JP2017117089A - センサノード、センサネットワークシステム、および監視方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、無線センサネットワークシステムの概略的構成を示すブロック図である。無線センサネットワークシステム(Wireless Sensor Network System)(この明細書では、センサネットワークシステムとも称する)1は、多数のセンサ装置10とゲートウェイ装置20とを含む。センサ装置10はセンサノードとも称し、ゲートウェイ装置20はコントロールノードとも称する。
図2は、図1のセンサ装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図2を参照して、センサ装置10は、センサ素子12と、CPU(Central Processing Unit)14と、メモリ15と、通信部16と、電源17とを含む。CPU14とメモリ15とその他の周辺装置(不図示)とを含めて、MCU(マイクロコントローラ:Micro Control Unit)13として構成されていてもよい。
上述したように、センサネットワークシステム1において各センサ装置10は、検出した時系列データをフーリエ変換することによって得られた周波数領域での波形に基づいて複数の特徴量を抽出する。以下では、データ処理の手順について説明し、次に具体的な特徴量の例について説明する。
以下、フーリエスペクトルの特徴量の具体例について説明する。
フーリエ変換の結果は複素数で得られるが、振幅および位相のうちいずれか片方のみを特徴量として用いることで、たとえば16kB程度の時系列データのデータ量を約半分にできる。異常検知の場合、位相情報は使用しないことが多いため、通常は振幅またはパワー値が特徴量として用いられる。なお、より高い圧縮率を得るため、またはスペクトル分析などに利用するためにスペクトルの包絡検知を行う場合には、線形予測分析(LPC:Linear Predictive Coding)やケプストラム分析、周波数空間でのローパスフィルタ(LPF)処理を行う。スペクトル包絡情報を転送する場合は、線形予測によって得られるLPC係数やケプストラムの低次成分を特徴量にし、LPC係数の場合、たとえば32次数までで送信すべきデータ量を約1/125に、ケプストラム低次成分の場合、たとえば80次数まででデータ量を約1/50に圧縮した振幅概形情報を転送することができる。
図5は、パワースペクトルの一例を示す図である。パワースペクトルに代えて振幅スペクトルを用いてもよい。このようなスペクトルの形状の特徴を特徴量として用いることができる。
周波数空間を等間隔に分割するか、周波数の対数の空間を等間隔に分割することによって、複数の周波数区間を生成し、生成した周波数区間ごとの統計量を特徴量として用いることができる。たとえば、図5の場合には、周波数区間が等間隔に複数の区間FS1〜FS5に分割され、周波数区間ごとの特徴量として最大値(Max)、最小値(Min)、中央値(Median)が抽出される。中央値に代えて平均値(Average)を用いてもよい。通常は平均値として相加平均が用いられるが、振幅表現として対数が好ましい信号の場合には平均値として相乗平均を用いてもよい。さらに、上記の場合、各周波数区間の最大値、最小値、および中央値に対応する周波数列を特徴量として用いてもよいし、最大値、最小値、中央値と各対応の周波数との両方を特徴量として用いてもよい。また、同様の結果を得られる演算として、周波数空間を等間隔に分割したマルチバンドパスフィルタでの計算値を用いてもよい。さらに、周波数空間を等比分割した1/nオクターブ分析(対数空間で等間隔なマルチバンドパス)による係数列を用いてもよい。
音声データの場合などでは、メル周波数ケプストラム係数列(MFCC:Mel-Frequency Cepstrum Coefficients)を特徴量として抽出してもよい。時系列データに対して人間の感覚に合致した分析処理を行う場合(低周波振動に重要度を持たせる場合)は、MFCCが有効である。
前述のように、特開2010−49584号公報(特許文献1)に記載の技術の場合には、時系列データの特徴量が頻繁に閾値を超えるような場合、たとえば、モータ振動の監視など基本周波数の波形が連続的に繰り返されるような場合には、元の時系列データをそのまま送信する場合と比べて送信データ量はほとんど同じである。本実施形態のセンサネットワークの場合には、通常の状態でも元の時系列データに比べてデータ量を1から2桁近く圧縮することができるので、信号の特徴を保持しつつ通信負荷を大きく低減することができる。また、送信する特徴量は異常傾向などの検出が可能な特徴量であり、特定卓越周波数の変動・シフトや新規卓越周波数の発生、スペクトル概形の変動などの分析を、大容量の記憶領域を持ち、高速・高機能演算および、他の部位や同種装置との比較演算などが可能な上位側で継続的に実施することができ、故障予測や予防保全などに用いることができる。
Claims (4)
- ワイヤレスセンサネットワークで用いられるセンサノードであって、
物理量を時系列的に検出するセンサ素子と、
前記センサ素子によって検出された時系列データをフーリエ変換し、得られたスペクトルの特徴を表す複数の特徴量を抽出するデータ処理部と、
前記時系列データを送信することなく前記複数の特徴量のみを無線送信する通信部とを備える、センサノード。 - 前記センサノードは、外部から電源供給を受けずに、内部電源のみによって動作する、請求項1に記載のセンサノード。
- 請求項1または2に記載の複数のセンサノードと、
各前記センサノードと無線通信するゲートウェイ装置とを備える、センサネットワークシステム。 - ワイヤレスセンサネットワークシステムを構成する複数のセンサノードの各々が、監視対象物の物理量を時系列的に検出するステップと、
各前記センサノードが、検出した時系列データをフーリエ変換するステップと、
各前記センサノードが、フーリエ変換によって得られたスペクトルの特徴を表す複数の特徴量を抽出するステップと、
各前記センサノードが、前記複数の特徴量を無線送信するステップと、
上位計算機が、各前記センサノードから受信した前記複数の特徴量の時間変化に基づいて、前記監視対象物の異常を判定するステップとを備える、監視方法。
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