JP2016019200A - センサノード通信端末、ホスト通信端末および無線センサネットワークシステム - Google Patents

Abstract

【課題】測定データの受信確率を向上させ、且つ全体の省電力化を図ることができるセンサノード通信端末、ホスト通信端末および無線センサネットワークシステムを提供する。
【解決手段】制御部１０は、時計部（ＲＴＣモジュール１３）で生成される同期時刻情報に基いて、所定のタイミングでホスト通信端末Ｈ１に対して、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを要求する要求信号を送信部（無線送受信装置１１）から送信し、該要求信号に応じてホスト通信端末から送信されて来る送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを受信部（無線送受信装置１１）で受信して、格納部１５に格納し、送信部を介して、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて、測定データをホスト通信端末に対して送信するように制御する。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、センサノード通信端末、ホスト通信端末および無線センサネットワークシステムに関する。

近年、電源を内蔵した小型の無線機能付センサ端末（センサノード通信端末）が開発されている。

このようなセンサノード通信端末は、例えば屋内外の建造物（橋、道路、鉄道、ビルディング等）などに複数個にわたって設置され、温度、湿度、歪量等の種々の物理量から成る環境情報の測定や分析に利用されている。

そして、複数のセンサノード通信端末から送信される測定データをホスト通信端末によって受信、格納して、その測定データに基いて建造物等の状態を自動的に測定し、監視する無線センサネットワークシステムが種々提案されている。

特開２０１３−３４２１０号公報

ところで、従来技術に係る無線センサネットワークシステムでは、センサノード通信端末とホスト通信端末との間における信号およびデータの送受信に、無線規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４（無線周波数は２．４〔ＧＨｚ〕）が用いられることが多かった。

この無線規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４は、データ転送速度は最高２５０ｋｂｐｓと比較的低速であるが、低コストで低消費電力という特徴を有している。

ところが、無線規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４は、基本的に非同期方式であるので、センサノード通信端末とホスト通信端末とで送受信時のタイムスタンプ（互いの基準時刻）が異なっている。そのため、センサノード通信端末がホスト通信端末に対して、一方的に測定データを送信することとなり、ホスト通信端末側でその測定データが受信されたか否かは不明であるという難点がある。

そこで、従来技術において送受信を確実に行うには、センサノード通信端末とホスト通信端末との間で送信要求（ＲＴＳ：Request To Send）と送信許可（ＣＴＳ：Clear To Send）とを交換し、互いに各種信号やデータの送受信処理（送受信動作）を行う必要があった。

しかしながら、センサノード通信端末における受信処理の頻度が高くなると消費電力が相対的に増え、光発電素子等で構成される自立型電源による連続運用が困難になるという問題がある。特に、送受信確率を向上させるために、センサノード通信端末が同じ測定データを複数回にわたって送信するように制御する場合もあるが、この場合には、トータルの送信処理時間が長くなり、センサノード通信端末側の消費電力が一層嵩むという不都合があった。

本実施の形態は、測定データの受信確率を向上させ、且つ全体の省電力化を図ることができるセンサノード通信端末、ホスト通信端末および無線センサネットワークシステムを提供する。

本実施の形態の一態様によれば、物理量を測定するセンサ部と、前記センサ部で測定した物理量を測定データとしてホスト通信端末に対して送信する送信部と、前記ホスト通信端末から送信されて来る所定のデータを受信する受信部と、同期時刻情報を生成する時計部と、前記送信部から前記測定データを送信するタイミングを規定する送信基準時刻の情報と、前記ホスト通信端末側における前記測定データの受信窓の割当て情報とを格納する格納部と、前記センサ部、前記送信部、前記受信部、前記時計部および前記格納部の動作を制御する制御部と、前記センサ部、前記送信部、前記受信部、前記時計部、前記格納部および前記制御部に電力を供給する電源部とを備え、前記制御部は、前記時計部で生成される同期時刻情報に基いて、所定のタイミングで前記ホスト通信端末に対して、前記送信基準時刻の情報と、前記受信窓の割当て情報とを要求する要求信号を前記送信部から送信し、該要求信号に応じて前記ホスト通信端末から送信されて来る前記送信基準時刻の情報と、前記受信窓の割当て情報とを前記受信部で受信して、前記格納部に格納し、前記送信部を介して、前記送信基準時刻の情報および前記受信窓の割当て情報に基いて、前記測定データを前記ホスト通信端末に対して定期的に送信するように制御するセンサノード通信端末が提供される。

本実施の形態の他の態様によれば、２以上のセンサノード通信端末から送信されて来る要求信号および測定データを受信する受信部と、前記要求信号に応じて、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを前記センサノード通信端末に対して送信する送信部と、同期時刻情報を生成する時計部と、前記センサノード通信端末から前記測定データを送信させるタイミングを規定する送信基準時刻の情報と、前記測定データを受信する受信窓の割当て情報とを格納する格納部と、前記送信部、前記受信部、前記時計部および前記格納部の動作を制御する制御部と、前記送信部、前記受信部、前記時計部、前記格納部および前記制御部に電力を供給する電源部とを備え、前記制御部は、前記受信部で、前記センサノード通信端末から送信されて来る前記要求信号を受信した際に、前記時計部で生成される同期時刻情報に基いて、所定のタイミングで前記センサノード通信端末に対して、前記送信基準時刻の情報と、前記受信窓の割当て情報とを前記送信部から送信し、前記送信基準時刻の情報および前記受信窓の割当て情報に基いて、所定のタイミングで前記センサノード通信端末から定期的に送信されて来る前記測定データを前記受信部で受信した際に、当該測定データを割当てられた前記受信窓に対応させて前記格納部に格納するように制御するホスト通信端末が提供される。

本実施の形態の他の態様によれば、本実施の形態に係る２以上のセンサノード通信端末と、ホスト通信端末とを備える無線センサネットワークシステムが提供される。

本実施の形態によれば、測定データの受信確率を向上させ、且つ全体の省電力化を図ることができるセンサノード通信端末、ホスト通信端末および無線センサネットワークシステムを提供することができる。

実施の形態に係るセンサノード通信端末、ホスト通信端末および無線センサネットワークシステムの概略構成を示す構成ブロック図。 実施の形態に係るセンサノード通信端末が備えるセンサ部の構成例を示す構成ブロック図。 実施の形態に係るセンサノード通信端末が備える電源部の構成例を示す構成ブロック図。 実施の形態に係る無線センサネットワークシステムの構成例を示す模式的構成図。 実施の形態に係る無線センサネットワークシステムにおけるセンサノード通信端末とホスト通信端末との信号およびデータの送受信の手順を示すシーケンス図。 実施の形態に係る無線センサネットワークシステムにおけるセンサノード通信端末とホスト通信端末との信号およびデータの送受信の他の手順を示すシーケンス図。 実施の形態に係る無線センサネットワークシステムにおけるセンサノード通信端末とホスト通信端末との信号およびデータの送受信の手順を示すタイミングチャート。 図７の続きを示すタイミングチャート。

次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（無線センサネットワークシステムの概略構成）
図１を参照して、本実施の形態に係る無線センサネットワークシステム１の概略構成について説明する。

図１は、実施の形態に係るセンサノード通信端末Ｎ１，Ｎ２、ホスト通信端末Ｈ１および無線センサネットワークシステム１の概略構成を示す構成ブロック図である。

まず、本実施の形態に係る無線センサネットワークシステム１は、複数のセンサノード通信端末Ｎ（Ｎ１，Ｎ２・・・）と、１台のホスト通信端末Ｈ１とから構成され、各センサノード通信端末Ｎ１，Ｎ２・・・とホスト通信端末Ｈ１との間における信号およびデータの送受信は、無線（所定周波数帯の電波）を介して行われるようになっている。

なお、説明の都合上、図１においては２台のセンサノード通信端末Ｎ１，Ｎ２のみについて図示するが、実際に稼働する無線センサネットワークシステム１では、３台以上のセンサノード通信端末Ｎを設けることが可能である。より具体的には、監視対象あるいは測定対象としての建造物等の種類、大きさや規模にもよるが、センサノード通信端末Ｎの総設置数は、例えば数十個から数百個あるいは数千個などの単位となる場合も有り得る。

また、センサノード通信端末Ｎが多数となる場合などには、受信効率等を考慮して、ホスト通信端末Ｈ１を２台以上設け、各ホスト通信端末Ｈ１で受信したデータ等を所定のネットワークを介して統合するようにしてもよい。

［センサノード通信端末の概略構成］
図１を参照して、実施の形態に係るセンサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２）の概略構成について説明する。なお、本実施の形態において、センサノード通信端末Ｎ１，Ｎ２・・・は、何れも同じ構成を有しているものとする。

センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２）は、各種の物理量を測定するセンサ部２０と、センサ部２０で測定した物理量を測定データとしてホスト通信端末Ｈ１に対して送信する送信部およびホスト通信端末Ｈ１から送信されて来る所定のデータを受信する受信部とを構成する無線送受信装置（ＲＦＬＳＩ等）１１を備える。

また、同期時刻情報を生成する時計部を構成するＲＴＣ（Real Time Clock ）モジュール１３と、無線送受信装置１１から測定データを送信するタイミングを規定する送信基準時刻の情報と、ホスト通信端末Ｈ１側における測定データの受信窓の割当て情報とを格納する不揮発性メモリやハードディスク装置等で構成される格納部１５と、センサ部２０、無線送受信装置１１、ＲＴＣモジュール１３および格納部１５の動作を制御するマイクロコンピュータ等で構成される制御部１０と、センサ部２０、無線送受信装置１１、ＲＴＣモジュール１３、格納部１５および制御部１０に電力を供給する電源部１２とを備える。無線送受信装置１１には、アンテナ１６が接続されている。なお、センサ部２０および電源部１２の構成例については後述する。

そして、制御部１０は、ＲＴＣモジュール１３で生成される同期時刻情報に基いて、所定のタイミングでホスト通信端末Ｈ１に対して、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを要求する要求信号を送信部を構成する無線送受信装置１１から送信し、この要求信号に応じてホスト通信端末Ｈ１から送信されて来る送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを受信部を構成する無線送受信装置１１で受信して、格納部１５に格納し、無線送受信装置１１を介して、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて、測定データをホスト通信端末Ｈ１に対して定期的に送信するように制御するようになっている。具体的な送受信手順等については後述する。

また、制御部１０は、乱数を生成する乱数生成部１４をさらに備え、送信部を構成する無線送受信装置１１から送信された要求信号が、他のセンサノード通信端末Ｎ２またはホスト通信端末Ｈ１から送信された他の信号や情報と干渉または衝突（コリジョン）を生じた際には、所定のタイミングに代えて乱数生成部１４で生成された乱数に基づくタイミングでホスト通信端末Ｈ１に対する要求信号の再送信を行うように制御するようになっている。

なお、要求信号には、センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・自身のアドレス情報（例えば、ＭＡＣアドレス等）が含まれるようにしてもよい。これにより、ホスト通信端末Ｈ１側で、各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・を識別することができるようになり、測定データの送信元や建造物等における不具合の発生位置を特定することができる。

また、制御部１０は、送信部および受信部を構成する無線送受信装置１１について、送信動作および受信動作を行わない状態においては、省電力状態に移行させるように制御できる。これにより、各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・における消費電力の一層の低減を図ることができる。

［センサ部の構成例］
ここで、図２を参照して、図１に示す各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・が備えるセンサ部２０の構成例について説明する。

センサ部２０内には、建造物等の外壁部などの温度を計測するサーミスタ等で構成される温度センサＳＮ１、建造物等の湿度を計測する湿度センサＳＮ２、ＣＯ_２などの気体の濃度を検出する気体センサＳＮ３、建造物等の壁部などの歪を検出するストレインゲージなどで構成される歪センサＳＮ４、建造物等の振動を検出する振動センサＳＮ５の少なくとも一つを備える。

なお、センサ部２０内に設けられるセンサの種類は、上記例に限定されず、センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・の設置目的等に応じて適宜選択することができる。例えば、上記以外のセンシング対象としての物理量としては、光量、風量、傾斜量、圧力、放射線量などが挙げられる。

また、各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・のセンサ部２０は、すべて同じセンサを備えるようにしてもよいし、あるいは各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・毎に搭載するセンサの種類を変えるようにしてもよい。

これにより、センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・が設置される橋、道路、鉄道、ビルディング等の建造物の種類や環境に応じて、各センサ部２０に適切なセンサを搭載して、検査等に必要な各種物理量を測定データとして取得することができる。

［電源部の構成例］
次に、図３を参照して、図１に示す各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・が備える電源部１２の構成例について説明する。

電源部１２は、例えば太陽電池パネル等で構成される光発電装置３０１と、この光発電装置３０１で発電された電気を蓄電する二次電池や電気二重層コンデンサ等で構成される蓄電装置３０２を備えるようにできる。

さらに、蓄電装置３０２の蓄電量を検出する蓄電量検出器３０３をさらに備えるように構成するように構成できる。そして、図１に示す制御部１０は、蓄電量検出器３０３によって蓄電装置３０２の蓄電量が所定の閾値（例えば、センサノード通信端末Ｎ１等の無線送受信装置１１を起動可能な電圧など）を超えていると判定した際に、無線送受信装置１１を起動して、要求信号を送信するように制御できる。これにより、光発電装置３０１で発電された電気を有効に利用することができ、省電力化を図ると共に、測定データ等を確実に送信可能な状態でのみ各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・を起動することにより、長期間に渡り測定データを安定して取得することができる。

なお、光発電装置３０１に代えて、熱（温度差）エネルギー、振動エネルギー、電波エネルギーなど様々な形態で環境中に存在する各種エネルギーを電力に変換するエネルギーハーベスティング技術を適用した各種発電装置を搭載するようにしてもよい。

これにより、電力線等を介して各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・に電力を供給することなく、光発電装置３０１等から駆動電力を取得することができ、各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・を自立的に運用することが可能となる。

［ホスト通信端末の概略構成］
図１を参照して、実施の形態に係るホスト通信端末Ｈ１の概略構成について説明する。

ホスト通信端末Ｈ１は、センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・から送信されて来る要求信号および測定データを受信する受信部と、要求信号に応じて、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とをセンサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・に対して送信する送信部とを構成する無線送受信装置（ＲＦＬＳＩ等）３２を備える。

また、同期時刻情報を生成する時計部を構成するＲＴＣ（Real Time Clock ）モジュール３３と、センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・から測定データを送信させるタイミングを規定する送信基準時刻の情報と、測定データを受信する受信窓の割当て情報とを格納する不揮発性メモリやハードディスク装置等で構成される格納部３５と、無線送受信装置３１、ＲＴＣモジュール３３および格納部１５の動作を制御するマイクロコンピュータ等で構成される制御部３０と、無線送受信装置３１、ＲＴＣモジュール３３、格納部３５および制御部３０に電力を供給する電源部３２とを備える。無線送受信装置３１には、アンテナ３６が接続されている。

なお、電源部３２は、電力線から電力供給を受ける構成としてもよいし、設置環境によっては、前出の図３に示すような光発電装置３０１および蓄電装置３０２を備えた構成としてもよい。

ホスト通信端末Ｈ１は、パーソナルコンピュータ、データベースサーバやクラウドサーバなどで構成されるデータ管理部４０に接続され、ホスト通信端末Ｈ１で受信した測定データ等を統合して管理するようになっている。

そして、制御部３０は、無線送受信装置３１で、センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・から送信されて来る要求信号を受信した際に、ＲＴＣモジュール３３で生成される同期時刻情報に基いて、所定のタイミングでセンサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・に対して、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを無線送受信装置３１から送信し、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて、所定のタイミングでセンサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・から定期的に送信されて来る測定データを無線送受信装置３１で受信した際に、この測定データを割当てられた受信窓に対応させて格納部３５に格納するように制御するようになっている。

なお、受信窓の割り当て数は、センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・の設置数以上とすることが望ましい。これにより、各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・から送信されて来る測定データをより確実に受信して格納することができる。

また、制御部３０は、無線送受信装置３１で、所定のセンサノード通信端末（センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・の何れか）からの測定データを所定時間にわたって受信しなかった場合には、そのセンサノード通信端末に割り当てられた受信窓を他のセンサノード通信端末に割り当てるように制御することができる。これにより、有限な受信窓を有効に利用することができる。即ち、測定データを所定時間にわたって受信しなかったセンサノード通信端末については、何らかの故障等が発生したとして、休止中の他のセンサノード通信端末や予備機として用意されたセンサノード通信端末を起動し、それらのセンサノード通信端末からの要求信号に応じて、故障機に割り当てられていた受信窓を再割当てして利用することができる。

［無線センサネットワークシステムの構成例］
図４の模式的構成図に、実施の形態に係る無線センサネットワークシステム１の構成例を示す。

図４に示す構成例では、複数のセンサノード通信端末Ｎ（Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｉ、Ｎｉ＋１、Ｎｎ）と、これらのセンサノード通信端末Ｎから無線送信される測定データを送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて受信するホスト通信端末Ｈ１とから構成されている。

各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・は、橋、道路、鉄道、ビルディング等の建造物等に設置されている。なお、上述したように、各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・の電源部１２として、光発電装置３０１および蓄電装置３０２を備える場合には、太陽光の照射によって光発電装置３０１で得られる電力によって各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・を自立的に駆動することができる。

ホスト通信端末Ｈ１は、例えば、所定に高さを有する支柱や塔の上部に設置される。これにより、各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２・・・との間で、信号やデータを確実に送受信することができる。

また、センサノード通信端末Ｎが多数となる場合などには、電波的に影となる位置に設置されたセンサノード通信端末Ｎとの受信効率等を考慮して、ホスト通信端末Ｈ１を２台以上設け、各ホスト通信端末Ｈ１で受信したデータ等を所定のネットワークを介してデータ管理部４０で統合するようにしてもよい。

［信号およびデータの送受信の手順について］
図５および図６に示すシーケンス図を参照して、実施の形態に係る無線センサネットワークシステム１におけるセンサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）とホスト通信端末Ｈ１との信号およびデータの送受信の手順について説明する。

まず、図５に示すように、実施の形態に係る無線センサネットワークシステム１におけるセンサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）は、ステップＳ１０で、送信部を構成する無線送受信装置１１が立ち上がる（起動する）。

なお、前出の図３に示すように、蓄電量検出器３０３を備える場合には、蓄電量検出器３０３によって蓄電装置３０２の蓄電量が所定の閾値（例えば、センサノード通信端末Ｎ１等の無線送受信装置１１を起動可能な電圧など）を超えていると判定された際に、無線送受信装置１１を起動するように制御できる。

起動した無線送受信装置１１は、制御部１０の制御により、ＲＴＣモジュール１３で生成される同期時刻情報に基いて、所定のタイミングでホスト通信端末Ｈ１に対して、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを要求する要求信号を無線送信する（ステップＳ１１、Ｓ１２）。

ホスト通信端末Ｈ１は、センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）から送信されて来る要求信号およびセンサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）の識別情報（ＭＡＣアドレス等）を受信して、格納部３５に格納する（ステップＳ１３）。

次いで、ホスト通信端末Ｈ１は、要求信号に応じて、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とをセンサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）に対して無線送信する（ステップＳ１４、Ｓ１５）。

センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）は、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを受信し、格納部１５に格納する（ステップＳ１６）。

次いで、センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）は、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて、測定データ（センサデータ）をホスト通信端末Ｈ１に対して無線送信する（ステップＳ１７ａ、Ｓ１８ａ）。

ホスト通信端末Ｈ１は、所定のタイミングでセンサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）から送信されて来る測定データを無線送受信装置３１で受信し、この測定データを割当てられた受信窓に対応させて格納部３５に格納する（ステップＳ１９ａ）。

そして、センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）は、上述のような測定データの送信処理を送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて所定の時間間隔で行う（ステップＳ１７ｂ，１８ｂ，１７ｃ，１８ｃ・・・）。これにより、センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）は、送信処理を行わない状態において、受信モードを実施することなく、省電力状態（スリープ状態）に移行することができるので、測定データの送受信に要するトータルの消費電力を低減することができる。

また、ホスト通信端末Ｈ１側では、センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）毎に割り当てた受信窓で、送信基準時刻の情報に基づいた時間間隔で送信されて来る測定データを受信することになるので、受信モードで待機すればよい。これにより、各センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）から測定データを確実に受信することができると共に、消費電力も抑えることができる。

なお、実際には、各センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）から測定データを安定して受信できるようになるまでは、信号やデータの干渉や衝突（コリジョン）の影響により、所定の時間を要することとなる。

ここで、図６のシーケンス図を参照して、信号やデータの干渉や衝突（コリジョン）が発生した場合の手順について説明する。

なお、同様の手順については、同一のステップ符号を付して詳細な説明は省略する。

図６に示すように、無線センサネットワークシステム１に係るセンサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２、・・・）は、ステップＳ１０で、送信部を構成する無線送受信装置１１が起動し、起動した無線送受信装置１１は、ＲＴＣモジュール１３で生成される同期時刻情報に基いて、所定のタイミングでホスト通信端末Ｈ１に対して、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを要求する要求信号を無線送信する（ステップＳ１１、Ｓ１２）。

ここで、ステップＳ１２の送信過程において、他のセンサノード通信端末Ｎから送信された要求信号や測定データとの干渉や衝突（コリジョン）Ｃの影響により、受信モード状態にあるホスト通信端末Ｈ１で受信できない事態が発生した場合を想定する。

この場合には、所定時間が経過した場合にもホスト通信端末Ｈ１から要求信号に応じた送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とが送信されて来ない状態となる（ステップＳ１０３）。

この状態を制御部１０によって判定し、センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）は、所定時間の経過後に、再度、要求信号を無線送信する（ステップＳ１０４、Ｓ１０５）。

この場合に、ステップＳ１１と同様に、ＲＴＣモジュール１３で生成される同期時刻情報に基いた一定の時間間隔で再度、要求信号を送信することも考えられるが、他のセンサノード通信端末Ｎからも以前と同じ時間間隔で送信された場合には、また干渉や衝突（コリジョン）を生じてしまう虞がある。そこで、センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）の無線送受信装置１１から送信された要求信号が、他のセンサノード通信端末Ｎあるいはホスト通信端末Ｈ１から送信された他の信号や情報と干渉または衝突（コリジョン）を生じた際には、所定のタイミングに代えて乱数生成部１４で生成された乱数に基づくタイミングでホスト通信端末Ｈ１に対する要求信号の再送信を行うように制御するとよい。

そして、ホスト通信端末Ｈ１は、センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）から再送信されて来る要求信号およびセンサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）の識別情報（ＭＡＣアドレス等）を受信して、格納部３５に格納する（ステップＳ１０６）。

次いで、ホスト通信端末Ｈ１は、要求信号に応じて、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とをセンサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）に対して無線送信する（ステップＳ１０７、Ｓ１０８）。

センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）は、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを受信し、格納部１５に格納する（ステップＳ１０９）。

次いで、センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）は、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて、測定データ（センサデータ）をホスト通信端末Ｈ１に対して無線送信する（ステップＳ１１０ａ、Ｓ１１１ａ）。

ホスト通信端末Ｈ１は、所定のタイミングでセンサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）から送信されて来る測定データを無線送受信装置３１で受信し、この測定データを割当てられた受信窓に対応させて格納部３５に格納する（ステップＳ１１２ａ）。

そして、センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）は、上述のような測定データの送信処理を送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて所定の時間間隔で行う（ステップＳ１１０ｂ，１１１ｂ・・・）。

このような手順により、他のセンサノード通信端末Ｎから送信された要求信号や測定データとの干渉や衝突（コリジョン）の影響により、受信モード状態にあるホスト通信端末Ｈ１で受信できない事態が発生した場合であっても、要求信号の再送信によって、上記事態を回避して、測定データを確実に受信することができる。

なお、実際には、他のセンサノード通信端末Ｎから送信された要求信号や測定データとの干渉や衝突（コリジョン）の影響を受ける場合には、センサノード通信端末Ｎ１（Ｎ２・・・）とホスト通信端末Ｈ１との間で安定して要求信号や測定データの送受信が確立されるまでには、所定の時間を要する。具体例については、図７，図８を参照して次に述べる。

［信号およびデータの送受信の具体例］
図７および図８に示すタイミングチャートに基いて、実施の形態に係る無線センサネットワークシステム１におけるセンサノード通信端末Ｎとホスト通信端末Ｈ１との信号およびデータの送受信の具体例について説明する。

なお、図７および図８では説明の都合上、３台のセンサノード通信端末Ｎ１〜Ｎ３と１台のホスト通信端末Ｈ１との間の送受信の例について述べる。但し、センサノード通信端末Ｎの設置数が４台以上となる場合や、ホスト通信端末Ｈ１を２台以上設けるような場合であっても基本的な手順は同様である。

また、図７および図８に示すタイミングチャートにおいて、ホスト通信端末Ｈ１は、常時、信号およびデータを受信可能な状態（受信モード状態）にあるものとする。

図７および図８に示すタイミングチャートは、基本的にホスト通信端末Ｈ１が備えるＲＴＣモジュール３３が生成する同期時刻情報に基いて進行する。

なお、図７および図８に示すタイミングチャートにおいて、破線で示すパルス波形は受信に失敗した状態を表し、ハッチ線が入ったパルス波形は受信が成功した状態を表している。

また、ここに示す例では、受信窓として、１分間の全体枠を５で割った１２秒毎の５個の受信窓Ｗ１〜Ｗ５が設定されるものとする。なお、受信窓の数は、センサノード通信端末の数などに応じて適宜変更可能である。

無線センサネットワークシステム１が稼働すると、まず、センサノード通信端末Ｎ２がタイミングＴＮ２（ホスト通信端末Ｈ１側の時間ｔ１近傍）で最初に起動する。なお、特には限定されないが、各センサノード通信端末Ｎ１〜Ｎ３の起動タイミングは、例えば前述のように電源部１２に光発電装置３０１を搭載する場合には、蓄電量検出器３０３によって蓄電装置３０２の蓄電量が所定の閾値を超えていると判定した時点とすることができる。

そして、タイミングＴＮ２から例えば１分以内の乱数時間（乱数生成部１４で生成される）で要求信号Ｐ１ａを無線送信する。なお、要求信号Ｐ１ａは、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを要求する要求信号であり、センサノード通信端末Ｎ２の識別情報（ＭＡＣアドレス等）を含ませることができる。

次いで、ホスト通信端末Ｈ１は、時間ｔ３を起点として要求信号Ｐ２ａを受信して格納部３５に格納する。

ホスト通信端末Ｈ１は、要求信号Ｐ２ａの受信から所定時間後に、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報のデータＰ３ａを無線送信する。

そして、受信モード状態にあるセンサノード通信端末Ｎ２は、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報のデータＰ４ａを受信して格納部１５に格納する。なお、時間ｔ３〜ｔ４の時間帯には、他のセンサノード通信端末Ｎ１，Ｎ３およびホスト通信端末Ｈ１との間で信号等の送受信は行われていないので、他の信号やデータとの干渉や衝突は発生せず、データＰ４ａは支障なくセンサノード通信端末Ｎ２で受信される。

ここで、センサノード通信端末Ｎ２については、送信基準時刻は、１分毎の「０秒時」（即ち、時間ｔ５、ｔ１０、ｔ１５・・・のタイミング）で、受信窓Ｗ１が割り当てられるものとする。

次いで、センサノード通信端末Ｎ２は、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて時間ｔ５を起点として測定データＤ１ａを無線送信する。

一方、センサノード通信端末Ｎ３は、タイミングＴＮ３（ホスト通信端末Ｈ１側の時間ｔ４近傍）で起動する。

そして、タイミングＴＮ３から例えば１分以内の乱数時間（乱数生成部１４で生成される）で要求信号Ｐ１ｂを無線送信する。

ここで、時間ｔ５〜ｔ６の時間帯において、センサノード通信端末Ｎ２からの測定データＤ１ａの送信と、タイミングＴＮ３からの要求信号Ｐ１ｂの送信とがオーバラップしている。このため、測定データＤ１ａと要求信号Ｐ１ｂとの無線信号に干渉や衝突（コリジョン）が発生し、測定データＤ１ａおよび要求信号Ｐ１ｂはホスト通信端末Ｈ１によって受信されない状態となる。

そのため、測定データＤ１ａおよび要求信号Ｐ１ｂについては、次に述べる手順で再送信が必要となる。

まず、測定データＤ１ａについては、センサノード通信端末Ｎ２によって、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて時間ｔ１０を起点として測定データＤ１ａの再送信が行われる。そして、時間ｔ１０〜ｔ１１の時間帯において、他のセンサノード通信端末Ｎ１，Ｎ３およびホスト通信端末Ｈ１との間で信号等の送受信は行われていないので、他の信号やデータとの干渉や衝突は発生せず、測定データＤ１ａは支障なくホスト通信端末Ｈ１の受信窓Ｗ１で受信される。

また、要求信号Ｐ１ｂについては、タイミングＴＮ３から例えば１分経過後、さらに１分以内の乱数時間（乱数生成部１４で生成される）である時間ｔ１２近傍で要求信号Ｐ１ｂを再送信する。

一方、センサノード通信端末Ｎ１は、タイミングＴＮ１（ホスト通信端末Ｈ１側の時間ｔ９近傍）で起動する。

そして、タイミングＴＮ１から例えば１分以内の乱数時間（乱数生成部１４で生成される）で要求信号Ｐ５ｂを無線送信する。

ここで、時間ｔ１２〜ｔ１３の時間帯において、センサノード通信端末Ｎ３からの要求信号Ｐ１ｂの送信と、センサノード通信端末Ｎ１からの要求信号Ｐ５ｂの送信とがオーバラップしている。このため、要求信号Ｐ１ｂと要求信号Ｐ５ｂとの無線信号に干渉や衝突（コリジョン）が発生し、要求信号Ｐ１ｂおよび要求信号Ｐ５ｂはホスト通信端末Ｈ１によって受信されない状態となる。

そのため、要求信号Ｐ１ｂおよび要求信号Ｐ５ｂについては、次に述べる手順で再送信が必要となる。

まず、要求信号Ｐ１ｂについては、タイミングＴＮ３から例えば２分経過後、さらに１分以内の乱数時間（乱数生成部１４で生成される）である時間ｔ１８近傍で要求信号Ｐ１ｂを再々送信する。

ホスト通信端末Ｈ１は、要求信号Ｐ２ｂの受信から所定時間後に、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報のデータＰ３ｂを無線送信する。

そして、受信モード状態にあるセンサノード通信端末Ｎ３は、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報のデータＰ４ｂを受信して格納部１５に格納する。なお、時間ｔ１８〜ｔ１９の時間帯には、他のセンサノード通信端末Ｎ１，Ｎ２およびホスト通信端末Ｈ１との間で信号等の送受信は行われていないので、他の信号やデータとの干渉や衝突は発生せず、データＰ４ｂは支障なくセンサノード通信端末Ｎ３で受信される。

ここで、センサノード通信端末Ｎ３については、送信基準時刻は、１分毎の「１２秒時」（即ち、時間ｔ２１、ｔ２６・・・のタイミング）で、受信窓Ｗ２が割り当てられるものとする。

そして、センサノード通信端末Ｎ２は、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて時間ｔ２１を起点として測定データＤ２ａを無線送信する。

時間ｔ２１〜ｔ２２の時間帯において、他のセンサノード通信端末Ｎ１，Ｎ２およびホスト通信端末Ｈ１との間で信号等の送受信は行われていないので、他の信号やデータとの干渉や衝突は発生せず、測定データＤ２ａは支障なくホスト通信端末Ｈ１の受信窓Ｗ２で受信される。

また、センサノード通信端末Ｎ１からの要求信号Ｐ５ａについては、タイミングＴＮ１から例えば１分経過後、さらに１分以内の乱数時間（乱数生成部１４で生成される）である時間ｔ１５近傍で再送信する。

しかし、センサノード通信端末Ｎ２が、時間ｔ１５を起点として、測定データＤ１ｂを自動的に定期送信しているため、要求信号Ｐ５ａと干渉や衝突を生じてしまう。このため、ホスト通信端末Ｈ１側では、測定データＤ１ｂおよび要求信号Ｐ５ａは受信されない。

そこで、要求信号Ｐ５ａについては、再送信が必要となる。即ち、センサノード通信端末Ｎ１は、タイミングＴＮ１から例えば２分経過後、さらに１分以内の乱数時間（乱数生成部１４で生成される）である時間ｔ２２近傍で要求信号Ｐ５ｂを再々送信する。

ホスト通信端末Ｈ１は、要求信号Ｐ５ａの受信から所定時間後に、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報のデータＰ４ｃを無線送信する。

そして、受信モード状態にあるセンサノード通信端末Ｎ１は、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報のデータＰ４ｃを受信して格納部１５に格納する。なお、時間ｔ２２〜ｔ２３の時間帯には、他のセンサノード通信端末Ｎ２，Ｎ３およびホスト通信端末Ｈ１との間で信号等の送受信は行われていないので、他の信号やデータとの干渉や衝突は発生せず、データＰ４ｃは支障なくセンサノード通信端末Ｎ１で受信される。

ここで、センサノード通信端末Ｎ１については、送信基準時刻は、１分毎の「２４秒時」（即ち、時間ｔ２７、ｔ３２・・・のタイミング）で、受信窓Ｗ３が割り当てられるものとする。

そして、センサノード通信端末Ｎ１は、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて時間ｔ２７を起点として測定データＤ３ａを無線送信する。

時間ｔ２７〜ｔ２８の時間帯において、他のセンサノード通信端末Ｎ２，Ｎ３およびホスト通信端末Ｈ１との間で信号等の送受信は行われていないので、他の信号やデータとの干渉や衝突は発生せず、測定データＤ３ａは支障なくホスト通信端末Ｈ１の受信窓Ｗ３で受信される。

このようにして、各センサノード通信端末Ｎ１〜Ｎ３において、ホスト通信端末Ｈ１からの送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報のデータ（Ｐ４ａ、Ｐ４ｂ、Ｐ４ｃ）の受信に成功すると、以降は、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報に基いて、定期的に測定データ（Ｄ１ｅ、Ｄ２ｃ、Ｄ３ｂ等）が送信される状態が確立される。

これにより、各センサノード通信端末Ｎ１〜Ｎ３は、送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報のデータ（Ｐ４ａ、Ｐ４ｂ、Ｐ４ｃ）の受信後においては、受信モードに移行する必要がなくなる。また、無線送受信装置１１によって定期的な測定データの送信を行う以外の期間は、省電力状態に移行させることができるので、測定データの送信に要するトータルの消費電力を効率的に抑制することができる。

また、他のセンサノード通信端末から送信された要求信号や測定データとの干渉や衝突（コリジョン）の影響により、受信モード状態にあるホスト通信端末Ｈ１で受信できない事態が発生した場合であっても、要求信号の再送信を行うことによって、測定データを確実に受信することができる。これにより、各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３・・・から効率的に測定データを取得することができ、各センサノード通信端末Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３・・・を設置した建造物等の監視等を確実に行うことができる。

[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この実施の形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本実施の形態はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。

例えば、長期間の運用により、各センサノード通信端末Ｎおよびホスト通信端末Ｈ１が備える時計部を構成する各ＲＴＣモジュール１３、３３で生成する同期時間情報に所定のズレを生じた場合には、各センサノード通信端末Ｎから要求信号を再送信して送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報の再取得を行うようにしてもよい。

また、電源部１２に光発電装置を備える構成において、日照時間等の影響で、比較的長期間にわたって測定データを送信しない休止状態となっていたセンサノード通信端末Ｎが起動する場合にも、上記と同様にそのセンサノード通信端末Ｎから要求信号を再送信して送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報の再取得を行うようにしてもよい。

本実施の形態のセンサノード通信端末、ホスト通信端末および無線センサネットワークシステムは、橋、道路、鉄道、ビルディング等の各種建造物などに適用可能であり、温度、湿度、気体濃度、歪み、振動等を各種センサを備えるセンサノード通信端末で取得し、その測定データを確実且つ低消費電力で無線送信可能なシステムに応用することができる。

１…無線センサネットワークシステム
Ｈ１…ホスト通信端末
Ｎ（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３・・・）…センサノード通信端末
１０、３０…制御部
１１…無線送受信装置
１２…電源部
１３、３３…ＲＴＣモジュール
１４…乱数生成部
１５、３５…格納部
１６、３６…アンテナ
２０…センサ部
３１…無線送受信装置
３２…電源部
４０…データ管理部
３０１…光発電装置
３０２…蓄電装置
３０３…蓄電量検出器
Ｄ１ａ、Ｄ２ｂ、Ｄ３ａ…測定データ
Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ５ａ、Ｐ５ｂ…要求信号
Ｐ３ａ、Ｐ３ｂ、Ｐ４ａ、Ｐ４ｂ、Ｐ４ｃ…送信基準時刻の情報および受信窓の割当て情報のデータ
Ｗ１〜Ｗ５…受信窓

Claims (12)

1. 物理量を測定するセンサ部と、
   前記センサ部で測定した物理量を測定データとしてホスト通信端末に対して送信する送信部と、
   前記ホスト通信端末から送信されて来る所定のデータを受信する受信部と、
   同期時刻情報を生成する時計部と、
   前記送信部から前記測定データを送信するタイミングを規定する送信基準時刻の情報と、前記ホスト通信端末側における前記測定データの受信窓の割当て情報とを格納する格納部と、
   前記センサ部、前記送信部、前記受信部、前記時計部および前記格納部の動作を制御する制御部と、
   前記センサ部、前記送信部、前記受信部、前記時計部、前記格納部および前記制御部に電力を供給する電源部と
   を備え、
   前記制御部は、
   前記時計部で生成される同期時刻情報に基いて、所定のタイミングで前記ホスト通信端末に対して、前記送信基準時刻の情報と、前記受信窓の割当て情報とを要求する要求信号を前記送信部から送信し、
   該要求信号に応じて前記ホスト通信端末から送信されて来る前記送信基準時刻の情報と、前記受信窓の割当て情報とを前記受信部で受信して、前記格納部に格納し、
   前記送信部を介して、前記送信基準時刻の情報および前記受信窓の割当て情報に基いて、前記測定データを前記ホスト通信端末に対して定期的に送信するように制御することを特徴とするセンサノード通信端末。
2. 前記制御部は、乱数を生成する乱数生成部をさらに備え、
   前記送信部から送信された前記要求信号が、他のセンサノード通信端末または前記ホスト通信端末から送信された他の信号や情報と干渉または衝突を生じた際には、前記所定のタイミングに代えて前記乱数生成部で生成された乱数に基づくタイミングで前記ホスト通信端末に対する前記要求信号の再送信を行うように制御することを特徴とする請求項１に記載のセンサノード通信端末。
3. 前記送信部および前記受信部は、無線送受信装置で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサノード通信端末。
4. 前記要求信号には、センサノード通信端末自身のアドレス情報が含まれることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のセンサノード通信端末。
5. 前記制御部は、前記送信部および前記受信部について、送信動作および受信動作を行わない状態においては、省電力状態に移行させるように制御することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載のセンサノード通信端末。
6. 前記電源部は、光発電装置と、該光発電装置で発電された電気を蓄電する蓄電装置とを備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載のセンサノード通信端末。
7. 前記電源部は、前記蓄電装置の蓄電量を検出する蓄電量検出器をさらに備え、
   前記制御部は、前記蓄電量検出器によって前記蓄電装置の蓄電量が所定の閾値を超えていると判定した際に、前記送信部を起動して、前記要求信号を送信するように制御することを特徴とする請求項６に記載のセンサノード通信端末。
8. 前記センサ部は、温度センサ、湿度センサ、気体センサ、歪センサおよび歪センサの少なくとも一つを備えることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載のセンサノード通信端末。
9. 請求項１から請求項８の何れか１項に記載の２以上のセンサノード通信端末から送信されて来る要求信号および測定データを受信する受信部と、
   前記要求信号に応じて、送信基準時刻の情報と、受信窓の割当て情報とを前記センサノード通信端末に対して送信する送信部と、
   同期時刻情報を生成する時計部と、
   前記センサノード通信端末から前記測定データを送信させるタイミングを規定する送信基準時刻の情報と、前記測定データを受信する受信窓の割当て情報とを格納する格納部と、
   前記送信部、前記受信部、前記時計部および前記格納部の動作を制御する制御部と、
   前記送信部、前記受信部、前記時計部、前記格納部および前記制御部に電力を供給する電源部と
   を備え、
   前記制御部は、
   前記受信部で、前記センサノード通信端末から送信されて来る前記要求信号を受信した際に、前記時計部で生成される同期時刻情報に基いて、所定のタイミングで前記センサノード通信端末に対して、前記送信基準時刻の情報と、前記受信窓の割当て情報とを前記送信部から送信し、
   前記送信基準時刻の情報および前記受信窓の割当て情報に基いて、所定のタイミングで前記センサノード通信端末から定期的に送信されて来る前記測定データを前記受信部で受信した際に、当該測定データを割当てられた前記受信窓に対応させて前記格納部に格納するように制御することを特徴とするホスト通信端末。
10. 前記受信窓の割り当て数は、前記センサノード通信端末の設置数以上とすることを特徴とする請求項９に記載のホスト通信端末。
11. 前記制御部は、前記受信部で、所定の前記センサノード通信端末からの前記測定データを所定時間にわたって受信しなかった場合には、当該センサノード通信端末に割り当てられた前記受信窓を他のセンサノード通信端末に割り当てるように制御することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のホスト通信端末。
12. 請求項１から請求項８の何れか１項に記載の２以上のセンサノード通信端末と、
    請求項９から請求項１１の何れかに記載のホスト通信端末と
    を備えることを特徴とする無線センサネットワークシステム。

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