(57)【要約】【課題】  バッテリ寿命予測に必要な電力負荷をできる限り抑えるために、各センサノードにおいて一定期間に送信した総パケット数情報を用いたバッテリ寿命予測方法を提供する。【解決手段】  状態監視システムにおける無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法において、無線センサノードの送信パケット数からパケットフロー量を推定し、パケットフロー確率を求め、前記推定したパケットフロー確率に基づき、最初にバッテリ枯渇を起こしたセンサノードが発生した場合には、その時点までの前記無線センサノードのバッテリ残量を計算し、次に、バッテリが枯渇したセンサノードを除去したときのパケットフロー確率に更新し、前記更新したパケットフロー確率に基づき、次に、バッテリ枯渇を起こしたセンサノードが発生した場合には、その時点までの前記無線センサのバッテリ残量を計算し、次に、前記の操作を繰り返し、全ての無線センサノードが枯渇するまで繰り返す。【選択図】  図２
2014169906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線センサノードの送信パケット数からパケットフロー量を推定し、パケットフロー確率を求め、前記推定したパケットフロー確率に基づき、最初にバッテリ枯渇を起こしたセンサノードが発生した場合には、その時点までの前記無線センサノードのバッテリ残量を計算し、次に、バッテリが枯渇したセンサノードを除去したときのパケットフロー確率に更新し、前記更新したパケットフロー確率に基づき、次に、バッテリ枯渇を起こしたセンサノードが発生した場合には、その時点までの前記無線センサノードのバッテリ残量を計算し、次に、前記の操作を繰り返し、全ての無線センサノードが枯渇するまで繰り返すことを特徴とする状態監視システムにおける無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法。
【請求項２】
請求項１記載の状態監視システムにおける無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法において、前記各ステップの状態に対応して、前記無線センサノードの交換を行う判断材料とすることを特徴とする状態監視システムにおける無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法に係り、特に、状態監視システムにおける無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、近年の情報通信技術、センサ技術の急速な発展に伴い、社会の様々な環境に多数のセンサを配置しネットワーク化した、センサネットワークに関する研究開発がさかんに行われている。中でも近年注目されているのが、無線通信機能を備えた多数のセンサノードから構成される無線センサネットワーク（ＷＳＮ）である（下記特許文献１参照）。その適用範囲は多岐に拡がり、環境、軍事、工業等の分野においても研究が行われている。
【０００３】
また、無線センサの電池交換の例としては下記特許文献２が、電池駆動のノード例としては、下記特許文献３が、マルチホップ無線ネットワークにおける省電力化のための制御例としては、下記特許文献４がそれぞれ提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３０４５３１号公報
【特許文献２】特開２００８−０３９１９６号公報
【特許文献３】登録実用新案第３１４５３５３号公報
【特許文献４】特開２００９−２０６７４９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ａｄａｍ  Ｄｕｎｋｅｌｓ，Ｆｒｅｄｒｉｋ  Ｏ（ウムラウト付き）ｓｔｅｒｌｉｎｄ，Ｎｉｃｏｌａｓ  Ｔｓｉｆｔｅｒｓ，Ｚｈｉｔａｏ  Ｈｅ，”Ｓｏｆｔｗａｒｅ−ｂａｓｅｄ  Ｏｎｌｉｎｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｎｏｄｅｓ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ４ｔｈ  ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ  ｓｅｎｓｏｒｓ，ｐｐ．２８−３２  ２００７年６月２５〜２６日発表
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＷＳＮにおいて、センサノードはバッテリ駆動であることが一般的である。特に状態監視を目的としたＷＳＮは長期運用が前提となるため、センサノードのバッテリ枯渇という問題が発生し、バッテリ交換が必要となる。しかしながら、バッテリ交換には多額の費用が必要となるため、ＷＳＮの長期運用を効率化するためには適切なバッテリ交換戦略を策定することが求められる。また、バッテリ交換戦略を策定するためには、各センサノードのバッテリの電力負荷が、動的に変動する設置環境やルーティングプロトコルなどの影響を受けるため、動的にバッテリ寿命を予測することが重要な課題となる。
【０００７】
通常、動的にバッテリ寿命を予測するためには、経路情報を取得する必要があるが、経路情報の常時取得はトラヒックを増大させてしまい、ネットワーク全体の電力負荷を増大させてしまう。
そこで、本発明は、上記状況に鑑みて、バッテリ寿命予測に必要な電力負荷をできる限り抑えるために、各センサノードにおいて一定期間に送信した総パケット数情報を用いたバッテリ寿命予測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕状態監視システムにおける無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法において、無線センサノードの送信パケット数からパケットフロー量を推定し、パケットフロー確率を求め、前記推定したパケットフロー確率に基づき、最初にバッテリ枯渇を起こした無線センサノードが発生した場合には、その時点までの前記無線センサノードのバッテリ残量を計算し、次に、バッテリが枯渇した無線センサノードを除去したときのパケットフロー確率に更新し、前記更新したパケットフロー確率に基づき、次に、バッテリ枯渇を起こした無線センサノードが発生した場合には、その時点までの前記無線センサノードのバッテリ残量を計算し、次に、前記の操作を繰り返し、全ての無線センサノードが枯渇するまで繰り返すことを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の状態監視システムにおける無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法において、前記各ステップの状態に対応して、前記無線センサノードの交換を行う判断材料とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、バッテリ寿命予測に必要な電力負荷をできる限り抑えるために、各センサノードにおいて一定期間に送信した総パケット数情報を用いたバッテリ寿命予測を行うことができる。
また、バッテリ寿命の管理者は、上記したバッテリ寿命予測を各ステップを考慮してバッテリの取り替え指針に反映させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例を示すネットワークの構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施例を示すネットワークのバッテリ寿命予測の態様を示す図である。
【図３】本発明の他のパケットフロー量を推定するための、入出力情報と制約条件の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
状態監視システムにおける無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法は、無線センサノードの送信パケット数からパケットフロー量を推定し、パケットフロー確率を求め、前記推定したパケットフロー確率に基づき、最初にバッテリ枯渇を起こしたセンサノードが発生した場合には、その時点までの前記無線センサノードのバッテリ残量を計算し、次に、バッテリが枯渇したセンサノードを除去したときのパケットフロー確率に更新し、前記更新したパケットフロー確率に基づき、次に、バッテリ枯渇を起こしたセンサノードが発生した場合には、その時点までの前記無線センサノードのバッテリ残量を計算し、次に、前記の操作を繰り返し、全ての無線センサノードが枯渇するまで繰り返す。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示すネットワークの構成例を示す図、図２はそのネットワークのバッテリ寿命予測の態様を示す図であり、図２（ａ）はそのステップ１、図２（ｂ）はそのステップ２、図２（ｃ）はそのステップ３を示す図である。
ここで、まず、用語の定義を行う。
【００１４】
（１）センサノード：バッテリ駆動であり、センサ機能と無線機能と計算機能を備えているものとする。また、必ずしもセンシングする必要はなく、データを送信するだけの中継ノードとして運用することも可能であるものとする。
（２）ゲートウェイ（ＧＷ）：ＡＣ電源駆動であり、センサノードからの情報を集約するものとする。
【００１５】
（３）ノード：センサノードとゲートウェイを区別しない場合は、これらを単にノードと呼ぶものとする。
（４）エッジ：ノード間の通信路をエッジと呼び、エッジは有向辺で表され、始点から終点にデータを転送できることを示すものとする。
（５）パス：終点がゲートウェイで、その他は全てセンサノードであるノード列で、このノード列に含まれる全ての隣接ノードにエッジが存在する場合、このノード列をパスと呼ぶものとする。
【００１６】
本発明における無線センサネットワークでは、センサノードとゲートウェイからなるネットワークを想定する。また、パスに沿ってデータを送信する場合、パケットロスやループは生じないものとする。
ここで対象とするネットワーク構成例を図１に示す。この図において、センサノードＡは、センサノードＢとセンサノードＣにデータを送信できることを示している。
【００１７】
バッテリ枯渇などの原因によりセンサノードの機能が停止すると、ネットワークトポロジが変化する。また、ネットワークトポロジの変化は、各センサノードにおける電力負荷に影響を与える。例えば、図１においてセンサノードＡがセンサノードＢとセンサノードＣにデータを送信している場合、センサノードＢが停止すると、これまでセンサノードＢを経由していたデータについてもセンサノードＣを経由することになるため、センサノードＣの電力負荷が増大する。
【００１８】
通常、センサノードから送信されるパケットには経路情報が含まれておらず、アドホックなネットワークにおいてはどのセンサノードに電力負荷が集中しているのかを推測するのは難しい。一方、既述のように、経路情報の常時取得はネットワーク全体の電力負荷を増大させてしまう。
そこで、本発明では、各センサノードにおいて、一定期間に送信したパケット数をカウントし、この情報を利用してバッテリ枯渇によるセンサノード停止の影響を考慮した、各センサノードのバッテリ寿命を予測する方法を提案する。本発明では、各センサノードにおいて、パケットを送信する場合が特にバッテリの消費が大きいので、パケットの送信数を管理することでバッテリ寿命を予測することができるようにした。
【００１９】
ここでは、バッテリ寿命予測方法について、以下に概要を述べる。
最初に、各センサノードにおいて一定期間に送信した各センサノードのパケット数から各エッジのパケットフロー量を推定する。次に、その推定量に基づき、各センサノードの使用電力を見積もり、その使用電力からバッテリ寿命を予測する。バッテリ寿命予測の手順については後述する。
【００２０】
まず、パケットフロー量を推定するための、入出力情報と制約条件について述べる。
（１）入力：
・ノード集合
・エッジ集合
・各センサノードにおける一定期間の送信パケット数
・各センサノードにおける一定期間のセンシングデータ数
（２）制約条件：
・すべてのセンサノードにおいて、一定期間のセンシングデータ数と受信パケット数の和は送信パケット数に等しい。
【００２１】
（３）出力：
・各エッジのパケットフロー量
次に、図２および３を参照して、バッテリ寿命予測の手順について述べる。
まず、各センサノードにおけるパケット送信数を取得し、現在時刻ｔc における各センサノードのバッテリ残量を計算する〔図２（ａ），図３（ａ）〕。なお、センサノード上の数字は各センサノードのパケット送信数である。
【００２２】
次に、送信パケット数からパケットフロー量を推定し（パケットフロー確率）、その推定したパケットフロー確率に基づいて、最初にバッテリが枯渇するセンサノードおよびその時刻ｔ1 を予測し、その時刻ｔ1 における他のセンサノードのバッテリ残量を計算する〔図２（ｂ），図３（ｂ）〕。なお、数字は各辺のパケットフロー量である。
次に、バッテリが枯渇したセンサノードを除去したネットワークにおけるパケットフロー量を計算してパケットフロー確率を更新し、更新したパケットフロー確率に基づいて、次に、バッテリが枯渇するセンサノードとその時刻ｔ2 を予測し、その時刻ｔ2 における他のセンサノードのバッテリ残量を計算する〔図２（ｃ），図３（ｃ）〕。なお、ここで、ノード停止により、トポロジが変化し、他ノードへの負荷が変化する。また、センサノード上の数字はパケット送信数、その他は各辺のパケットフロー量である。
【００２３】
この操作を繰り返し、全てのセンサノードのバッテリが枯渇する時刻ｔ3 〔図２（ｃ）〕の推定が得られるまで繰り返す。
長期運用が想定される設備状態監視（例えば、径年劣化把握）では、センサノードのバッテリ枯渇が問題となるため、効率的なバッテリ交換戦略が求められる。そこで、本発明では、バッテリ交換戦略策定に必要なバッテリ寿命を推定する方法を提案した。
【００２４】
以下、本願発明の状態監視における無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法について説明する。
全体的フローとしては、
（１）所与のパラメータを入力する。
（２）問題（Ｐ）を数理最適化ソルバーで解き、各エッジのフロー量を推定し、パケットフロー確率を算定する。
【００２５】
（３）推定されたフロー量に基づき、各センサノードのバッテリ残量を計算する。
以下、各項目について詳細に記述する。
〔１〕入力パラメータ
・センサ通信可能辺
・各センサノードのセンシング頻度
・電池容量
〔２〕次に、問題（Ｐ）の定式化について説明する。
【００２６】
まず、記号の定義について述べる。
・グラフ  Ｇ（Ｖ，Ａ）
・センサ集合  Ｓ
・リレー集合  Ｒ
・ゲートウェイ集合  Ｔ
・ノード集合  Ｖ＝Ｓ∪Ｒ∪Ｔ
・辺集合  Ａ＝｛（ｉ，ｊ）｜ｉ∈Ｓ∪Ｒ，ｊ∈Ｖ，ｉ≠ｊ，ｉからｊにパケット送信可能｝
・センシング回数  ｓi （≧０，∀ｉ∈Ｓ）
各センサノードはセンシング１回毎に１パケットを送信する。
【００２７】
ノードｉ∈Ｓ∪Ｒにおける送信パケット数Ｐｉ（≧０，∀ｉ∈Ｓ∪Ｒ）
2014169906.tif 000003
【００２８】
〈決定変数〉ノード間のパケットフロー量  ｘij〔≧０，∀（ｉ，ｊ）∈Ａ〕  〈制約条件〉
2014169906.tif 000004
【００２９】
・パケットフロー確率
各辺におけるパケットフロー確率はＰｒ（ｉ，ｊ）以下で求められる。
Ｐｒ（ｉ，ｊ）＝（ｘij／Ｐi ）〔∀（ｉ，ｊ）∈Ａ〕
〔３〕次に、電池残量曲線について説明する。
【００３０】
〔Ａ〕入力
（１）ネットワーキングに関連するパラメータ
・現在時刻ｔc （図２参照）
・現在時刻ｔc におけるノード集合Ｖc 
・現在時刻ｔc におけ辺集合Ａc 
・時刻ｔにおけるグラフＧ′（Ｖ′，Ａ′）
・グラフＧ′（Ｖ′，Ａ′）におけるアーク（ｉ，ｊ）の重みＰｒ（ｉ，ｊ）
・センシング頻度
・ノードｉ∈Ｓ∪Ｒの電力容量  Ｃi ，ｉ∈Ｓ∪Ｒ
・送信パケット数  ｐi （≧０），ｉ∈Ｓ∪Ｒ
・時刻ｔc における累積送信パケット送信数
・時刻ｔc における累積送信パケット受信数
（２）消費電力計算に必要なパラメータ
・供給電圧  Ｈ
・パケットサイズ
・プロセッサの消費電流（今回使用するパケットサイズでの１パケットあたり）  Ｉm 
・プロセッサ動作時の１パケットあたりの動作時間とパケット処理数の積（他は省略）  ｔm 
・待機時のプロセッサの消費電流  Ｉl 
・無線機の送信時の消費電流  Ｉt 
・無線機の受信時の消費電流  Ｉr 
・ｉ個からなるその他の構成部品（センサやＬＥＤなど）の消費電流  ＩCi
〔Ｂ〕出力
時刻ｔC から全てのノードのバッテリが枯渇するまでの期間における、各ノードの電池残量曲線
〔Ｃ〕計算アルゴリズム
ノード生存率を確認周期毎（各ノードの送信パケット数が送られるタイミング毎）に次を実行する。
【００３１】
ステップＳ１  Ｖ′：＝ＶC ，Ａ′：＝ＡC ，ｔ：＝ｔC とする。また、電池残量曲線を初期化する。
ステップＳ２  時刻ｔの累積送受信パケット数と消費電力計算式（１）から、ノードｉ∈Ｖ′＼Ｔの電池残量Ｋi を次式で計算する。
Ｋi ＝Ｃi −〔式（１）で定義されるノードｉ∈Ｖ′＼Ｔの消費電力），ｉ∈Ｖ’＼Ｔ
このとき、もしＫi ≦０ならば、Ｖ’：＝Ｖ’＼｛ｉ’｝，Ａから｛ｉ’｝に接続する全てのアークを除去し、Ｇ′を更新する。また、時刻ｔにおけるノードｉ′の電池残量を０として、電池残量曲線を更新する。この操作の結果、非連結ノードが発生した場合には、上記と同様の操作により、Ｇ′と電池残量曲線を更新する。このとき、Ｖ′が０でないならば終了する。
【００３２】
ステップＳ３  問題（Ｐ）の出力解を用いて、Ｇ′の重みを更新する。
ステップＳ４  グラフＧ′、各センサのセンシング頻度、各ノードの電力残量と受信パケット数を考慮して、最初に電池枯渇が発生するノードｉ* とその時刻ｔ* を求める。この過程で計算された、各ノードにおける時刻ｔから時刻ｔ* までの電池残量の推移を電池残量曲線に追加する。Ｖ′；＝Ｖ′＼｛ｉ* ｝，Ａ′から｛ｉ* ｝に接続する全てのアークを除去する。このとき、Ｖ′が０でないならば終了する。
【００３３】
ステップＳ５  時刻ｔ* におけるノードｉ∈Ｖ′＼Ｔの累積送受信パケット数を求めて、ｔ＝ｔ* としてステップＳ２へ戻る（これは、ステップＳ４から算出済みであり、形式的な記述である）。
〔Ｄ〕各ノードにおける消費電力の計算（前記非特許文献１参照）
ＥC ／Ｈ＝Ｉm ｔm ＋Ｉl ｔl ＋Ｉr ｔr ＋ΣＩCiｔCi      …（１）
ただし、ＥC は消費電力とする。
【００３４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の状態監視システムにおける無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法は、無線センサの各センサノードの送受信数に基づいて無線センサのバッテリ残量を計算する、無線センサネットワークのバッテリ寿命予測方法として利用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ    センサノード
ＧＷ    ゲートウェイ
ｔC     現在時刻
ｔ1     センサノードＣのバッテリ枯渇時刻
ｔ2     センサノードＡのバッテリ枯渇時刻
ｔ3     全てのセンサノードのバッテリ枯渇時刻
【図１】
2014169906.tif 000005
【図２】
2014169906.tif 000006
【図３】
2014169906.tif 000007