(57)【要約】モニタリングシステム（１）は、構造物に設置され、構造物の物理量を測定する複数のセンサノード（１１）と、複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置（１３）を備える。ゲートウェイ装置（１３）は、同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信部（１３１）と、複数のセンサノードの各測定値を補正する補正部（１３２）を有する。各センサノードは、同期パケットに示された同期時刻に、センサノード内の時刻を同期させる同期部（１１１）と、同期前における各センサノード内の時刻と同期時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算部（１１２）と、測定開始時刻に物理量の測定を開始する測定部（１１３）と、時刻同期差分と測定値をゲートウェイ装置の補正部に送信する補正情報送信部（１１４）と、を有する。
2020149103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備え、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信手段と、
前記複数のセンサノードにより測定された各測定値を補正する補正手段と、を有し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期手段と、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算手段と、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定手段と、
前記時刻同期差分と、前記測定手段で測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置の前記補正手段に送信する補正情報送信手段と、を有し、
前記補正手段は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する、モニタリングシステム。
【請求項２】
前記同期パケット送信手段は、複数回にわたって、前記同期パケットを送信する、請求項１に記載のモニタリングシステム。
【請求項３】
構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、
前記ゲートウェイ装置とネットワークを介して接続された分析サーバと、
を備え、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信手段を有し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期手段と、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算手段と、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定手段と、
前記差分計算手段で計算された時刻同期差分と、前記測定手段で測定された測定値を前記分析サーバに送信する補正情報送信手段と、を有し、
前記分析サーバは、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する補正手段を有する、モニタリングシステム。
【請求項４】
前記同期パケット送信手段は、複数回にわたって、前記同期パケットを送信する、請求項３に記載のモニタリングシステム。
【請求項５】
構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備えたモニタリング装置の同期方法であって、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算し、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始し、
前記時刻同期差分と、前記測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置に送信し、
前記ゲートウェイ装置は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する、同期方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はモニタリングシステム、および同期方法に関し、特に、無線ネットワークを利用したモニタリングシステム、および同期方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高度経済成長期時代の集中投資により整備された道路インフラの老朽化が深刻な社会問題となっており、維持管理の効率化等を目的にＩＴ技術を利用したモニタリングシステムの社会実装が進められている。【０００３】
このようなモニタリングシステムでは各種のセンサが使われる。例えば、橋梁などの物理特性の変化をモニタリングするための代表的なセンサとして振動センサがある。振動センサをモニタリング対象の構造物の複数個所に配置し、取得した振動データの位相情報を分析する場合、複数個所から取得した振動データが同期している必要がある。【０００４】
特許文献１には、時刻同期サーバを用いずに、他のネットワーク端末間で計時している時刻情報を、端末間で展開することで時刻同期を可能にする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１１６９６８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、構造物の複数個所に設置したセンサからセンサデータを収集する場合、設置費用等の観点から特定小電力無線を利用した無線ネットワークを使用することが有効である。しかし、特定小電力無線による無線ネットワークを使用し、ゲートウェイとセンサノード間の１対１の通信で時刻同期を行った場合、無線通信状態が悪い場合（他の通信と電波の衝突や一時的にセンサノードまで電波が届かない等）に発生するパケット再送処理等により、通信完了時間に揺らぎが発生し、同期精度は低下するという問題がある。【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、無線ネットワークを利用した場合であっても、センサの同期精度を向上させたモニタリングシステム、および同期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】
本発明の第１の態様にかかるモニタリングシステムは、構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備え、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信部と、
前記複数のセンサノードにより測定された各測定値を補正する補正部と、を有し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期部と、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算部と、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定部と、
前記時刻同期差分と、前記測定部で測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置の前記補正部に送信する補正情報送信部と、を有し、
前記補正部は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する。【０００９】
本発明の第２の態様にかかるモニタリングシステムは、構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、
前記ゲートウェイ装置とネットワークを介して接続された分析サーバと、
を備え、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信部を有し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期部と、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算部と、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定部と、
前記差分計算部で計算された時刻同期差分と、前記測定部で測定された測定値を前記分析サーバに送信する補正情報送信部と、を有し、
前記分析サーバは、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する補正部を有する。【００１０】
本発明の第３の態様にかかる同期方法は、構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備えたモニタリング装置の同期方法であって、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算し、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始し、
前記時刻同期差分と、前記測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置に送信し、
前記ゲートウェイ装置は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、センサの同期精度を向上させたモニタリングシステム、および同期方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１にかかる特定小電力無線ネットワークを用いたモニタリングシステム１の構成例を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１にかかるセンサデータの取得のフローチャートである。
【図３】本実施の形態にかかるリサンプリング処理を説明する図である。
【図４】実施の形態２にかかる実施の形態２にかかるモニタリングシステム１の構成例を示すブロック図である。
【図５】実施の形態２にかかるセンサデータの取得のフローチャートである。
【図６】実施の形態２にかかるセンサデータの取得シーケンス図である。
【図７】実施の形態２にかかる３回の測定開始同期パケットの受信状態別センサノード動作を説明する図である。
【図８】実施の形態３にかかる同期制御システム１０の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、特定小電力無線ネットワークを用いたモニタリングシステム１の構成例を示す。モニタリングシステム１は、１つ以上のセンサノード１１と、無線ネットワーク１２と、ゲートウェイ装置１３と、を備える。モニタリングシステム１は、構造物に設置された複数のセンサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎからセンサデータを受信することで、構造物の健全性や構造性能、劣化状態などを診断する。ここで、構造物とは、道路インフラ（特に橋梁）、鉄道の鉄橋、電力や無線アンテナなどの鉄塔、ビルなどの建設物、道路標識等の道路付帯設備が挙げられるが、これらに限定されない。
【００１４】
こうした構造物には、構造物の物理量などを検知する複数のセンサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎが設置されている。センサノード１１は、例えば、構造物が地震で振動している場合、構造物の加速度、傾き、温度、振動の周波数、位相情報及び位置情報などの様々な物理量を測定することができる。
【００１５】
ゲートウェイ装置１３は、複数のセンサノード１１ａ，・・・１１ｎと無線ネットワーク１２を介して通信可能に接続されている。なお、本例では、センサネットワークとして、９２０ＭＨｚ帯の特定小電力無線ネットワークを使用している。また、センサノード１１は、低消費電力化及び無線通信のタイムラグの最小化のため、マルチホップ通信は行わないものとする。
【００１６】
特定小電力無線ネットワークを用いたセンサシステムにおいて複数のノードに接続されたセンサの信号をノード間で１ｍｓ以内の同期精度で取得したい場合、無線通信パケットのロストやセンサノードの動作クロック精度（水晶発振子を使用した場合、一般的には狭偏差タイプのもので±１５ｐｐｍ程度）等の影響のため、実現が困難であった。このため、これまではセンサノード毎にＧＰＳモジュールや原子時計等を実装し、高精度な時刻情報を用いることでセンサ信号を高精度に同期させていた。しかしながらＧＰＳモジュールや原子時計は高額であり、センサノード数に比例して必要となるため、モニタリングシステムのコストが増大するという課題があった。そこで、本実施の形態では、ゲートウェイ装置が各センサノードに対して、同期パケットを送信することで、このような課題を解決している。
【００１７】
ゲートウェイ装置１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、及び入出力ポート等からなる制御部を有し、制御部は、細分化された処理のそれぞれを実行する機能演算部としての機能も担う。具体的には、ゲートウェイ装置１３の制御部は、同報通信により複数のセンサノード１１ａ，・・・１１ｎに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信部１３１と、複数のセンサノード１１ａ，・・・１１ｎからの測定データの各時間を補正する補正部１３２と、時計部１３３と、を有する。ゲートウェイ装置１３の時計部１３３は、水晶発振子を有するが、より高い精度や正確性が要求される場合は、ＧＰＳモジュールや原子時計を有するようにしてもよい。
【００１８】
複数のセンサノード１１は、ＣＰＵ、メモリ、及び入出力ポート等からなる制御部を有し、該制御部は、細分化された処理のそれぞれを実行する機能演算部としての機能も担う。具体的には、センサノード１１ａの制御部は、同期部１１１ａと、差分計算部１１２ａと、測定部１１３ａと、補正情報送信部１１４ａと、時計部１１５ａと、を有する。同期部１１１ａは、受信した同期パケットに示された同期時刻に、センサノードの時刻を同期させる。差分計算部１１２ａは、受信した同期パケットに示された同期時刻と、同期前におけるセンサノード１１ａ内の時刻との差である時刻同期差分を計算する。測定部１１３ａは、同期パケットに示された測定開始時刻に物理量の測定を開始する。補正情報送信部１１４ａは、差分計算部１１２ａで計算された時刻同期差分と、測定部１１３ａで測定された測定値を、ゲートウェイ装置１３の補正部１３２に送信する。
【００１９】
説明の簡略化のため、図面では省略されているが、センサノード１１ｂ・・１１ｎについても、センサノード１１ａと同様に構成されている。
【００２０】
補正部１３２は、時刻同期差分に基づいて、複数のセンサノード１１ａ、１１ｂ・・１１ｎからの測定値をそれぞれ補正することができる。
【００２１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、高い同期精度で、センサデータを取得することができる。
【００２２】
続いて、図１及び図２を参照して、本実施の形態にかかるセンサデータの取得の処理フローを詳細に説明する。
センサ計測開始前、ゲートウェイ装置１３は、各センサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎに対して測定開始を指示する同期パケットＳＰを同報通信で送信する（ステップＳ２０１）。同期パケットは、時刻同期のための同期時刻（例：12:30.000）及び測定開始時刻（例：12:30.600）情報を含んでいる。ゲートウェイ装置１３は、後述するように、各センサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎに物理量の測定（センサデータの取得）を指示する毎に、この同期パケットＳＰを同報通信で送信することになる。
【００２３】
各センサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎは、受信した同期パケットＳＰ中の同期時刻（例：12:30.000）に、各センサノード内で管理している時刻を同期させる（ステップＳ２０２）。これにより、ゲートウェイ装置１３から受信した同期パケット中に含まれる「同期時刻」情報と、センサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎがそれぞれ管理している「時刻」情報との差がゼロになる（一致する）。すなわち、この時点では、各センサノードの時刻は、高い精度で同期していることになる。
【００２４】
しかし、前述したように、各センサノードは、特定小電力無線ネットワークを使用し、ゲートウェイ装置１３と通信しているため、無線通信状態が悪い場合には、通信完了時間に揺らぎが発生すること、および各センサノードの時刻の進み方にばらつきが生じることにより、同期精度は低下してしまう。そこで、本実施の形態では、通信での揺らぎに対しては、同期パケットを送信し、また、センサノード内の時計のバラツキに対しては、時刻同期時の差分情報を用いてキャリブレーションを行うことで、これらの問題に対処している。以下に、具体的な手順を説明する。
【００２５】
センサノード１１の差分計算部１１２は、ゲートウェイ装置１３から受信した同期パケットＳＰに含まれる「同期時刻」情報と、同期処理（ステップＳ２０２）前の各センサノードが管理している「時刻」情報との差をそれぞれ計算し（ステップＳ２０３）、時刻同期差分ＴＤａ、ＴＤｂ・・・ＴＤｎとして保存する（ステップＳ２０４）。
【００２６】
各センサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎはゲートウェイ装置１３から受信した同期パケットにしたがった測定開始時刻にセンサ信号の取得を開始する（ステップＳ２０７）。なお、上述したように、同期パケットＳＰは、測定開始時刻Ｔ4（12:30.600）を示しているので、各センサノードは、同報通信で送られた同期パケットＳＰを受信すると、各センサノードの時計部１１５において、同一時刻Ｔ4（12:30.600）に測定を開始することになる。
【００２７】
各センサノードは事前に定められた測定時間分のセンサデータの取得が完了した時点でセンサデータの取得を終了する。例えば、測定時間３０秒間、サンプリング周期４００Ｈｚでセンサデータを取得した場合、各センサノード１１ａの時計部１１５において、センサノード１１ａで取得したセンサデータをＤａ０、Ｄａ１、Ｄａ２・・・ＤａＮと呼ぶ。その後、センサノード１１ａは取得したセンサデータ（Ｄａ０、Ｄａ１、Ｄａ２・・・ＤａＮ）と時刻同期差分情報（ＴＤａ）をセンサノード毎に定められたタイミングでゲートウェイ装置１３に送信する。他のセンサノード１１ｂ・・・１１ｎについても同様とする（ステップＳ２０８）。
【００２８】
ゲートウェイ装置１３は、センサノード１１ａから収集したセンサデータを分析する。その際、ゲートウェイ装置１３は、センサノード１１ａについては、時刻同期差分（ＴＤａ）を、前回の同期時刻から今回の同期時刻までの時間（同期間隔時間ＳＴａ、なお、測定毎に同期パケットを送るので、測定時間間隔とも呼ばれる場合がある）で除算することで、単位時間当たりの誤差ＥＤａ（＝ＴＤａ／ＳＴａ）を算出する。誤差ＥＤａにセンサデータの測定時間ＭＴを乗算することで測定中にセンサノード１１ａ内の時計部で発生した時刻ずれの値ＥＴａ（＝ＥＤａ×ＭＴ）を推定することができる。
【００２９】
ここでサンプリング周波数が４００Ｈｚ、測定時間が３０秒である場合を例に説明する。前述のＥＴａが１ｍｓとすると、最後の測定値の測定タイミングは測定開始時点から３０．００１秒後に測定した値となる。本例では、同期パケットを受信した時刻から測定開始時刻までの時間は、６００ｍｓと非常に短い時間なので、この間に発生する時刻ずれは無視することができる。測定開始直後のセンサノード内の時計部の時刻は高い精度で同期していること、末尾のセンサデータの取得時刻を推定可能なこと及びセンサデータ取得間隔はセンサノードの時刻ずれの影響を受けずに等間隔であると推定できることから図３に示すようにリサンプリング処理を行うことで高い精度で同期したセンサデータの値を算出可能である。
【００３０】
同様に、ゲートウェイ装置１３は、センサノード１１ｂ，・・・１１ｎから収集したセンサデータ（Ｄｂ０、Ｄｂ１、Ｄｂ２・・・ＤｂＮ・・・Ｄｎ０、Ｄｎ１、Ｄｎ２・・・ＤｎＮ）を補正して分析する。具体的な方法は、上記センサノード１１ａと同様である。
【００３１】
以上のように、ゲートウェイ装置は、各センサノードのセンサデータの同期ズレを補正した後、補正後のデータを、同期したセンサデータとして処理することができる。
【００３２】
ここで、「時刻同期差分／同期間隔時間」について詳細に説明する。
例えば、１時間間隔で３０秒間センサデータを収集する場合を例に説明する。本発明の方法で同期処理した場合に各センサから収集される「時刻同期差分」は前回の同期パケットを受信後に行われた時刻同期から１時間の間に発生したゲートウェイ装置の時刻と各センサノード側の時刻の差分ということになる。
【００３３】
センサノードの時刻の進み方が揺らぐ主要な原因の一つとして周囲の温度による影響が考えられる。温度変化は１時間内で大きく変わることはまれなので、単位秒当たりの時刻差分量は「時刻同期差分／（６０×６０）」（秒）となる。この単位秒当たりの時刻同期差分に、測定時間（３０秒）を乗算することで、補正量を算出することができる。各センサノードに対して測定開始から測定終了までの３０秒間で発生する時刻差分量が上記のように推測可能となることから、測定中に発生するセンサノード間の時刻の進みのバラツキを上記の３０秒間に発生する同期差分推定値で補正することでセンサノード内の時刻の進み具合のバラツキに起因する同期ズレを補正することができる。
【００３４】
また、上記の例では１時間間隔で測定する場合を例としたが、前回の測定からの時間が既知であれば上記の補正は可能となり、測定間隔が一定である必要はない。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、高い同期精度で、センサデータを取得することができる。
【００３６】
実施の形態２
図４は、実施の形態２にかかるモニタリングシステム１の構成例を示す。
図４では、実施の形態１と同一の構成要素は、図１と同一の符号を付し、適宜説明を省略する。図４に示すモニタリングシステム１は、前述のセンサデータを分析するための分析サーバ１５が追加されている。分析サーバ１５は、広域ネットワーク１４を介して、ゲートウェイ装置１３に接続されている。広域ネットワーク１４は、例えば、携帯事業者が提供するＬＴＥ（Long Term Evolution）回線である。ゲートウェイ装置１３は、センサノード１１により収集されたセンサデータを分析サーバ１５に送信することができる。本実施の形態では、分析サーバ１５が、前述した補正部１３２を有する。すなわち、本実施の形態では、実施の形態１と異なり、ゲートウェイ装置１３は、補正部１３２を有しないことになる。
【００３７】
図４〜図７を参照して本実施の形態にかかるセンサデータの取得シーケンスを説明する。
センサノードが測定を開始する前、ゲートウェイ装置１３は、各センサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎに対して測定開始を指示する同期パケットを同報通信で送信する（ステップＳ１）。同期パケットは、時刻同期のための同期時刻Ｔ１（例：12:30.000）及び測定開始時刻Ｔ４（例：12:30.600）情報を含んでいる。ゲートウェイ装置１３は、後述するように、各センサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎに物理量の測定を指示する毎に、この同期パケットＳＰを同報通信で送信する。なお、本実施の形態では、後述するように、パケットロスト対策として、１回の測定開始の指示に対して、３回の同期パケットを送信している。なお、同期パケットの送信回数は、３回に限定されず、２回以上の所定回数としてもよい。
【００３８】
特定小電力無線による無線ネットワークを使用し、ゲートウェイとセンサノード間の１対１の通信で時刻同期を行った場合、無線通信状態が悪い場合（他の通信と電波の衝突や一時的にセンサノードまで電波が届かない等）に発生するパケット再送処理等により、通信完了時間に揺らぎが発生し、同期精度は低下する。また、近年無線センサネットワークでの使用例が多い９２０Ｍ帯では無線規格（ARIB STD-T108）でキャリアセンス時間が規定されており、電波送信前に他に電波源が無いことを確認する（電波源がある場合、待機（wait）する）ことが規格で定められているので通信時間に揺らぎが発生する。
【００３９】
本発明の各実施の形態では、上記対策として同報パケットを使い、複数のセンサノードに一斉に同期パケットを送信する方法を採用している。しかし、同報パケットの場合、パケットを受け取れないセンサノードは時刻同期できないという課題がある。そこで、本実施の形態では、ゲートウェイ装置から同期パケットを複数回送信することでパケットロストの問題に対処している（詳細は後述する）。
【００４０】
各センサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎは、受信した同期パケットの同期時刻に、各センサノード内で管理している時刻を同期させる（ステップＳ２）。これにより、ゲートウェイ装置１３から受信した同期パケットに含まれる「同期時刻」情報と、センサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎが管理している「時刻」情報との差がゼロになる（一致する）。すなわち、この時点では、各センサノードの時刻は、高い精度で同期していることになる。
【００４１】
しかし、前述したように、各センサノードは、特定小電力無線ネットワークを使用し、ゲートウェイ装置１３と通信しているため、無線通信状態が悪い場合には、通信完了時間に揺らぎが発生し、各センサノードの時刻の進み方にばらつきが生じ、同期精度は低下してしまう。そこで、本実施の形態では、以下の手順により、この問題を解決している。
【００４２】
センサノード１１の差分計算部１１２は、ゲートウェイ装置１３から受信した同期パケットに含まれる「同期時刻」情報とセンサノードが管理している「時刻」情報との差を計算し（ステップＳ３）、時刻同期差分ＴＤａ、ＴＤｂ・・・ＴＤｎとして保存する（ステップＳ４）。
【００４３】
ここで、図６に示すように、上記ステップＳ１の所定期間（例えば、２００ｍｓ）後に、ゲートウェイ装置１３は、各センサノードに対して再び同期パケットＳＰ２を同報通信で送信する（ステップＳ５）。この際、同期パケットＳＰ２内の同期時刻はＴ2（12:30.200）、測定開始時刻はＴ４（12:30.600）とする。同期パケットＳＰ１を受信できなかったセンサノードであっても、ステップＳ５において同期パケットＳＰ２を受信できた場合、上記ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４と同様な処理を行う。なお、同期パケットＳＰ１をすでに受信したセンサノードについては、再度同期パケットＳＰ２を受信しても改めて上記ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４の処理は行わないものとする。本実施の形態では、複数のセンサノードを用いることにより、パケットロストの発生確率が高まるが、このように複数回にわたって、同期パケットを送信することで、パケットロストの発生時の影響を低減している。
【００４４】
上記ステップＳ５の所定期間（例えば、２００ｍｓ）後にゲートウェイ装置１３が、再び同期パケットＳＰ３を送信する（ステップＳ６）。この際、同期パケットＳＰ３内の同期時刻はＴ3（12:30.400）、測定開始時刻はＴ4（12:30.600）とする。同期パケットＳＰ１と同期パケットＳＰ２の両者を受信できなかったセンサノードであっても、ステップＳ６において、同期パケットＳＰ３を受信できた場合、上記ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４と同様な処理を行う。なお、同期パケットＳＰ１、ＳＰ２のいずれかをすでに受信したセンサノードについては、再度同期パケットＳＰ３を受信しても改めて上記ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４の処理は行わないものとする。これにより、同様にパケットロストの問題に対処している。
【００４５】
ここで、図７を用いて、３回の測定開始同期パケットの受信状態別センサノード動作を説明する。
図７はセンサノードがゲートウェイ装置からの測定開始同期パケットの受信状態のケースに応じたセンサノードの測定動作を示したものである。この例ではゲートウェイから測定開始同期パケットを時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３に２００ｍｓ間隔で３回送信する。それぞれの測定開始同期パケットには同期時刻と測定開始時刻の情報が含まれている。図７の片矢印はセンサノードが測定動作中であることを示している。ケース１はセンサノードが測定開始同期パケットＳＰ１を受信できたケースでセンサノードは測定開始同期パケット内の時刻情報を用いてセンサノード自身の時刻を設定し、測定開始同期パケット内の測定開始時刻まで測定待機状態となり、測定開始時刻に測定を開始する。測定待機状態時に受信した測定開始同期パケットに対して測定開始シーケンス（上記ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４）に関わる処理は行わないものとする。ケース２は測定開始同期パケットＳＰ１を受信できずＳＰ２を受信できたケースである。ケース３は測定開始同期パケットＳＰ１，ＳＰ２を受信できず、ＳＰ３を受信できたケースである。ケース４は測定開始同期パケットＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３をいずれも受信できなかったケースであり、この場合、センサノードは測定を開始しない。
【００４６】
なお、本実施の形態では、測定毎に、３回にわたって同期パケットを送信する例を説明したが、これに限定されず、測定毎に、３回以上にわたって同期パケットを送信するようにしてもよい。
【００４７】
各センサノード１１ａ、１１ｂ，・・・１１ｎはゲートウェイ装置１３から受信した同期パケットにしたがった測定開始時刻にセンサ信号の取得を開始する（ステップＳ７）。なお、上述したように、同期パケットＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３はいずれも、同一の測定開始時刻Ｔ４（12:30.600）を示しているので、各センサノードは、同期パケットＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３のいずれかを受信すれば、図７のケース１〜３に示すように同一時刻に測定を開始することができる。これにより、パケットロストの問題に対処することができる。
【００４８】
各センサノードは事前に定められた測定時間分のセンサデータの取得が完了した時点でセンサデータの取得を終了する。例えば、測定時間３０秒間、サンプリング周期４００Ｈｚでセンサデータを取得した場合、センサノード１１ａの時計部１１５において、センサノード１１ａで取得したセンサデータをＤａ０、Ｄａ１、Ｄａ２・・・ＤａＮと呼ぶ。その後、センサノード１１ａは、取得したセンサデータ（Ｄａ０、Ｄａ１、Ｄａ２・・・ＤａＮ）と時刻同期差分情報（ＴＤａ）をセンサノード毎に定められたタイミングでゲートウェイ装置１３に送信する。他のセンサノード１１ｂ・・・１１ｎについても同様とする（ステップＳ８）。
【００４９】
また、各センサノードは、ゲートウェイ装置１３から受信した同期パケットの回数情報もゲートウェイ装置１３に送信すると無線通信におけるパケットロスト状況（例えば、センサノード１１ｂは３回の同期パケットのうち、１回パケットロストが発生した）を把握することができ、有効である。
【００５０】
ゲートウェイ装置１３は、センサノード１１ａから収集したセンサデータと時刻同期差分（ＴＤａ）を、広域ネットワーク１４を介して分析サーバ１５に送信し、分析サーバ１５はゲートウェイ装置１３から受信したデータを分析する。その際、分析サーバ１５は、センサノード１１ａについては、時刻同期差分（ＴＤａ）を、前回の同期時刻から今回の同期時刻までの時間（同期間隔時間ＳＴａ、なお、測定毎に同期パケットを送るので、測定時間間隔とも呼ばれる場合がある）で除算することで、単位時間当たりの誤差ＥＤａ（＝ＴＤａ／ＳＴａ）を算出する。誤差ＥＤａにセンサデータの測定時間ＭＴを乗算することで測定中にセンサノード１１ａ内の時計部で発生した時刻ずれの値ＥＴａ（＝ＥＤａ×ＭＴ）を推定することができる。
【００５１】
ここでサンプリング周波数が４００Ｈｚ、測定時間が３０秒である場合を例に説明する。前述のＥＴａが１ｍｓとすると、最後の測定値の測定タイミングは測定開始時点から３０．００１秒後に測定した値となる。本例では、同期パケットを受信した時刻から測定開始時刻までの時間は、６００ｍｓと非常に短い時間なので、この間に発生する時刻ずれは無視することができる。測定開始直後のセンサノード内の時計部の時刻は高い精度で同期していること、末尾のセンサデータの取得時刻を推定可能なこと及びセンサデータ取得間隔はセンサノードの時刻ずれの影響を受けずに等間隔であると推定できることから図３に示すようにリサンプリング処理を行うことで高い精度で同期したセンサデータの値を算出可能である。
【００５２】
同様に、分析サーバ１５は、センサノード１１ｂ，・・・１１ｎから収集したセンサデータ（Ｄｂ０、Ｄｂ１、Ｄｂ２・・・ＤｂＮ・・・Ｄｎ０、Ｄｎ１、Ｄｎ２・・・ＤｎＮ）を補正して分析する。具体的な補正方法は、上記センサノード１１ａと同様である。
【００５３】
以上のように、分析サーバ１５は、各センサノードのセンサデータの同期ズレを補正した後、補正後のデータを、同期したセンサデータとして処理することができる。
【００５４】
前述したように本実施の形態では、特定小電力無線ネットワークに接続された複数のセンサノードでセンサデータを収集する際、測定開始直前に同期パケットを用いてセンサノードの時刻同期を行う。また、時刻同期時の時刻差分情報を用いてセンサノード毎のクロックのバラツキを補正することにより、１ｍｓ以内の同期精度を有したセンサデータの収集が可能となる。
【００５５】
このため、センサノード毎にＧＰＳや原子時計等の高価なハードウェアの実装が不要となり、コスト削減が可能であるという効果がある。
【００５６】
また、ＧＰＳは衛星からの電波を受信する必要があるため、センサノードの設置位置に制限が発生するが、本実施の形態ではＧＰＳが不要となるため、センサノードの設置位置の自由度が増加し、衛星からの電波受信が可能という制限は発生しない。
【００５７】
実施の形態３
図８を参照して、実施の形態３にかかる同期制御システム１０について説明する。
図８では、実施の形態２と同一の構成要素は、図４と同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００５８】
上記実施の形態では同期したセンサデータの収集について説明したが、他の実施例として特定小電力無線ネットワークに接続された無線ノードによる同期制御システムについて説明する。本例では、ある時刻で各無線ノードが同期した制御を単発で行う（例えば複数の制御対処機器のスイッチを一斉にＯＮするなど）ものである。
【００５９】
図８は無線ネットワークによる同期制御の構成例を示すブロック図である。本実施の形態では、センサノード１１の代わりに無線ノード４１が設けられている。図８では、無線ノード４１は、センサノード１１と同様に、同期部１４１ａ、制御部１４３ａ、時計部１４５ａが設けられている。同期部１４１ａ、時計部１４５ａについては、前述した同期部１４１ａ、時計部１４５ａと同様の構成であるので、説明は省略する。
【００６０】
ゲートウェイ装置１３の同期パケット送信部１３１は、無線ノード４１ａ、４１ｂ・・・４１ｎに同期時刻と制御開始時刻を示す制御開始パケットを送信する。制御部１４３ａは、同期パケットＳＰに示された制御開始時刻に、制御対象機器４０ａを起動させるように制御する。同様に、制御部１４３ｂ・・・１４３ｎは、同期パケットＳＰに示された制御開始時刻に、制御対象機器４０ｂ・・・４０ｎを起動させるように制御する。こうすることで複数の制御対象機器４０ａ、４０ｂ・・・４０ｎに対して１ｍｓ以内の高い精度で同期した制御を行うことが可能となる。
【００６１】
さらに、上述した様々な実施の形態において、モニタリングシステムにおける処理の手順を説明したように、本開示は、構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備えたモニタリング装置の同期方法としての形態も採り得る。この同期方法は、前記ゲートウェイ装置は、同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信し、前記複数のセンサノードはそれぞれ、受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させ、受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算し、前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始し、前記時刻同期差分と、前記測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置に送信し、前記ゲートウェイ装置は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する。なお、その他の例については、上述した様々な実施の形態で説明した通りである。
【００６２】
上述の例において、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＢＤ（Blu-ray（登録商標） Disc）、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
【００６３】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。また、以上で説明した複数の例は、適宜組み合わせて実施されることもできる。
【００６４】
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００６５】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）
構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備え、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信手段と、
前記複数のセンサノードにより測定された各測定値を補正する補正手段と、を有し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期手段と、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算手段と、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定手段と、
前記時刻同期差分と、前記測定手段で測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置の前記補正手段に送信する補正情報送信手段と、を有し、
前記補正手段は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する、モニタリングシステム。
（付記２）
前記同期パケット送信手段は、複数回にわたって、前記同期パケットを送信する、付記１に記載のモニタリングシステム。
（付記３）
構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、
前記ゲートウェイ装置とネットワークを介して接続された分析サーバと、
を備え、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信する同期パケット送信手段を有し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させる同期手段と、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算する差分計算手段と、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始する測定手段と、
前記差分計算手段で計算された時刻同期差分と、前記測定手段で測定された測定値を前記分析サーバに送信する補正情報送信手段と、を有し、
前記分析サーバは、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する補正手段を有する、モニタリングシステム。
（付記４）
前記同期パケット送信手段は、複数回にわたって、前記同期パケットを送信する、付記３に記載のモニタリングシステム。
（付記５）
構造物に設置され、前記構造物の物理量を測定する複数のセンサノードと、
前記複数のセンサノードと無線ネットワークを介して通信可能に接続されたゲートウェイ装置と、を備えたモニタリング装置の同期方法であって、
前記ゲートウェイ装置は、
同報通信により前記複数のセンサノードに対して、同期時刻と測定開始時刻を指示する同期パケットを送信し、
前記複数のセンサノードはそれぞれ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻に、前記センサノード内の時刻を同期させ、
受信した前記同期パケットに示された前記同期時刻と、前記同期前における各センサノード内の時刻との差である時刻同期差分を計算し、
前記同期パケットの測定開始時刻に前記物理量の測定を開始し、
前記時刻同期差分と、前記測定された測定値を、前記ゲートウェイ装置に送信し、
前記ゲートウェイ装置は、センサノード毎に、前記時刻同期差分に基づいて、前記測定値を補正する、同期方法。
【００６６】
この出願は、２０１９年１月１６日に出願された日本出願特願２０１９−００５３５０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００６７】
１            モニタリングシステム
１０            同期制御システム
１１ａ、１１ｂ、・・・１１ｎ              センサノード
１２            無線ネットワーク
１３            ゲートウェイ装置
１４            広域ネットワーク
１５            分析サーバ
４０ａ、４０ｂ、・・・４０ｎ              制御対象機器
４１            無線ノード
１１１            同期部
１１２            差分計算部
１１３            測定部
１１４            補正情報送信部
１１５            時計部
１３１            同期パケット送信部
１３２            補正部
１３３            時計部
１４１            同期部
１４３            制御部
１４５            時計部
【図１】
2020149103.tif 000003
【図２】
2020149103.tif 000004
【図３】
2020149103.tif 000005
【図４】
2020149103.tif 000006
【図５】
2020149103.tif 000007
【図６】
2020149103.tif 000008
【図７】
2020149103.tif 000009
【図８】
2020149103.tif 000010
【国際調査報告】
2020149103.tif 000011
2020149103.tif 000012
2020149103.tif 000013
2020149103.tif 000014
2020149103.tif 000015
2020149103.tif 000016