WO2022259300A1 - 通信接続判定方法、通信接続判定装置およびセンサシステム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a communication connection determination method, a communication connection determination device, and a sensor system in a system that transmits and receives data acquired by a sensor.
- Non-Patent Document 1 In the IoT (Internet of Things), a wide variety of sensors are interconnected through wireless communication such as the Internet, and large amounts of data are collected and analyzed. In sensor-related technology in IoT, as shown in Fig. 8, it is possible to connect with sensors 41_1 to 41_N in multiple ways in order to respond to various use cases and needs, including healthcare, structures, and monitoring of the global environment.
- general-purpose sensor housing terminals 42_1 to 42_N have been used (Non-Patent Document 1).
- RSSI Receiveived Signal Strength Indicator
- connection state between the sensor terminal and the sensor housing terminal depends on the communication environment according to the use case. If the communication environment is unstable, packet loss occurs in any communication protocol. At this time, the data is usually accumulated along with the retransmission of the data.
- the data accumulation speed is faster than the data transmission speed, and the memory of the sensor terminal becomes tight.
- this situation is a situation in which packet loss occurs but does not transition to a disconnected state. So unless proper memory management is done, it can cause buffer overflow. Behavior in the event of a buffer overflow is undefined and can lead to serious failures, so it is necessary to prevent this situation before it happens.
- connection status between the sensor terminal and the sensor housing terminal it is necessary to grasp the connection status between the sensor terminal and the sensor housing terminal, and appropriately judge and control whether to continue or disconnect the connection based on the connection status.
- the Received Signal Strength Indicator (RSSI) shown in FIG. 9 can be used to determine whether the connection between the sensor terminal and the sensor accommodation terminal is disconnected.
- RSSI is a value obtained at the circuit level
- the function must be supported in advance in the communication circuit.
- Bluetooth (registered trademark) Low Energy (BLE) is used as a standard for communication between sensor terminals and sensor housing terminals.
- BLE Bluetooth (registered trademark) Low Energy (BLE)
- This information is 1-bit information (MD flag, More Data Flag) indicating the presence or absence of unsent data in the header in the data channel PDU.
- Non-Patent Document 2 Non-Patent Document 2
- a communication connection determination method is a communication connection determination method for determining a communication connection state between a sensor terminal and a sensor housing terminal, wherein the sensor housing terminal: a step of receiving first data from the sensor terminal and storing a first time stamp; a step of determining whether or not the number of receptions of the first data has reached a first specified number; calculating a mean deviation reference value using a first time stamp interval obtained from the first time stamp when the number of receptions of the first data reaches the first specified number; a step of the sensor housing terminal receiving second data from the sensor terminal and storing a second time stamp; and when the number of receptions of the second data reaches the second specified number, using the second timestamp interval obtained from the second timestamp, the average deviation evaluation value and testing whether there is a significant difference between the average deviation reference value and the average deviation evaluation value, and determining that there is a communication connection abnormality when it is determined that there is a significant difference.
- a communication connection determination device is a communication connection determination device that determines a communication connection state between a sensor terminal and a sensor housing terminal, the clock unit measuring the arrival time of data from the sensor terminal, a time stamping unit that acquires a time stamp based on the arrival time; a memory that stores at least one of the time stamp and a time stamp interval obtained from the time stamp; Specifically, it includes a disconnect determination unit that determines a communication connection status between the sensor terminal and the sensor housing terminal.
- the present invention it is possible to provide a communication connection determination method, a communication connection determination device, and a sensor system for determining communication connection in order to avoid buffer overflow.
- FIG. 1 is a block diagram showing configurations of a communication connection determination device and a sensor system according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the connection determination section in the communication connection determination device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the communication connection determination device and the communication connection determination method according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a diagram for explaining the communication connection determination method according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a diagram for explaining the communication connection determination method according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 6 is a flow chart diagram showing a communication connection determination method according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 7 is a diagram for explaining the communication connection determination method according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of a conventional communication connection determination device and sensor system.
- FIG. 9 is a diagram for explaining a conventional communication connection determination method.
- FIG. 1 A determination device and a determination method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
- FIG. 1 A determination device and a determination method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
- FIG. 1 A determination device and a determination method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
- FIG. 1 A determination device and a determination method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
- a sensor system 1 includes a sensor terminal 11 and a sensor housing terminal 12, as shown in FIG.
- the sensor terminal 11 includes a control unit 111, and a sensor circuit unit 112, a memory 113, and a radio circuit 114 that are connected to the control unit 111, respectively.
- the control unit 111 is composed of a CPU or MCU, and includes a sensor control unit 115 and a communication control unit 116, which control the sensor circuit unit 112 and the radio circuit 114, respectively.
- the essential function of the sensor terminal 11 is to acquire data from the sensor circuit unit 112 and transmit the data to the sensor housing terminal 12 by wireless communication, the performance of the MPU of the control unit 111 may be low.
- the sensor circuit unit 112 has a sensor and acquires data.
- the wireless circuit 114 transmits the data acquired by the sensor circuit unit 112 to the sensor housing terminal 12 as packets.
- the memory 113 holds (stores) the program and acquired data until transmission.
- the sensor housing terminal 12 includes a control unit 121, and a clock unit 122, a memory 123, a radio circuit 124, and a communication circuit 125 that are connected to the control unit 121, respectively.
- the control unit 121 is configured by a CPU or MCU, and includes a communication control unit 126, a time stamping unit 127, and a disconnection determination unit 128.
- the CPU or MPU in the control unit 121 of the data accommodation terminal 12 needs to perform calculation processing, it is desirable that the calculation capability is high.
- the communication control unit 126 controls the radio circuit 124 and the communication circuit 125.
- the wireless circuit 124 communicates with the sensor terminal 11 and receives data from the sensor terminal 11 as packets.
- the communication circuit 125 communicates with the server and transmits data to the server as packets.
- the clock unit 122 is configured with a precision clock and measures the arrival time of data from the sensor terminal 11 .
- the time stamping unit 127 acquires a time stamp based on the arrival time measured by the clock unit 122.
- the memory 123 holds (stores) the timestamp and the timestamp interval.
- the disconnection determination unit 128 acquires statistics from the time stamp interval and determines disconnection of communication between the sensor terminal 11 and the sensor housing terminal 12 .
- the sensor terminal 11 obtains and collects data from the sensor, stores the data in the memory, and then wirelessly transmits the data to the sensor housing terminal 12 .
- the data transmitted from the sensor terminal 11 is received, the arrival time of the received packet (data) is measured by the clock unit 122, and the time is stamped by the time stamping unit 127 based on the time. is obtained, the time stamp interval is calculated and obtained, and stored in the memory 123 .
- the average deviation is obtained by calculation from the timestamp interval and used as the reference value. Also, an average deviation is obtained by calculation from a plurality of newly obtained time stamp intervals, and is used as an evaluation value.
- the disconnection determination unit 128 determines whether the communication connection is disconnected.
- the disconnection determination unit 128 includes a time stamp interval input unit 21, an average deviation calculation unit 22, a storage unit 23, and a test determination unit 24, as shown in FIG.
- a timestamp interval is input to the timestamp interval input unit 21 based on the timestamp obtained from the data.
- the average deviation calculation unit 22 calculates the average deviation reference value and the average deviation evaluation value based on the time stamp interval.
- the calculated average deviation reference value and average deviation evaluation value are stored in the storage unit 23 .
- the test determination unit 24 determines whether to disconnect (maintain) the communication connection based on the calculated average deviation reference value and average deviation evaluation value.
- the calculated average deviation reference value is stored in the storage unit, and the test judgment unit 24 judges based on the stored average deviation reference value and the average deviation evaluation value calculated by the average deviation calculation unit good too.
- the determination device 10 is composed of a clock section 122, a memory 123, a time stamp provision section 127, and a disconnection determination section 128.
- the sensor terminal 11 transmits data (packets) storing data acquired from the sensor circuit unit 112 to the sensor housing terminal 12 at a constant cycle T send .
- the sensor housing terminal 12 acquires a time stamp when receiving the packet from the sensor terminal 11 and stores it in the memory 123 .
- the expected value E[d n ] of the time interval d n ⁇ 1 between the two consecutive time stamps T n ⁇ 1 and T n is expressed by equations (1) and (2).
- the expected value E[d n ] of the time interval d n ⁇ 1 matches the transmission period T send .
- each timestamp varies randomly with respect to the expected value, but depending on the wireless communication environment, there is a possibility that the distribution will not be normal. At this time, there are many outliers compared to the normal distribution, and large deviations may be detected, making it impossible to accurately monitor the communication status.
- the median value in robust statistics is effective as an evaluation value to ensure robustness against outliers.
- the average deviation is useful as a value representing the variation with respect to the median value, and by evaluating the median value and the average deviation, it is possible to perform abnormality determination even in a communication environment with large outliers. For example, as shown in FIG. 4, the median value and the average deviation are calculated as evaluation values after initialization, and the connection between the sensor housing terminal 12 and the sensor terminal 11 is disconnected when an abnormality is determined.
- BLE which is a communication protocol in the sensor terminal 11
- communication is performed only at the connection interval specified at the time of connection, and when an event to transmit data occurs in the sensor terminal 11, transmission is attempted at the connection interval immediately after.
- connection interval is usually shorter than the data transmission interval T send .
- T send This connection interval is usually shorter than the data transmission interval T send .
- the sensor housing terminal 12 determines connection with the sensor terminal 11 using only the average deviation instead of the median value, as follows.
- the determination method evaluates the change in the representative value (mean deviation) from data expected to have outliers and from the same population. Specifically, the presence or absence of a significant difference between the reference value and the evaluation value of the average deviation of the time stamp intervals is tested. Therefore, in this determination method, the Wilcoxon signed-rank test, which can test the significant difference between the representative values of two corresponding groups, is used instead of the normal distribution.
- FIG. 6 shows a flowchart of the determination method according to this embodiment.
- step S1 the initialization of the connection between the sensor housing terminal 12 (parent device) and the sensor terminal (child device) 11 is executed (step S1).
- the sensor terminal 11 is connected to the sensor housing terminal 12 (step S11).
- the packet (data) is received and the time stamp is saved (step S12).
- data reception and time stamp storage are repeated to obtain a predetermined number (eg, n 1 +1) of data and time stamps. Specifically, the number of received data is counted to determine whether or not the specified number has been reached, and data is received until the specified number is reached (step S13).
- a predetermined number eg, n 1 +1
- the mean deviation (hereinafter referred to as the “mean deviation reference value”) ⁇ stamp is calculated as a reference value using n 1 time stamp intervals d 1,i according to equations (3) and (4). (Step S14).
- the data is received and the time stamp is saved (step S21).
- data reception and time stamp storage are repeated to obtain a predetermined number (eg, n 2 +1) of data and time stamps. Specifically, the number of received data is counted to determine whether or not the specified number has been reached, and data is received until the specified number is reached (step S22).
- a predetermined number eg, n 2 +1
- the mean deviation evaluation value ⁇ eval is calculated using the n 2 time stamp intervals d 1,i by equations (5) and (6) (step S23).
- step S3 it is determined whether or not there is a significant difference between the average deviation reference value and the average deviation evaluation value, and disconnection is executed.
- step S31 the presence or absence of a significant difference between the mean deviation reference value and the mean deviation evaluation value is determined at the significance level ⁇ by the Wilcoxon signed-rank test.
- FIG. 7 shows a schematic diagram 31 of reception interval change and a schematic diagram 32 of test evaluation value change in the determination method according to the present embodiment.
- the schematic diagram 31 shows the reception interval (dotted line), the average value of the reception interval (solid line), and the timeout threshold (dashed line).
- the schematic diagram 32 also shows the evaluation value (solid line) and the cutting threshold (broken line).
- a reference value is calculated in advance (initialization), and when the evaluation value (test value) exceeds the disconnection threshold, it is determined that the connection is abnormal (in the figure, white circle).
- the determination method and determination apparatus can operate with a configuration including a single or a plurality of sensor terminals in the first embodiment, but can operate with a configuration including a plurality of sensor terminals 11. becomes. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
- the ⁇ stamp is calculated in the initial state of the connection between the sensor terminal and the sensor terminal and used as the reference value. Since packets cannot be received from the sensor terminal (for example, child device A) at normal communication intervals, the ⁇ stamp cannot be obtained accurately.
- the average deviation reference value ⁇ stamp is calculated.
- the communication interval T send of each sensor terminal is compared with the time stamp interval of data received from each sensor terminal, and if the interval is equal to or less than a predetermined value, a sensor terminal capable of normal communication is selected. do.
- each communication interval is T send i
- the number of data used for initialization is M
- the number of data M is a multiple of the number of sensor terminals S, it is possible to collect the initialization data most efficiently.
- the time ⁇ becomes equal to or shorter than T send , so that the time required for initialization, that is, acquisition of the average deviation reference value can be shortened. Therefore, it is possible to speed up the judgment regarding the disconnection of communication, and improve the real-time performance.
- the present invention can be applied to determine communication status in IoT networks using sensors.
Landscapes
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
Abstract
本発明の通信接続判定方法は、センサ端末（１１）と、センサ収容端末（１２）との通信接続判定方法であって、第１のデータを受信して、第１のタイムスタンプを保存するステップと、第１のデータの受信数を判定するステップと、第１のタイムスタンプより得られる第１のタイムスタンプ間隔を用いて、平均偏差基準値を計算するステップと、第２のデータを受信して、第２のタイムスタンプを保存するステップと、第２のデータの受信数を判定するステップと、第２のタイムスタンプより得られる第２のタイムスタンプ間隔を用いて、平均偏差評価値を計算するステップと、平均偏差基準値と平均偏差評価値との有意差の有無を検定するステップとを備える。 これにより、本発明は、バッファオーバーフローを回避するために通信接続を判定する通信接続判定方法を提供できる。
Description
本発明は、センサにより取得したデータを送受信するシステムにおける通信接続判定方法、通信接続判定装置およびセンサシステムに関する。
ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）においては、インターネットなどの無線通信により多種多様なセンサが相互に接続され、多量のデータが収集・解析される。ＩｏＴにおけるセンサ関連技術において、図８に示すように、ヘルスケアや構造物、地球環境のモニタリングを始めとする多様なユースケースやニーズに対応するために、センサ４１＿１～４１＿Ｎと、マルチに接続可能な汎用センサ収容端末４２＿１～４２＿Ｎが用いられてきた（非特許文献１）。
とくに、リソースの限られた環境下で動作するセンサによりデータ収集を行う場合、データ再送による電力浪費や意図しない動作を避けるため、センサのネットワーク接続状況を把握する必要がある。この接続状況を把握するための指標としては、図９に示すように、ＲＳＳＩ（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）などが利用されている。
多種多様なセンサを含んだデータ収集端末子機（センサ端末）と接続可能な汎用センサ収容端末の接続において、センサ端末の機能、品質が良好なネットワーク接続を担保できない場合がある。
とくに、センサ端末とセンサ収容端末との接続状態は、そのユースケースに応じた通信環境に依存する。通信環境が不安定な場合、任意の通信プロトコルでパケットのロスが発生する。このとき、通常、データの再送信とともにデータが蓄積される。
その結果、パケットのロスが頻発するような接続環境下では、データの送信速度以上にデータの蓄積速度が速くセンサ端末のメモリを逼迫する。
この状況は、センサ端末とセンサ収容端末間の接続が切断されている状況とは異なり、パケットのロスが発生するものの切断状態には移行しない状況である。そこで、適切なメモリ管理がなされていない限り、バッファオーバーフローを引き起こす可能性がある。バッファオーバーフロー発生時の動作は未定義であり、重篤な障害が発生する可能性があるため、この状況を未然に防ぐ必要がある。
詳細には、上述の状況下で従来用いられているタイムアウトによる方法では、タイムアウト時間を超えない間隔でパケットを受信するので、センサ端末とセンサ収容端末間の接続は切断されない。そこで、バッファオーバーフローによる障害を防ぐためには、パケットのロスが連続的に発生するという状況を回避する必要がある。
そこで、センサ端末とセンサ収容端末間の接続状態を把握し、その接続状況により接続を継続するか切断するかを適切に判断し制御する必要がある。
ここで、多種多様なセンサ端末がセンサ収容端末に接続されるので、上記の接続の制御は、個々のセンサ端末で実行より、センサ収容端末で包括的に実行する方が低コストである。また、センサ収容端末で包括的に実行する方が、配備済みの多数のセンサ端末のファームウェアをアップデートすることなく実装できるため効率的である。
松永賢一、大嶋尚一、ムサアハマド、近藤利彦、森村浩季、"ＩｏＴ に適したマルチセンサ収容データ収集技術の提案"、２０１６年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、Ｂ－１８－５６、通信講演論文集２、ｐ．４２０．
Martin Woolley, " Bluetooth CoreSpecification v5.1", ver.1.0.1, Bluetooth SIG, Inc., 2020年12月9日, p.1-12.
図９に示す通信強度指標であるＲＳＳＩ（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）により、センサ端末とセンサ収容端末間の接続における切断を判定できる。
しかしながら、ＲＳＳＩは回路レベルで得られる値であるため、通信回路において予め機能がサポートされている必要がある。
また、サポートされていたとしても、アプリケーション側からアクセス可能な情報とは限らない。これは、ユーザが変更可能なアプリケーションに至るまでのドライバやＯＳによってこれらの情報が削除されてしまうことに起因しており、以下に述べる通信パケット情報の利用を考える上でも同様の問題を引き起こす。
また、センサ端末とセンサ収容端末との通信で用いられている規格として、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ （ＢＬＥ）がある。ＢＬＥにおいては、バッファオーバーフローの発生を防ぐために利用可能な情報が通信パケット内に存在する。この情報は、データチャネルＰＤＵ内のヘッダにおける未送信データの存在の有無を示す１ビットの情報（ＭＤフラグ、Ｍｏｒｅ Ｄａｔａ Ｆｌａｇ）である。この情報を用いれば残存データの有無が把握できるため、バッファオーバーフロー回避に活用できる。
しかしながら、ドライバやＯＳの仕様によってはアプリケーション側からＭＤフラグにアクセスできない可能性がある（非特許文献２）。
そこで、通信パケットの特定ヘッダ情報を用いることなく、アプリケーション側からアクセスできる情報を用いて、センサ収容端末からバッファオーバーフローを回避するための切断判定を行う必要がある。
上述したような課題を解決するために、本発明に係る通信接続判定方法は、センサ端末と、センサ収容端末との通信接続状況を判定する通信接続判定方法であって、前記センサ収容端末が、前記センサ端末から第１のデータを受信して、第１のタイムスタンプを保存するステップと、前記第１のデータの受信数が第１の規定数に到達したか否かを判定するステップと、前記第１のデータの受信数が前記第１の規定数に到達した場合に、前記第１のタイムスタンプより得られる第１のタイムスタンプ間隔を用いて、平均偏差基準値を計算するステップと、前記センサ収容端末が、前記センサ端末から第２のデータを受信して、第２のタイムスタンプを保存するステップと、前記第２のデータの受信数が第２の規定数に到達したか否かを判定するステップと、前記第２のデータの受信数が前記第２の規定数に到達した場合に、前記第２のタイムスタンプより得られる第２のタイムスタンプ間隔を用いて、平均偏差評価値を計算するステップと、前記平均偏差基準値と前記平均偏差評価値との有意差の有無を検定し、有意差が有ると判定された場合に通信接続異常と判定するステップとを備える。
また、本発明に係る通信接続判定装置は、センサ端末とセンサ収容端末との通信接続状況を判定する通信接続判定装置であって、前記センサ端末からのデータの到着時刻を計測する時計部と、前記到着時刻を基にタイムスタンプを取得するタイムスタンプ付与部と、前記タイムスタンプと前記タイムスタンプより得られるタイムスタンプ間隔との少なくともいずれか一方を記憶するメモリと、前記タイムスタンプ間隔に基づき、統計的に、前記センサ端末と前記センサ収容端末との通信接続状況を判定する切断判定部とを備える。
本発明によれば、バッファオーバーフローを回避するために通信接続を判定する通信接続判定方法、通信接続判定装置およびセンサシステムを提供できる。
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る判定装置および判定方法について、図１～図７を参照して説明する。
本発明の第１の実施の形態に係る判定装置および判定方法について、図１～図７を参照して説明する。
＜センサシステムおよび判定装置の構成＞
本実施の形態に係るセンサシステム１は、図１に示すように、センサ端末１１とセンサ収容端末１２とを備える。
本実施の形態に係るセンサシステム１は、図１に示すように、センサ端末１１とセンサ収容端末１２とを備える。
センサ端末１１は、制御部１１１と、制御部１１１にそれぞれ接続されるセンサ回路部１１２とメモリ１１３と無線回路１１４とを備える。
制御部１１１は、ＣＰＵまたはＭＣＵにより構成され、センサ制御部１１５と通信制御部１１６とを備え、それぞれセンサ回路部１１２と無線回路１１４を制御する。
ここで、センサ端末１１はセンサ回路部１１２からデータを取得し無線通信によりセンサ収容端末１２へ送信することが本質的な機能であるため、制御部１１１のＭＰＵの性能は低くてもよい。
センサ回路部１１２は、センサを備え、データを取得する。
無線回路１１４は、センサ回路部１１２で取得されたデータを、センサ収容端末１２にパケットとして送信する。
メモリ１１３は、プログラム及び取得されたデータを送信時まで保持（記憶）する。
センサ収容端末１２は、制御部１２１と、制御部１２１にそれぞれ接続される時計部１２２とメモリ１２３と無線回路１２４と通信回路１２５とを備える。
制御部１２１は、ＣＰＵまたはＭＣＵにより構成され、通信制御部１２６と、タイムスタンプ付与部１２７と、切断判定部１２８とを備える。
ここで、データ収容端末１２の制御部１２１におけるＣＰＵまたはＭＰＵは計算処理を行う必要があるため、計算能力の高いことが望ましい。
通信制御部１２６は、無線回路１２４と通信回路１２５とを制御する。
無線回路１２４は、センサ端末１１との通信を行い、センサ端末１１からデータをパケットとして受信する。
通信回路１２５は、サーバとの通信を行い、サーバにデータをパケットとして送信する。
時計部１２２は、精密クロックにより構成され、センサ端末１１からのデータの到着時刻を計測する。
タイムスタンプ付与部１２７は、時計部１２２で計測される到着時刻を基にタイムスタンプを取得する。
メモリ１２３が、タイムスタンプ及びタイムスタンプ間隔を保持（記憶する）する。
切断判定部１２８は、タイムスタンプ間隔から統計量を取得して、センサ端末１１とセンサ収容端末１２との通信の切断を判定する。
このように、センサシステム１において、センサ端末１１では、センサによりデータを取得、収集して、データをメモリに格納した後、無線でセンサ収容端末１２に送信する。
一方、センサ収容端末１２では、センサ端末１１より送信されたデータを受信し、受信したパケット（データ）の到着時刻を時計部１２２で計測し、タイムスタンプ付与部１２７でその時刻を基にタイムスタンプを取得し、タイムスタンプ間隔を計算して取得して、メモリ１２３で記憶する。
タイムスタンプ間隔から計算によって平均偏差を取得し、基準値とする。また、新たに得られる複数のタイムスタンプ間隔から計算によって平均偏差を取得し、評価値とする。
タイムスタンプされたデータを基に、切断判定部１２８で、通信接続の切断について判定する。
切断判定部１２８は、図２に示すように、タイムスタンプ間隔入力部２１と、平均偏差計算部２２と、記憶部２３と、検定判定部２４とを備える。
タイムスタンプ間隔入力部２１に、データより取得されたタイムスタンプに基づきタイムスタンプ間隔が入力される。
平均偏差計算部２２では、タイムスタンプ間隔を基に、平均偏差基準値と平均偏差評価値が計算される。
記憶部２３に、計算された平均偏差基準値と平均偏差評価値が記憶される。
検定判定部２４は、計算された平均偏差基準値と平均偏差評価値を基に、通信接続を切断するか否か（維持するか）を判定する。
ここで、記憶部に計算された平均偏差基準値を記憶し、記憶した平均偏差基準値と、平均偏差計算部で計算された平均偏差評価値とを基に、検定判定部２４で判定してもよい。
本実施の形態に係るセンサシステム１において、判定装置１０は、時計部１２２と、メモリ１２３と、タイムスタンプ付与部１２７と、切断判定部１２８とにより構成される。
＜判定方法＞
本実施の形態に係る判定方法について、図３～図６を参照して説明する。
本実施の形態に係る判定方法について、図３～図６を参照して説明する。
初めに、センサ端末１１とセンサ収容端末１２との間でのデータ送受信について説明する。図３に示すように、センサ端末１１は、一定の周期Ｔｓｅｎｄでセンサ回路部１１２から取得したデータを格納したデータ（パケット）をセンサ収容端末１２へ送信する。一方、センサ収容端末１２はセンサ端末１１からのパケットを受信した際にタイムスタンプを取得し、メモリ１２３に格納する。
このとき、連続した２つのタイムスタンプＴｎ－１、Ｔｎの時間間隔ｄｎ－１の期待値Ｅ［ｄｎ］は、式（１）、（２）で表される。
ここで、時間間隔ｄｎ－１の期待値Ｅ［ｄｎ］は、送信周期Ｔｓｅｎｄと一致する。
センサシステム１を用いた通信において、パケットロス（例えば、図中、点線矢印）などによりデータ転送が遅れるときには、タイムスタンプ間隔ｄｎ－１はＴｓｅｎｄより長くなる（例えば、図中、Ｔｐ＋１～Ｔｐ＋２）。このように、通信状況によって、各タイムスタンプは期待値に対して変動する。
ここで、通信状況を判定するとき、各タイムスタンプは期待値に対してランダムに変動するが、無線通信環境によっては正規分布とならない可能性がある。このとき、正規分布に比べて外れ値が多く、偏差が大きく検出されることがあり、正確に通信状況をモニタリングできない。
このとき、外れ値に対して頑健性を確保するには、評価値としてロバスト統計における中央値が有効である。中央値に対するばらつきを表す値として平均偏差が有用であり、中央値と平均偏差を評価することにより、外れ値が大きい通信環境でも異常判定を実施することが可能である。例えば、図４に示すように、初期化後に、評価値として中央値と平均偏差を計算して、異常を判定したときにセンサ収容端末１２とセンサ端末１１との接続を切断する。
しかしながら、通信プロトコルが異なる場合、パケットロスなどにより通信によるデータ転送が遅れたときに、既定の送信間隔Ｔｓｅｎｄよりも早い間隔でデータが送信される場合もある。この場合、図５に示すように、通信環境が悪化しても受信間隔の中央値が変化することなく平均偏差のみが変化する可能性がある。
例えば、センサ端末１１における通信プロトコルであるＢＬＥでは、接続時に規定されたコネクションインターバルでのみ通信を行い、センサ端末１１でデータを送信するイベントが発生した場合は直後のコネクションインターバルで送信を試みる。
このコネクションインターバルは、通常、データの送信間隔Ｔｓｅｎｄよりも短い。その結果、送受信に失敗した場合は、次のコネクションインターバルで再送を試みるため、Ｔｓｅｎｄよりも短いタイムスタンプ間隔を記録する可能性がある。
そこで、本実施の形態では、以下の通り、中央値ではなく平均偏差のみを用いて、センサ収容端末１２はセンサ端末１１との接続について判定する。
本実施の形態に係る判定方法では、外れ値が予期されるデータかつ同一の母集団から代表値（平均偏差）の変化を評価する。詳細には、タイムスタンプ間隔の平均偏差の基準値と評価値との有意差の有無を検定する。そこで、この判定方法では、正規分布でなく、対応のある２群の代表値の有意差を検定できるウィルコクソンの符号順位検定を用いる。
図６に、本実施の形態に係る判定方法のフローチャート図を示す。
初めに、センサ収容端末１２（親機）とセンサ端末（子機）１１との接続の初期化を実行する（ステップＳ１）。
まず、センサ収容端末１２にセンサ端末１１を接続する（ステップＳ１１）。
次に、パケット（データ）を受信して、タイムスタンプを保存する（ステップＳ１２）。
引き続き、データの受信、タイムスタンプの保存を繰り返し、所定数（例えば、ｎ１＋１個）のデータおよびタイムスタンプを取得する。詳細には、データの受信数をカウントし規定数に到達したかを判定し、規定数に到達するまでデータを受信する（ステップＳ１３）。
次に、式（３）、（４）により、ｎ１個のタイムスタンプ間隔ｄ１，ｉを用いて、基準値として平均偏差（以下、「平均偏差基準値」という。）σｓｔａｍｐを計算する（ステップＳ１４）。
次に、評価値の計算を実行する（ステップＳ２）。
まず、データを受信して、タイムスタンプを保存する（ステップＳ２１）。
引き続き、データの受信、タイムスタンプの保存を繰り返し、所定数（例えば、ｎ２＋１個）のデータおよびタイムスタンプを取得する。詳細には、データの受信数をカウントし規定数に到達したかを判定し、規定数に到達するまでデータを受信する（ステップＳ２２）。
次に、式（５）、（６）により、ｎ２個のタイムスタンプ間隔ｄ１，ｉを用いて、平均偏差評価値σｅｖａｌを計算する（ステップＳ２３）。
次に、平均偏差基準値と平均偏差評価値との有意差の有無を判定して、接続切断を実行する（ステップＳ３）。
次に、ウィルコクソンの符号順位検定により、平均偏差基準値と平均偏差評価値との有意差の有無を有意水準αで判定する（ステップＳ３１）。
ウィルコクソンの符号順位検定において、有意差が有ると判定された場合には接続異常と判定（判断）し、センサ収容端末１２とセンサ端末１１との接続を切断する（ステップＳ３２～Ｓ３３）。
また、有意差が無いと判定された場合には接続正常と判定（判断）し、センサ収容端末１２とセンサ端末１１との接続を維持する（ステップＳ３２）。
以上の方法により、センサ収容端末１２とセンサ端末１１との接続における正常状態と異常状態との平均偏差の有意差を認識可能でき、ユーザが任意に水準（有意水準）を設定して接続切断の判定を行うことができる。ここで、基準値計算後からの時間的ロスの少ない切断判定のためにはｎ１をｎ２以上とすることが望ましい。
図７に、本実施の形態に係る判定方法における受信間隔変化の概略図３１と検定評価値変化の概略図３２を示す。概略図３１では、受信間隔（点線）と、受信間隔の平均値（実線）と、タイムアウト閾値（破線）を示す。また、概略図３２では、評価値（実線）と切断閾値（破線）を示す。
従来方法におけるタイムアウトによる切断判定では、概略図３１に示すように、受信間隔で判定するので、適切な閾値を設定する必要がある。例えば、受信間隔（点線）がタイムアウト閾値（破線）を超えるときに、接続異常と判定する（図中、黒丸）。その結果、適切な閾値が設定されない場合、接続切断に至らない可能性や接続切断が頻発する可能性がある。
本実施の形態では、概略図３２に示すように、事前に基準値を計算し（初期化）、評価値（検定値）が切断閾値を超えた時点で、接続異常と判定する（図中、白丸）。
このように、正規分布を有さない２群について平均偏差が等しいか否かを評価（検定）することにより得られる評価値に基づいて判定して、通信切断を行うことで、受信間隔のばらつきから通信環境の不安定さを識別し、切断処理を行うことが可能となる。
また、これにより、異常動作を未然に防ぐことができ、切断後は接続待機状態としてバッファオーバーフローを回避でき、センサ端末１１の動作を継続できる。
その結果、多様なセンサ端末１１の通信仕様や設計の相違に、センサ収容端末１２側において低コストで対応でき、センサ収容端末とセンサ端末とを備えるセンサシステムとしての安定性を向上できる。
とくに、未送信データがある場合に既定の送信間隔より高速に再送信つまりバースト送信を行う通信プロトコルに有効である。
また、平均偏差の計算に絶対値演算、加減算、平均処理を用いる場合、二乗演算等の積算を伴う分散の演算に比べて計算機における必要計算リソースが少ないため、分散を用いた異常性判定に比較して、計算量削減、低消費電力化に有効である。
＜第２の実施の形態＞
＜センサシステムおよび判定装置の構成＞
本実施の形態に係る判定方法および判定装置は、第１の実施の形態では単数または複数のセンサ端末を備える構成で動作可能であるのに対して、複数のセンサ端末１１を備える構成で動作可能となる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
＜センサシステムおよび判定装置の構成＞
本実施の形態に係る判定方法および判定装置は、第１の実施の形態では単数または複数のセンサ端末を備える構成で動作可能であるのに対して、複数のセンサ端末１１を備える構成で動作可能となる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
＜判定方法＞
第１の実施の形態では、センサ収容端末とセンサ端末との接続における初期状態でσｓｔａｍｐを計算して基準値とするので、接続開始直後から通信環境が劣悪な場合には、センサ収容端末はセンサ端末（例えば、子機Ａ）から正常な通信間隔でパケットを受信できないため、正確にσｓｔａｍｐを取得できない。
第１の実施の形態では、センサ収容端末とセンサ端末との接続における初期状態でσｓｔａｍｐを計算して基準値とするので、接続開始直後から通信環境が劣悪な場合には、センサ収容端末はセンサ端末（例えば、子機Ａ）から正常な通信間隔でパケットを受信できないため、正確にσｓｔａｍｐを取得できない。
そこで、子機Ａ以外の正常に通信可能なセンサ端末からのデータを用いて、平均偏差基準値σｓｔａｍｐを計算する。
ここで、各センサ端末の通信間隔Ｔｓｅｎｄと、各センサ端末から受信されるデータのタイムスタンプ間隔とを比較して、同等または所定の値以下である場合に正常に通信可能なセンサ端末として選択する。
以降、選択されたセンサ端末を用いて、第１の実施の形態と同様に判定する。
＜効果＞
本実施の形態に係る判定装置において、Ｓ個のセンサ端末が存在し、それぞれの通信間隔がＴｓｅｎｄ ｉとし、初期化に用いるデータ数をＭとするとき、初期化すなわち平均偏差基準値の取得に要する時間τは、通信間隔が全て同じ場合（Ｔｓｅｎｄ ｉ＝Ｔｓｅｎｄ）、式（７）で表される。
本実施の形態に係る判定装置において、Ｓ個のセンサ端末が存在し、それぞれの通信間隔がＴｓｅｎｄ ｉとし、初期化に用いるデータ数をＭとするとき、初期化すなわち平均偏差基準値の取得に要する時間τは、通信間隔が全て同じ場合（Ｔｓｅｎｄ ｉ＝Ｔｓｅｎｄ）、式（７）で表される。
ここで、データ数Ｍをセンサ端末数Ｓの倍数にすると、最も効率よく初期化用データを収集することが可能である。
また、通信間隔がセンサ端末それぞれで異なる場合の時間τは、式（８）で表される。
このように、本実施の形態によれば、時間τが、Ｔｓｅｎｄ以下になるので、初期化すなわち平均偏差基準値の取得に要する時間を短縮化できる。したがって、通信切断に関する判定を高速化でき、リアルタイム性が向上する。
本発明の実施の形態では、通信接続判定装置およびセンサシステムの構成、判定方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。通信接続判定装置およびセンサシステム、判定方法の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
本発明は、センサを用いたＩｏＴネットワークにおける通信状況の判定に適用することができる。
１１ センサ端末
１２ センサ収容端末
１２ センサ収容端末
Claims (8)
- センサ端末と、センサ収容端末との通信接続状況を判定する通信接続判定方法であって、
前記センサ収容端末が、前記センサ端末から第１のデータを受信して、第１のタイムスタンプを保存するステップと、
前記第１のデータの受信数が第１の規定数に到達したか否かを判定するステップと、
前記第１のデータの受信数が前記第１の規定数に到達した場合に、前記第１のタイムスタンプより得られる第１のタイムスタンプ間隔を用いて、平均偏差基準値を計算するステップと、
前記センサ収容端末が、前記センサ端末から第２のデータを受信して、第２のタイムスタンプを保存するステップと、
前記第２のデータの受信数が第２の規定数に到達したか否かを判定するステップと、
前記第２のデータの受信数が前記第２の規定数に到達した場合に、前記第２のタイムスタンプより得られる第２のタイムスタンプ間隔を用いて、平均偏差評価値を計算するステップと、
前記平均偏差基準値と前記平均偏差評価値との有意差の有無を検定し、有意差が有ると判定された場合に通信接続異常と判定するステップと
を備える通信接続判定方法。 - 前記有意差の有無を、ウィルコクソンの符号順位検定により検定する
ことを特徴とする請求項１に記載の通信接続判定方法。 - 前記平均偏差基準値が、式（Ａ）および式（Ｂ）を満たし、前記平均偏差評価値が、以下の式（Ｃ）および式（Ｄ）を満たす
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信接続判定方法。
- 前記センサ端末が複数であり、
前記複数のセンサ端末それぞれの通信間隔と、前記複数のセンサ端末から受信されるそれぞれデータのタイムスタンプ間隔とに基づき、正常に通信可能なセンサ端末として選択するステップと、
前記第１のデータが、前記選択されたセンサ端末から受信される
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通信接続判定方法。 - センサ端末とセンサ収容端末との通信接続状況を判定する通信接続判定装置であって、
前記センサ端末からのデータの到着時刻を計測する時計部と、
前記到着時刻を基にタイムスタンプを取得するタイムスタンプ付与部と、
前記タイムスタンプと前記タイムスタンプより得られるタイムスタンプ間隔との少なくともいずれか一方を記憶するメモリと、
前記タイムスタンプ間隔に基づき、統計的に、前記センサ端末と前記センサ収容端末との通信接続状況を判定する切断判定部と
を備える通信接続判定装置。 - 前記切断判定部が、
前記タイムスタンプ間隔が入力されるタイムスタンプ間隔入力部と、
前記タイムスタンプ間隔を基に、平均偏差基準値と平均偏差評価値とを計算する平均偏差計算部と、
少なくとも前記平均偏差基準値を記憶する記憶部と、
前記平均偏差基準値と前記平均偏差評価値を基に、通信接続を切断するか否かを判定する検定判定部とを備える
ことを特徴とする請求項５に記載の通信接続判定装置。 - 前記センサ端末が複数であり、
前記複数のセンサ端末それぞれの通信間隔と、前記複数のセンサ端末から受信されるそれぞれデータのタイムスタンプ間隔とに基づき、正常に通信可能なセンサ端末として選択するセンサ端末選択部を備える
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の通信接続判定装置。 - 請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の通信接続判定装置を備える前記センサ収容端末と、
前記センサ端末と
を備えるセンサシステム。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP2023527144A JPWO2022259300A1 (ja) | 2021-06-07 | 2021-06-07 | |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2021/021542 WO2022259300A1 (ja) | 2021-06-07 | 2021-06-07 | 通信接続判定方法、通信接続判定装置およびセンサシステム |
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| WO2022259300A1 true WO2022259300A1 (ja) | 2022-12-15 |
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ID=84424977
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2021/021542 WO2022259300A1 (ja) | 2021-06-07 | 2021-06-07 | 通信接続判定方法、通信接続判定装置およびセンサシステム |
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| JP (1) | JPWO2022259300A1 (ja) |
| WO (1) | WO2022259300A1 (ja) |
Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JPH11341046A (ja) * | 1998-05-26 | 1999-12-10 | Nec Corp | 通信処理システム、装置及び方法 |
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| JP2013229814A (ja) * | 2012-04-26 | 2013-11-07 | Central Research Institute Of Electric Power Industry | 通信システム、ルータ、通信方法および制御プログラム |
| WO2018151202A1 (ja) * | 2017-02-17 | 2018-08-23 | 日本電信電話株式会社 | センシングシステムおよびタイムスタンプ補正方法 |
-
2021
- 2021-06-07 JP JP2023527144A patent/JPWO2022259300A1/ja active Pending
- 2021-06-07 WO PCT/JP2021/021542 patent/WO2022259300A1/ja active Application Filing
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