特許 6027503 センサネットワークシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6027503

(24)【登録日】2016年10月21日

(45)【発行日】2016年11月16日

(54)【発明の名称】センサネットワークシステム

(51)【国際特許分類】

   G01D 21/00 20060101AFI20161107BHJP

   G08C 17/00 20060101ALI20161107BHJP

【ＦＩ】

   G01D21/00 Q

   G08C17/00 Z

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-157690(P2013-157690)

(22)【出願日】2013年7月30日

(65)【公開番号】特開2015-28439(P2015-28439A)

(43)【公開日】2015年2月12日

【審査請求日】2015年6月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100129230

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 理恵

(72)【発明者】

【氏名】大嶋 尚一

(72)【発明者】

【氏名】松永 賢一

(72)【発明者】

【氏名】近藤 利彦

(72)【発明者】

【氏名】森村 浩季

(72)【発明者】

【氏名】加々見 修

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１７２９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−７９３２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２９２３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２３３９４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ２１／００−２１／０２

Ｇ０８Ｃ１３／００−２５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１つ以上のセンサ端末と受信装置とを備えたセンサネットワークシステムであって、
前記センサ端末は、
環境の状態に応じて電気エネルギーを生み出す環境発電素子と、
前記環境発電素子が生み出した電気エネルギーを蓄積する蓄電素子と、
前記蓄電素子に蓄積された電気エネルギーを用いてセンサ端末に付与された端末ＩＤを送信する送信手段と、
前記蓄電素子の電圧値を検知し、前記電圧値が第１の閾値以上になった場合に前記送信手段に前記端末ＩＤを送信させ、前記電圧値が第２の閾値以下になった場合に前記送信手段に前記端末ＩＤの送信を停止させるモニタ手段と、を有し、
前記受信装置は、
前記センサ端末が送信する前記端末ＩＤを受信する受信手段と、
前記端末ＩＤ毎に前記端末ＩＤの通信頻度を求めて前記センサ端末により観測された環境の相対的な統計量とする解析手段と、を有すること
を特徴とするセンサネットワークシステム。

【請求項2】

前記解析手段は、前記環境の相対的な統計量を物理量へ変換することを特徴とする請求項１記載のセンサネットワークシステム。

【請求項3】

前記センサ端末は、環境の状態を検知するセンサをさらに備え、
前記モニタ手段は、前記蓄電素子の電圧値が第３の閾値以上となった場合に前記センサを動作させ、前記センサの出力値が所定の範囲内であった場合に、前記送信手段に前記端末ＩＤを送信させることを特徴とする請求項１又は２記載のセンサネットワークシステム。

【請求項4】

前記センサ端末は、高速で発振器を起動する高速起動発振器をさらに備え、
前記モニタ手段は、前記蓄電素子の電圧値が前記第１の閾値に満たない場合は前記送信手段及び前記高速起動発振器に前記蓄電素子からエネルギーを供給せず、前記蓄電素子の電圧値が前記第１の閾値以上になった場合に前記送信手段及び前記高速起動発振器に前記蓄電素子から電気エネルギーを供給して前記送信手段に前記端末ＩＤを送信させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサネットワークシステム。

【請求項5】

前記受信装置は、前記センサ端末の位置を推定する位置推定手段をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の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、環境をモニタリングする技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、多数のセンサを身のまわりに配置し、センサからの情報を収集して解析するサービスを提供するセンサネットワークが商用化されつつある。センサネットワークには、配線の煩わしさを回避するため、無線を用いてデータを送信する無線センサ端末が使用されている。従来の無線センサ端末では、センサによりセンシングされた信号をセンサ回路、Ａ／Ｄ変換回路によりディジタルデータへと変換し、変換したディジタルデータを無線回路により送信する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

センサネットワークでは多数の無線センサ端末を使用するため、無線センサ端末のコストの低減が課題となる。従来の無線センサ端末は、センサ回路、Ａ／Ｄ変換回路、ＣＰＵといった高度な信号処理回路が必要となるため、コストの低減が困難であるといった問題があった。また、無線センサ端末の電源として電池を用いた場合は、電池を交換するコストが発生するという問題があった。

【0004】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、環境をモニタリングするセンサネットワークのコストを低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係るセンサネットワークシステムは、１つ以上のセンサ端末と受信装置とを備えたセンサネットワークシステムであって、前記センサ端末は、環境の状態に応じて電気エネルギーを生み出す環境発電素子と、前記環境発電素子が生み出した電気エネルギーを蓄積する蓄電素子と、前記蓄電素子に蓄積された電気エネルギーを用いてセンサ端末に付与された端末ＩＤを送信する送信手段と、前記蓄電素子の電圧値を検知し、前記電圧値が第１の閾値以上になった場合に前記送信手段に前記端末ＩＤを送信させ、前記電圧値が第２の閾値以下になった場合に前記送信手段に前記端末ＩＤの送信を停止させるモニタ手段と、を有し、前記受信装置は、前記センサ端末が送信する前記端末ＩＤを受信する受信手段と、前記端末ＩＤ毎に前記端末ＩＤの通信頻度を求めて前記センサ端末により観測された環境の相対的な統計量とする解析手段と、を有することを特徴とする。

【0006】

上記センサネットワークシステムにおいて、前記解析手段は、前記環境の相対的な統計量を物理量へ変換することを特徴とする。

【0007】

上記センサネットワークシステムにおいて、前記センサ端末は、環境の状態を検知するセンサをさらに備え、前記モニタ手段は、前記蓄電素子の電圧値が第３の閾値以上となった場合に前記センサを動作させ、前記センサの出力値が所定の範囲内であった場合に、前記送信手段に前記端末ＩＤを送信させることを特徴とする。

【0008】

上記センサネットワークシステムにおいて、前記センサ端末は、高速で発振器を起動する高速起動発振器をさらに備え、前記モニタ手段は、前記蓄電素子の電圧値が前記第１の閾値に満たない場合は前記送信手段及び前記高速起動発振器に前記蓄電素子からエネルギーを供給せず、前記蓄電素子の電圧値が前記第１の閾値以上になった場合に前記送信手段及び前記高速起動発振器に前記蓄電素子から電気エネルギーを供給して前記送信手段に前記端末ＩＤを送信させることを特徴とする。

【0009】

上記センサネットワークシステムにおいて、前記受信装置は、前記センサ端末の位置を推定する位置推定手段をさらに有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、センサ端末が環境の状態に応じた電気エネルギーを生み出す環境発電素子と環境発電素子が生み出した電気エネルギーを蓄積する蓄電素子を備え、蓄電素子の電圧値が第１の閾値以上であった場合に、蓄電素子に蓄積された電気エネルギーを用いて端末ＩＤを送信し、受信装置が端末ＩＤを受信して端末ＩＤ毎に通信頻度を求めてセンサ端末により観測された環境の相対的な統計量とすることにより、センサ端末を安価に構成でき、環境をモニタリングするセンサネットワークのコストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施の形態における無線センサネットワークシステムの構成を示す機能ブロック図である。

【図2】蓄電素子に蓄積されるエネルギーの変化と端末ＩＤの送信状態を示すグラフである。

【図3】無線センサ端末の位置情報を利用した相対的な環境情報マップの例を示す図である。

【図4】第２の実施の形態における無線センサネットワークシステムの構成を示す機能ブロック図である。

【図5】第３の実施の形態における無線センサネットワークシステムの構成を示す機能ブロック図である。

【図6】第４の実施の形態における無線センサネットワークシステムの構成を示す機能ブロック図である。

【図7】第５の実施の形態における無線センサネットワークシステムの構成を示す機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における無線センサネットワークシステムの構成を示す機能ブロック図である。本実施の形態における無線センサネットワークシステムは、複数の無線センサ端末１Ａ〜１Ｄと受信装置２を備える。

【0013】

無線センサ端末１Ａ〜１Ｄは、環境発電素子１１、蓄電素子１２、電圧モニタ回路１３、端末ＩＤ記憶部１４、および無線送信部１５を備える。無線センサ端末１Ｂ〜１Ｄの構成は、無線センサ端末１Ａと同様である。

【0014】

環境発電素子１１は、太陽電池、温度差発電素子、振動発電素子などの環境の状態に応じたエネルギーを生み出す素子である。収集したい環境情報に応じた種類の環境発電素子１１を用いる。

【0015】

蓄電素子１２は、コンデンサや二次電池などの電気エネルギーを蓄積する素子である。蓄電素子１２は、環境発電素子１１が発電した電気エネルギーを蓄積する。

【0016】

電圧モニタ回路１３は、蓄電素子１２の電圧値を検知し、検知した電圧値が第１の閾値以上であった場合は端末ＩＤを送信する指示を無線送信部１５に出す。また、検知した電圧値が第１の閾値より小さい第２の閾値以下となった場合は端末ＩＤの送信を停止させる指示を無線送信部１５に出す。端末ＩＤは、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄそれぞれに付与された識別子である。第１の閾値は、無線送信部１５を動作させることができる電圧値以上に設定する。

【0017】

端末ＩＤ記憶部１４は、端末ＩＤを記憶する。

【0018】

無線送信部１５は、蓄電素子１２に蓄積されたエネルギーを用いて、端末ＩＤ記憶部１４から端末ＩＤを読みだして受信装置２へ送信する。無線送信部１５が端末ＩＤを送信する間は、無線送信部１５により蓄電素子１２に蓄積されたエネルギーが消費され、無線送信部１５が端末ＩＤを送信していない間は、環境の状態に応じて、蓄電素子１２に蓄積されるエネルギーが増加する。

【0019】

無線センサ端末１Ａ〜１Ｄが送信した端末ＩＤは、受信装置２が受信する。図１に示すように、受信装置２は無線受信部２１と信号処理部２２を備える。無線受信部２１は、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄが送信した端末ＩＤを受信する。信号処理部２２は、端末ＩＤ毎に単位時間あたりの通信頻度を求めて、各無線センサ端末１Ａ〜１Ｄにより観測された環境の相対的な統計量とする。

【0020】

ここで、無線送信部１５が端末ＩＤの送信開始、送信停止を繰り返す動作について説明する。図２は、蓄電素子１２に蓄積されるエネルギーの変化と端末ＩＤの送信状態を示すグラフである。縦軸に蓄電素子１２の電圧値をとり、横軸に時間をとった。環境発電素子１１が生み出したエネルギーは蓄電素子１２に蓄積されて電圧値は増加する。蓄電素子１２の電圧値が第１の閾値（図の閾値１）以上になると、無線送信部１５は、蓄電素子１２に蓄積されたエネルギーを利用して端末ＩＤの送信を開始する。無線送信部１５が蓄電素子１２に蓄積されたエネルギーを利用するので、蓄電素子１２の電圧値は減少する。蓄電素子１２に蓄積されたエネルギーの電圧値が第２の閾値（図の閾値２）以下になると、無線送信部１５は端末ＩＤの送信を停止する。無線送信部１５が端末ＩＤの送信を停止すると、エネルギーの消費量が減るので、再び環境発電素子１１が生み出したエネルギーが蓄電素子１２に充填される。その結果、図２に示すように、無線送信部１５は、蓄電素子１２の電圧値に応じて送信開始と送信停止を繰り返すことになる。

【0021】

環境発電素子１１が生み出すエネルギー量が大きくなるほど蓄電素子１２の電圧値は速く上昇するので、端末ＩＤの送信間隔は短くなり、端末ＩＤの通信頻度が高くなる。例えば、環境発電素子１１として太陽電池を使用した場合、輝度が高い場合は発生するエネルギー量が大きいため端末ＩＤの通信頻度が高くなる。温度や振動などの場合も同様である。環境発電素子１１が生み出すエネルギー量は環境の違いにより多寡が発生するため、環境発電素子１１が生み出すエネルギー量が大きい無線センサ端末１Ａ〜１Ｄほど端末ＩＤの通信頻度が高くなる。そこで、受信装置２では、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄそれぞれの端末ＩＤの送信回数をカウントし、単位時間あたりの端末ＩＤの送信回数を環境の状態を表す相対的な統計量とする。あるいは、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄが端末ＩＤの送信を停止してから送信を開始するまでの間隔、つまり蓄電素子１２が第２の閾値から第１の閾値まで充電される時間を環境の状態を表す統計量としてもよい。

【0022】

図３に示すように、複数の無線センサ端末１Ａ〜１Ｄそれぞれの設置場所を予め記憶しておけば、相対的な環境情報マップを作成することも可能である。図３の例では、単位時間あたりの通信頻度は以下のとおりである。

【0023】

無線センサ端末１Ａの通信頻度は単位時間あたり１０回
無線センサ端末１Ｂの通信頻度は単位時間あたり５回
無線センサ端末１Ｃの通信頻度は単位時間あたり７回
無線センサ端末１Ｄの通信頻度は単位時間あたり１回

【0024】

また、予め端末ＩＤの通信頻度に対する環境状態がわかる場合は、端末ＩＤの通信頻度から環境状態を数値化することができる。例えば、次式を用いて単位時間あたりに生み出されるエネルギー量を算出し、環境発電素子１１の環境状態に対する単位時間の発電エネルギー量を比較することで、環境状態を示す物理量を絶対値化することができる。

【0025】

単位時間の発電エネルギー量＝通信頻度×端末ＩＤの送信に必要となるエネルギー量
例えば、図３の例で、温度に応じて発電エネルギー量が変化する環境発電素子１１を用いた場合、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄそれぞれの端末ＩＤの通信頻度から温度の絶対値を以下のように求めることができる。

【0026】

無線センサ端末１Ａの通信頻度＝１０回／単位時間＝温度６５℃
無線センサ端末１Ｂの通信頻度＝５回／単位時間＝温度３２℃
無線センサ端末１Ｃの通信頻度＝７回／単位時間＝温度４８℃
無線センサ端末１Ｄの通信頻度＝１回／単位時間＝温度１８℃

【0027】

以上説明したように、本実施の形態によれば、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄが環境の状態に応じたエネルギーを生み出す環境発電素子１１、環境発電素子１１が発電したエネルギーを蓄積する蓄電素子１２を備え、蓄電素子１２の電圧値が第１の閾値以上であった場合に端末ＩＤを送信し、受信装置２が端末ＩＤを受信して、端末ＩＤ毎に単位時間あたりの通信頻度を求めて、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄにより観測された環境の相対的な統計量とすることで、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄにおいて高度な信号処理をする必要がなくなり、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄのコストを抑えることができる。また、環境発電素子１１が発電したエネルギーを用いて無線センサ端末１Ａ〜１Ｄを動作させるので、電池を交換する必要がなくなる。

【0028】

［第２の実施の形態］
図４は、第２の実施の形態における無線センサネットワークシステムの構成を示す機能ブロック図である。第２の実施の形態における無線センサネットワークシステムは、第１の実施の形態の無線センサ端末１Ａ〜１Ｄに環境状態を検出するセンサ１６をさらに備える。

【0029】

センサ１６は、環境発電素子１１と異なる環境の状態を検知するものでもよいし、同じ環境の状態を検知するものでもよい。例えば、環境発電素子１１に太陽電池を用いた場合、センサ１６は温度を検知するものでもよいし、輝度を検知するものでもよい。

【0030】

電圧モニタ回路１３は、蓄電素子１２の電圧値を検知し、検知した電圧値が第３の閾値以上になるとセンサ１６を動作させる。センサ１６の出力値が一定値以上、一定値以下、あるいは所定の範囲内であった場合に、無線送信部１５を動作させて端末ＩＤを送信する。

【0031】

無線センサ端末１Ａ〜１Ｄがセンサ１６を備えることで、環境発電素子１１が検知する環境状態とは異なる別の環境状態を考慮して端末ＩＤを送信することができる。

【0032】

［第３の実施の形態］
図５は、第３の実施の形態における無線センサネットワークシステムの構成を示す機能ブロック図である。第３の実施の形態における無線センサネットワークシステムは、第１の実施の形態の無線センサ端末１Ａ〜１Ｄに高速起動発振器１７をさらに備える。

【0033】

電圧モニタ回路１３が検知する蓄電素子１２の電圧値が第１の閾値に満たない場合は、無線送信部１５及び高速起動発振器１７へエネルギーを供給せず、蓄電素子１２の電圧値が第１の閾値以上となった場合に、無線送信部１５及び高速起動発振器１７へエネルギーの供給を開始する。無線送信部１５及び高速起動発振器１７にエネルギーが供給されると発振器が高速起動し、無線送信部１５が端末ＩＤを送信する。高速起動発振器１７として、リング共振器や、ＳＡＷ・ＦＢＡＲデバイスなどの水晶振動子よりもＱ値の低い素子を共振器として使用した発振器を用いてもよい。

【0034】

蓄電素子１２の電圧値が第１の閾値に満たないときには、無線送信部１５及び高速起動発振器１７へエネルギーを供給しないので、環境発電素子１１が生み出すエネルギーで消費されるものは、蓄電素子１２のリークと電圧モニタ回路１３が消費するエネルギーだけとなり、消費エネルギーが小さくなり、環境発電素子１１のサイズを小さくすることができる。また、高速で起動する発振器を備えることで、端末ＩＤを送信するまでの起動時間を短く抑えるもことができ、無線送信部１５の消費エネルギーを削減し、遠距離への通信が可能となる。

【0035】

なお、第２の実施の形態と第３の実施の形態の無線センサ端末を組み合わせてもよい。

【0036】

［第４の実施の形態］
図６は、第４の実施の形態における無線センサネットワークシステムの構成を示す機能ブロック図である。第４の実施の形態における無線センサネットワークシステムは、第１の実施の形態の受信装置２に位置推定部２３をさらに備えたものである。

【0037】

位置推定部２３は、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄが送信する電波の到来角情報や端末ＩＤとともに送信される送信時間情報などを利用して無線センサ端末１Ａ〜１Ｄの位置を推定する。

【0038】

受信装置２が無線センサ端末１Ａ〜１Ｄの位置を推定する位置推定部２３を備えることで、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄそれぞれの設置場所を予め記憶しておかなくても、相対的な環境情報マップを作成することが可能となる。

【0039】

［第５の実施の形態］
図７は、第５の実施の形態における無線センサネットワークシステムの構成を示す機能ブロック図である。第５の実施の形態における無線センサネットワークシステムは、第１の実施の形態の受信装置２で行なっていた解析を別の解析装置３に行わせたものである。

【0040】

受信装置２は、無線センサ端末１Ａ〜１Ｄから受信した電波から端末ＩＤを抽出して解析装置３へ送信する。

【0041】

解析装置３は、解析部３１と蓄積部３２を備える。解析部３１は、受信装置２が送信した端末ＩＤを無線センサ端末１Ａ〜１Ｄ毎に集計して、単位時間あたりの端末ＩＤの送信回数をカウントし、蓄積部３２に解析結果を蓄積する。

【0042】

なお、解析装置３は、受信装置２に直接接続してもよいし、ネットワークを介して接続してもよい。

【符号の説明】

【0043】

１Ａ〜１Ｄ…無線センサ端末
１１…環境発電素子
１２…蓄電素子
１３…電圧モニタ回路
１４…記憶部
１５…無線送信部
１６…センサ
１７…高速起動発振器
２…受信装置
２１…無線受信部
２２…信号処理部
２３…位置推定部
３…解析装置
３１…解析部
３２…蓄積部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】