JP2021145308A

JP2021145308A - 無線通信システム

Info

Publication number: JP2021145308A
Application number: JP2020044468A
Authority: JP
Inventors: 厚志高野; Atsushi Takano; 修一瀧川; Shuichi Takigawa
Original assignee: Saxa Inc
Current assignee: Saxa Inc
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2021-09-24

Abstract

【課題】親機、及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機からなる無線通信システムにおいて、ルート検索電文をブロードキャストする子機の周辺に多数の端末が存在する場合でも、ルート検索電文に対する周辺の端末の応答の衝突を防止する。【解決手段】各子機は、段数毎に上位端末に対する接続順序を表す情報を固有ＩＤとして保持している。各子機は、新規に設置される子機Ｘからブロードキャストされたルート検索電文を受信したとき、予め固有ＩＤに基づいて設定された互いに異なるタイミングでルート応答電文を返信する。【選択図】図１

Description

本発明は無線通信システムに関する。

親機、及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機からなる無線通信システムと、センタ装置とを有し、子機で取得された監視情報（ガスメータや水道メータの検針値、ガス漏れ警報や電池残量低下警報等）を親機経由でセンタ装置に通報する遠隔監視システムがある（特許文献１）。

この遠隔監視システムにおいて、センタ装置−親機間は無線や有線の公衆通信回線を介して通信を行い、「親機，１段目子機，２段目子機，・・・，Ｎ段目子機」により構成される無線通信システム内の無線通信は特定小電力無線などを用いて行う。

各子機にはガスメータ、水道メータ、ガス漏れ検知器等のセンサが接続されており、それらのセンサで生成された監視情報を取得し、上位（上段）の子機経由で、すなわち上位の子機を中継子機として親機に通報するマルチホップ通信を行う。子機は複数の通信ルートを持つことにより通信信頼性を向上させている。

新たに子機を設置する際、子機は、まず自端末の端末ＩＤ（識別情報）を付加したルート検索電文をブロードキャストすることでルート検索を開始する。周辺の端末（親機、子機）は、ルート検索電文を受信すると、ルート応答電文同士の衝突を回避するため、所定の応答期間内で時間をずらしてランダムなタイミングで応答としてルート応答電文を返信する。このルート応答電文には応答情報として自端末の端末ＩＤ、段数、及び電界強度（ルート検索電文の受信電界強度）が含まれている。

新たに設置された子機は、所定の応答期間内に周辺の端末（親機、子機）からの応答があるか否かチェックし、応答があったときは、ルート応答電文に含まれている応答情報から通信条件の良い端末を選択し、最終的に１つ以上の通信ルート情報、つまり通信相手となる直上端末（直接の通信相手端末）の端末ＩＤ及び段数を通信ルート毎に自端末の記憶部に格納し、保持する。なお、以下、ルート応答電文を返信してきた端末を応答端末と言う。

また、この時に取得した電界強度や段数から、通信条件の良い応答端末、例えば段数が少なく、かつ電界強度の強い応答端末の順に第１通信ルート、第２通信ルートなどのルート番号（優先順位）を付け、自身の発信ルートとして保持することで通信ルートを構築する。発信ルートは親機又はセンタ装置に登録することで、下り通信ルートとしても使用できる。

特開２００７−２７４０６８号公報

しかしながら、従来の遠隔監視システムにおける通信ルート構築手順では、ルート検索電文を受信した周辺の端末は、応答の衝突回避の目的でランダムな遅延時間をおいてルート応答電文を返信するが、周辺の端末数が多い場合、ランダムな遅延時間をおいても、キャリアセンスのタイミングが一致することにより、複数の周辺の端末の応答タイミングが一致してしまい、応答が衝突する可能性がある。この結果、新規に設置される子機は応答を取りこぼしてしまうことがある。

このとき、新規に設置された子機は、電界強度や中継段数などの通信条件の良い周辺端末からのルート応答電文から優先的に応答情報を取得し、通信ルートを構築することが望ましい。しかし、上記の要因により通信条件の良い周辺端末からの応答を取りこぼし、通信条件の悪い周辺端末からの応答から応答情報を取得し、通信ルートを構築してしまうことで、通信ネットワーク全体の通信信頼性が低下してしまう可能性がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、親機、及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機からなる無線通信システムにおいて、ルート検索電文をブロードキャストする子機の周辺に多数の端末が存在する場合でも、ルート検索電文に対する周辺の端末の応答の衝突を防止できるようにすることである。

本発明は、それぞれが端末である親機、及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機からなる無線通信システムであって、各子機は、段数毎の上位端末に対する接続順序を表す情報を固有ＩＤとして保持する固有ＩＤ保持手段と、ルート検索電文に対する応答を前記固有ＩＤに基づいて設定された互いに異なるタイミングで実行する応答手段と、を有する無線通信システムである。

本発明によれば、親機、及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機からなる無線通信システムにおいて、ルート検索電文をブロードキャストする子機の周辺に多数の端末が存在する場合でも、ルート検索電文に対する周辺の端末の応答の衝突を防止することができる。

本発明の実施形態に係る無線通信システムを含む遠隔監視システムの構成を示す図である。親機の概略構成を示すブロック図である。子機の概略構成を示すブロック図である。子機が新規に設置されたときの子機及び周辺の端末の動作を示す図である。図４におけるルート検索電文及びルート応答電文のタイミングを示す図である。新規に設置された子機が周辺の端末からのルート応答電文から取得した通信ルート情報に対する通信条件の評価を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
〈遠隔監視システムの構成〉
図１は、本発明の実施形態に係る無線通信システムを含む遠隔監視システムを示す図である。

この遠隔監視システムは、例えば、ガスメータや水道メータの自動検針に用いられるものであって、センタ装置１と、親機２、及び親機２に対して階層的に無線接続される複数段の子機（１段目子機Ａ〜Ｄ、２段目子機Ｅ〜Ｋ、３段目子機Ｌ〜Ｎ）とからなる本発明の実施形態に係る無線通信システムとを有する。なお、子機Ｘは新規に設置された端末である。

親機２は子機Ａ〜Ｎと直接又は子機同士の中継により無線通信可能に設定されている。親機２は、通信ネットワークＮＷを介してセンタ装置１と送受信可能に接続されており、例えば、ガス又は水道のメータに接続された子機からの検針データ等の検針データが監視情報として親機経由でセンタ装置１に通報されて収集されるようになっている。図において、子機又は親機２が互いに通信可能な状態に設定されている場合を矢印で示している。

通信ネットワークＮＷとしては、公衆回線網、携帯電話網、ブロードバンドネットワークといった様々な通信ネットワークを使用することができる。また、親機２、および子機Ａ〜Ｎにより構成される無線通信システム内の無線通信は特定小電力無線などを用いて行う。

各子機にはガスメータ、水道メータ、ガス漏れ検知器などのセンサが接続されており、それらのセンサで生成された監視情報を取得し、上位の子機経由で、即ち上位の子機を中継子機として親機２に送信するマルチホップ通信を行う。なお、以下の説明では、各子機を区別しないときは子機３とする。また、親機と子機を区別しないときは端末とする。

〈親機の概略構成〉
図２は、図１に示されている遠隔監視システムにおける親機の概略構成を示すブロック図である。

親機２は、制御部２１と、それぞれが制御部２１に接続された記憶部２２、無線送受信部２３、網制御部２４、表示部２５、及び操作入力部２６を備えており、無線送受信部２３には電波を送受信するアンテナ２７が接続されている。

制御部２１は、例えばマイクロプロセッサ及びその周辺回路などで構成されており、記憶部２２に記憶されているプログラムやデータを処理することで、親機２全体の制御や演算処理等を行う。

記憶部２２は、ＲＯＭなどの不揮発性メモリ、フラッシュメモリなどの書換え可能な不揮発性メモリ、ＲＡＭなどの揮発性メモリからなる。そして、ＲＯＭには親機２を動作させるために必要な制御プログラムなどが記憶されている。また、ＲＡＭには制御部２１が実行中の各プログラムや、それらの実行に必要な情報が記憶される。また、書換え可能な不揮発性メモリには、各種設定データ、例えば子機３からのルート検索電文に対する応答期間（ルート応答電文の返信期間）などが記憶される。

無線送受信部２３は、特定小電力無線などにより、子機３との間で無線通信を行う。網制御部２４は、通信ネットワークＮＷを介してセンタ装置１と通信を行う。表示部２５は、ＬＥＤなどで構成されており、親機２の動作状態などを表示する。操作入力部２６は、ボタンやスイッチ等からなり、親機２に対する所定の設定を入力するためのユーザＩ／Ｆ（インタフェース）である。

〈子機の概略構成〉
図３は、図１に示されている遠隔監視システムにおける子機の概略構成を示すブロック図である。

図示のように、子機３は、制御部３１と、それぞれが制御部３１に接続された記憶部３２、無線送受信部３３、外部Ｉ／Ｆ部３４、表示部３５、及び操作入力部３６を備えており、無線送受信部３３には電波を送受信するアンテナ３７が接続されている。

制御部３１は、例えばマイクロプロセッサ及びその周辺回路などで構成されており、記憶部２２に記憶されているプログラムやデータを処理することで、子機３全体の制御や演算処理等を行う。

記憶部３２は、ＲＯＭなど不揮発性メモリ、フラッシュメモリなどの書換え可能な不揮発性メモリ、ＲＡＭなどの揮発性メモリからなる。そして、ＲＯＭには子機３を動作させるために必要な制御プログラムが記憶されている。また、ＲＡＭには制御部３１が実行中の各プログラムや、それらの実行に必要な情報が記憶される。また、書換え可能な不揮発性メモリには、各種設定データが記憶される。ここには、設定データとして、固有ＩＤ３２ａ、及び固有ＩＤに応じて設定された、他の子機３からのルート検索電文に対する応答タイミング（ルート応答電文の返信タイミング）を表す応答タイミング情報３２ｂを例示した。

無線送受信部３３は、特定小電力無線などにより、他の子機３や親機２との間で無線通信を行う。外部Ｉ／Ｆ部３４にはガスメータ、水道メータ等の外部機器が接続される。表示部３５は、ＬＥＤなどで構成されており、子機３の動作状態などを表示するユーザＩ／Ｆである。操作入力部３６は、ボタンやスイッチ等からなり、子機３に対する所定の設定を入力するためのユーザＩ／Ｆである。

〈子機が保持している固有ＩＤ〉
子機３の記憶部３２に記憶されている固有ＩＤ３２ａは、子機３の上位端末の段数毎の接続順序情報を表す情報である、すなわち、１段目の子機の固有ＩＤは「親機に対する自端末の接続順序を表す情報」からなる。また、２段目の子機の固有ＩＤは、「親機に対する、自端末が接続されている１段目の子機の接続順序を表す情報」及び「１段目の子機に対する自端末の接続順序を表す情報」からなる。また、３段目の子機の固有ＩＤは、「親機に対する、自端末が接続されている２段目の子機が接続されている１段目の子機の接続順序を表す情報」、「１段目の子機に対する、自端末が接続されている２段目の子機の接続順序を表す情報」、及び「２段目の子機に対する自端末の接続順序を表す情報」からなる。固有ＩＤ３２ａ及び応答タイミング情報３２ｂは、子機３を設置した時に、親機２又はセンタ装置１から記憶部３２に書き込まれる。

図１に示されている遠隔監視システムでは、１段目子機Ａ〜Ｄが子機Ａ、子機Ｂ、子機Ｃ、子機Ｄの順に親機２に接続されたものとすると、それぞれの固有ＩＤは「１」、「２」、「３」、「４」となる。

また、２段目の子機Ｅ、子機Ｆが、子機Ｅ、子機Ｆの順に１段目の子機Ａに接続されたものとすると、それぞれの固有ＩＤは「１−１」、「１−２」となる。また、１段目の子機Ｂに接続されている２段目の子機は子機Ｇだけなので、子機Ｇの固有ＩＤは「２−１」である。また、２段目の子機Ｈ、子機Ｉが、子機Ｈ、子機Ｉの順に１段目の子機Ｃに接続されたものとすると、それぞれの固有ＩＤは「３−１」、「３−２」となる。また、２段目の子機Ｊ、子機Ｋが、子機Ｊ、子機Ｋの順に１段目の子機Ｄに接続されたものとすると、それぞれの固有ＩＤは「４−１」、「４−２」である。

また、２段目の子機Ｅに接続されている３段目の子機は子機Ｌだけなので、子機Ｌの固有ＩＤは「１−１−１」である。また、２段目の子機Ｆに接続されている３段目の子機は子機Ｍだけなので、子機Ｍの固有ＩＤは「１−２−１」である。また、２段目の子機Ｇに接続されている３段目の子機は子機Ｎだけなので、子機Ｎの固有ＩＤは「２−１−１」である。

つまり、各子機の固有ＩＤは「直上子機の固有ＩＤ＋直上子機に対する自機の接続順序」と言うこともできる。また、各子機の固有ＩＤは、各子機の無線通信システムのネットワーク上のおおよその位置を表していると言える。

〈新規設置端末の通信ルート構築手順〉
次に、本発明の実施形態に係る遠隔監視システムにおける新規設置端末の通信ルート構築手順について説明する。

図４は、本発明の実施形態に係る遠隔監視システムにおいて、子機が新規に設置されたときの子機及び周辺の端末の動作を示す図であり、図５は、図４におけるルート検索電文及びルート応答電文のタイミングを示す図である。以下、これらの図４を参照して、本発明の実施形態に係る遠隔監視システムにおける新規設置子機の通信ルート構築処理について説明する。

子機Ｘの操作入力部３６の所定のボタンの押下に応じて、記憶部３２からルート検索電文が読み出され、無線送受信部３３とアンテナ３７により、周辺の端末にブロードキャストされる（図４における白抜きの矢印）。ここで、図４における破線の円はルート検索電文のブロードキャスト電波が届く範囲である。また、図４及び図５の各子機に付されている括弧内の数値は固有ＩＤである。

図５に示されているブロードキャスト期間の時間長（例えば３０秒）は各子機３の記憶部３２内に設定データとして記憶されている。ブロードキャスト期間（ｔ０〜ｔ１）が経過すると、周辺の端末の応答期間となる。本実施形態では、従来システムのように、周辺の端末からの応答の衝突を防止するために、周辺の端末がランダムに応答するのではなく、予め以下のように設定しておく。

最初は親機の応答期間（ｔ１〜ｔ２）とし、次に子機の応答期間（ｔ２〜ｔ５）とした。さらに、子機の応答期間（ｔ２〜ｔ５）は、子機の固有ＩＤに応じて、１段目の子機の応答期間（ｔ２〜ｔ３）、２段目の子機の応答期間（ｔ３〜ｔ４）、３段目の子機の応答期間（ｔ４〜ｔ５）とした。さらに、１段目の子機が複数存在する場合、固有ＩＤに基づき１段目の子機の応答期間（ｔ２〜ｔ３）内の応答タイミングを設定した。同様に、２段目の子機が複数存在する場合、固有ＩＤに基づき２段目の子機の応答期間（ｔ３〜ｔ４）内の応答タイミングを設定し、３段目の子機が複数存在する場合、固有ＩＤに基づき３段目の子機の応答期間（ｔ４〜ｔ５）内の応答タイミングを設定した。これらの応答期間及び応答期間内の応答タイミングは、例えばルート検索電文のブロードキャスト期間の終了時点からの遅延時間で表された応答タイミング情報３２ｂとして子機３の記憶部３２に保持されている。

ここで、周辺の親機は自端末の応答期間の開始時刻ｔ１をルート検索電文が受信されなくなったことに基づいて判定する。周辺の子機は、上述した応答タイミング情報に基づいて自機の応答タイミングになったことを判定する。

子機Ｘは、ルート検索電文のブロードキャストを終えると、周辺の親機からのルート応答電文の受信を待機する。本実施形態では、子機Ｘからのルート検索電文のブロードキャスト電波が届く範囲に親機が存在しなかったため、親機からの応答がなかったものとした。

次の応答期間である１段目の子機が応答する期間（ｔ２〜ｔ３）では、子機ｄ（固有ＩＤ：４）、子機ｅ（固有ＩＤ：５）、子機ｆ（固有ＩＤ：６）が、親機２に対する接続順にルート応答電文を返信した（図４における実線の矢印）。子機ｄよりも親機２に対する接続順の早い子機ａ（固有ＩＤ：１）、子機ｂ（固有ＩＤ：２）、子機ｃ（固有ＩＤ：３）は、ルート検索電文のブロードキャスト電波の届かない位置に存在するため、ルート応答電文を返信しない。

次の応答期間である２段目の子機が応答する期間（ｔ３〜ｔ４）では、子機ｘ（固有ＩＤ：４−２）、子機ｇ（固有ＩＤ：６−１）が、それぞれの直上の１段目子機である子機ｄ、子機ｇの親機２に対する接続順（４番目、６番目）の早い順にルート応答電文を返信した。子機ｘよりも子機ｄに対する接続順の早い子機ｗ（固有ＩＤ：４−１）はルート検索電文のブロードキャスト電波の届かない位置に存在するため、ルート応答電文を返信しない。

次の応答期間である３段目の子機が応答する期間（ｔ４〜ｔ５）では、子機ｚ（固有ＩＤ：４−２−２）、子機ｑ（固有ＩＤ：６−１−３）が、それぞれの直上の２段目子機である子機ｘ、子機ｇの１段目の子機である子機ｄ、子機ｆの親機に対する接続順（４番目、６番目）の早い順にルート応答電文を返信した。子機ｚよりも子機ｘに対する接続順の早い子機ｙ（固有ＩＤ：４−２−１）はルート検索電文のブロードキャスト電波の届かない位置に存在するため、ルート応答電文を返信しない。

３段目の子機の応答期間が終了すると、子機Ｘは、最終的に１つ以上の通信ルート情報、つまり通信相手となる直上端末（直接の通信相手端末）の端末ＩＤ及び段数を通信ルート毎に自端末の記憶部３２に格納し、保持する。ここでは、子機ｄ、子機ｅ、子機ｆ、子機ｇ、子機ｑ、子機ｘ、子機ｚの通信ルート情報を保持した場合を示している。

また、この時に取得した電界強度や段数から、通信条件が最良の応答端末、例えば段数が少なく、かつ電界強度の強い応答端末の順に、第１通信ルート、第２通信ルートなどのルート番号（優先順位）を付けることで、通信ルートを構築する。ここでは、図６に示されている通信条件の評価に基づいて、子機ｅを直上端末とする通信ルートを第１通信ルートとし（図４における太い破線）、子機ｇ、子機ｘを直上端末とする通信ルートを第２通信ルート、第３通信ルート（図４における一点鎖線）とした場合を示している。

子機Ｘは、第１通信ルートの登録要求電文を第１通信ルートの直上の端末である子機ｅへ送信する。子機ｅは、第１通信ルートの登録要求電文を受信すると、自端末の通信ルート情報（端末ＩＤ、電界強度等）を付加し、親機２に送信し（図４における太い破線）、親機２がセンタ装置１に送信する（図４における太い破線）。センタ装置１は、登録要求電文を受信し、通信ルートを登録することで、通信ルートの登録が完了する。そして、センタ装置１は、第１通信ルートの下り通信ルート経由で子機Ｘに登録完了通知とともに固有ＩＤ３２ａ（＝５−１）及び応答タイミング情報３２ｂを通知する。子機Ｘがこれらの通知を受信することで、子機Ｘにおいて第１通信ルート、固有ＩＤ、及びルート検索電文に対する応答タイミングが確定する。

以上詳細に説明したように、本発明の実施形態に係る遠隔監視システムによれば、ルート検索電文のブロードキャスト電波の届く範囲に多数の端末が存在していても、各端末の応答タイミングを異ならせることができるので、応答の衝突による通信ルート情報の取りこぼしを防止することができる。また、固有ＩＤは段数情報を含むため、例えば端末ＩＤに基づき異なる応答タイミングを設定した手順よりも、段数の低い（親機に近い）通信条件の良好な子機からの応答が優先的に得られる点で有利である。

なお、本発明は、子機を設置するときだけでなく、運用後の全ての通信ルートでの通信失敗時や定期的なルート再検索時のルート検索電文の処理に適用することもできる。

また、本発明は例えば以下の変形が可能である。すなわち、固有ＩＤに、各子機が保持する通信ルート数、及び通信ルート毎の直上子機の電界強度情報を追加することで、通信品質の優劣情報を付与し、ルート応答電文の応答タイミングに優先度を付ける。これにより、通信条件の良い子機からの応答をより早く得ることができるようになり、応答待ち時間の短縮、ひいては電池の長寿命化につなげることができる。

１…センタ装置、２…親機、３…子機、２１，３１…制御部、２２，３２…記憶部、２３，３３…無線送受信部、３２ａ…固有ＩＤ、３２ｂ…応答タイミング情報。

Claims

それぞれが端末である親機、及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機からなる無線通信システムであって、
各子機は、段数毎の上位端末に対する接続順序を表す情報を固有ＩＤとして保持する固有ＩＤ保持手段と、
ルート検索電文の受信に対するルート応答電文の返信を前記固有ＩＤに基づいて設定された互いに異なるタイミングで実行する応答手段と、
を有する無線通信システム。
請求項１に記載された無線通信システムにおいて、
前記固有ＩＤは、子機が保有する通信ルートの数を表す情報及び／又は直上子機の電界強度情報を含む無線通信システム。