JP2010231566A - 無線センサ端末及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マルチホップによる無線センサネットワークの自動構築に使用される無線センサ端末において、送受信形式を設備コストが安価な非同期方式としつつ、同期方式と同等の高い正確性で受信を行う。消費電力の節減を図る。
【解決手段】 内蔵された無線中継のための送受信用の無線チップが所定時間間隔毎に間欠的に受信待機状態ＲＸとされる。データ送信時には、無線チップがそのデータ信号の送信に先立って前記受信待機間隔より長い時間継続するプリアンブル信号を送信した後、これに続けてデータ信号を送信する。プリアンブル信号は継続期間中の各時点からデータ信号までの残時間情報を含む。受信待機状態ＲＸにおいて他の無線センサ端末から送信されたプリアンブル信号を受信したときは、受信時点での残時間情報に基づいてデータ信号が送信されるまで前記無線チップがオフ状態となり、残時間経過した時点で受信状態となってデータ信号を受信する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、マルチホップによる無線センサネットワークの自動構築に使用される無線中継機能をもつ自律型の無線センサ端末及びその制御方法に関する。

従来より、遠隔地の情報を人の手を借りずに取得したいという要望がある。例えば所有する店舗やビルの様子、旅行中の自宅、菜園の温度、地盤の緩みなどの情報取得の要望である。このような要望に対し、これまではインターネットが利用されてきた。すなわち、パソコンに上記情報取得のためのセンサを接続し、常時インターネットに接続しておけば、今日でもこのような情報取得は可能である。

しかしながらパソコンは大きく、観測点を増やす場合に限界がある。また、観測点が移動する場合、例えば人の健康状況を遠隔から監視するような場合、大型のパソコンは携帯性に問題がある。更にインターネット接続は設定が必要であるとか、無線ＬＡＮのカバーエリアが狭いといった問題があり、これも観測点の増加や移動に対する対応を困難にしている。このような状況下で最近開発された技術の一つが、例えば「ＭＯＴＥ（モート）」（登録商標）として知られる小型で自律型の無線センサ端末を用いた無線センサネットワークシステムである（特許文献１）。

この無線センサネットワークにおいては、図５に示すように、情報を収集すべき箇所にノードと呼ばれる無線センサ端末１が設置される。無線センサ端末１は、情報を収集するためのセンサの他に、そのデータを送信する無線送信機能、及び他の無線センサ端末１からのデータを中継する無線中継機能を有するデータ通信部などを内蔵している。無線センサ端末１におる「Ｍ」はＭＯＴＥ本体であって、データ通信部などを搭載したプロセッサ基板を表し、「Ｓ」はこれに組み合わされるセンサ基板を表している。

特徴的なのは無線送信機能及び無線中継機能を有するデータ通信部である。このデータ通信部は、データの送受信を行う無線チップ、及びその無線チップの動作を制御する制御部などからなり、自らの無線センサ端末に搭載されたセンサからの情報を送信するのみならず、他の無線センサ端末に搭載されたセンサからの情報を受信して送信する。このようなデータ通信部の無線送信機能及び無線中継機能による情報のマルチホップにより、複数の無線センサ端末１は大規模の無線メッシュネットワークを自動構築する。

すなわち、個々の無線センサ端末１は、処理能力、無線能力が低くても、前述の無線中継機能、これによるマルチホップにより、個々の能力を遥かに超える能力のシステムを構築するのである。このため、個々の無線センサ端末１は非常に小型かつ安価で低消費電力であり、観測点の増加や移動にも簡単に対応できることになる。この特徴のため、複数の無線センサ端末１を用いた無線ネットワークシステムは、海鳥の生態研究などにも用いられ始めている。

そして個々の端末情報は、ゲートウェイと呼ばれるインターフェース２を介してホストコンピュータなどの基地局に送られ、一元管理される。また、その基地局がＬＡＮやインターネットに接続されることにより、このＭＯＴＥ端末情報は事実上、世界中どこでも入手することができる。

ところで、無線中継機能をもつ無線センサ端末１は、中継ノードとも呼ばれている。中継ノードの電源としては、乾電池が太陽電池、燃料電池等に比べて簡易で経済的であるため多用されている。しかし、乾電池を電源とする場合は電池の交換が必要であり、その交換頻度を少なくするために中継ノードの消費電力を少なくすることが重要課題となる。中継ノードの消費電力は送受信モードと大きな関係がある。以下に、中継ノードの送受信モードについて説明し、消費電力との関係について明らかにする。

中継ノードの送受信モードを図６（ａ）〜（ｃ）に示す。中継ノードでは、図６（ａ）に示すように、無線中継のための送受信用の無線チップが、所定の時間間隔でオフ状態から送信状態ＴＸとなる。送信状態ＴＸでは、当該中継ノードに搭載されたセンサからのセンサ情報が送信される。また、中継のために、他の中継ノードからのセンサ情報が送信される。この中継機能を果すためには、他の中継ノードから発信されたセンサ情報を受信することが必要となる。この受信のための方法としては、中継ノード間で送信タイミングと受信タイミングを同期させるのが一般的である。なぜなら、この同期方式によると、送受信時にのみ、無線チップがオン状態となり、それ以外のときは無線チップをオフ状態としておくことができるので、消費電力が大幅に少なくなるのである。また、正確な同期タイミングが保たれている限りにおいては送信タイミングと受信タイミングのずれによる受信ミスも生じない。

他の方式としては、図６（ｂ）に示すように、送信状態ＴＸと次の送信状態ＴＸとの間を受信待機状態ＲＸとする常時待機方式もある。この方式によると、いつ何時でも受信が可能であるが、受信待機状態ＲＸにおける消費電力が送信状態ＴＸと大差なく、常時、定常電流に近い電流が必要となる。ただし、受信の正確性は高い。このような事情から、中継ノードにおける送受信モードは、現状では前者の同期方式が主流となっており、この方向で様々な改良が進められている。

しかしながら、同期方式の場合、その同期のために、中継ノードは高精度の計時装置を必要とする上、回路構成も複雑となり、装置コストが嵩む問題がある。中継ノードの個数が多くなると、送信データ、受信データが干渉する問題もある。このようなことから、常時待機方式〔図６（ｂ）〕を簡略化した間欠待機方式も開発されている。

間欠待機方式では、図６（ｃ）に示すように、無線チップが所定時間間隔でオフ状態から受信待機状態ＲＸへ間欠的に切り替わる間欠待機モードで動作する。この方式では、受信待機状態ＲＸのときに受信すべき信号があれば、無線チップが受信状態に立ち上がってパケット受信を行い、オフ状態に戻る。受信待機状態ＲＸのときに受信すべき信号がなければ、そのままオフ状態に戻る。受信待機状態への起動間隔、すなわち受信待機間隔Ｔは例えば１２５ｍｓである。これにより、消費電力は同期方式ほどではないものの、同じ非同期方式である常時待機方式と比べれば格段に少なくなる。

しかしながら、ここにおける消費電力は受信の正確性とは相反する関係にあり、受信待機間隔Ｔを短くすれば、受信の正確性は上がるが、消費電力も増加し、逆に受信待機間隔Ｔを長くすれば、消費電力は少なくなるが、受信の正確性も低下する。

特開２００７−１４４７１号公報

本発明の目的は、設備コストが安価な非同期方式でありながら、同期方式と同等の高い正確性で受信を行うことができ、しかも消費電力が少ない、正確性及び経済性ともに優れた無線センサ端末及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の無線センサ端末は、マルチホップによる無線センサネットワークの構築に使用される無線中継機能付きの無線センサ端末であって、内蔵された無線中継のための送受信用の無線チップが、所定時間間隔毎に間欠的に受信待機状態となる間欠待機モードで作動し、他の無線センサ端末へのデータ信号の送信時には、前記無線チップが、そのデータ信号の送信に先立って受信待機間隔より長い時間継続すると共に継続期間中の各時点からデータ信号送信までの残時間情報を含むプリアンブル信号を発信した後、これに続けてデータ信号を送信し、前記受信待機状態において他の無線センサ端末から送信されたプリアンブル信号を受信したときは、その受信時点での残時間情報に基づいてデータ信号が送信されるまで前記無線チップがオフ状態となり、残時間経過した時点で前記無線チップが受信状態となってデータ信号を受信する構成を採用する。

また、本発明の無線センサ端末の制御方法は、マルチホップによる無線センサネットワークの構築に使用される無線中継機能付きの無線センサ端末の制御方法であって、内蔵された無線中継のための送受信用の無線チップを、所定時間間隔毎に間欠的に受信待機状態となる間欠待機モードで作動させる一方、他の無線センサ端末へのデータ信号の送信時には、そのデータ信号の送信に先立って受信待機間隔より長い時間継続すると共に継続期間中の各時点からデータ信号送信までの残時間情報を含むプリアンブル信号を前記無線チップから送信した後、これに続けてデータ信号を送信し、前記受信待機状態において他の無線センサ端末から送信されたプリアンブル信号を受信したときは、その受信時点での残時間情報に基づいてデータ信号が送信されるまで前記無線チップをオフ状態とし、残時間経過した時点で前記無線チップを受信状態としてデータ信号を受信する構成を採用する。

本発明の無線センサ端末及びその制御方法においては、無線チップが所定時間間隔毎に間欠的に受信待機状態とされる。すなわち間欠待機方式である。一方、データ送信時には、無線チップがそのデータ信号の送信に先立って受信待機間隔より長い時間継続するプリアンブル信号を発信した後、これに続けてデータ信号を送信する。プリアンブル信号とは、データ信号の前につける目印のためのダミーパケットである。このプリアンブル信号の継続時間が受信待機間隔より長いために、他の無線センサ端末が送信するプリアンブル信号の継続中に必ず１度は受信待機状態となる。このため、他の無線センサ端末が送信するデータ信号を確実に受信することができる。

しかも、ここにおけるプリアンブル信号は、その継続期間中の各時点からデータ信号送信までの残時間情報を含んでいる。そして、他の無線センサ端末からのプリアンブル信号を受信したときは、その受信時点での残時間情報に基づいてデータ信号が送信されるまで前記無線チップが一旦オフ状態に戻り、残時間経過した時点で受信状態となってデータ信号を受信する。データ受信時以外は、受信待機状態が間欠的に繰り返される間欠待機モードで無線センサ端末が作動するだけであるので、消費電力は前述した従来一般の間欠待機方式と実質的に同等である。

無線チップが受信状態となってデータ信号を受信した後は、再び無線チップを間欠待機モードに戻す構成が好ましい。この構成によると、無線チップの作動時間が短くなり、省電力が一層推進される。

更に別の構成として、プリアンブル信号が送信先のＩＤ情報を含み、受信待機状態において他の無線センサ端末から受信したプリアンブル信号中のＩＤ情報が当該端末以外のときに受信を拒否する構成が好ましい。この構成によれば、中継不要な無線センサ端末においては、無線チップが受信状態にならないので、無線チップの作動時間が更に短くなり、省電力がより一層推進される。

本発明の無線センサ端末及びその制御方法は、基本的に、無線チップが所定時間間隔毎に間欠的に受信待機状態とされる間欠待機方式を採用するので、常時待機方式に比べて消費電力が少なく、電源として乾電池を使用する場合にその交換頻度を少なくでき、乾電池の使用が容易となる。また、データ送信時には、無線チップがそのデータ信号の送信に先立って受信待機間隔より長い時間継続するプリアンブル信号を発信した後、これに続けてデータ信号を送信するので、他の無線センサ端末がプリアンブル信号を発信した場合、そのプリアンブル信号を確実に受信することができ、常時待機方式と同等の高い精度のデータ受信を行うことができる。更に、プリアンブル信号が、その継続期間中の各時点からデータ信号送信までの残時間情報を含み、そのプリアンブル信号を受信した時点での残時間情報に基づいてデータ信号が送信されるまで無線チップが一時的にオフ状態となるので、消費電力が一層少ない。

本発明の一実施形態を示す無線センサ端末のハードウエアを示すブロック図である。 同無線センサ端末の情報発信についてのサブルーチンを示すフローチャートである。 同無線センサ端末の情報受信についてのサブルーチンを示すフローチャートである。 同無線センサ端末の情報受信についての概念を示すタイムチャートである。 マルチホップによる無線センサネットワークの概念図である。 無線センサ端末の一般的な送受信モードを示すタイムチャートである。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態では、無線センサ端末は、図５に示すマルチホップによる無線センサネットワークの中継ノードとして使用される、無線による送受信機能及び中継機能を備えた端末である。

この無線センサ端末は、図１に示すように、温度、湿度等の各種情報を収集するためのセンサ３と、収集されたデータを処理して各種の演算処理を行う制御部としてのＭＰＵ４と、ＭＰＵ４での演算処理のために時間データを与えるタイマー５と、ＭＰＵ４からの指示に従って無線による送受信を行う無線チップ６と、ＭＰＵ４における演算処理手順を格納するＲＯＭ７と、ＭＰＵ４における演算処理ためにデータの授受を行うＲＡＭ８などを備えている。

この無線センサ端末の電源は交換式の乾電池である。その交換頻度を低下させるために、消費電力の低減は大きな技術課題である。本実施形態の無線センサ端末は、この技術課題を送受信モードの改良により解決する。

この無線センサ端末の送受信に関する基本モードは、送信を一定間隔で行うと共に、受信に関しても、受信待機状態ＲＸを間欠的に実行する非同期方式である〔図６（ｃ）参照）〕。受信待機間隔Ｔはここでは１２５ｍｓとしている。送信間隔はこれより大幅に長い例えば数分、数十分であり、使用環境に応じて適宜選択される。

以下に送受信のときの処理手順を、図２、３のフローチャート及び図４のタイムチャートにより説明する。この処理手順は、ＲＯＭ７に格納されており、ＭＰＵ４にて実行される。

送信モードでは、図２に示すように、ステップＳ１１で、ＭＰＵ４がタイマー５からの情報に基づいて、先の送信状態ＴＸからの経過時間を計測する。そしてステップＳ１２で、経過時間が送信間隔に到達したか否かをＭＰＵ４が判断する。経過時間が送信間隔に到達しない場合はステップＳ１１に戻る。経過時間が送信間隔に到達した場合はステップＳ１３に移行し、ここで、他の無線センサ端末へ発信すべきセンサデータをＭＰＵ４が取り込む。センサデータは、センサ３から得たデータ、又は中継のために無線チップ６で受信してＲＡＭ８などに格納された他の無線センサ端末からのセンサデータ、若しくはその両方である。

ステップＳ１３でのデータ取り込みが終わると、ステップＳ１４に移行し、ＭＰＵ４がプリアンブル信号を作成する。プリアンブル信号は、図４に示すように、送信状態ＴＸの時にデータ信号の前につける目印のためのダミーパケットである。プリアンブル信号の送信時間は、無線センサ端末における受信待機状態ＲＸの周期（受信待機間隔Ｔ＝１２５ｍｓ）より長い例えば１３０ｍｓとされている。このプリアンブル信号は、時系列的に並列する多数のサブパケットにより構成されており、個々のサブパケットの時間はここでは２０ｍｓとされている。

そして、個々のサブパケットには、送信すべき中継ノードのＩＤ情報（宛て先情報）及びデータ信号を発信するまでの残時間情報が書き込まれている。１番目のサブパケットに書き込まれた残時間情報は（１３０−２０）ｍｓ、２番目のサブパケットに書き込まれた残時間情報は（１３０−４０）ｍｓであり、以下、同様に残時間情報が２０ｍｓずつ少なくなっていく。

このようにしてプリアンブル信号が作成されると、ステップＳ１５に移行し、送信すべき情報を含むデータ信号をＭＰＵ４が作成する。そして、次のステップＳ１６で、ＭＰＵ４が無線チップ６をオフ状態から送信状態ＴＸに切り替え、作成されたプリアンブル信号及びデータ信号を発信する。

これを繰り返すことにより、無線センサ端末は所定時間間隔でデータ送信を行う。

次に、本実施形態での無線センサ端末の受信モードについて説明する。

受信モードでは、図３に示すように、ステップＳ２１でＭＰＵ４がタイマー５からの情報に基づいて、先の受信待機状態ＲＸからの経過時間を計測する。そしてステップＳ２２で、経過時間が受信待機間隔Ｔ（ここでは１２５ｍｓ）に到達したか否かをＭＰＵ４が判断する。経過時間が受信待機間隔Ｔに到達しない場合はステップＳ２１に戻る。経過時間が受信待機間隔Ｔに到達した場合はステップＳ２３に移行し、ＭＰＵ４からの指示により、無線チップ６がオフ状態から受信待機状態ＲＸへ切り替わる。

次いで、ステップＳ２４に移行し、無線チップ６にプリアンブル信号が受信されたか否かをＭＰＵ４が判断する。プリアンブル信号が受信されなかった場合はステップＳ２１に戻り、経過時間の計測が再開される。プリアンブル信号が受信された場合は、プリアンブル信号に含まれる宛て先情報及び受信時点での残時間情報等を、制御部であるＭＰＵ４が解析する。具体的には、図４に示すように、プリアンブル信号を受信した時点のサブパケットに含まれる宛て先情報及び残時間情報をＭＰＵ４が解析する。

更に具体的に説明するならば、中継ノードＡである無線センサ端末が送信したプリアンブル信号が、中継ノードＢである無線センサ端末、中継ノードＣである無線センサ端末、及び中継ノードＤである無線センサ端末に受信されたとする。中継ノードＡが発信するプリアンブル信号は、多数のサブパケットからなり、プリアンブル信号の継続時間は、中継ノードＢ，Ｃ，Ｄにおける受信待機間隔Ｔより長いので、プリアンブル信号送信中の何れかのタイミングで、中継ノードＢ，Ｃ，Ｄがプリアンブル信号を受信する。

中継ノードＢがプリアンブル信号を受信した時点におけるプリアンブル信号内のサブパケットをＰ１とすると、Ｐ１は宛て先情報とＰ１からデータ信号までの残時間情報を含んでいる。制御部であるＭＰＵ４は、まずステップＳ２５でサブパケットＰ１が含む情報の解析を行い、次いでステップＳ２６で、その情報のうち、宛て先情報が中継ノードＢを含むか否かを判断する。宛て先情報が中継ノードＢを含まなければ、ステップＳ２１に戻る。宛て先情報が中継ノードＢを含むならば、ステップＳ２７でサブパケットＰ１が含む残時間情報を読み取り、ステップＳ２８で一旦、無線チップ６をオフ状態とすると共に、ステップＳ２９で時間計測を開始する。そしてステップＳ３０で計測時間が前記残時間に到達したか否かをＭＰＵ４が判断する。

計測時間が残時間に到達したならば、ステップＳ３１に移行し、ＭＰＵ４からの指示により、無線チップ４がオフ状態から受信状態となる。これによりプリアンブル信号に続くデータ信号が受信される。計測時間が残時間に到達しないときはステップＳ３０を繰り返す。データ信号の受信が終わると、ＭＰＵ４からの指示により、無線チップ４が再びオフ状態となってステップＳ２１に戻る。

かくして、中継ノードＢにおいては、プリアンブル信号送信中の何れかのタイミングで無線チップ４が受信待機状態ＲＸとなり、プリアンブル信号が受信される。プリアンブル信号が受信されると、その受信時点でプリアンブル信号中の情報が読み取られた後、無線チップ４が一時的にオフ状態となる。そして、データ信号が到達する時点で無線チップ４が受信状態となってデータ信号の受信が行われる。

中継ノードＣについても、同様に無線チップ４がプリアンブル信号発信中の何れかのタイミングでその信号中のサブパケットＰ２を受信し、サブパケットＰ２に格納されている宛て先情報が中継ノードＣを含むならば、データ信号が到達する時点まで無線チップ４が一時的にオフ状態となり、データ信号が到達する時点で無線チップ４が受信状態となってデータ信号を受信する。

中継ノードＤについては、プリアンブル信号に書き込まれた宛て先情報が、その中継ノードＤを含まない場合を示している。無線チップ４がプリアンブル信号発信中の何れかのタイミングでその信号中のサブパケットＰ０を受信するが、宛て先情報中に中継ノードＤが含まれないので、データ信号の送信時点となっても無線チップ４は受信状態とはならず、データ信号の受信を行わない。

かくして、無線センサ端末では、無線チップ４が受信待機状態ＲＸに間欠的に起動される間欠待機方式の受信モードを採用するにもかかわらず、受信待機状態ＲＸと次の受信待機状態ＲＸとの間で受信ミスを生じる危険がない。その上、プリアンブル信号を受信してからデータ信号が到達するまでの間、無線チップ４が一時的にオフ状態となるので、消費電力の一層の節減が図られる。

１ 無線センサ端末（中継ノード）
２ インターフェース
３ センサ
４ ＭＰＵ
５ タイマー
６ 無線チップ
７ ＲＯＭ
８ ＲＡＭ

Claims (4)

1. マルチホップによる無線センサネットワークの構築に使用される無線中継機能付きの無線センサ端末であって、
   内蔵された無線中継のための送受信用の無線チップが、所定時間間隔毎に間欠的に受信待機状態となる間欠待機モードで作動し、
   他の無線センサ端末へのデータ信号の送信時には、前記無線チップが、そのデータ信号の送信に先立って受信待機間隔より長い時間継続すると共に継続期間中の各時点からデータ信号送信までの残時間情報を含むプリアンブル信号を送信した後、これに続けてデータ信号を送信し、
   前記受信待機状態において他の無線センサ端末から送信されたプリアンブル信号を受信したときは、その受信時点での残時間情報に基づいてデータ信号が送信されるまで前記無線チップがオフ状態となり、残時間経過した時点で前記無線チップが受信状態となってデータ信号を受信する無線センサ端末。
2. 請求項１に記載の無線センサ端末において、前記無線チップが受信状態となってデータ信号を受信した後は、再び前記間欠待機モードに戻る無線センサ端末。
3. マルチホップによる無線センサネットワークの構築に使用される無線中継機能付きの無線センサ端末の制御方法であって、
   内蔵された無線中継のための送受信用の無線チップを、所定時間間隔毎に間欠的に受信待機状態となる間欠待機モードで作動させる一方、
   他の無線センサ端末へのデータ信号の送信時には、そのデータ信号の送信に先立って受信待機間隔より長い時間継続すると共に継続期間中の各時点からデータ信号送信までの残時間情報を含むプリアンブル信号を前記無線チップから送信した後、これに続けてデータ信号を送信し、
   前記受信待機状態において他の無線センサ端末から送信されたプリアンブル信号を受信したときは、その受信時点での残時間情報に基づいてデータ信号が送信されるまで前記無線チップをオフ状態とし、残時間経過した時点で前記無線チップを受信状態としてデータ信号を受信する無線センサ端末の制御方法。
4. 請求項３に記載の無線センサ端末の制御方法において、前記無線チップが受信状態となってデータ信号を受信した後は、再び前記無線チップを前記間欠待機モードに戻す無線センサ端末の制御方法。

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