(57)【要約】【課題】安定してセンサネットワークを動作させることを課題とする。【解決手段】制御装置は、無線通信機能を有するセンサ端末を含むネットワークに接続され、収集部と、算出部と、決定部と、通知制御部とを有する。収集部は、センサ端末から、該センサ端末の蓄電量及び発電量のうち、少なくとも蓄電量を含む電力データと、通信可能なセンサ端末の関係情報とを収集する。算出部は、関係情報に基づいて、通信データについての中継経路の候補を複数生成し、中継経路の候補毎に、センサ端末の消費電力を算出する。決定部は、算出された消費電力と、収集された電力データとから、ネットワークに含まれるセンサ端末間の通信のための中継経路を決定する。通知制御部は、決定された中継経路の情報をセンサ端末に対して通知するための制御を行なう。【選択図】図１
2017028653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信機能を有するセンサ端末を含むネットワークに接続された制御装置であって、
前記センサ端末から、該センサ端末の蓄電量及び発電量のうち、少なくとも蓄電量を含む電力データと、通信可能なセンサ端末の関係情報とを収集する収集部と、
前記関係情報に基づいて、通信データについての中継経路の候補を複数生成し、前記中継経路の候補毎に、前記センサ端末の消費電力を算出する算出部と、
算出された前記消費電力と、収集された前記電力データとから、前記ネットワークに含まれる前記センサ端末間の通信のための中継経路を決定する決定部と、
決定された前記中継経路の情報を前記センサ端末に対して通知するための制御を行なう通知制御部と
を有する制御装置。
【請求項２】
前記算出部は、前記通信データを中継する他のセンサ端末の数がより多い前記センサ端末ほど、より大きい前記消費電力を算出する請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記算出部は、前記電力データから、前記センサ端末の余剰電力を算出し、
前記決定部は、前記センサ端末ごとの前記余剰電力に対する前記消費電力の比をもとに、前記中継経路の候補から前記中継経路を決定する請求項１又は２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記算出部は、過去の前記発電量又は前記蓄電量と、前記消費電力とから前記余剰電力を算出する請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】
前記収集部は、前記センサ端末間で通信するための可変の送信電力の設定情報を収集し、
前記決定部は、収集された前記送信電力の設定情報と前記電力データとから、前記中継経路及び前記センサ端末の送信電力を決定する請求項１〜４の何れか一つに記載の制御装置。
【請求項６】
無線通信機能を有するセンサ端末であって、
蓄電部の蓄電量、及び、発電部の発電量のうち、少なくとも蓄電量を検出する検出部と、
前記蓄電量及び前記発電量のうち、少なくとも蓄電量を含む電力データと、通信可能なセンサ端末の関係情報とを、前記センサ端末を含むネットワークに接続された制御装置に対して送信するための制御を行なう通信制御部と、
前記制御装置からの通知に応じて、センサ端末間の通信のための中継経路と、前記無線通信機能の送信電力との設定を変更する設定変更部と
を有するセンサ端末。
【請求項７】
前記通信制御部は、前記電力データに基づく計算値が所定閾値以上である場合に、前記電力データと、前記関係情報とを、前記制御装置に対して送信するための制御を行なう請求項６に記載のセンサ端末。
【請求項８】
無線通信機能を有する１以上のセンサ端末と、該センサ端末を含むネットワークに接続された制御装置とを有する制御システムであって、
前記制御装置は、
前記センサ端末から、該センサ端末の蓄電量及び発電量のうち、少なくとも蓄電量を含む電力データと、通信可能なセンサ端末の関係情報とを収集する収集部と、
前記関係情報に基づいて、通信データについての中継経路の候補を複数生成し、前記中継経路の候補毎に、前記センサ端末の消費電力を算出する算出部と、
算出された前記消費電力と、収集された前記電力データとから、前記ネットワークに含まれる前記センサ端末間の通信のための中継経路を決定する決定部と、
決定された前記中継経路の情報を前記センサ端末に対して通知するための制御を行なう通知制御部と、を有し、
前記センサ端末は、
蓄電部の蓄電量、及び、発電部の発電量のうち、少なくとも蓄電量を検出する検出部と、
前記蓄電量及び前記発電量のうち、少なくとも蓄電量を含む電力データと、前記関係情報とを、前記制御装置に対して送信するための制御を行なう通信制御部と、
前記制御装置からの通知に応じて、前記中継経路の設定を変更する設定変更部と
を有する制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、制御装置、センサ端末及び制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、無線通信可能な各種のセンサを配置し、センサによって計測された各種のデータを収集するセンサネットワークが知られている。センサネットワークでは、各センサが互いにデータを中継することで、データを収集するシンクノードに、計測された各種のデータが渡される。また、各センサは、バッテリを有し、バッテリに蓄電された電気により動作する。バッテリには、環境エネルギー（例えば、太陽光や振動等）を電気エネルギーに変換し、発電した電気を蓄電する環境発電デバイスが搭載されたものも存在する。
【０００３】
このようなセンサネットワークでは、データの中継処理の際に送信電力が必要となるため、バッテリに蓄電された電気の消費を抑制することが重要である。そこで、センサネットワークにおいて、環境発電デバイスを搭載していないバッテリを使用する場合には、接続数に上限を設けて中継経路を決定する技術や、バッテリの余剰電力に基づいて中継経路を決定する技術が存在する。また、環境発電デバイスを搭載したバッテリを使用する場合には、各センサの電力収支等の環境発電デバイスの状態をもとに計測周期を適正化し、計測周期を適正化できなければ中継経路を変更する技術が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５４８１５２号公報
【特許文献２】特開２００５−２４４３８１号公報
【特許文献３】特許第５２６７３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来技術は、センサネットワークの動作が安定しない可能性がある。具体的には、従来技術は、シンクノードに位置が近いセンサに中継処理が集中し、一部のセンサに通信負荷が偏るため、一部のセンサのバッテリに蓄電された電気の消費が増大し、通信やアプリケーションの動作が困難になることで、全体としてセンサネットワークの動作が安定しない可能性がある。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、安定してセンサネットワークを動作させることができる制御装置、センサ端末及び制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の制御装置は、無線通信機能を有するセンサ端末を含むネットワークに接続された制御装置であって、収集部と、算出部と、決定部と、通知制御部とを有する。収集部は、センサ端末から、該センサ端末の蓄電量及び発電量のうち、少なくとも蓄電量を含む電力データと、通信可能なセンサ端末の関係情報とを収集する。算出部は、関係情報に基づいて、通信データについての中継経路の候補を複数生成し、中継経路の候補毎に、センサ端末の消費電力を算出する。決定部は、算出された消費電力と、収集された電力データとから、ネットワークに含まれるセンサ端末間の通信のための中継経路を決定する。通知制御部は、決定された中継経路の情報をセンサ端末に対して通知するための制御を行なう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】制御システムのシステム構成を示す図。
【図２】制御装置のハードウェア構成を示す図。
【図３】センサ端末のハードウェア構成を示す図。
【図４】制御装置の機能構成を示すブロック図。
【図５】センサ端末の機能構成を示すブロック図。
【図６】制御処理の流れを示すフローチャート。
【図７】センサ端末の送信電力設定ごとの通信範囲を示す図。
【図８】センサ端末間の送信電力設定と接続関係との調査を説明する図。
【図９】制御装置によって管理される送信電力設定と接続関係との情報を示す図。
【図１０】中継経路を想定した通信を示す図。
【図１１】フレームフォーマットを示す図。
【図１２】スーパーフレームの中継経路と時間スロットの割り当てを示す図。
【図１３】あるセンサ端末の送信時の消費電流を示す図。
【図１４Ａ】従来技術に係るセンサ端末の電池残量の時間推移を示す図。
【図１４Ｂ】本実施形態に係るセンサ端末の電池残量の時間推移を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施形態）
図１は、実施形態に係る制御システム１０のシステム構成例を示す図である。図１に示すように、制御システム１０には、制御装置１００と、複数のセンサ端末２００とが含まれる。図１において、制御装置１００は、センサ端末２００の一つと有線により接続されているが、該センサ端末２００に組み込まれていても良い。なお、本実施形態では、説明の便宜上、例えば電波伝搬や電力消費の特性等について、一般性を損なわない範囲で想定を簡略化する。
【００１０】
制御装置１００は、センサ端末２００から各種のデータを収集する。また、制御装置１００は、センサ端末２００を制御するための指示を行なう。センサ端末２００は、無線通信可能なセンサネットワーク端末であり、バッテリにより駆動する。本実施形態に係るセンサ端末２００は、電源からの供給によりバッテリに蓄電するようにしても良いし、環境発電デバイスの発電によりバッテリに蓄電するようにしても良い。
【００１１】
センサ端末２００は、自装置のセンサによって計測された計測データや、自装置のバッテリの電力データを、制御装置１００によって指示された中継経路に従って、他のセンサ端末２００に対して送信する。また、センサ端末２００は、他のセンサ端末２００から受信した計測データや電力データを、制御装置１００によって指示された中継経路に従って、他のセンサ端末２００に対して送信する。これらにより、センサ端末２００によって送受信される計測データや電力データ等の各種のデータは、制御装置１００によって収集される。
【００１２】
図２は、実施形態に係る制御装置１００のハードウェア構成例を示す図である。図２に示すように、制御装置１００は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）１２と、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）１３と、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）１４と、通信Ｉ／Ｆ１５とを有する。各ハードウェアは、システムバス１１により互いに接続される。
【００１３】
ＣＰＵ１２は、制御装置１００全体の動作を制御する。ＣＰＵ１２は、ＲＡＭ１３等を作業領域として、ＲＯＭ１４等に記憶されたプログラムを実行することで、制御装置１００全体の動作を制御する。ＲＡＭ１３は、ＲＯＭ１４等に格納されたプログラムの実行時の作業領域である。ＲＯＭ１４は、制御装置１００による処理を実現するためのプログラムを記憶する。通信Ｉ／Ｆ１５は、有線及び無線による通信を制御するインタフェースである。
【００１４】
図３は、実施形態に係るセンサ端末２００のハードウェア構成例を示す図である。図３に示すように、センサ端末２００は、ＣＰＵ２２と、ＲＡＭ２３と、ＲＯＭ２４と、通信Ｉ／Ｆ２５と、Ｉ／Ｏ２６と、環境発電デバイス２７と、センサデバイス２８とを有する。各ハードウェアは、システムバス２１により互いに接続される。
【００１５】
ＣＰＵ２２は、センサ端末２００全体の動作を制御する。ＣＰＵ２２は、ＲＡＭ２３等を作業領域として、ＲＯＭ２４等に記憶されたプログラムを実行することで、センサによる計測、バッテリに対する発電や蓄電、計測データや電力データの送受信等、センサ端末２００全体の動作を制御する。ＲＡＭ２３は、計測データや電力データ等を一時的に記憶するとともに、ＲＯＭ２４等に格納されたプログラムの実行時の作業領域である。ＲＯＭ２４は、センサ端末２００による処理を実現するためのプログラムを記憶する。通信Ｉ／Ｆ２５は、有線及び無線による通信を制御するインタフェースである。Ｉ／Ｏ２６は、計測データや電力データ、環境発電デバイス２７やセンサデバイス２８に対する制御信号等の各種情報の入出力を制御する。環境発電デバイス２７は、ＣＰＵ２２による制御に従い、バッテリに対する発電や蓄電、センサ端末２００で使用される電力の調整等を実行し、電力データを入力する。センサデバイス２８は、光や熱、音等をセンシングする各種センサであり、計測データを入力する。
【００１６】
図４は、実施形態に係る制御装置１００の機能構成例を示すブロック図である。図４に示すように、制御装置１００は、データベース１１０として、計測データ１１１と、電力データ１１２と、経路データ１１３と、送信電力データ１１４とを有する。また、制御装置１００は、制御管理部１２１と、電力管理部１２２と、経路決定部１２３と、送信電力決定部１２４とを有する。制御管理部１２１と、電力管理部１２２と、経路決定部１２３と、送信電力決定部１２４とは、これらの一部又は全てがソフトウェア（プログラム）で実現されても良いし、ハードウェアで実現されても良い。
【００１７】
制御管理部１２１は、センサ端末２００に対する制御を行なうとともに、センサ端末２００から収集した計測データを管理する。例えば、制御管理部１２１は、制御システム１０に含まれるセンサ端末２００から計測データを収集し、計測データをデータベース（計測データ１１１）に格納する。また、制御管理部１２１は、制御システム１０に含まれるセンサ端末２００に対する制御を指示する。制御管理部１２１は、決定された中継経路の情報をセンサ端末２００に対して通知するための制御を行なう「通知制御部」に対応する。
【００１８】
電力管理部１２２は、センサ端末２００から収集した電力データを管理する。例えば、電力管理部１２２は、制御システム１０に含まれるセンサ端末２００から電力データを収集し、電力データをデータベース（電力データ１１２）に格納する。電力データ１１２に格納される電力データは、センサ端末２００ごとに、過去の所定期間分にわたり、取得日時データ等に対応付けて管理される。また、電力管理部１２２は、通信可能なセンサ端末２００の関係情報をさらに収集する。例えば、電力管理部１２２は、制御システム１０に含まれるセンサ端末２００から、該センサ端末２００において、通信可能な他のセンサ端末２００との接続関係等を収集し、経路データとして経路データ１１３に格納する。電力管理部１２２は、センサ端末２００から、該センサ端末２００の蓄電量及び発電量のうち、少なくとも蓄電量を含む電力データと、通信可能なセンサ端末２００の関係情報とを収集する「収集部」に対応する。すなわち、電力管理部１２２は、センサ端末２００が環境発電デバイスによる発電を行なわない場合には蓄電量を電力データとして収集し、センサ端末２００が環境発電デバイスによる発電を行なう場合には蓄電力と発電量とを電力データとして収集する。
【００１９】
経路決定部１２３は、経路データと電力データとに基づいて、中継経路を決定する。例えば、経路決定部１２３は、データベース（経路データ１１３）に格納された経路データと、経路に含まれるセンサ端末２００の電力データ（電力データ１１２から取得される電力データ）とから、中継経路の変更が必要であるか否かを判定し、変更が必要であれば中継経路を選択・決定する。経路決定部１２３は、関係情報に基づいて、通信データについての中継経路の候補を複数生成し、中継経路の候補毎に、センサ端末２００の消費電力を算出する「算出部」や、算出された消費電力と、収集された電力データとから、制御システム１０に含まれるセンサ端末間の通信のための中継経路を決定する「決定部」に対応する。算出される消費電力は、通信データを中継する他のセンサ端末２００の数がより多いセンサ端末２００ほど、より大きな値となる。通信データは、センサ端末２００間の通信によって送受信されるあらゆるデータを指す。
【００２０】
送信電力決定部１２４は、センサ端末２００の電力データに基づいて、送信電力を決定する。例えば、送信電力決定部１２４は、データベース（電力データ１１２）に格納された各センサ端末２００の電力データに基づいて、送信電力の変更が必要であるか否かを判定し、変更が必要であれば送信電力を決定する。送信電力決定部１２４は、送信電力の設定情報と電力データとから、センサ端末２００の送信電力を決定する「決定部」に対応する。
【００２１】
図５は、実施形態に係るセンサ端末２００の機能構成例を示すブロック図である。図５に示すように、センサ端末２００は、発電・蓄電部２１０と、計測部２２０と、通信制御部２３０とを有する。
【００２２】
発電・蓄電部２１０は、ハーベスタで発電した電力を、負荷へ供給したり、バッテリへ蓄電したりするための制御を行なう。また、発電・蓄電部２１０は、バッテリの蓄電量や発電量を検出する「検出部」に対応する。なお、発電・蓄電部２１０は、蓄電するバッテリ等の「蓄電部」と、発電する「発電部」とに分けた構成としても良い。計測部２２０は、センサに対して計測に必要な電力を供給し、センサから計測値を取得して、デジタル値で記憶する。
【００２３】
通信制御部２３０は、直接、又は、他のセンサ端末２００による中継を介して、制御装置１００と各種のデータを送受信するための制御を行なう。送受信されるデータは、各種センサによる計測値や、発電・蓄電部２１０によって検出された蓄電量や発電量等の電力情報、送信電力の設定情報、後述する接続関係等である。そのため、センサ端末２００は、通信制御部２３０による制御に従って無線通信を行なうための機能を備えている。また、センサ端末２００は、各種のデータを中継する機能や、電力増幅器等により送信電力を複数段階に設定する機能を備えている。すなわち、送信電力は、可変であっても良い。なお、制御装置１００との有線通信では、無線通信で伝送可能な最大伝送速度以上の伝送速度を満たすことが好ましい。通信制御部２３０は、電力データや送信電力の設定情報等を、制御装置１００に中継する「中継部」に対応する。また、通信制御部２３０は、制御装置１００からの通知に応じて、中継経路や送信電力との設定を変更する「設定変更部」に対応する。
【００２４】
図６は、実施形態に係る制御処理の流れの例を示すフローチャートである。制御システム１０の運用開始後、制御装置１００が中継経路を決定するまで、公知の手法による中継経路が使用される。例えば、センサ端末２００から開始されるフラッディングによる最小ホップ数の中継経路を、制御装置１００が中継経路を決定するまでの一時的な中継経路として使用する。
【００２５】
図６に示すように、制御装置１００は、センサ端末２００間での送信電力設定に対する接続関係を更新する（ステップＳ１０１）。この動作について、図７及び図８を用いて説明する。図７は、実施形態に係るセンサ端末２００の送信電力設定ごとの通信範囲の例を示す図である。図７では、各センサ端末２００を、センサ端末＃１〜センサ端末＃９とし、センサ端末２００の一つであるセンサ端末＃７の送信電力設定ごとの通信範囲を例に挙げる。すなわち、送信中のセンサ端末２００をセンサ端末＃７とする。
【００２６】
図７に示すように、送信電力設定１の通信範囲には、アンテナ位置を基準にすると、センサ端末＃４とセンサ端末＃８とが含まれる。また、送信電力設定２の通信範囲には、センサ端末＃５が含まれる。また、送信電力設定３の通信範囲には、センサ端末＃１と、センサ端末＃２と、センサ端末＃６と、センサ端末＃９とが含まれる。図７に示した例において、センサ端末＃７は、何れの送信電力設定（送信電力設定１、２及び３）であっても、センサ端末＃３とは直接通信することができない。すなわち、センサ端末２００は、送信電力設定の通信範囲に存在する他のセンサ端末２００とは無線通信のための接続が可能である。
【００２７】
図８は、実施形態に係るセンサ端末２００間の送信電力設定と接続関係との調査例を説明する図である。図８では、図７に示した中継経路が構成されているものとし、説明の便宜上、一部のセンサ端末２００（センサ端末＃１、センサ端末＃４、センサ端末＃５及びセンサ端末＃７）を例に挙げて説明するが、実際には全てのセンサ端末２００が同様に動作する。
【００２８】
図８に示すように、制御装置１００に接続されたセンサ端末＃１は、調査要求指示のためのメッセージを送信する。これにより、センサ端末＃１によって送信されたメッセージは、中継経路を介して、全てのセンサ端末２００で受信される。図８に示す例では、センサ端末＃１によって送信された調査要求指示のためのメッセージが、センサ端末＃４、センサ端末＃５及びセンサ端末＃７によって受信される。
【００２９】
そして、各センサ端末２００は、予め割り当てられた時間スロットで、調査メッセージの送信を行なう。例を挙げると、センサ端末＃１は、送信電力設定１でセンサ端末＃４に対して調査メッセージを送信し、送信電力設定２でセンサ端末＃５に対して調査メッセージを送信し、送信電力設定３でセンサ端末＃７に対して調査メッセージを送信する。調査メッセージには、少なくとも、送信元のセンサ端末２００の識別子を表す「送信端末識別子」と、送信元のセンサ端末２００の送信電力設定を表す「送信電力設定」とが含まれる。例を挙げると、センサ端末＃１は、センサ端末＃７に対して、送信端末識別子「＃１（センサ端末＃１の識別子）」と、送信電力設定「３（送信電力設定３）」とを含む調査メッセージを送信する。なお、調査メッセージには、これらの他に、一般的に通信に利用されるヘッダ情報等を含んでいても良い。
【００３０】
時間スロットの割り当てに関しては、後述する例のようにデータ通信のための割り当てをそのまま利用しても良く、この他にも、調査メッセージのために別途割り当てられても良い。また、時間スロットの割り当てに関しては、割り当てられる時間スロットがセンサ端末２００間で重複しなければ、任意の手法で割り当てられれば良い。このように、センサ端末２００は、割り当てられた時間スロット内で送信電力設定を変えて、調査メッセージを送信する。図８に示した例では、送信電力設定がより小さい設定からより大きい設定の順番に、調査メッセージを送信することとしているが、調査メッセージの送信は任意の順番で行われても良い。
【００３１】
そして、センサ端末２００は、調査メッセージを受信すると、受信に成功した調査メッセージのうち、送信電力がより小さい送信電力設定の情報を、送信端末識別子とともに記憶する。すわなち、センサ端末２００は、送信電力設定１、送信電力設定２及び送信電力設定３の設定で送信された調査メッセージを受信した場合、送信電力がより小さい送信電力設定である送信電力設定１のときに受信した送信電力設定と送信端末識別子とを対応付けて記憶する。なお、調査メッセージの受信成功の判断については、復調結果に基づいて行われても良いし、さらに、受信電力やＳＩＮＲ（Signal  to  Noise  Ratio）等の通信品質に基づいて行われても良い。
【００３２】
その後、計画された調査メッセージの送信が完了すると、センサ端末２００は、調査結果を調査結果レポートとして制御装置１００に対して送信する。調査結果レポートには、調査メッセージを受信したセンサ端末２００（調査結果レポートの送信元となるセンサ端末２００）の識別子を表す「受信端末識別子」と、他のセンサ端末２００それぞれの識別子を表す「識別子」と、他のセンサ端末２００それぞれにおける送信電力設定を表す「送信電力設定」とが含まれる。例を挙げると、センサ端末＃７から制御装置１００に対して送信される調査結果レポートには、受信端末識別子「＃７」と、他のセンサ端末２００の一つである送信端末Ａに関する識別子「＃１」、送信電力設定「３」と、他のセンサ端末２００の一つである送信端末Ｂに関する識別子「＃４」、送信電力設定「１」と、他のセンサ端末２００の一つである送信端末Ｃに関する識別子「＃５」、送信電力設定「２」とが含まれる。なお、図８に示した中継伝送は、図７に示した中継経路のうち、ホップ数がより多い順に時間スロットが割り当てられた例を示している。
【００３３】
これらにより、制御装置１００は、制御システム１０に含まれるセンサ端末２００間の送信電力設定と接続関係との情報を収集することができる。図９は、制御装置１００によって管理される送信電力設定と接続関係との情報例を示す図である。図９に示すように、制御装置１００は、調査結果レポートの収集により、送信端末識別子を縦軸とし、受信端末識別子を横軸として、送信電力設定をこれらの要素とする表として管理する。
【００３４】
センサ端末２００は、制御装置１００からの調査要求に対して、既定の条件を満たす場合にのみ対応し、調査メッセージの送信や調査結果レポートの送信を行なうようにしても良い。ここで、既定の条件を満たすか否かについては、例えば、バッテリの蓄電量や、該蓄電量に加えて、発電量から算出されるメトリックと、既定の閾値との比較結果に基づいて判断されれば良い。既定の条件を満たさない場合には、調査メッセージの送信や調査結果レポートの送信を行なわない。これにより、制御システム１０では、省電力化を図ることができる。かかる場合には、制御装置１００によって該当するセンサ端末２００から新規の調査結果レポート等を収集することができないが、後述する中継経路の決定処理は過去の情報に基づいて行われるため問題にはならない。但し、センサ端末２００が既定の条件を満たさない場合であっても、必要に応じて中継伝送は行なわせる。
【００３５】
図６に戻り、制御装置１００は、センサ端末２００の電力情報を収集する（ステップＳ１０２）。具体的には、制御装置１００は、センサ端末２００の電力データ（蓄電量、又は、蓄電量及び発電量）を収集する。このとき、センサ端末２００は、センサで計測した計測データとともに、電力データを制御装置１００に対して送信する。計測データや電力データは、直接又はセンサ端末２００を中継して、制御装置１００によって受信される。そして、制御装置１００は、中継経路を決定し、センサ端末２００に対し、通信のための時間スロットの割り当てを行なう。
【００３６】
図１０は、実施形態に係る中継経路を想定した通信の例を示す図である。中継経路の通信では、スーパーフレームと呼ばれる期間が繰り返され、スーパーフレームは計測周期の倍数となるように設定されることが好ましい。スーパーフレームは、上り期間（センサ端末２００から制御装置１００への通信）と、下り期間（制御装置１００からセンサ端末２００への通信）とに分けられる。これらのうち、上り期間では、制御装置１００までのホップ数が大きいセンサ端末２００ほど、早い時間のスロットが割り当てられる。一方、その後の下り期間では、制御装置１００までのホップ数が小さいセンサ端末２００ほど、早い時間のスロットが割り当てられる。これらのように時間スロットを割り当てることで、制御装置１００と各センサ端末２００との間で、スーパーフレームレベルでの時間の整合がとれ、スーパーフレームの期間内に伝送遅延が収まる通信が可能となる。
【００３７】
センサ端末２００の通信方法や時間スロットの割り当て方法については、上述した方法に限られるものではなく、いかなる方法を適用しても良い。また、時間スロットごとに周波数チャネルを切り替える周波数ホッピングにより通信しても良い。これは、ＴＳＭＰ（Time  Synchronized  Mesh  Protocol）又はＴＳＣＨ（Time  Slotted  Channel  Hopping）と呼ばれ、時間スロットに加えて周波数チャネルを割り当て、センサ端末２００に通知する必要がある。また、上りと下りの双方のリンクは、同一でなくても良い。以下では、説明の便宜上、上下リンクの中継経路が同一であることを想定する。図１０に示した例では、ｋ−２のスーパーフレームでの発電量と、ｋ−１のスーパーフレームでの開始時の蓄電量との情報により、ｋのスーパーフレームの中継経路が決定される。
【００３８】
図１１は、実施形態に係るフレームフォーマットの例を示す図である。図１１に示すように、上りの通信おいて、計測情報と電力情報とは、８バイトのメッセージユニット（MU：Message  Unit）で伝送される。中継伝送では、自身のＭＵに加えて、子孫ノードのＭＵを同一フレーム内にアグリゲーションする形で、１つのフレームとして伝送する。一方、下りの通信において、中継経路の情報が、８バイトのＭＵで伝送され、自身宛てのＭＵを間引きながら中継伝送される。このため、時間スロットの割り当て情報のうち、上りの受信スロットや下りの送信スロットについては、子ノード宛てのＭＵ内の情報を参照することにより知ることができる。なお、フレームフォーマットは、図１１に示したものに限られるものではなく、任意のフォーマットであっても良い。
【００３９】
図６に戻り、制御装置１００は、センサ端末２００の送信電力と中継経路とを決定する（ステップＳ１０３）。中継経路が決まれば、通信プロトコルにより、各センサ端末２００のフレーム送信回数と受信回数とが分かる。このため、制御装置１００は、ステップＳ１０１において収集したセンサ端末２００間の送信電力設定及び接続関係と、ステップＳ１０２で収集したセンサ端末２００の電力データとに基づいて、中継経路及び送信電力を決定する。図１２は、実施形態に係るスーパーフレームの中継経路と時間スロットの割り当ての例を示す図である。
【００４０】
送信における消費電力は、接続先のセンサ端末２００と通信可能な送信電力設定での送信電力とする。このとき、センサ端末ｉの通信に必要な消費電力Ｃｉ［Ｊ］は、（数１）により表すことができる。なお、センサ端末ｉは、あるセンサ端末２００のことであり、センサ端末＃ｉの意味である。
【００４１】
【数１】
2017028653.tif 000003
【００４２】
（数１）において、ＣｉＵＬ［Ｊ］は、上り期間の通信における消費電力を表し、ＣｉＤＬ［Ｊ］は、下り期間の通信における消費電力を表す。また、Ｃｉｏｔｈｅｒ［Ｊ］は、待機中の消費電力や発電・蓄電部２１０の自己放電等であり、その他の消費電力を表す。これらのうち、ＣｉＵＬは、（数２）で表すことができる。また、ＣｉＤＬは、（数３）で表すことができる。
【００４３】
【数２】
2017028653.tif 000004
【数３】
2017028653.tif 000005
【００４４】
ｖｔｘ（ｌｔｘ，ｍ）［Ｊ］は、送信電力設定ｌｔｘ（ｌｉ，ｊｔｘでセンサ端末ｉからセンサ端末ｊへの送信電力設定の意味）と、メッセージユニット数ｍでの１フレームの送信における消費電力を表す。ｖｒｘ（ｍ）［Ｊ］は、メッセージユニット数ｍの１フレームの受信に必要な電力を表す。また、ｕｉは、センサ端末ｉの親ノードを表し、ｄｉは、センサ端末ｉの子ノードの集合を表す。ｎｉｄｅｓｃは、センサ端末ｉの子孫ノード数を表す。
【００４５】
（数２）と（数３）とはそれぞれ、上り通信では子ノードの回数だけフレームを受信し、親ノードに向けて１度フレームを送信し、下り通信では１度フレームを受信し、子ノードのうち最大送信電力設定に合わせて１度送信することを意味する。これらは、通信プロトコルに依存し、本実施形態では上記の通りである。
【００４６】
ここで、消費電力ｖｔｘ（ｌｔｘ，ｍ）とｖｒｘ（ｍ）とについては、無線機であるセンサ端末２００の消費電力を事前に測定しておくことで算出することができる。図１３は、実施形態に係るあるセンサ端末２００の送信時の消費電流の例を示す図である。図１３に示すように、消費電流は、通信前処理（例えば、クロック安定化、マイコン処理、無線初期化等）と、ＣＣＡ（Channel  Clear  Assessment）と、通信後処理とで構成される。送信時には、通信前処理とＣＣＡと通信後処理とを近似したＱｔｘと、フレーム時間長ｔｆｒａｍｅ（ｍ）と、送信消費電流Ｉｔｘ（ｌｔｘ）とから、（数４）により表すことができる。
【００４７】
【数４】
2017028653.tif 000006
【００４８】
また、受信時には、通信前処理と通信後処理とを近似した固定値Ｑｒｘと、フレーム時間長ｔｆｒａｍｅ（ｍ）と、送信消費電流Ｉｔｘ（ｌｔｘ）とから、（数５）により表すことができる。
【００４９】
【数５】
2017028653.tif 000007
【００５０】
また、制御装置１００では、センサ端末２００から通知される電力情報と事前の測定とにより、センサ端末ｉのスーパーフレームｋ開始時点における予測余剰電力を、（数６）により算出することができる。
【００５１】
【数６】
2017028653.tif 000008
【００５２】
（数６）において、Ｅｉ［ｋ−１］は、センサ端末２００から最後に通知されたスーパーフレームｋ−１での蓄電量を表し、Ｈｉ［ｋ−２］は、スーパーフレームｋ−２での発電量を表す。すなわち、予測余剰電力は、過去の発電量又は蓄電量と、消費電力とから算出することができる。これらは、センサ端末２００から制御装置１００に通知されても良いし、（数７）により算出することもできる。
【００５３】
【数７】
2017028653.tif 000009
【００５４】
本実施形態における中継経路の候補Ｒｊ∈Ｒの中継経路メトリックＭ（Ｒｊ）は、（数８）により表すことができる。
【００５５】
【数８】
2017028653.tif 000010
【００５６】
（数８）は、中継経路の候補において、電力的により余裕のないセンサ端末２００の余剰電力に対する消費電力の比を示している。なお、メトリックは、電力的により余裕のないセンサ端末２００で算出しているが、センサ端末２００の平均で算出しても良く、センサ端末２００の消費電力の見積り値を用いたその他の計算方法を適用しても良い。本実施形態での中継経路は、（数９）により選択・決定することができる。
【００５７】
【数９】
2017028653.tif 000011
【００５８】
このようにして決定された中継経路とともに、各センサ端末２００の送信電力設定についても、図９に示した情報により決定される。なお、中継経路の候補の集合は、図９に示したセンサ端末２００間の送信電力設定と接続関係とから探索することができる。
【００５９】
図６に戻り、制御装置１００は、決定した送信電力及び中継経路をセンサ端末２００に対して送信し、各センサ端末２００において送信電力及び中継経路が更新される（ステップＳ１０４）。図１１に示したフレームフォーマットには送信電力設定の情報が含まれていないが、別のフレームフォーマットにより送信電力設定の情報を通知しても良い。また、送信電力設定の情報を通知しない場合であっても、センサ端末２００が、ステップＳ１０１で調査した結果を記憶していれば、親ノードと子ノードとの情報から、送信電力設定を認識することは可能である。また、上下リンクの中継経路が異なる場合には、全てのセンサ端末２００の中継経路の情報と送信電力の情報とを、ブロードキャストで中継を繰り返すフラッディングにより通知しても良い。
【００６０】
そして、制御装置１００は、電波環境が変化したか否か、又は、所定期間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。このとき、制御装置１００は、電波環境が変化した場合、又は、所定期間が経過した場合に（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０１の処理を実行する。一方、制御装置１００は、電波環境が変化していない場合、及び、所定期間が経過していない場合に（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、ステップＳ１０２の処理を実行する。
【００６１】
例えば、センサ端末２００において、通信の失敗確率が既定の閾値を超えた場合に、これを電波環境の変化として、親ノード又は周囲のセンサ端末２００に対して通知させる。制御装置１００は、電波環境の変化を認識すると、調査要求のメッセージを送信する。これにより、ステップＳ１０１の処理が開始される。電波環境の変化の検出方法は、上記の方法に限られるものではなく、センサ端末２００において通信品質の劣化が一定以上の場合に、電波環境の変化として通知するようにすれば、いかなる方法であっても良い。
【００６２】
また、中継経路は、計画的に変更されても良い。例えば、ハーベスタをソーラーパネルとして、太陽光発電により駆動するセンサ端末２００を考えた場合に、屋外での一日の発電量は、気候が同様であれば、同様の発電量であると予測することができる。そこで、センサ端末２００は、時間ごとの中継経路を記憶し、前日の中継経路の履歴と同様にして、そのときの中継経路を変更しても良い。このような計画的な中継経路の変更は、制御装置１００の指示により行われるようにしても良い。
【００６３】
図１４Ａ及び図１４Ｂを用いて、従来技術により決定された中継経路と、本実施形態により決定された中継経路とを適用した場合のセンサ端末２００の電池残量の時間推移を説明する。図１４Ａは、従来技術に係るセンサ端末２００の電池残量の時間推移の例を示す図である。図１４Ｂは、本実施形態に係るセンサ端末２００の電池残量の時間推移の例を示す図である。
【００６４】
図１４Ａ及び図１４Ｂでは、図７に示したノード数・配置で、最大ホップ数を３、最大接続数を３とする制約のもとで、現実的な想定として最小ホップ数を規範に加えた従来技術と本実施形態とを比較する。なお、送受信以外の待機時間の消費電力と、計測に必要な消費電力とは一定とし、電池残量の初期値と発電量の初期値とに乱数を与え、発電量はスーパーフレームごとに一定の範囲でランダムに変動するモデルとした。毎時間単位に中継経路の選択を実施するものとし、その結果決定される中継経路での接続関係をもとに消費電力を算出し、発電量とあわせて電池残量を更新することを繰り返すシミュレーションを実施するものとする。
【００６５】
図１４Ａに示す例では、ｎｏｄｅ５（図７の中央に位置するセンサ端末２００）の消費電力が大きく、あるタイミングで電池残量が「０」になっている。これは、従来技術では、他のセンサ端末２００との調停が行われないこと、また、送信電力を上げて消費電力を犠牲にしながらも遠方のセンサ端末２００を中継する選択肢がないため、一部のセンサ端末２００に通信の負荷が集中する事態を回避できないためである。一方、図１４Ｂに示す例では、序盤に、ｎｏｄｅ５の消費電力が大きくなっているが、あるタイミングからｎｏｄｅ２に通信の負荷が移行しており、この結果、ｎｏｄｅ５の電池残量も回復していることが確認できる。
【００６６】
上述したように、制御システム１０は、送信電力を上げた場合に接続可能なセンサ端末２００との接続も含めた中継経路を候補とし、中継経路全体を考慮したセンサ端末２００個別の消費電力、電池残量及び発電量に基づいて、中継経路を選択・決定する。この結果、制御システム１０は、一部のセンサ端末２００に通信負荷がかからないため、安定してセンサネットワークを動作させることができる。
【００６７】
また、発電量の予測をもとに計画的に中継経路を変更する場合には、センサ端末２００間の送信電力設定に対する接続関係の調査や調査結果のレポートを割愛することができるので、制御システム１０内のセンサ端末２００の消費電力を抑制することができる。制御システム１０は、センサ端末２００の消費電力を抑制することができるので、より安定してセンサネットワークを動作させることができる。
【００６８】
上記文書中や図面中等で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種のデータやパラメータ等を含む情報は、特記する場合を除いて任意に変更することができる。また、図示した装置の各構成要素は、機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、装置の分散又は統合の具体的形態は、図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の負担や使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に、分散又は統合することができる。
【００６９】
また、上記実施形態に係る制御装置１００やセンサ端末２００は、例えば、汎用のコンピュータ装置を基本ハードウェアとして用いることで実現することが可能である。実行されるプログラムは、上述してきた各機能を含むモジュール構成となっている。また、実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供しても、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供しても良い。
【００７０】
また、上述した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。また、各実施形態は、内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。また、各実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１０  制御システム
１００  制御装置
１１０  データベース
１１１  計測データ
１１２  電力データ
１１３  経路データ
１１４  送信電力データ
１２１  制御管理部
１２２  電力管理部
１２３  経路決定部
１２４  送信電力決定部
２００  センサ端末
２１０  発電・蓄電部
２２０  計測部
２３０  通信制御部
【図１】
2017028653.tif 000012
【図２】
2017028653.tif 000013
【図３】
2017028653.tif 000014
【図４】
2017028653.tif 000015
【図５】
2017028653.tif 000016
【図６】
2017028653.tif 000017
【図７】
2017028653.tif 000018
【図８】
2017028653.tif 000019
【図９】
2017028653.tif 000020
【図１０】
2017028653.tif 000021
【図１１】
2017028653.tif 000022
【図１２】
2017028653.tif 000023
【図１３】
2017028653.tif 000024
【図１４Ａ】
2017028653.tif 000025
【図１４Ｂ】
2017028653.tif 000026