(57)【要約】  【課題】  センサ子局群が親局に対して、単方向通信で信頼性ある無線通信を確立する。【解決手段】  複数のセンサ子局とそのデータを受信する親局からなる無線通信システムにおいて、親局および子局が電波時計手段を有し、センサ子局間の送信タイミングの調整を行い、かつ送信時に所定複数の過去分のデータを併せて送信するリトライ送信からなる安定したデータ通信システム。 【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多地点に設置される子局と通信回線を介して該子局から送信されるデータを受信する親局からなる無線通信システムにおいて、電波時計で受信した標準時刻を管理するクロック手段と、自己に割り振られたタイムスロットで該データの送信を自発的に行う送信手段とを有する子局と、電波時計で受信した標準時刻を管理するクロック手段と、該子局からの受信メッセージをタイムスロットに基づいて該発信した子局からのデータと識別する手段とを有する親局とを特徴とするデータ通信システム。
【請求項２】
請求項1のデータ通信システムにおいて、該子局は、送信時に所定複数の過去分のデータを併せて送信する送信手段を有する
ことを特徴とするデータ通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電波時計手段を利用したデータ通信システムに関し、特に屋内または屋外で環境状態などの計測を行うセンサを用いたセンサシステムにおいて、複数のセンサ子局から通信手段を介して親局へ滞りなくデータ送信を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、社会の安全性、利便性、快適性を高めることを目的としたユビキタスセンサネットワークにおいては、あらゆる物や人にセンサタグが付けられネットワーク化される。
複数のセンサからデータを無線通信により親局（サーバ）がデータを集める場合を想定して説明する。そもそも各センサ（Ｓ１，Ｓ２・・Ｓｎ）が一方的に送信を行うと、各送信局のクロック周波数が少しずつ異なるため、各局が同じ周期で送信するように設定しても、複数子局が同時に送信する状態を生じ混信してデータが正しく受信されない。例えば図１に示すように、子局の電波が衝突する場合（図中黒く塗りつぶされた箇所）では、親局で正しく受信が行なわれない。
【０００３】
ここで親局から子局に対し個別にポーリング呼び出しを行えば、親局の指示に従って各センサ子局が規則正しく送信するため混信を生じることはない。しかしポーリングでは、親局の指令電波を受信するための受信機が子局それぞれに必要になる。一般的に受信機は微弱な受信波の増幅、同期、復調のため回路構成が複雑になり、送信機に比べ消費電力が大きくなることが多い。
【０００４】
さらにいつ送られて来るかわからない親局の指令を待つため、受信機を常に通電しておく必要がある。親局から一定周期で指令が来る場合には予測して受信時間を短縮できるが、それでも発振器等の立ち上がり時間を考慮し、前もって通電を開始して準備しておく必要がある。センサ子局は携帯可能にするため電池駆動とする場合が多く、電池寿命を延ばすためには消費電力を極力抑えたい要求が強い。このため、受信機を用いない単方向通信の実現が図られる。
【０００５】
特許文献１は単方向通信の技術を開示しており、そこでは数多くの複数のデータ端末(子局に相当)とデータ処理装置(親局)との間の通信回線で、電波時計を利用してデータ端末が発信用のデータを所定の送信時刻に通信回線を介してデータ処理装置に送信するデータ送信手段を示している。このことは本発明とは基本的に共通するものである。
【特許文献１】特開２００３−２４２５８６号公報
【０００６】
しかし、特許文献１にある発明では通信回線は有線を中心に考えられており、送信エラーが度々発生することを前提とはしていない。本発明のような環境を計測するために屋外現場にも設置されるセンサ子局群では、有線通信回線を設置することは容易ではなく、無線通信でのエラーレートを考慮した技術が求められる。また、子局の省エネルギー化の技術についても課題とはしていないものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
センサ子局複数を分散配置して環境情報等を同時に計測を行い、センサ子局が自発的に離れた地点にある親局に対して計測データを適宜送信する場合に、センサ子局の消費電力を極力減らして電池寿命を延ばす。あるいは太陽光など自然エネルギーを利用した発電でも十分に通信動作を可能にすること、が課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、第一に、
多地点に設置される子局と通信回線を介して該子局から送信されるデータを受信する親局からなる無線通信システムにおいて、電波時計で受信した標準時刻を管理するクロック手段と、自己に割り振られたタイムスロットで該データの送信を自発的に行なう送信手段を有する子局と、該親局は、電波時計で受信した標準時刻を管理するクロック手段を有し、かつ該子局からの受信メッセージをタイムスロットに基づいて該発信した子局からのものと識別する手段を有すること、を特徴とするデータ通信システムである。
【０００９】
また、第二の発明は、請求項1のデータ通信システムにおいて、該子局は、送信時に所定複数の過去分のデータを併せて送信する送信手段を有する
こと、を特徴とするデータ通信システムである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるセンサ子局と親局間の通信システムを用いれば、任意の場所に置いたセンサ機器群からの同時計測が可能になる。多数のセンサを離して配置して同時計測したデータを回収する場合に適している。
【００１１】
すなわち、センサ子局は受信器を持たないが、電波時計受信機能を持つために子局システム内での時刻同期が図れるため、標準時刻に基づいたセンサ子局ごとのタイムスロットでデータ送信ができ、子局間で電波干渉を起こすことがない(図２．参照)。
また親局も電波時計受信機能を持つため、受信した電波がどの子局からのものかを識別することが出来る。例えば図３に示すように、センサ子局１０のタグA,B,Cなどのデータをサーバ親局１００は定周期に収集管理できる（図３参照）。
【００１２】
このように、各子局は計測データのみを所定のタイムスロットで送信するだけでよい。子局がアドレス番号およびタイムスタンプをつけてデータ送信する必要もなくなり、送信データ量を少なくして送信時間を短縮し、より消費電力の低減を図ることができる。さらに、電波状態の外乱による無線通信によるエラー発生の場合に備えて、所定複数のデータを何回も送ることで、実質的にリトライ効果によるエラー修復機能が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図４に基づいて、センサ子局の構成を説明する。
温度、日照、湿度その他の計測量は、センサ子局１０に装備されたところの当該センサ１で計測される。それは入力部２で取り込まれた後アナログ/デジタル変換３が施される。それらは総称して入力手段として、ＭＰＵ４で制御される。ＭＰＵ４はマイクロプロセッサ、プログラム及びワーク用のメモリなどで構成される。
【００１４】
次に、電波時計部を説明する。送信所（図外）からの長波信号はアンテナ５で受信され、電波受信部６は受信信号を解読して自己で用いられる標準時刻を表すように時計部７の時刻データを修正する。標準電波信号は通常１分周期程度で標準時刻が送信されてくるが、消費電力低減のため時計部７では更に低周期（１Ｈｒないし１日位）で正時刻合わせする形で内部処理が行なわれてよい。
【００１５】
ＭＰＵ４は、逐次求められた計測データおよび時刻データそれらを一組（セット）にして、インタフェース１９を通じて記憶部２０へストアする。計測データは一つとは限らず、複数の計測データ組、例えば温度と日照値とか、であることも多いのであるが、説明の簡略のため、時刻と計測データが対になった態様を示す（図６）。
【００１６】
さて、記憶されたデータのセットは、通信手段８を通じて適宜に親局１００へ自発的に送信される。その実施例として、図５にタイムチャートで示す。
ここでは、毎分一回のデータ計測が各センサ子局で行なわれ（１１、１２の時間ブロックで）、さらに毎分一回の全センサ子局からの送信が行なわれる（１３−１〜ｎ、１４−１〜ｎのタイムスロットで）態様が示されている。
すなわち、時間ブロック１１は、任意の年/月/日  時：００分：００秒からの区間を意味し、この区間で電波時計からこの時刻を知った各センサ機器は独立に同時に計測を実行する。そして、時間ブロック１１の経過後、各センサ子局は自己が持つノード番号ｎ（個々に予め設定されたものとする（図外））に従って、自己に割り振られた時間区域（タイムスロット）において、データの送信を行なう。ノード番号が１のセンサ子局の場合はタイムスロット13-1、からノード番号がｎの場合はタイムスロット13-ｎを自己で占有できるのである。次の正時分では、時間ブロック１２で計測が、各タイムスロット14-ｎでデータ送信が行なわれることは同じで、以降これを毎分繰り返す。
【００１７】
一度に送信できるデータ量はタイムスロット内で許される通信ビット量との兼ね合いで決まるものだが、センサ機器は最新のデータ唯一個を送るのではなく、所定数の複数の過去データも含めて送ることで、過去に無線状態が悪かったような場合に備えて、何度もデータを無条件で送ることを繰り返す。いわゆる無条件のリトライの実現が行なわれる。
【００１８】
次に、時刻データと計測データの記憶状況を図６で説明する。
本例では、毎分００秒で計測データを入力して、それら（本例では一つ）を時刻とセット（本例ではペア）で一つのレコード行としてストアしている。
記憶部２０内で、時刻データはタイムスタンプ２１として計測データに随伴し、計測データが計測データ列を構成している。
ＭＰＵ４はこの記憶部を管理するためにＩｎポインタ２３を設ける。Ｉｎポインタ２３は新たに入力したデータセットをストアするためのアドレス位置を示すものである。本ポインタは循環ローリングするポインタであるためメモリ最下部へ達したらメモリの先頭位置へ戻ることを繰り返す構造である。そして、例えば毎分ポインタを1アドレス進行させて順次データを蓄積し、一方、送信データはＩｎポインタ−１アドレスにあるデータが最新であるので、そこから所定数遡ったデータまでを送信する。例えば、１０個のデータ（１０分分のデータ）を送る動作は、９回のリトライを繰り返すことに通じる。
なお、データの書込みとデータの送信は同期して動くためポインタは一つで済み、例えばＩｎポインタおよびＯｕｔポインタなど二つ以上のポインタを非同期で動作させる機構に起きるようなオーバーフローやアンダーフローのエラーが発生しないことは言うまでもない。
【００１９】
センサ子局のプログラムフローを図７に示す。
先ずＳｔａｒｔ４０から始まり、ハードウエア及びポインタその他ソフトウエア処理の初期化を行う（４１）。
ループ実行に入り、そこでは自己の送信スロット到着（４２）および定時刻（分）の監視（４３）を行う。
送信スロット処理では、記憶部からＩｎポインタ-１から所定数分のデータセットを取出し（４６）、その計測データのセットを送信する（４７）。
【００２０】
さて次に、定時刻（本例では正時分（００秒））が経過した場合（４３）速やかに、計測データを入力し（４４）、そのデータをタイムスタンプ付きでＩｎポインタが示す記憶部へストアする（４５）。その後Ｉｎポインタを更新（単純には+１、但しスクロール機能付きで）を行う（４８）。
【００２１】
ただしここで注意すべきことは、当該時刻データまでを親局へ送信することは必要ないことである。
親局自体が電波時計機能を有しているため、システムの時刻は共通であり、子局は計測データのみを送信することで十分であるからである。すなわち、子局は局識別のためのアドレスおよび時刻データをも送信する必要はない。このように、計測データのみに送信データ量は限定されるため、通信時間が短縮されるのである。
以上これらを繰り返すのが、本発明のセンサ子局の基本的な動きである。
【００２２】
［実施例］
（１）ある空間の温度、湿度、圧力、風速等各種の計測データをリアルタイムで収集し、異常の場合に警報を発するモニタリングシステムが挙げられる。例えば一定環境を保つ必要のあるクリーンルーム内で、部屋の各所にセンサを分散配置することにより、局部的な異常を検知する。この場合、各センサは計測したデータを親局（サーバ）に対して送信する。
【００２３】
（２）家の各ドア・窓などに開閉センサを取り付け、家中の戸締りを集中的に管理するホームセキュリティシステムも考えられる。図８でS1、S2・・・は開閉センサ、Cは親局（サーバ）である。この場合送信情報は開閉状態がわかればよいのでデータ長は1bitで済む。各センサはアドレス情報を送らなくても、タイムスロットが割り当てられているので、どのドア・窓が開いているかを親局は識別できる。
【００２４】
（３）資産管理システムで、資産が持ち去られていないことを確認するシステムにも応用できる。例えば、新車、中古車、重機などを保管するモータープール、牛や羊など多くの家畜を飼育する牧場における応用が想定される。車や家畜などの資産が電波の到達する範囲に存在するかどうかを確認する。この場合、存在の有無は受信電波強度によって判別されるので、送信するデータはなくてもよい。すなわち所定のタイムスロットに無変調キャリアを発射するだけでよい。IDタグのように、対象物に読取器を近づけたり、読取ゲートを通す必要はなく、小電力無線でも数百ｍの広い範囲での存在を確認できる利点がある。
【００２５】
いずれの例でも従来方式に比べて子局の消費電力を格段に抑えることが可能で、電池寿命を延ばすことができる。また、太陽電池と大容量コンデンサを組合せて固定電源等を使わない構成にすることもできる。
その他、多くの応用は可能であり、本発明の本質は上記の実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来例の各送信ノードの同期がとられていない場合のタイムチャートを示す。
【図２】本発明の各送信ノードの同期がとられている場合のタイムチャートを示す。
【図３】本発明による時刻同期のデータ収集結果を示す
【図４】本発明のセンサ子局の機能ブロック図である。
【図５】本発明システムでのデータ計測と送信スロット処理の総合タイムチャートを示す。
【図６】本発明での記憶部レコード概況、ポインタの配置および送信データ行列を示す。
【図７】本発明のセンサ子局のプログラムフローを示す。
【図８】セキュリティセンサシステムの応用例を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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