ(Db0、Db1、Db2・・・DbN・・・n0、Dn1、Dn2・・・DnN)を補正して分析する。具体的な方法は、上記センサノード11aと同様である。
以上のように、ゲートウェイ装置は、各センサノードのセンサデータの同期ズレを補正した後、補正後のデータを、同期したセンサデータとして処理することができる。
ここで、「時刻同期差分/同期間隔時間」について詳細に説明する。
例えば、1時間間隔で30秒間センサデータを収集する場合を例に説明する。本発明の方法で同期処理した場合に各センサから収集される「時刻同期差分」は前回の同期パケットを受信後に行われた時刻同期から1時間の間に発生したゲートウェイ装置の時刻と各センサノード側の時刻の差分ということになる。
センサノードの時刻の進み方が揺らぐ主要な原因の一つとして周囲の温度による影響が考えられる。温度変化は1時間内で大きく変わることはまれなので、単位秒当たりの時刻差分量は「時刻同期差分/(60×60)」(秒)となる。この単位秒当たりの時刻同期差分に、測定時間(30秒)を乗算することで、補正量を算出することができる。各センサノードに対して測定開始から測定終了までの30秒間で発生する時刻差分量が上記のように推測可能となることから、測定中に発生するセンサノード間の時刻の進みのバラツキを上記の30秒間に発生する同期差分推定値で補正することでセンサノード内の時刻の進み具合のバラツキに起因する同期ズレを補正することができる。
また、上記の例では1時間間隔で測定する場合を例としたが、前回の測定からの時間が既知であれば上記の補正は可能となり、測定間隔が一定である必要はない。
以上説明したように、本実施の形態によれば、高い同期精度で、センサデータを取得することができる。
実施の形態2
図4は、実施の形態2にかかるモニタリングシステム1の構成例を示す。
図4では、実施の形態1と同一の構成要素は、図1と同一の符号を付し、適宜説明を省略する。図4に示すモニタリングシステム1は、前述のセンサデータを分析するための分析サーバ15が追加されている。分析サーバ15は、広域ネットワーク14を介して、ゲートウェイ装置13に接続されている。広域ネットワーク14は、例えば、携帯事業者が提供するLTE(Long Term Evolution)回線である。ゲートウェイ装置13は、センサノード11により収集されたセンサデータを分析サーバ15に送信することができる。本実施の形態では、分析サーバ15が、前述した補正部132を有する。すなわち、本実施の形態では、実施の形態1と異なり、ゲートウェイ装置13は、補正部132を有しないことになる。
図4~図7を参照して本実施の形態にかかるセンサデータの取得シーケンスを説明する。
センサノードが測定を開始する前、ゲートウェイ装置13は、各センサノード11a、11b,・・・11nに対して測定開始を指示する同期パケットを同報通信で送信する(ステップS1)。同期パケットは、時刻同期のための同期時刻T(例:12:30.000)及び測定開始時刻T(例:12:30.600)情報を含んでいる。ゲートウェイ装置13は、後述するように、各センサノード11a、11b,・・・11nに物理量の測定を指示する毎に、この同期パケットSPを同報通信で送信する。なお、本実施の形態では、後述するように、パケットロスト対策として、1回の測定開始の指示に対して、3回の同期パケットを送信している。なお、同期パケットの送信回数は、3回に限定されず、2回以上の所定回数としてもよい。
特定小電力無線による無線ネットワークを使用し、ゲートウェイとセンサノード間の1対1の通信で時刻同期を行った場合、無線通信状態が悪い場合(他の通信と電波の衝突や一時的にセンサノードまで電波が届かない等)に発生するパケット再送処理等により、通信完了時間に揺らぎが発生し、同期精度は低下する。また、近年無線センサネットワークでの使用例が多い920M帯では無線規格(ARIB STD-T108)でキャリアセンス時間が規定されており、電波送信前に他に電波源が無いことを確認する(電波源がある場合、待機(wait)する)ことが規格で定められているので通信時間に揺らぎが発生する。
本発明の各実施の形態では、上記対策として同報パケットを使い、複数のセンサノードに一斉に同期パケットを送信する方法を採用している。しかし、同報パケットの場合、パケットを受け取れないセンサノードは時刻同期できないという課題がある。そこで、本実施の形態では、ゲートウェイ装置から同期パケットを複数回送信することでパケットロストの問題に対処している(詳細は後述する)。
各センサノード11a、11b,・・・11nは、受信した同期パケットの同期時刻に、各センサノード内で管理している時刻を同期させる(ステップS2)。これにより、ゲートウェイ装置13から受信した同期パケットに含まれる「同期時刻」情報と、センサノード11a、11b,・・・11nが管理している「時刻」情報との差がゼロになる(一致する)。すなわち、この時点では、各センサノードの時刻は、高い精度で同期していることになる。
しかし、前述したように、各センサノードは、特定小電力無線ネットワークを使用し、ゲートウェイ装置13と通信しているため、無線通信状態が悪い場合には、通信完了時間に揺らぎが発生し、各センサノードの時刻の進み方にばらつきが生じ、同期精度は低下してしまう。そこで、本実施の形態では、以下の手順により、この問題を解決している。
センサノード11の差分計算部112は、ゲートウェイ装置13から受信した同期パケットに含まれる「同期時刻」情報とセンサノードが管理している「時刻」情報との差を計算し(ステップS3)、時刻同期差分TDa、TDb・・・TDnとして保存する(ステップS4)。
ここで、図6に示すように、上記ステップS1の所定期間(例えば、200ms)後に、ゲートウェイ装置13は、各センサノードに対して再び同期パケットSP2を同報通信で送信する(ステップS5)。この際、同期パケットSP2内の同期時刻はT2(12:30.200)、測定開始時刻はT(12:30.600)とする。同期パケットSP1を受信できなかったセンサノードであっても、ステップS5において同期パケットSP2を受信できた場合、上記ステップS2,S3,S4と同様な処理を行う。なお、同期パケットSP1をすでに受信したセンサノードについては、再度同期パケットSP2を受信しても改めて上記ステップS2,S3,S4の処理は行わないものとする。本実施の形態では、複数のセンサノードを用いることにより、パケットロストの発生確率が高まるが、このように複数回にわたって、同期パケットを送信することで、パケットロストの発生時の影響を低減している。
上記ステップS5の所定期間(例えば、200ms)後にゲートウェイ装置13が、再び同期パケットSP3を送信する(ステップS6)。この際、同期パケットSP3内の同期時刻はT3(12:30.400)、測定開始時刻はT4(12:30.600)とする。同期パケットSP1と同期パケットSP2の両者を受信できなかったセンサノードであっても、ステップS6において、同期パケットSP3を受信できた場合、上記ステップS2,S3,S4と同様な処理を行う。なお、同期パケットSP1、SP2のいずれかをすでに受信したセンサノードについては、再度同期パケットSP3を受信しても改めて上記ステップS2,S3,S4の処理は行わないものとする。これにより、同様にパケットロストの問題に対処している。
ここで、図7を用いて、3回の測定開始同期パケットの受信状態別センサノード動作を説明する。
図7はセンサノードがゲートウェイ装置からの測定開始同期パケットの受信状態のケースに応じたセンサノードの測定動作を示したものである。この例ではゲートウェイから測定開始同期パケットを時刻T、T、Tに200ms間隔で3回送信する。それぞれの測定開始同期パケットには同期時刻と測定開始時刻の情報が含まれている。図7の片矢印はセンサノードが測定動作中であることを示している。ケース1はセンサノードが測定開始同期パケットSP1を受信できたケースでセンサノードは測定開始同期パケット内の時刻情報を用いてセンサノード自身の時刻を設定し、測定開始同期パケット内の測定開始時刻まで測定待機状態となり、測定開始時刻に測定を開始する。測定待機状態時に受信した測定開始同期パケットに対して測定開始シーケンス(上記ステップS2,S3,S4)に関わる処理は行わないものとする。ケース2は測定開始同期パケットSP1を受信できずSP2を受信できたケースである。ケース3は測定開始同期パケットSP1,SP2を受信できず、SP3を受信できたケースである。ケース4は測定開始同期パケットSP1,SP2,SP3をいずれも受信できなかったケースであり、この場合、センサノードは測定を開始しない。
なお、本実施の形態では、測定毎に、3回にわたって同期パケットを送信する例を説明したが、これに限定されず、測定毎に、3回以上にわたって同期パケットを送信するようにしてもよい。
各センサノード11a、11b,・・・11nはゲートウェイ装置13から受信した同期パケットにしたがった測定開始時刻にセンサ信号の取得を開始する(ステップS7)。なお、上述したように、同期パケットSP1、SP2、SP3はいずれも、同一の測定開始時刻T(12:30.600)を示しているので、各センサノードは、同期パケットSP1、SP2、SP3のいずれかを受信すれば、図7のケース1~3に示すように同一時刻に測定を開始することができる。これにより、パケットロストの問題に対処することができる。
各センサノードは事前に定められた測定時間分のセンサデータの取得が完了した時点でセンサデータの取得を終了する。例えば、測定時間30秒間、サンプリング周期400Hzでセンサデータを取得した場合、センサノード11aの時計部115において、センサノード11aで取得したセンサデータをDa0、Da1、Da2・・・DaNと呼ぶ。その後、センサノード11aは、取得したセンサデータ(Da0、Da1、Da2・・・DaN)と時刻同期差分情報(TDa)をセンサノード毎に定められたタイミングでゲートウェイ装置13に送信する。他のセンサノード11b・・・11nについても同様とする(ステップS8)。
また、各センサノードは、ゲートウェイ装置13から受信した同期パケットの回数情報もゲートウェイ装置13に送信すると無線通信におけるパケットロスト状況(例えば、センサノード11bは3回の同期パケットのうち、1回パケットロストが発生した)を把握することができ、有効である。
ゲートウェイ装置13は、センサノード11aから収集したセンサデータと時刻同期差分(TDa)を、広域ネットワーク14を介して分析サーバ15に送信し、分析サーバ15はゲートウェイ装置13から受信したデータを分析する。その際、分析サーバ15は、センサノード11aについては、時刻同期差分(TDa)を、前回の同期時刻から今回の同期時刻までの時間(同期間隔時間STa、なお、測定毎に同期パケットを送るので、測定時間間隔とも呼ばれる場合がある)で除算することで、単位時間当たりの誤差EDa(=TDa/STa)を算出する。誤差EDaにセンサデータの測定時間MTを乗算することで測定中にセンサノード11a内の時計部で発生した時刻ずれの値ETa(=EDa×MT)を推定することができる。
ここでサンプリング周波数が400Hz、測定時間が30秒である場合を例に説明する。前述のETaが1msとすると、最後の測定値の測定タイミングは測定開始時点から30.001秒後に測定した値となる。本例では、同期パケットを受信した時刻から測定開始時刻までの時間は、600msと非常に短い時間なので、この間に発生する時刻ずれは無視することができる。測定開始直後のセンサノード内の時計部の時刻は高い精度で同期していること、末尾のセンサデータの取得時刻を推定可能なこと及びセンサデータ取得間隔はセンサノードの時刻ずれの影響を受けずに等間隔であると推定できることから図3に示すようにリサンプリング処理を行うことで高い精度で同期したセンサデータの値を算出可能である。
同様に、分析サーバ15は、センサノード11b,・・・11nから収集したセンサデータ(Db0、Db1、Db2・・・DbN・・・n0、Dn1、Dn2・・・DnN)を補正して分析する。具体的な補正方法は、上記センサノード11aと同様である。
以上のように、分析サーバ15は、各センサノードのセンサデータの同期ズレを補正した後、補正後のデータを、同期したセンサデータとして処理することができる。
前述したように本実施の形態では、特定小電力無線ネットワークに接続された複数のセンサノードでセンサデータを収集する際、測定開始直前に同期パケットを用いてセンサノードの時刻同期を行う。また、時刻同期時の時刻差分情報を用いてセンサノード毎のクロックのバラツキを補正することにより、1ms以内の同期精度を有したセンサデータの収集が可能となる。
このため、センサノード毎にGPSや原子時計等の高価なハードウェアの実装が不要となり、コスト削減が可能であるという効果がある。
また、GPSは衛星からの電波を受信する必要があるため、センサノードの設置位置に制限が発生するが、本実施の形態ではGPSが不要となるため、センサノードの設置位置の自由度が増加し、衛星からの電波受信が可能という制限は発生しない。
実施の形態3
図8を参照して、実施の形態3にかかる同期制御システム10について説明する。
図8では、実施の形態2と同一の構成要素は、図4と同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
上記実施の形態では同期したセンサデータの収集について説明したが、他の実施例として特定小電力無線ネットワークに接続された無線ノードによる同期制御システムについて説明する。本例では、ある時刻で各無線ノードが同期した制御を単発で行う(例えば複数の制御対処機器のスイッチを一斉にONするなど)ものである。
図8は無線ネットワークによる同期制御の構成例を示すブロック図である。本実施の形態では、センサノード11の代わりに無線ノード41が設けられている。図8では、無線ノード41は、センサノード11と同様に、同期部141a、制御部143a、時計部145aが設けられている。同期部141a、時計部145aについては、前述した同期部141a、時計部145aと同様の構成であるので、説明は省略する。
ゲートウェイ装置13の同期パケット送信部131は、無線ノード41a、41b・・・41nに同期時刻と制御開始時刻を示す制御開始パケットを送信する。制御部143aは、同期パケットSPに示された制御開始時刻に、制御対象機器40aを起動させるように制御する。同様に、制御部143b・・・143nは、同期パケットSPに示された制御開始時刻に、制御対象機器40b・・・40nを起動させるように制御する。こうすることで複数の制御対象機器40a、40b・・・40nに対して1ms以内の高い精度で同期した制御を行うことが可能となる。
さらに、上述した様々な実施の形態において、モニタリングシステムにおける処理の手順を説明したように、本開示は、構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備えたモニタリング装置の同期方法としての形態も採り得る。この同期方法は、前記ゲートウェイ装置は、同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信し、前記複数のセンサノードはそれぞれ、受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させ、受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算し、前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始し、前記時刻同期差分と、前記測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置に送信し、前記ゲートウェイ装置は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する。なお、その他の例については、上述した様々な実施の形態で説明した通りである。
上述の例において、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD-ROM(Read Only Memory)、CD-R、CD-R/W、DVD(Digital Versatile Disc)、BD(Blu-ray(登録商標) Disc)、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(Random Access Memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。また、以上で説明した複数の例は、適宜組み合わせて実施されることもできる。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
(付記1)
構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備え、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信手段と、
前記複数のセンサノードにより測定された各測定値を補正する補正手段と、を有し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期手段と、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算手段と、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定手段と、
前記時刻同期差分と、前記測定手段で測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置の前記補正手段に送信する補正情報送信手段と、を有し、
前記補正手段は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する、モニタリングシステム。
(付記2)
前記同期パケット送信手段は、複数回にわたって、前記同期パケットを送信する、付記1に記載のモニタリングシステム。
(付記3)
構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、
前記ゲートウェイ装置とネットワークを介して接続された分析サーバと、
を備え、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信手段を有し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期手段と、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算手段と、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定手段と、
前記差分計算手段で計算された時刻同期差分と、前記測定手段で測定された測定値を前記分析サーバに送信する補正情報送信手段と、を有し、
前記分析サーバは、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する補正手段を有する、モニタリングシステム。
(付記4)
前記同期パケット送信手段は、複数回にわたって、前記同期パケットを送信する、付記3に記載のモニタリングシステム。
(付記5)
構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備えたモニタリング装置の同期方法であって、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算し、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始し、
前記時刻同期差分と、前記測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置に送信し、
前記ゲートウェイ装置は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する、同期方法。
この出願は、2019年1月16日に出願された日本出願特願2019-005350を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
1 モニタリングシステム
10 同期制御システム
11a、11b、・・・11n センサノード
12 無線ネットワーク
13 ゲートウェイ装置
14 広域ネットワーク
15 分析サーバ
40a、40b、・・・40n 制御対象機器
41 無線ノード
111 同期部
112 差分計算部
113 測定部
114 補正情報送信部
115 時計部
131 同期パケット送信部
132 補正部
133 時計部
141 同期部
143 制御部
145 時計部

Claims (5)

  1. 構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
    前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備え、
    前記ゲートウェイ装置は、
    同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信手段と、
    前記複数のセンサノードにより測定された各測定値を補正する補正手段と、を有し、
    前記複数のセンサノードはそれぞれ、
    受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期手段と、
    受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算手段と、
    前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定手段と、
    前記時刻同期差分と、前記測定手段で測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置の前記補正手段に送信する補正情報送信手段と、を有し、
    前記補正手段は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する、モニタリングシステム。
  2. 前記同期パケット送信手段は、複数回にわたって、前記同期パケットを送信する、請求項1に記載のモニタリングシステム。
  3. 構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
    前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、
    前記ゲートウェイ装置とネットワークを介して接続された分析サーバと、
    を備え、
    前記ゲートウェイ装置は、
    同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信手段を有し、
    前記複数のセンサノードはそれぞれ、
    受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期手段と、
    受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算手段と、
    前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定手段と、
    前記差分計算手段で計算された時刻同期差分と、前記測定手段で測定された測定値を前記分析サーバに送信する補正情報送信手段と、を有し、
    前記分析サーバは、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する補正手段を有する、モニタリングシステム。
  4. 前記同期パケット送信手段は、複数回にわたって、前記同期パケットを送信する、請求項3に記載のモニタリングシステム。
  5. 構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
    前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備えたモニタリング装置の同期方法であって、
    前記ゲートウェイ装置は、
    同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信し、
    前記複数のセンサノードはそれぞれ、
    受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させ、
    受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算し、
    前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始し、
    前記時刻同期差分と、前記測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置に送信し、
    前記ゲートウェイ装置は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する、同期方法。
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