(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御端末と２以上の端末により構成されるマルチホップ通信が可能な無線センサネットワークシステムにおいて、
前記端末が、送受信回路やメインクロックを一時的に停止することが可能なスリープモードを持ち、かつ自身が持つ内部タイマの割り込み機能によりスリープモードから、通信が可能な通常モードに復帰可能であり、前記制御端末からネットワーク内の前記端末宛に送信される命令パケットであって、スリープモード移行から通常モード復帰までのスリープモード継続時間が記載された命令パケットを各端末が受信することにより、前記端末が同期してスリープモードに移行し、前記命令パケットに記載されたスリープモード継続時間の間、スリープモードを継続した後、前記端末が同期して通常モードに復帰することによって、ネットワーク内のマルチホップ通信機能を維持し、かつ前記端末の省電力化を可能にし、
スリープモードを継続中の前記端末は、既定の間隔毎にパケット送信機能を有効にし、１ホップ内の他の前記端末にのみ到達可能な同報送信機能を使用して、前記スリープモード継続時間及び前記命令パケット受信時からの経過時間を含む救済パケットを送信することにより、通常モードで動作中の前記端末がある場合に、同期したスリープモードへ移行させることを特徴とする無線センサネットワークシステム。
【請求項２】
前記制御端末からネットワーク内の前記端末宛に送信される前記命令パケットには、スリープモード中に行うセンシング回数が記載されており、前記命令パケットを受信した前記端末はスリープモードに移行した後、前記センシング回数に従いセンシングを行い、通常モードに復帰後、前記制御端末にセンシング結果を送信することを特徴とする請求項１に記載の無線センサネットワークシステム。
【請求項３】
前記２以上の端末は、中継機能とセンサ機能とを具備する端末を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線センサネットワークシステム。
【請求項４】
前記制御端末が、既定の間隔で前記スリープモード継続時間及び前記命令パケット送信時からの経過時間を含む救済パケットを送信することを特徴とする請求項１に記載の無線センサネットワークシステム。
【請求項５】
前記端末が前記救済パケットを送信するタイミングを、各端末間で一様又は一様に近い形で分布させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無線センサネットワークシステム。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の無線センサネットワークシステムを部分ネットワークシステムとして含むことを特徴とするシステム。
【請求項７】
外部機器の制御を行う端末を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の無線センサネットワークシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチホップ無線を適用したネットワークにおける中継端末の消費電力を低減した省電力技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多地点にバッテリ駆動のセンサ端末を配置し、無線ネットワークにより端末同士を相互接続して、異常検出を行ったり、環境モニタリングを行うシステムをセンサネットワークシステムと呼んでいる。こうしたセンサネットワークシステムでは、センサ端末同士を相互接続するための無線通信規格として、ＺＩＧＢＥＥ（登録商標）規格がある。
【０００３】
このＺＩＧＢＥＥ（登録商標）規格では、前記システムを広範囲に敷設できるように、マルチホップ通信に関する規定があり、無線が直接届かない距離に配置された端末間であっても、間に配置された中継端末がパケットを中継することで、通信が可能な方式をとっている。
【０００４】
このようなシステムではセンサ端末は、ＺＩＧＢＥＥ（登録商標）規格において、エンドデバイスと呼ばれる端末により構成される場合が多く、通信要求があった場合だけ、通信機能を有効にし、それ以外の場合は通信機能を停止することでバッテリ駆動による長時間動作を実現している場合が多い。
【０００５】
一方、中継端末は、ＺＩＧＢＥＥ（登録商標）規格において、ルータと呼ばれている。ルータは、非同期に発生しうるエンドデバイスからの通信要求を中継するために、常時、無線通信機能を有効しておくことが求められている。従ってその電源はバッテリでは消耗が激しく、長時間動作のためには、商用電源等により外部から電力を供給する必要がある。
【０００６】
しかしながら、無線センサネットワークは、屋外等、インフラ設備の整っていない場所に設置されることがある。このような場合、中継機能を持つ端末についても省電力で電力供給をバッテリで行うことができれば、中継機能を持つ端末の設置場所に制限がなくなり、しかも低コストでシステムの構築を行うことが可能となる。
【０００７】
中継端末の省電力化に関する従来技術として、例えばタイムスロットを用いた手法がある（特許文献１）。この手法は、タイムスロットを設けたフレームの少なくとも１つの対応するスロット期間に１つのノードを低消費電力モードからウェイクアップする工程が含まれている。
【特許文献１】特開２００４−３３６７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、タイムスロットを用いた手法では、非同期に発生する送信要求に対して送信側は自由に通信を行うことができず、多くの中継端末による中継が必要なデータ送信の場合、中継の度に送信側の端末は送信先の端末がウェイクアップするのを待つことになり、遅延なしにマルチホップ通信を行うことは不可能である。
【０００９】
前記の理由から、従来のマルチホップ通信可能な無線ネットワークにおいて中継機能を担う中継端末は、通信の遅延無しに十分な省電力化が不可能である。
【００１０】
そのため、無線ネットワークにおいて遅延無しにマルチホップ通信をするには、中継機能を担う端末は商用電源等により外部から電力を供給する必要があった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、収集局となる制御端末がセンサネットワーク内のセンサ端末及び中継端末に対してスリープモード継続時間を記載した命令パケットをネットワーク内の全ての端末宛に送信することで、受信した各センサ端末及び各中継端末はスリープモードに移行し、命令パケットに記載のスリープモード継続時間後、通常モードに復帰する。
【００１２】
また、前記命令パケットにセンシング回数を記載することで、各センサ端末はスリープモードモード移行から通常モード復帰までの間にセンシングを実行し、通常モード復帰後センシング結果を制御端末へ送信する。
【００１３】
また、制御端末及び、制御端末からの命令パケットによるスリープモードを継続中の端末は、同命令パケットの内容と現時点までのスリープモードの継続状況を記載したパケット（以下、未受信救済パケット）を既定の間隔毎に１ホップ内の端末にのみ到達可能な同報送信を行うことにより、近隣の通常モード動作中の端末をスリープモードに移行させる。このとき、送信元となる、制御端末を除く端末はスリープモード継続中のため微小時間の間、一時的に送信機能を起動させることによって未受信救済パケットを送信する。
【００１４】
未受信救済パケットの各端末の送信タイミングは、既定の間隔時間内に一様又は一様に近い形で分布させる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、制御端末から命令パケットを全端末に送信することにより、全端末が同期してスリープモード及び通常モードへ移行するため、制御局からのセンシングの命令（命令パケット）の送信やセンサ端末からのセンシング結果の送信の際には、マルチホップ通信が可能である。また、全端末が同期してスリープモード及び通常モードを繰り返すことにより、通常モード時に限れば既存の無線ネットワークの通信プロトコルを容易に適用可能であり、スリープモードの継続時間を通常モードの継続時間よりも十分に長く取れば、センサ端末及び中継端末の十分な省電力化が可能である。
【００１６】
各端末がスリープモードを継続中に、バッテリ交換のためにリセットされたり、制御端末からの命令パケットを受信し損ねてスリープモードへの移行に失敗したために通常モードで動作中の端末が存在した場合、スリープモードを継続中の端末が既定の間隔で送信する未受信救済パケットを受信し解析することで、ネットワーク内の他の端末と同様にスリープモードに移行することが可能である。
【００１７】
また、各端末がスリープモードを継続中に送信する未受信救済パケットの送信タイミングが重ならないように、既定の間隔時間内に一様又は一様に近い形で分布することで、同上通常モードで動作中の端末が未受信救済パケットを受信するまでの時間の期待値が小さくなる。
【実施例１】
【００１８】
本発明は、図１で示すようなマルチホップ通信可能な無線ネットワークを構成するセンサ端末及び中継端末が省電力化のために受信回路やメインクロックを一時的に停止することが可能なスリープモードを持つセンサネットワークにおいて、
制御端末からネットワーク内の全端末宛に送信される命令パケットには、スリープモードを継続する時間Ｔｓ及びＴｓの間に行うセンシング回数Ｎｓなどが記載されており、命令パケットを受信した各端末はネットワーク内最大伝送時間Ｔｄの間、通常モードを維持した後、スリープモードに移行し、（Ｔｓ−２Ｔｄ−Ｔｌ）の間スリープモードを継続することとする。（Ｔｌは端末が持つ内部タイマの精度を加味した余裕時間。Ｔｄ及びＴｌはＴｓよりも十分に小さい値とする。）
【００１９】
スリープモード期間中に各センサ端末は命令パケットに記載されたＮｓ回のセンシングを行う。センシングのタイミングは、命令パケット受信後から（Ｔｓ／Ｎｓ）間隔で行う。最後のセンシングのタイミングの（Ｔｄ＋Ｔｌ）前にはスリープモードから通常モードに移行しておく。最後のセンシング終了後、これまでにセンシングした結果を制御端末に送信する。このとき、ネットワーク内の全端末は通常モードに復帰しているはずなので各センサ端末と制御端末間でマルチホップ通信が可能である。
【００２０】
一方、各中継端末はセンサを具備していないため、命令パケット受信後からＴｄの間、通常モードを維持した後、（Ｔｓ − ２Ｔｄ−Ｔｌ）の間スリープモードを継続し、通常モードに復帰する。
【００２１】
制御端末は、命令パケット送信後、（Ｔｓ＋Ｔｃ）の間、全センサ端末からセンシング結果が送信されてくるのを待つ。Ｔｃは制御端末がセンサ端末からのセンシング結果を待つタイムアウト時間で、（Ｔｓ＋Ｔｃ）よりも早く全センサ端末からのセンシング結果が受信できた際は必ずしも（Ｔｓ＋Ｔｃ）の間、待たない。
【００２２】
本発明によるセンサネットワークシステムは、前記制御端末による命令パケットの送信、制御端末を除くネットワーク内の全端末のスリープモード、センサ端末からのセンシング結果の収集、を繰り返すことでネットワーク内の全センサ端末および全中継端末の省電力化を可能にする。図２は、図１に示すネットワークの構成の例において、制御端末の命令パケット送信から、各センサ端末のスリープモードの継続及びセンシングを経て、制御端末へのセンシング結果の送信までのタイミングを示したものである。
【００２３】
各端末がスリープモードを継続中に、ネットワーク内のある端末が通常モードで動作している場合がある。例えば、スリープモードを継続中にバッテリ交換などにより端末上で動作していたソフトウエアがリセットし通常モードで立ち上がった場合や、制御端末から送信される命令パケットを受信し損ねてスリープモードへの移行に失敗した場合などが考えられる。これら通常モード動作中の端末の致命的なバッテリ消費を防ぐために、近隣に通常モード動作中の端末が存在するか否かにかかわらずスリープモードを継続中の端末は次のことを行う。
【００２４】
スリープモードを継続中の各端末は既定の間隔Ｔｋ毎に、１パケット送信可能な微小時間の間、一時的に送信機能を起動し、未受信救済パケットを１ホップ内の端末にのみ到達可能な同報送信を行う。同未受信救済パケットには、同スリープモードに移行する際に受信した命令パケットの内容Ｔｓ及びＮｓと、同命令パケット受信時からの経過時間Ｔｐなどを記載しておく。未受信救済パケットの送信を終えた端末は送信機能を停止し、同命令パケットによる前記スリープモードの動作を続行する。また、命令パケット送信後Ｔｓ以内における制御端末においても既定の間隔Ｔｋ毎に、同命令パケットの内容及び同命令パケット送信からの経過時間Ｔｐを記載した未受信救済パケットを同様に１ホップ内の端末にのみ到達可能な同報送信を行う。
【００２５】
通常モード動作中の端末が未受信救済パケットを受信するとスリープモードに移行する。その際、未受信救済パケットに記載されているＴｓ、Ｎｓ、Ｔｐをもとに現時点からスリープモードを継続すべき時間及び次回センシングまでの時間などを計算し、これ以降、同端末は、元々命令パケットを受信することによってスリープモードを継続していた他の端末となんら変わらない動作を行う。ただし、センサ端末が未受信救済パケットを受信した時点でいくつかのセンシングのタイミングが過ぎている場合（Ｔｐ＞（Ｔｓ／Ｎｓ）の場合など）がある。そのような場合、スリープモード継続期間終了後のセンシング結果の送信の際は、送信パケット内の、タイミングを逃したセンシングデータに該当する位置にセンシング未実行を表すデータをいれ制御端末に送信することとする。
【００２６】
また、未受信救済パケットを各端末が送信するタイミングは、既定の間隔Ｔｋ内に一様に分布するのが望ましい。各端末が送信するタイミングを既定の間隔Ｔｋ内に一様に分布するようにずらすことによって、通常モード動作中の端末が未受信救済パケットを受信するまでの時間の期待値が小さくなり、スリープモードに移行する時刻を早めることができる。例えば、命令パケットを受信し損ねた通常モード動作中のある端末Ａの近隣にスリープモードを継続中の端末がＮａ台存在するとし、各端末の未受信救済パケットを送信するタイミングを一様に分布させた場合、端末Ａが未受信救済パケットを受信するまでの時間の期待値ＴａはＴａ＝Ｔｋ／２Ｎａとなる。一方、各端末の未受信救済パケットを送信するタイミングが同一のタイミングであった場合は、Ｔａ＝Ｔｋ／２となる。図３に示すネットワークの構成の例において図４は、各端末から既定の間隔Ｔｋで未受信救済パケットが同報送信されるタイミングを示している。図３に示すネットワークの構成の例において図５は、命令パケットの受信を失敗したセンサ端末１１が未受信救済パケットを受信し、スリープモードへ移行するシーケンスを示している。
【００２７】
以上、本発明は、制御端末からの命令パケットにより、全端末のスリープモード継続期間および通信のタイミングを同一にしたことと、同スリープモードから外れた端末の未受信救済パケットによる救済処置を備えたことにより高性能な省電力化を可能にした。
【００２８】
本発明により、マルチホップ通信が可能なセンサネットワークにおいて、ネットワーク内の中継機能を持つ端末を含む全ての端末の十分な省電力化が可能となり、商用電源等による外部からの電力の供給が不要なことから屋内外を問わず様々な場所でのセンシングを目的としたセンサネットワークシステムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明におけるネットワークの構成の例を示した図である。端末同士を結ぶ線分は互いに１ホップでデータ送信可能な端末を結んだものである。
【図２】図１の例における、スリープモードの継続期間と通信のタイミングを示した図である。
【図３】図１とは異なる、本発明におけるネットワークの構成の例を示した図である。
【図４】図３の例における、各端末の未受信救済パケットの送信タイミングを示した図である。
【図５】図３の例における、命令パケットの受信に失敗したセンサ端末が未受信救済パケット受信により、スリープモードに移行するシーケンスを示した図である。
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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