計掛圧力軌制御学会東北文部第231回研究集会（2006．10．31）
資料番1J・23ト24

分散配置する複数センサノードのキャリブレーション手法の検討

A StudyonCalibrationMethodfbrDistributedMultipleSensor
Nodes○松島隆明＊，神田和也＊

OTakaakiMatsushima＊，KazuyaKallda＊＊鶴岡工業高等専門学校＊TsuruokaNationalCollegeofTechnology
キーワード：キャリブレーション手法（calibrationmethod），センサネットワーク（sensornetworks），センサノード（sensornode），分散配帯（distributeddeployment），MICA2MOTE（MICA2MOTE）
連絡先： 〒997−8511鶴岡市井同車沢田104鶴岡工業高等専門学校 電気電了′工学科神田研究室
神田 和也，Tbl．：（0235）25−9095，Fax．：（0235）24−1840，E−mai】：kanda①tsuruoka−nCt・aC・jp

はじめに，世界で最も普及し，研究開発用に提1． はじめに供されているプラットフォームMICA2MOTE（以近年の半導体技術及び無線通信技術の急速な進下MICA2）を用いて温度計測実験を行い，結果を歩を背景に無線センサネットワークがう生目されて示す．結果から解決すべき課題を明確にする．

いる．多く分野で研究が盛んに行われており，↑糾いて提案手法の検討および検証を行うため簡までにない新しいセンシングシステムが検討され易のセンサ端末を製作し，これを有線で接続したている．現れいくつもの要用的アプリケーションものをテストベッドとして製作し，MICA2とテスが提案されており，実証実験が行われているシス

トでベッドで行った温度測定結果を示す．

テムも数多くある．多万両の分野に展開する上で次に2つの段憎から成るキャリブレーション手法

解決すべき課題として，位置推定，時刻同期，低の提案を行い，実験の結果を用いて手法の処理手消費電力化などがある．特にセンサを用いた物理順を実際に示す．なお，木研究で使用するキャリブ現象の計測とキャリブレーションは常に存在するレーションとは，一般的な測定器の較止ではなく，課題であり，避けて通ることはできない．

センサネットワークをひとつの計測系とみなし，本研究では，アクセスの制限や動的な環境変化各㈹大の個体差を袖止し真他により近い統一したなどの制約の多い複数のセンサ端末を簡仮に，か他に収束させる事と定義する．無線センサネット

つ効果的にキャリブレーションするという課題にワークにおけるキャリブレーションはネットワー

対し，これを解決するための手法を提案すること

ク内の処理で行われることが目標であるが，木研を目的とする．
究においては，データを収集するPCで処理を行う・一1−−ものとする．仮定するセンサ端末の状態は，配置クロブロセッサは，電源の要求から，一般に処理密度が高く位置情報が明確であり，時刻同期がな速度を抑え，低消費電力動作がロ丁能なものが採用されているものとする．

される．そのような状況から，複雑な手法を実装するのはあまり現実的でないと考える．木研究では温度を対象に■した，簡便かつ効果的な手法の提2．計測上の課題案を目的とする．
無線センサネットワークはまったく新しいアプリケーションをロ丁能にする一方で，↑までに無い3．MICA2による基礎実験計測上の課題を生み出している．センサから有用

3．1 MICA2の概要な計測結果を取得するためには結果の止確さと精密さについて常に検討されていなければならない．

MICA2は米国Crossbow社が販売しているセンサ

従来の単一センサのキャリブレーションは特定の条ネットワーク用のプラットフォームである．MICA2件と既知の測定対象をセンサに与えることによっのハードウェア仕様をTablelに示す．て，つまりセンサ出力と期待された伯を比較することによって行われる．これはセンサの製造工程

Tablel Thespeci員cationofMICA2．

や出荷前，出荷後にも手動で行うことができる．センサ単体だけでなく，装置の一部として組み込ま

Processor
RF Transceiver

AtmelATMega128L
ChipconCClOOOれた状態でも行われていなければならない．計測

RFfrequencyband 313．9〜316．1MHz

装置が時間とともに経時変化やその他の要因の影

Power source

AA Battery 2xExternalI／O

DIO，10bitADC，12C，UART，etC

響を受けるために，止しい測定を行うためには定期的にキャリブレーションを行うことが必要であMICA2にはセンサ類は搭載されていないため，る．しかし，数百から数千個またはそれ以上のセオプションのセンサボードMTS310CAを搭載する．

ンサ端末で構成される大規模なセンサネットワー

外観写真をFig．1に示す．MTS310CAはTbble2に示

クでは手動によるものや，単一センサと同じ手法すセンサを搭載した基板である．温度センサのみをとることは現実的ではない．また以下のようなを使用した．

センサ端末の状況も従来手法の実行を難しくする．
●センサへのアクセスの制限

Table2 011−board se11SOrS．
Photocell
CdSe Cell●センサの設置状況の複雑で動的な環境変化

Tbmperature Thermistor
Microphone Condenser Microphone●センサのドリフト（緯時変化，腐食，損傷等）

Accelerometer 2−Axis Accelerometer

Magnetometer P‑Axis Magnetometer

上記の条件をクリアするための手法がいくつか提案されている1）．しかし，ほとんどのものが位置推定を行うためのものであり，温度や照度などを3．2 評価実験対象にしたキャリブレーション手法を扱っているものは少数である．複雑な計算によってキャリブレー

木実験では，MICA2の温度，電源電圧を測定し，ションロ丁能なことを示す手法も存在するが，センセンサ出力のばらつきや電源電圧との相関を確認

サネットワークに使用される端末に搭載するマイする・実験環境をFig．2に示すように恒温槽（三洋電−2−3．3 実験結果
個体差を明確に示すために評価環境内でMICA2を1時間稼動させたときの電淑電圧，温度測定値をFig．3，Fig．4に示す．恒温楷内温度の安定を待っため，測定を開始する前に1時間以上運転を行っている．そのため温度が安定するまでのデータは除外している．また，Fig．4に示す温度測定結果には恒温楷の温度制御による周期的な温度変動が現

Fig．1MTS310CAmountedonaMICA2．

れている．この温度変動の2周期分をを抽出した機社製MIR−153）に8台のMICA2を40［mm］等間隔に温度測定グラフをFig．5に示す．Fig．3とFig．4の結並べる．MICA2のアンテナの指「叶性を考慮してす

果から電源電圧と温度測定値との相関関係は見らべてアンテナは垂直に立てた状態にした．PCに接れなかった．

縦されているMICA2を取り付けたMIB510は恒温楷外に配置した．恒温層の扉にはアクリルの窓があり，窓の前に基地局のMICA2のアンテナを真下に垂らすことで通信が行えることを確認した．樽内の温度は30「qに設定する．MICA2の管理およびデータ収集ソフトウェアとしてⅥ7indows環境で動作する，MoteViewl．4B（Crossbow社製 以下，161

MoteViewと呼ぶ）を用いた．なお，実験に使用し

封46

Tlnleけ11nU【e】

たMICA2を識別するため以下，Nodel，Node2，・Fig・3 Experimentalresultofbatteryvoltage．と記すことにする．

】（13【4f）

Tjnlerminute［Fig・2 SchematicdescriptionofExperimentalen−vironlllent．

ー3−Fig・4 Experilllelltalresultoftemperatureinthe
Temperaturecllambers．

Table3 Summary of the Sensirion SHTllsSpecihcations．3）
SensorType

SensirionSHTll

Channels

Range
Accuracy2‖1（1Humidity

Tbmperature

OtolOO［％］−40［℃］to80［℃〕±3．5【％RH］（typical） ±2［℃］
Resolution（Max．） 12bit
14bit
OperatingRange
2．4to5．5［V］
2−Wiredigitalinterface
Int，erface

ト4

Time恒血u【eI

Fig・5 Experimentalresultoftelnperatureinthe
Tbmperaturechambers・（Twoperiod）

4．テストベッドによる実験
4．1 センサ端末仕様
木研究では提案する手法を検討，実験するためのテストベッドをPIC（米国MicrochipTechnology社
Fig．6 PhotooftheSHTll．

製）を用いて製作する．／ナ回はセンサ端末に16F819，端末とPCの接縦に16F88を用いた．16F819と16F88

4．2 通信仕様

は共に内部発信回路を持っており，周辺回路をほ設計製作したセンサ端末の回路の構成図をFig．7

とんど必要としない．センサ端末の16F819はADに示す・電源電圧は5【V〕である・端末間の通信は変換端子が5チャンネルと多く，↑後のセンサ増設

Ⅰ2Cバスを用いた．12Cバスは2線式のシリアルバや変史を考慮して選択した．また，16F88はフラッス規格で，複数のICとデータ通信を行うことがでシュROMとSRAMの容量が大きくプログラムが複きる．PICにはシリアル通信用のレジスタが内蔵雑になっても十分対応できることから採用をした．

されており，このレジスタを用いることで通信でプログラムはC言語を使い，CCS社のクロスコンきる．またラインドライバなどのICも必要としなパイラを用いて開発を行った．センサ端末には，ス

い．16F819はSHTllとの通信と基地端末に使用す

イスのSensirion社が製造するディジタル温湿度セる16F88との通信制御のみを行う．

ンサSHTllを使用する．センサとアナログ回路，Procぞ2賢Or

A／D変換，メモリ，インターフェース回路がシングルチップ上に形成されており，2線式のディジタルインターフェースからディジタル出力で相対湿度と温度データを得ることができる．MICA2に接緋するセンサボードMTS400CAに搭載されていることや信号増幅回路等の周辺回路の必要が無く，端末をシンプルにできることから採用することにFig．7 BlockdiagralnOfthesensorunit．

した．センサの仕様をTable3に示す．また，外観提案する手法を検証するため，製作したセンサ

写真をFig．6に示す．

ー4−

端末を用いたテストベッドの構成図をFig．8に示す．
−一一 ト N（1del

各端末とPCとの通信は基地端末を介して行われる．

−−・A・…・・N（）（le2

通信方式はマスタースレーブ方式で，各端末の測定◇ Nりde4−−−−くトー NいJe5N（）de二号

一とり≡ ≡ 乱 ∈ 芦

データを取得し，測定データに端末番号を付力IlしてPCへRS−232C経由で転送する．PCにて時刻を十N11de（1…・・吠▲・・Node7一−− ト Nl血e8−【・▲ムー・− Nいdeり・−1◆… Nt）de川

付加し，集められた測定データをプログラムによって処理を行い各端末の補止他を算出する．
2747

Tjnle＝11j‖ulel

Fig・9 ExperimentalresultofusingSHTllinthe

Temperaturechalnbers，（011ehour）

Fig・8 ConstructionofCommunicationsystemof
the Testbed．

4．3 実験

：．j

6．5

川，7i4．9

T】me】m三‖uほ1

MICA2による評価実験と同様の環境を用いて温Fig・10 Experimentalresult ofusing SHTllin
theTemperaturechambers・（Twoperiod）度測定を行った．10台のセンサ端末のセンサ部が40〔mm］の等間隔となるように並べた．無線通信ではないため，必要な配線は恒温楷の左側面の測定

5．キャリブレーション手法の提案

穴より取り出した．温度を14bitで測定するため，5．1 手法

センサの仕様により高連なサンプリングは行えず，提案するキャリブレーション手法の目的は複数6秒間隔で温度データを取得するよう設定した．のセンサ端末をひとつの計測系として捉え，系の中でもっとも真他に近い基準値が求まるように各4．4 実験結果センサ端末のばらつきを取り除くことである．．ま1時間連続測定データをFig．9に，温度変動の約2た，センサ端末は，配置密度が高く，位置特定済周期分を抽出したグラフをFig．10にそれぞれ示す．

みであり，時刻同期がなされているものと仮定す

Fig．10より，センサ間で応答速度，変化率などのる．また，使用するセンサはヒステリシス特性の特性に違いがあることが確認できる．また，それ無いものとする．提案する手法は2段階に分かれぞれ個体差を有していることがわかる．ている．第1段階で計測値の変化などから同一の現象を測定していると思われるセンサ端末のペアを検出する．同一の現象を測定しているという判定も難しい課題であるが，木研究では取り扱わな
い．2段階で検出した2つの端末をNodeA，NodeBー5−−とし，時刻r五における測定値をそれぞれA宜，β宜とする．同時刻の同一現象を測定している状態であればAi＝Biとなる．NodeAの帖をⅩ軸に，NodeBの伯をY軸にとり，［A宜，朗］となるようプロットする．どのくらいのプロット数あるいは時間の範幽で，行うのかは使用するセンサや計測対象によって，異なると考えられる．これについての検討は

3【）．5

31

1l．5

32

N川lビA、；卯alトl↑彼の研究課題である．

これをFig．11に示す．散布

Fig．11Scatterplotoftimesynchronizedsignals．

図は封＝ごとなることが理想である．しかし何らAdatapointonthisplotispairofdatavaluestaken

かの原因でy＝ごとなることはまれである．Fig．11

by thetwosensorsat exactly thesameinstantintime．X−aXiscorrespondsto avalue reported theNodeAsigIlels；Y−aXiscorrespondstothevaluere−の散布図から最小∴乗法の式（1）（2）を用いてα，bを求め近似式封＝α諾＋わ導く，POrt，edbytheNode】〕signels．

m∑ニ1ノ4岩月盲−∑ニ1■4ト∑ニ1別

れ∑ニ1月壱2−（∑ニ1叫2（1）の組み合わせデータから得られる・【a，b〕の他はそ∑こ1A豆2∑ニ1βま−∑ニ1舶飢∑ニ1A乞
わ ＝

れぞれ【0．7950，−4．8595〕，［1．0414，−1．5776］，であっ（2）

れ∑：≧1月宜2一（∑≡1叫2た．aの他はほぼ1に近くなり予想通りであったが，bの伯はFig．5から見て取れる個体差よりも大きな

αはグラフの傾きであり同一のセンサを使用し他が出ており，一致していないとわかる．ていればほぼ1の伯を得られるはずである．No（leAを基準として考えれば，αの伯が1からどれほど差

テストベッドによる実験で得られたFig．10のデー異があるかで，NodeAに対してNodeBの出力特性タを基に処理を行うとFig．14とFig．15が得られる．

がどの程度遣うのか見ることができる．わは∬軸に【a，b］の伯はそれぞれ［0．6993，9・2108］，［1．1007，−3．9928］取った端末との個体差と考えることができる．ことなった．こちらもbの旭が処理前のデータから推ちらもNodeAを基準とすれば，わの他の差異の大察できる個体差よりもかなり大きくなっている．

きさによって，NodeBの各時刻での測定値が平均を導き出すことによって端末ごとの計測値のばら全ノードにおいて繰り返し行うことによってばら2つきを少なくすることができると考える．これを′C

一じ盲コ11ご乱∈とlト名〇Zる．得られたα及びぁの値を適切に処理し，補正値ヽJて︺﹁JrJ的にどのくらい遣いがあるのかを見ることができ8つきの補止が行える‥

3（）．4 二う（）．8 3l．2 3l．6324

NいJe4Temperalure†℃l5．2 実験データへの適応
Fig．12 ScatterplotofNode4pNode7signels．
基礎実験で得られたデータに提案する処理を行うとFig・12とFig・13が得られる．Fig．12及びFig．13
は恒温柏内温度測定で得られた周期変動を示しているFig．5のNode4とNode7，及びNode4とNode8−6−

53︑J

‖

rヒ巴コ︼空乱∈ 芦 苛 つ 〇 Z／−U8■33一旦巴︒l巴乱 ∈ 芦 笥 p ︒ N5り

つん3l．43l．63l．H

322りNllde4Temperalllrer℃】

Fig・13 ScatterplotofNode4−Node7signels・

29．5

3（1 3（）．5 二さI
NいdelTemperatリーモItl

15 Scatter Plot of NodeトNode8Fig・Signels．（Using SHTll）↑後もテストベッドの改良及び実験を行い，提案する手法の検討を進めたいと考えている．

封一〃盲⊃︼已乱∈U↑Nむつ︒Z

キャリブレーションが行われることを検討したい．

参考文献
31I3（）．5

1）Bychkovskiy V．．Megerian S．，Estrin D．，andPotkonjakM． ACo11aborativeApproachtoIn−
PlaceSensorCalibration InProceedingsofthe

封Nt）delTemper山urert，」

2ndlnternatior）alWorkshop onInformationProL

Fig■14 ScatterplotofNodel−Node2signels．（Us−ingSHTll）

2）巾村邦雄：計測工学入門，森北■L川扱（2001）

6．おわりに

3）有限会社シスコム デジタル温湿度センサSHTlx／SHT7x Datasheet（ver2．01）

CeSSinginSensorNetworks2003，301／316（2003）

現在一般に入手ロJ能であるセンサネットワーク

プラットフォームMICA2Moteを用いて，各端末の個体差がどの程度であるかを3章の評価実験結果で示した．

評価環境での結果から電源電圧とセンサ出力及びAD変換他との相関関係を見出そうとしたが，↑回使用したCdSeセルやサーミスタでは顕著な相関を見ることはできなかった，
提案した手法について実験データから実際のaとbの他を算出し，データをとることができた．ほぼ1の値を示すと予想したaが大きくぼらついてしまうことが確認できた．aとbについての関係や処理方法の定式化などにより，踏み込んだ検討を行う必要がある．また，aとbの他を用いて個々にデータにフィードバックすることにより，適止に−7−