広島工業大学紀要研究編
第 45 巻（2011）pp.219-223

論文

センサネットワークを用いた移動体監視フレームワークに関する研究
長坂康史 *・千葉達哉 **（平成22年10月29日受付）

A Study on Framework for Observation of Moving Objects Using Sensor NetworkYasushi NAGASAKA* and Tatsuya CHIBA**(Received Oct. 29, 2010)

Abstract
For realizing the ubiquitous society, several technologies to observe moving objects have beendeveloped in recent years. A lot of sensor nodes are used and the sensor network is introduced
in most cases. The management of the nodes is, however, not easy, because there are lots ofnodes. Moreover, not all the networks consist of only one kind of sensors. They make it difficult
to handle the data in the sensor network. Therefore, a general-purpose framework for transferring data in the network has been developed. The proposed framework has implemented thefunctions not only to calculate the location of the moving object but also to predict it in the next
unit time with data of near nodes. Performance measurements also have been performed toevaluate the framework. As a result, the effectiveness of the proposed framework has been confirmed because of the small processing time and the good scalability.
Key Words: sensor network, observation of moving object, software framework

備えた小型のセンサノードを多数配置し，そのセンサノー１．はじめにド間を相互に接続したネットワークのことである。センサ

ヒト等の移動体を監視する技術は古くから注目されてお自体が低コストであることと同時に，通信範囲内にノードり，多くの活発な研究が行われている。この移動体監視技がない場合でも，他のノードが通信を中継する機能を持た術として，近年の情報技術の発展により，GPS を始めとせることができるため，より広い領域を高密度で網羅するして，Active Badge［１］やマルチカメラシステム［２］なことが可能である。しかし，センサネットワークでは，領ど数多くの技術やシステムが開発されている。しかし，監域内に配置されたセンサノードから大量のセンサデータが視対象の移動体を検知するための装置，例えば，監視カメ発生し，これらのデータを効率よく処理する仕組みが必要

ラなどは，運用の際に電源やネットワーク等のインフラをである。また，用途に応じて用いるセンサが異なることや，必要とするために，屋外などでの運用が難しいという問題

適応事例に対応した専用のシステムを開発しなければならがあった。

ないという課題も存在する。

この問題は，センサネットワーク［３］を用いることで解そこで本研究では，センサネットワークを用いた移動体決することが可能であると考える。センサネットワークと監視を汎用的に利用することができるフレームワークを提は，無線通信機能と演算機能，そしてセンサやバッテリを案する。この提案フレームワークは，移動体の位置を検知＊＊＊

広島工業大学工学部情報工学科＊＊＊

三菱スペース・ソフトウェア株式会社― 219 ―

長坂康史・千葉達哉

する機能，センサノードやシンクノードを管理するセンサネットワーク管理機能等の移動体監視に必要な機能だけではなく，複数のセンサノードから収集されるデータから移３．提案フレームワーク
3.1

提案フレームワークの概要

動体の位置情報へ変換し，その位置情報を用いて移動体の提案フレームワークの API 構造を図２に示す。本提案

移動方向や移動速度を計算し，移動の予測をするための情

フレームワークには，移動体の移動先を予測する機能，セ報を提供する機能を実装する。本提案フレームワークを用

ンサノードやシンクノードを管理する機能等のセンサネッ

いた監視システムでは，この位置情報と移動体情報，すなトワークを用いて移動体監視を行うための API 機能が移

わち，移動速度と移動方向を用いて移動体の監視を行う。

動体監視 API として実装されている。それに加えて，センサノード ID や移動体オブジェクト等のデータを送受信

２．提案フレームワークで想定する移動体監視システム
本研究におけるセンサネットワークを用いた移動体監視する通信 API や，移動体の位置情報，移動方向や移動速度といった，移動体情報を管理する移動体情報管理 APIが実装されている。

システムでは，複数のセンサノードを用いて移動体監視をまた，提案フレームワークでは，監視領域を複数の区域行う。センサネットワークを用いた移動体監視システムのに分割し，それぞれにシンクノードを配置して区域を管理

概要を図１に示す。

させることで移動体の監視を行う。

図１

図２

センサネットワークを用いた移動体監視システムの概要図

本研究では，図１に示す通り，複数のセンサノードとそ3.2

提案フレームワークの API 構造

位置情報の処理

れらセンサノードを管理するシンクノード，そして，シス

提案フレームワークでは，監視領域をローカル座標としテム全体を管理するサーバでの構成を想定している。各セて取り扱う。さらに，センサノードを格子状に設置し，そンサノードは，自身の持つセンサを用いて移動体の検知をれぞれに位置情報と関連付けた ID を付加する。これによ行う。移動体を検知した場合，センサから得たセンサデー

り，センサノードの ID のみを用いて位置情報を求めるこタをシンクノードに送信する。シンクノードは，受信したとができ，センサの種類に依存しないシステムを構築するセンサデータをサーバへ送信する。そして，サーバではシことが可能となると考える。センサノード ID とその例をンクノードから受信したセンサデータを用いて移動体監視

図３に，センサノードの配置例を図４に示す。

を行う。
センサネットワークでは，センサノード同士が通信を行うことで，通信範囲外のノードと通信を行うことが可能である。また，センサノードは自身がバッテリを搭載してい図３センサノード ID の例

図４

センサノードの配置例

るために運用の際に必要とするインフラが少ない。そのため，センサノードを増やすことで，監視領域を広げることが容易である。さらに，センサの種類を変更，もしくは増やすことにより，監視対象に応じた可変的なシステムを構築することが可能となる。
しかし，センサネットワークは，センサノードの数に比例して送信されるセンサデータの数が増加するため，これらを処理する仕組みが必要である。また，センサの種類に応じて，専用のシステムを構築する必要がある。本研究で図３に示す通り，センサノードの ID はセンサノードのは，これらの課題を解決するフレームワークを提案する。

位置を示す値となっている。内訳は，区域 ID（ID），区域― 220 ―センサネットワークを用いた移動体監視フレームワークに関する研究

内の横座標（Ｘ），縦座標（Ｙ）となっている。提案フレー
ムワークでは，センサノードが移動体検知時にこのセンサノード ID を送信する。シンクノードでは，この ID から，移動体の位置を計算する。また，シンクノードを原点として，センサが離れていくほどに，センサ ID のＸ，Ｙ座標が１ずつ増加していく。また，シンクノードが管理する区域には ID が付加されており，サーバはこの ID を用いて分割した区域を管理する。例えば，区域 ID00 においてシンクノードから X 座標が５，Ｙ座標が２離れているセン
サノードの ID は【00】【05】【02】となる。なお，センサノードをある程度均等に配置することにより，前述したセンサ
ノード ID から位置情報を求めることが容易となる。
3.3

移動傾向の計算

前述したセンサノード ID より位置情報を計算した後，提案フレームワークでは移動体の移動方向（以下，移動傾向）と移動速度を計算する。なお，計算される移動方向と移動速度は，直近の２点間の移動傾向と，全体の移動傾向の２方向と速度である。その概要を図５に示す。

図６

移動体オブジェクトのクラスの概要（MovingInfo）として直近の２点間の移動方向と移動速度
図５（twoPoint）と，全体の移動方向と移動速度（ﬁrstToLast）

移動傾向の計算が 格 納 さ れ て い る。 移 動 体 の 位 置 情 報 ク ラ ス で あ る
図５では，移動体がセンサＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの順番に通過

PositionInfo には移動体を検知した位置（x，y）と時間したと仮定している。この場合，直近の２点の移動傾向（Vcd（time），センサノードの ID（sensorID），移動体の移動傾とθcd） と， 全 体 の 移 動 傾 向（Vadとθad） が 計 算 さ れ る。

向クラスである MovingInfo には移動体の移動速度（v）

提案フレームワークでは，この移動傾向を用いて移動体監と移動方向（angle）が格納されている。

視を行う。
3.5
3.4

提案フレームワークを用いたシステムの概要

提案フレームワークを用いたシステムの概要を図７に示す。

移動体オブジェクト

提案フレームワークでは，移動体情報を移動体オブジェ

シンクノードでは，センサノードから受信したデータを用クトとして捉え，センサノードから受信したデータを用いいて移動体情報を計算し，その移動体情報を用いて自身の管てこれを更新する。移動体オブジェクトに関するクラスを理する区域で移動体監視を行う。ここでの移動体監視とは，図６に示す。

移動体情報を用いて一秒後の移動体の位置を計算することで図６に示す通り，移動体クラスは MovingObject としてある。移動体監視を行った結果，シンクノードが管理する区表記され，その中には移動体 ID（movingObjectID）と位域を移動体が超えると判断した場合，移動体オブジェクトを置情報オブジェクト（PositionInfo）として，移動体を検シリアライズしてサーバへ送信する。サーバは受信した移動知した最初の点（ﬁrst），移動体を最後に検知した直近の体オブジェクトをデシリアライズした後，その移動体オブジェ２ 点（previous，last） が， 移 動 傾 向 オ ブ ジ ェ ク トクトを用いて監視領域全体についての移動体監視を行う。

― 221 ―

長坂康史・千葉達哉

りに，コストが低く，なおかつ消費電力が少ないという特徴を持つ，センサネットワークを構築するための短距離無線プロトコルの一つである。

図７

図８

提案フレームワークを用いたシステムの概要

4.3

４．性能評価センサボードブロック図

結果と考察

性能評価を行った結果を図９，および図 10 に示す。図

提案フレームワークの性能評価を行うために，フレーム９はノード数の増加による，フレームワークが持つ機能のワークを用いてシステムを実装し，シンクノードではセン処理時間への影響を示すものである。また，図 10 はノーサノード数の増加と処理時間の関係を，サーバではシンクド数の増加による，システムの総処理時間とフレームワーノード数の増加と処理時間の関係を測定した。なお，測定

クの総処理時間への影響である。なお，測定結果はセンサ項目をフレームワークの各機能の処理時間とシステム全体ノード，シンクノード間とシンクノード，サーバ間の通信の処理時間とした。また，測定にあたり，ノード数を仮想を 100 回ずつ行った値の平均である。

的に３，６，…，48 台と増加させることで測定を行った。
4.1

測定環境

表１にそれぞれセンサノード，シンクノード，サーバの仕様を示す。性能測定は，サーバ１台，シンクノード１台，センサノード３台で行った。
表１

サーバ

シンクノードセンサノード

4.2

CPUメモリOSCPUメモリ
OSCPUメモリ
OS

性能一覧

IntelⓇ XenonⓇ 2.66 GHz
256 MB
Scientiﬁc Linux CERNIntelⓇ CeleronⓇ 1.73Ghz
2 GB
Ubuntu release 9.10
PIC16F648A
256 byteなし

図９ノード数の増加によるフレームワークが持つ機能の処理時間への影響

図 10

ノード数の増加によるシステムの総処理時間とフレームワークの総処理時間への影響

センサボード

性能評価を行うに当たり，センサボードを作成した。そのセンサボードのブロック図を図８に示す。センサボードには電源と CPU，赤外線センサ，タイマ回路，そして通信のために Xbee と呼ばれる Zigbee と呼ばれるプロトコルを用いるための無線通信モジュールを搭載している。なお，Zigbee とは，通信速度が低速で伝送距離も短い代わ― 222 ―

センサネットワークを用いた移動体監視フレームワークに関する研究

図９中の各線は，凡例において，上からシンクノードに情報へ変換し，その位置情報を用いて移動体の移動速度とおける移動傾向の計算，移動体オブジェクトの更新，移動移動方向を計算する機能を実装した。提案フレームワーク

体監視，移動体オブジェクトのシリアライズ，サーバにおは，センサノードの ID から位置を検出することにより，ける移動体オブジェクトのデシリアライズ，移動体監視とセンサの種類を問わず位置情報を取り扱うことが可能とななっている。図９より，フレームワークが持つ機能の処理る。また，移動体をオブジェクトとして捉え，移動体情報時間は，ノード数の増加による処理時間への影響は少なく，をこのオブジェクトに格納することにより，移動体情報の処理時間は非常に緩やかな増加をしていることが分かる。

管理を容易に行うことが可能となる。

また，図 10 中の各線は，凡例において，上からシンクノー

また，性能評価より，提案フレームワークはノード数のドにおける総処理時間，サーバにおける総処理時間，シン増加に対して有効であることが分かった。しかし，システ

クノードにおけるフレームワークの総処理時間，サーバにムの総処理時間はノード数の増加と比例して増加していおける総処理時間となっている。図 10 より，ノード数とた。これは，ノード数の増加による，データ受信待ち時間比較してシステムの総処理時間が増加していることが分かが発生しているためであると考えられる。今後の課題としる。これは，ノード数の増加により，受信側でデータ受信て，この待ち時間の減少が挙げられる。の待ち時間が発生しているためであると考えられる。

参考文献

図 10 ではノード数の増加によるフレームワークの総処理時間への影響も示している。図より，提案フレームワー［１］R. Want, A. Hopper, V. Falcao, and J. Gibbons.

クの総処理時間はノード数の増加に関わらずシンクノー

The Active Badge Location System, in ACM

ド，サーバともに緩やかに増加していることが分かった。

Transactions on Information Systems, pp.91-102, 1992.

この結果より，提案フレームワークを導入することによる［２］R. Collins, et al. A system for video surveillance and影響はノード数が増加していくごとに非常に小さくなって

monitoring: VSAM final report , Technical report

行くことが分かる。

CMU-RI-TR-00-12, Robotics Institute, CMU, May 2000.
［３］戸辺義人， 無線センサネットワークの技術動向 ，５．まとめ

電子情報通信学会論文誌（B）, vol. J90-B, no.8, pp.719771, Aug, 2007.

本研究では，センサネットワークを用いて移動体監視を行うためのフレームワークを提案し，その有効性を検証し［４］千葉，長坂：「センサネットワークを用いた移動体監た。提案フレームワークは移動体監視の機能だけではなく，視システムのための汎用フレームワークに関する研

センサノードが送信したセンサノード ID を移動体の位置究」，FIT2009― 223 ―

第８回情報科学技術フォーラム（2009）