JP2005294956A - 分散データ収集システムおよび同システムの構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】データ収集エリアにモジュールを散布してランダムに配置するだけで、この散布モジュールをノードとして任意にネットワークを形成させる。
【解決手段】 少なくとも演算処理部２４と通信部３２を装備し物理的・化学的信号の入出力手段を有して任意のエリアに分散配置されるモジュール１２を有している。前記通信部は複数のモジュール１２との接続が可能な通信機能を有して分散されたモジュール相互間を連係することにより通信ネットワークを形成可能としている。個々のモジュールは前記信号入出力手段を介してデータ収集をなし、収集したデータを前記ネットワークの伝達経路を介して任意の指定モジュール１２に伝送可能としたプログラムを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は分散データ収集システムおよび同システムの構築方法に係り、特に広範囲にわたるデータ収集が必要な領域、例えば地殻変動を検出するためのデータ収集や、工場設備内外の多数点での観測が必要なデータの収集、あるいは１つの装置機械類でもあらゆる箇所での計測データの収集、など各種の分散されているデータの収集を必要とする領域に対して、データ収集ネットワークを構築するのに好適な分散データ収集システムおよび同システムの構築方法に関する。

従来、あるエリア内でネットワークを構築してデータ処理を行う場合、例えばＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）のごとく、端末機器を分散配置して、端末機器からデータを入力し、これを有線／無線の通信経路を通じてホストコンピュータに入力し、ここで収集データの処理・管理を行い、必要に応じて端末側からの問い合わせに答える形式となっている。

この種のネットワーク構築技術に関連して、特許文献１には「遠隔監視システム」が開示されており、監視対象エリアにセンサと無線通信手段を具備する監視装置を複数設置しておき、これと別途に設けたホストからの命令を受けて監視装置が命令に沿ったデータをホストに伝送する技術が示されている。

また、特許文献２には、複数の無線機によりネットワークを構築することで有線ケーブル敷設工事を排除し、一旦ネットワークを構築した後でも、新たな無線機（ＰＩＯステーション）を配置したり、配置済の無線機を移動させたりするだけで、容易にシステムの拡張／変更等が行え、更に、通信障害、通信路遮断や、無線機の故障等が生じてそれまで使用可能であった通信路が使えなくなっても、これに自動的にフレキシブルに対応して中継ルートを選択する（迂回路等が使われる）ことができるようにした例が示されている。
特開平１０−２２７４００号公報 特開２０００−３４３１３号公報

しかしながら、従来のネットワークを構築してデータを収集する場合、定まった領域の定まった箇所に端末機器を配置して、これらをネットワークとして連係させる構成であるため、広大なエリアにて例えば地殻変動を調査するためのデータ収集する場合には、計測点を定めてその定点に端末機器を配置したネットワークを構築し、設定されたデータを収集するものとなっていた。

このため、従来のシステムでは、ネットワークを組むべきエリアの計測点などが既に定まっており、その定点に端末機器を設置する構成であるため、ネットワーク構築のための準備時間が多く必要であり、事前準備設計が負担になっていた。また、一旦設置した端末で故障があった場合には、中継ルートを変更できるフレキシブル性を備えているが、あくまでも定点に置かれた端末機器を対象としているので硬直性は避けられず、故障端末からのデータ入手は新規端末を代替設置するまでは不能であった。

本発明は、上記従来の問題点に着目してなされたもので、単純にデータを収集すべきエリアにパッケージ化したモジュールを散布してランダムに配置するだけで、この散布モジュールをノードとして任意にネットワークを自立形成させることができ、目的に応じたデータを各ノードから収集することができるデータ収集システムおよびデータ収集システムの構築方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る分散データ収集システムは、少なくとも演算処理部と通信部を装備し物理的・化学的データの信号入出力手段または演算通信処理用インターフェースを有して任意のエリアに分散配置されるモジュールを有し、前記通信部は複数のモジュールとの接続が可能な通信機能を有して分散されたモジュール相互間を連係することにより通信ネットワークを形成可能としており、個々のモジュールは前記信号入出力手段を介してデータ収集をなし、収集したデータを前記ネットワークの伝達経路を介して任意の指定モジュールに伝送可能としたプログラムを備えてなることを特徴とするものである。

この場合において、前記モジュールが分散された初期にネットワーク通信経路を構築して自己組織化できるプログラムを格納し、通信経路状況に応じてネットワーク構成を変更可能とすればよい。
また、前記ネットワークを構成するモジュールの１つは外部ネットワークとの接続機能を有するモジュールとすることが望ましい。

各モジュールは通信可能なモジュール数の検出により分布密度を算出し粗密度に応じてアラーム発生手段を設ければよい。
本発明に係る分散データ収集システムは、更に、前記演算処理部は定期的にデータを収集して所定のモジュールへのデータ伝送をなさしめると共に、問い合わせ型で必要なときに必要な分だけ収集して指定モジュールへ伝送可能な制御手段を備えた構成とすることができる。

また、本発明に係る分散データ収集システムの構築方法は、少なくとも演算処理部と通信部を装備し物理的・化学的データの信号入出力手段または演算通信処理用インターフェースを有するモジュールを設定エリアに散布して分散配置させ、分散されたモジュール間を前記通信部により通信連係させてネットワーク構築を可能としたものである。

この場合において、各モジュールのプログラムの変更は前記ネットワークを通じて行われるようにすればよく、前記ネットワークは定期的に健全性をチェックし、状況に応じて通信経路を変更可能とすればよい。
更に、本発明に係る分散データ収集システムの構築方法は、少なくとも演算処理部と通信部を装備し物理的・化学的データの信号入出力手段または演算通信処理用インターフェースを有するモジュールを設定エリアに散布してランダムに分散させ、各モジュールは通信可能なモジュール数の検出により分布密度を算出し、分布密度が均一となるように前記通信部により連係されるモジュールを選択接続してネットワークを構築するような構成としてもよい。

上記構成より、対象エリアにモジュールを散布してランダムに配置しておき、モジュールは自立的に通信部を介して近隣のモジュールを探し当てて通信経路を形成し、これを数珠繋ぎ状に継続して処理させることにより、各モジュールの通信範囲内での接続モジュール数が判明するので、全体として分散配置されているモジュールの粗密度が分かる。そこで、ネットワークが適正な接続形態となるように通信経路を選択して接続させることで物理的配置が均一なネットワークが構築される。この構築されたネットワークでは、ノードに位置するモジュールはその物理的・化学的データ信号の入出力手段または演算通信処理用インターフェースによりデータを入手し、ネットワークを通じて要求のあったモジュールにデータを収集することができる。この結果、事前処理が極めて少なく迅速にネットワークを構築することができる。構築されたネットワークはモジュールの内蔵演算部に格納されたプログラムにより、必要とされるデータを、ネットワークを通じて必要箇所のモジュールから入手して所定の処理を行い、その結果に基づいて仮に必要であれば必要箇所のモジュールに何らかの操作をすべき指令を出力するのである。

このように、本発明は、単純にデータを収集すべきエリアにモジュールを散布してランダムに配置するだけで、この散布モジュールをノードとして任意にネットワークを自立形成させることができ、目的に応じたデータを各ノードから収集することができるのである。

以下に、本発明に係る分散データ収集システムおよび同システムの構築方法について、具体的実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１に実施形態に係る分散データ収集システムに用いるモジュール１２のブロック図を示す。また図２にモジュール１２の外観構成図を示す。なお図２（ａ）はモジュール１２の平面図、同図（ｂ）はモジュール１２の側面図である。

モジュール１２は小型に形成され、まず物理的・化学的な信号の入出力手段（または演算通信処理用インターフェース）１８を備えている。この信号入出力手段１８は、例えばコンパスによる方位情報や、電流、長さ、ガス濃度といったセンシングデータを取り込むセンサ部１８₁や、ＬＥＤの発光やバイブレーションの起動といったモジュール外に対する操作処理をなすイベント処理部１８₂、あるいは入力信号に対する閾値設定処理やバンドパス、ＡＮＤ回路やＯＲ回路などの論理演算をなす論理制御部１８₃、更には入力データを格納するデータストレージ部１８₄、また、ラジオ受信や送信といったブロードキャストコンテンツ送受信部１８₅などから、任意に選択し、本システムが提供できるサービスに必要なデータを収集処理するものである。

この信号入出力手段１８はデータ処理部２２に接続されている。データ処理部２２は演算部２４に接続され、この演算部２４はデータ記憶部２６に接続されている。この演算部２４とデータ記憶部２６は、データ送受信制御を行うことができるだけの機能と記憶容量を有し、データ送受信制御部２８を構成している。また演算部２４はアンテナ３０と接続されている。そしてデータ処理部２２およびデータ送受信制御部２８により無線通信部３２を構成し、この無線通信部３２は１チップ化され得る。

またモジュール１２は、無線通信部３２や信号入出力手段１８に電力を供給する電力供給部３４を有している。図１では電力供給部３４と、無線通信部３２や信号入出力手段１８との接続を省略して記載している。この電力供給部３４は一次電池、二次電池、コンデンサ、燃料電池、太陽電池などから構成することができる。またマイクロ波送電装置から出力されたマイクロ波電力を受電して電力を得るマイクロ波受電装置や、またはゼーベック効果を生じる半導体素に温度差が生じると電力を生じる熱電発電器等によって構成することができる。要するにそれ自体が外部から有線で電力供給を受けることのない電力供給源を用いるようにすればよい。

またモジュール１２には、無線通信を行わないときはモジュール１２自身の電力消費が極めて少ないモードに切り換えるとともに信号入出力手段１８の電源を切り、無線通信を行うときのみモジュール１２と信号入出力手段１８の電源が入るように制御する機能を組み込むことができる。この一種の休眠状態と活動状態の切り換えは、モジュール１２に組み込んだソフトウェアによって、または外部からの指令によって切り換えることができるので、電力供給部３４に小型の一次電池を用いた場合でも、無線通信の頻度を落せば一年以上の間、電池交換なしにモジュール１２を稼動させることができる。

本発明は通信手段により限定されるものではないが、一例としてブルートゥースによるものを示す。図３にブルートゥースを用いた無線通信の説明図を示す。ブルートゥースを用いた無線通信は、通信を制御する役割を担うチップ（マスタ）４０と、制御されるチップ（スレーブ）４２の間で通信が行われるが、無線通信部３２に組み込んだソフトウェアによって、または外部からの指令によってマスタ４０とスレーブ４２を切り換えることができる。また、１つのモジュールが１対多数からなるひとつのネットワーク（ピコネットと呼ばれている）だけでなく、２つの小さなネットワークに属することが可能である。したがって、互いの通信距離内にある複数のモジュール１２を数珠繋ぎに無線で接続して、通信距離を実効的に伸ばすことが可能となる。

またモジュール１２には無線通信が可能な近隣のモジュール１２を自ら探し出し、自律的に無線ネットワークを構築するソフトウェアが組み込まれている。このためモジュール１２を配設するユーザは各モジュール１２間の通信距離にさえ留意していれば、実際に各モジュール１２がどのような無線ネットワークを構成するかを考える必要がないため、ネットワーク構築の専門家でなくても無線ネットワークを容易に構築することが可能となる。

さらにネットワークを構築した後、ネットワークを構成する幾つかのモジュール１２が故障するなどして当初構築したデータ転送経路が寸断されたとしても、通信可能距離内に存在する他のモジュール１２を経由して新たな無線ネットワークを直ちに自律的に構築することが可能となる。
本実施形態では、上述したモジュール１２を設定エリアに散布して分散配置させ、分散されたモジュール間を前記通信部により通信連係させてネットワーク構築するようにしている。

図４にモジュール１２を用いて構築した無線ネットワークの説明図を示す。モジュール１２を分散配置するには、人手によって予め定点として指定した箇所や、定点でないが指定された箇所に設置してもよいが、例えば飛行機などの移動機関や散布装置などを用いてランダムにばら撒くことにより、適度な間隔をおいて分散配置される。この間隔はモジュール搭載通信部の通信距離やその通信方式に依存する。モジュール１２間が無線通信に不都合なほど離れている場合には、無線通信の中継のためにモジュール１２を追加設置する。これにより各モジュール１２は少なくとも１つ以上の他のモジュール１２と無線通信可能な距離内に置かれる。

このように対象エリア内にランダムに分散配置された多数のモジュール１２からなるモジュール群が自律的に無線ネットワークを構築して、複数の通信経路を選択することになり、１つの通信経路が寸断された場合でも無線ネットワークの健全性を保つことが可能となる。また、モジュール群の数が無線通信を行うエリアに対して「疎」である場合には、複数の通信経路の設定を容易にしてネットワークの冗長性を増すために、中継のためのモジュール１２を追加配設すればよい。なお中継のためのモジュール１２には必ずしも信号入出力手段１８を搭載する必要はなく、無線中継するだけの機能、すなわちアンテナ、データ送受信制御部および電力供給部を持った無線中継ユニットを追加配設してもよい。

モジュール群の中の少なくとも１つ、好ましくは複数のモジュール１２は外部ネットワークとの接続機能を有するモジュールとし、外部ネットワークとの接続により分散データ収集の能力を格段に増大することができる。

図５を参照してネットワーク構築の例を説明する。ネットワークの接続点はノードと説明されるので、モジュール１２をノードと表示する。
前提として、各ノード１２は、ノード識別のためのノード・アドレス（モジュール固有もの）とともに、ネットワーク（ＮＷ）構築がなされたときに必要なネットワーク・アドレスを設定しておく。ノード群の中に、外部ネットワークとの接続ノード（ＰＡＳ）を導入するとともに、ここにＮＷコンフィグレーション・マネージメント機能（ＮＷＣＭＳ）をもたせる。各ノード１２には、信号入出力手段１８に対応して、図６に示したサービス機能（サービス・クラスという）を設定する。また、各ノード１２にはノード検索パケットを送受信するプログラムを格納しておく。

このような前提のもと、ネットワークの形成の手段は次のように行われる。外部ネットワークとの接続機能を有するノードであるＰＡＳに対し、他のネットワークもしくはノード自身の機能により探索命令が入り、ＰＡＳはまず周辺のノード検索を行う。この問い合わせを受信できる近隣のノードＡ，Ｂは探索パケットに対してデバイス固有のノード・アドレスを通知するパケットを返す。次いで、ＰＡＳはノードＡ，Ｂに対してサービス・クラスを問い合わせ、ノードＡ，Ｂは問い合わせパケットに対して、サービス・クラスを返す。そして、ノードＰＡＳのネットワーク・コンフィグレーション・マネージメント機能（ＮＷＣＭＳ）は、ノードＰＡＳからノードＡ，Ｂに接続し、同時にＮＷＣＭＳはノードＡ，Ｂにネットワーク・アドレスを与える。こうしてノードＰＡＳ、ノードＡ，Ｂの第一のスコープが出来上がる。ノード機能テーブルとネットワークテーブルは図７のようになる。

ここで、スコープとは、次のようなものと定義する。このネットワークをコンピュータと考えると、システムの部分と全体という構成を考えないと、全体のシステム記述が膨大で、その動作検証も容易ではない。その部分はプログラム的にはモジュールであるが、この空間的広がりを持つネットワークでは、空間的に一つの単位として扱ったほうがいい領域なのでスコープと表現する。一つのスコープはプログラマブル・コントローラに近い動きをすると考えてよい。スコープをつないで全体のシステムが構成される。このネットワークは外部ネットワークとの接続を前提としているので、処理体系の大きさはここで表現されている範囲には限定されない。

次に、ノードＰＡＳのＮＷＣＭＳはノードＡ，Ｂにデバイス探索を命じる。この命令にしたがって、ノードＡ，Ｂはそれぞれ探索パケットを送信する。近隣にあって無線受信可能なノードＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆは探索パケットに対してデバイス固有のノード・アドレスをＡに通知するパケットを返す。同様にノードＤは探索パケットに対してデバイス固有のノード・アドレスをノードＢに通知するパケットを返す。そして、ノードＡはノードＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆに対し、また、ノードＢはノードＤに対してサービス・クラスを問い合わせる。これに対して、ノードＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆは問い合わせパケットに対して、ノードＡにサービス・クラスを返し、ノードＤは探索パケットに対して、ノードＢにサービス・クラスを返すのである。ノードＡ，ＢはノードＰＡＳに対してそれぞれノード（Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ）、ノード（Ｄ）の存在、サービス・クラスを通知する。

ノードＰＡＳのＮＷＣＭＳはノードＡに、それぞれノードＣ，Ｅ，Ｆと接続し、それぞれにネットワーク・アドレス（ＮＷ＿ＡＤ）を付与するよう通知し、また、ノードＢにノードＤと接続し、ネットワーク・アドレス（ＮＷ＿ＡＤ）を付与するよう通知する。
この段階でＮＷＣＭＳは図８に示すようなＮＷ構成テーブルを生成している。

次にノードＰＡＳのＮＷＣＭＳは、ノードＣ，Ｅ，Ｆ，Ｄに周辺のノードの探索を命じる。ノードＣ，Ｆ，Ｄは周辺のノードを発見できなかったが、ノードＥはＧというノードを発見した場合、ノードＣ，Ｅ，Ｄはノードが存在しないことをノードＰＡＳのＮＷＣＭＳに通知する。一方、ノードＥはノードＧのサービス・クラスを問いかけ、そのサービス・クラスＳ（Ｇ）を取得する。ノードＥはノードＧの存在とそのノード・アドレス、サービス・クラスをノードＰＡＳに通知する。

このような操作でノードＣ，Ｄ，Ｆの次ノード（ネクスト・ノード）は存在しないことが分かった。そこでネットワークの通路は、
経路１：ＰＡＳ−Ｂ−Ｄ
経路２：ＰＡＳ−Ａ−Ｃ
経路３：ＰＡＳ−Ａ−Ｆ
経路４：ＰＡＳ−Ａ−Ｅ
これが第２スコープの構成ということになる。

ノードＡを経由するネットワークがまだ拡張される可能性があるので、デフォルト・ゲートウェイという概念を導入する。すなわち第一のスコープにおけるデフォルト・ゲートウェイはＡ（２２：５２：０：１）、Ｂ（２２：５２：０：２）である。ノードＰＡＳはノードＡ，Ｂでないアドレスのものは、まずノードＡ，Ｂに送る。ノードＰＡＳのデフォルト・ゲートウェイはノードＡ，Ｂである。このデフォルトを入れたネットワークテーブルは、図９のようになっている。

ノードＰＡＳのＮＷＣＭＳは、ノードＧにネットワーク・アドレスを付与する。第２スコープのデフォルト・ゲートウェイはＥということになる。
この第３スコープ段階でのノード機能テーブルとネットワークテーブルは図１０のようになる。

次に、ノードＰＡＳのＮＷＣＭＳはノードＧにデバイスを探索する命令を出力する。これを受けて、ノードＧは探索パケットを送信する。これを受信可能なノードＨ，Ｉ，Ｊは探索パケットに対してデバイス固有のノード・アドレスをノードＧに通知するパケットを返す。そして、ノードＧはノードＨ，Ｉ，Ｊに対してサービス・クラスを問い合わせ、ノードＨ，Ｉ，Ｊは問い合わせパケットに対して、ノードＧにサービス・クラスを返すとともに、ノードＧはノードＨ，Ｉ，Ｊの存在、サービス・クラスをノードＰＡＳに通知する。ノードＰＡＳのＮＷＣＭＳは、ノードＧを介してノードＨ，Ｉ，Ｊへそれぞれネットワーク・アドレスを通知する。これによって第４スコープにおける二つのテーブルは図１１のようになる。

次に、ノードＰＡＳのＮＷＣＭＳはノードＨ，Ｉ，Ｊに対してノードの探索を命じる。しかし新しいノードは発見できなかったものとすると、最終のネットワークテーブルは図１２に示した構造となる。
このように、本実施形態では、起点となるノード１２（ＰＡＳ）から通信可能なノード１２を探し、起点ノード１２に格納したプログラムにより、通信できたノード１２へネットワーク・アドレスと同時に各ノード１２が発揮できる機能（サービス・クラス）が起点ノード１２のプログラムに返される。探索されたノード１２へは更に次のノードを探索する命令が発せられ、これを次々繰り返していくことにより、探索できない最終ノード１２を得て、ネットワークが完成するのである。

ところで、ノード１２は通信する宛先ネットワーク・アドレスで、通信する。
このテーブル(図１２)に従って、個々のノード間の通信を、ノードＣからノードＪへの場合を例にとって検討してみる。

ノードＣ（２２：５２：０：３）からノードＪ（２２：５２：０：１０）へ通信する場合、ノードＣはパケットを、デフォルト・ゲートウェイＡに送る。ノードＡは自分に接続しているノードにはノードＪのネットワーク・アドレスが存在しないので、そのパケットをデフォルト・ゲートウェイであるノードＰＡＳ、ノードＥにパケットを送る。
ノードＥは自分の接続先にそのノードが存在しないので、次のデフォルト・ゲートウェイのノードＧにパケットを送る。

ノードＧはパケットを自分に接続しているノードＪに送る。４段階のホップでノードＣからのパケットはノードＪに届くことになる。パケットにはこのホップ数が記されているのが有用である。
ここでパケットの持つ情報としては、送信元のノード・アドレス、次のノード・アドレス、届け先のネットワーク・アドレス、送信元のネットワーク・アドレス、ホップ数が必要とされる。

ノードＰＡＳのＮＷＣＭＳは一定時刻、一定時間間隔やイベントに際し、このネットワークが維持されているかどうかを、自己判断する。例えば、ノードＰＡＳからそれぞれのノードに問い合わせをし、その応答の時間、ホップ数などから判断する。そして、必要があると判断するときは、最初からの操作を再度行い、構成をリフレッシュするようにすればよい。

しかしながら、ＰＡＳからＪにいたる経路を考えてみると、ＰＡＳ−Ａ−Ｅ−Ｇ−Ｊという経路しか存在してないので、この通信経路が断たれると、ネットワークの自立的な修復を行うことは困難である。そこで冗長なネットワークノードの導入が必要になる。

この構成では、ＰＡＳからＪに至る経路は、図５に示しているように、ＰＡＳ−Ａ−Ｅ−Ｇ−Ｊである。もしＥに障害が発生した場合、アルゴリズム的には自律的な修復が可能であっても物理的に修復が不可能という事態になる。その場合、図１３に示すように、ノードＫを追加することに併せて、ノードＡのデフォルト・ゲートウェイにノードＦを追加することによって、新たにＰＡＳ−Ａ−Ｆ−Ｋ−Ｊのような経路が追加される。ＰＡＳを出たパケットは二つの経路を伝わっていく。これによって片方の経路に障害があっても届くことになる、片方のパケットのみを使うことも可能である。このときのノード機能テーブルとネットワークテーブルは、図１４のようになる。

このようなことから、ノード間の送信パケットには、送信元ノード・アドレス（Ｄ＿ＡＤ）、宛先ノード・アドレス（Ｄ＿ＡＤ）、送信元ネットワーク・アドレス（ＮＷ＿ＡＤ）、宛先ネットワーク・アドレス（ＮＷ＿ＡＤ）、並びにホップ数が構成要素として入っていることが必要である。

このようにしてネットワークを構築するとともに、モジュール（ノード）１２にサービス・クラスを導入することによって、各ノードは自律的にサービスレベルでの通信が可能になってくる。例えば、図１３において、ノードＪのサービス・クラスが図６に示しているようなクラス３４のセンサ／マイクロＳＷ（接点）であり、ノードＣがクラス８３の出力／ＬＥＤ 点灯・消灯であるとすれば、ノードＪが接点ＯＮの信号を得たら、そのイベントをノードＣに伝える。ノードＣはＬＥＤによって点灯する。各ノードの有機的な関係は、このネットワークが大きなコンピュータとして動作するようにプログラムによって論理的に記述できるようになるのである。

上の例では、自己のもつ
ｇｅｔ ＳＷ（ＯＮ，ＯＦＦ）
ｃａｌｌ２２：５２：０：３ ＬＥＤ（ｓｔａｒｔ ｔｉｍｅ ，ｇｒｅｅｎ，１０mＡ，ｂｌｉｎｋ（１００：１００ミリ秒））
というシナリオに従って、パケットはノードＣに送られ。ノードＣは要請にしたがって、ある時間（Ｓｔａｒｔ Ｔｉｍｅ）をおいて縁のＬＥＤを１０ｍＡの明るさで、ブリンクする。

このネットワークは全体として入出力機能、処理能力、ストレージ、通信機能、などを備えたコンピュータであるといえる。ただ処理の内容をストレージしておくことが適切な場合が多いので、ログファイルをストレージするノードにイベントを通知しておく方がいい。

サービス・クラスの導入によって、各ノード１２の機能が明確になってくるが、各ノード１２が具備すべき要件の一つとしての通信機能やサービスのクラスがあるが、このようなインテリジェントな動作を行うためには、各ノード１２は複雑な処理を行える処理能力とプログラムが必要である。このプログラムの変更はノード１２を設置している状態で行える方が望ましい。ノード１２にインプリメントされたネットワーク・コンフィグレーションスレッドはこのネットワークを通じて、あるいはこのノード１２にアドミニストレーション装置で接続して、プログラムを改変することができる働きをしている。

また、スコープあるいはこのネットワークで、あるシーケンスを実行することに対し、一つの問題点は上述したホッピングをベースとしたネットワークでは、ＰＡＳが受けたパケットはホップ数の違いによって、そのイベントの発生順に届くわけではない。各ノード１２のパケット送出タイミングでの時刻のスタンプ（タイムスタンプ）があるのが望ましい。各ノード１２はプロセッサを動かすために、正確な水晶発信子があるものの、時刻を知る機能がない。そこで、このネットワークの一つとして正確な時刻を持つように標準時間（５５：センサ／時刻）を導入する。標準時間のタイムキーパーである、各ノードはこのセンサに時刻を問い合わせる。問合せをしてから時刻が帰ってくるまでの時間を、ノードのクロックでカウントして、その１／２を片方向の通信所要時間として算出し、タイムキーパーから得られた時刻に加えて、これを自ノードの標準時間とする。この情報を
「２００４．０２．１８．２３．１８．２５」のようにスタンプとしてパケットに挿入できるようにしておけばよい。

更に、グランドポジション導入をなす。ノード１２が地球の位置に対して、どのように配置されたのかは、実際の作業を考えると、有用である、このネットワーク形成の初期において、ＧＰＳ（グランド・ポジショニング・システム）をネットワークに設置して、グランド・ポジショニングを決定するのは有用である。各々のＧＰＳは、

のようなデータを持っている。通信ノードはＧＰＳノードに対して、パケットを送りそれにかかる時間を計測する。数個のＧＰＳからの時間とホップ数からグランドポジションを算出する。この算出が終わったらＧＰＳははずしてもいい。
ＧＰＳの示す距離は、地球を球と考えた簡単な計算では、

となり、１秒はおよそ３１mの距離に相当する。１分は１８５５mである。楕円体と考えると少し異なる距離となるが、ここでは簡単な理解をするためにこの値を用いる。ＧＰＳ１／１０秒までの精度があるといわれているので、ほぼ３〜５mの精度ということになる。

このネットワークの外側に８個程度のＧＰＳ装置を設置し、中心に１個のＧＰＳを配すると図１５に示すような構成となる。
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，ＩはＧＰＳノードの設置場所である。今、Ｘ地点のノードの位置を算出するには、ＸからＡ，Ｂ，Ｃ，Ｉ，Ｈ間での通信のホップ数を求めることで、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｉ，Ｈからの相対的な位置関係を把握することができる。

ＧＰＳノードの設置個数は望ましい位置の精度によって決定される。表２はその目安になるだろう。その他のノードの配置は、ノード間通信の距離に依存する。１０ｍを目安に設置するかあるいは１００ｍを目安に設置するかは用いられる通信プロトコルに依存する。

また、電子コンパスのサービス・クラスを導入することは北、南、東、西の方向特定ができるので、ある異常に対応したり、あるイベントに対応するために有効である。コンパスとカメラをもつノードを考えると北から右周りに１５度の方向を撮影するというような運用が可能になる。電子コンパスはこのように他のデバイスと組み合わせて用いることで、重要さが増す。電子コンパスの場合、一定の方向たとえば北の方向に合わせて、中核のデバイスが向きを変更できるようにすると、サービスの適用が容易になる。

更に、ノードの設置はあらかじめ想定できるような場合が多い。この場合は設置するデバイスのノード・アドレスを調べ、そのサービス・クラスを調べ、順次配置していき、その後ネットワークを形成すればいい。一方大きな面積での設置を考えると、ＧＰＳを設置するのは意識的に行うとしても、他は飛行機や散布機器から撒いて分散配置させてもいいようなネットワークの形成すら可能である。その場合散布密度が重要になる。

通信距離をｒとすれば、その電波の到達範囲はπｒ²であるから、面密度は最小でも１／（πｒ²）となる。いくつかの例をとると、通信距離に応じて散布する通信ノードの個数は次のようである。

通信距離と面密度が分かると、次式
通信距離＝１／(πｘ面密度)^1/2
ホップ数＝２点間の距離／通信距離＝２点間の距離×（πｘ面密度）
でおよそのホップ数が計算できる。実際の通信でヘッダについてくるホップ数とこれを参照することで、計算の妥当性を検討することができる。通信時間はこのネットワークのように、データ量が小さい場合はほとんどワン・ホップの際に必要となる時間に依存するので、通信時間からホップ数の妥当性を判断することもできる。撒布されるデバイスのサービス・クラスについては、形成しようとしているネットワークの性質に依存する。

各モジュールは通信可能なモジュール数の検出により分布密度を算出し粗密度に応じてアラーム発生手段を設けるようにすればよい。したがって、モジュールを設定エリアに散布してランダムに分散させ、各モジュールは通信可能なモジュール数の検出により分布密度を算出し、分布密度が均一となるように前記通信部により連係されるモジュールを選択接続してネットワークを構築するような処理が可能となる。

ノード・アドレス体系や無線部が同一のデバイスがネットワークの領域に運ばれてきたとき、それを排除してネットワークを形成するために、ＰＡＳのＮＷＣＭＳへノード・アドレスを事前に登録しておき、ネットワーク形成を行えるノードを特定することが可能である。

また、ＰＡＳのＮＷＣＭＳでマネージされている領域をひとつのスコープと考えると外とのネットワークはインタースコープ通信になる。ＰＡＳはそのゲートウェイとなる。ＰＡＳは今まで述べたようなネットワークとつながることが可能である。その際には、相互のネットワークの経路情報を交換しあう。

外部ネットワークとの接続、特にインターネットに接続する場合、ＰＡＳがプロトコルの変換を行うようにする。
実施形態に係るネットワークの信頼性は、ネットワークが、ノードを形成するデバイス（モジュール）の損傷により、通信経路を維持できないときは、それを迂回した別のネットワークを形成して、通信を継続することについては先に述べた通りであり、充分に高いものとなっている。また、データ的なセキュリティのためには暗号鍵を用いた通信を適用するようにすればよい。

電池を交換せずに、どこまで運用できるかは、このネットワークにとって決定的な有用性の提供につながる。まず共通の要素の部分の消費電力を低減するためには、通信部を構成するプロセッサや無線の発信部の省電力化が検討される。本実施形態では、通信ネットワークの中で、普通の動作をしているアクティブ・モード、電力を落としてプロセッサの駆動周波数を低くするようなスリープ・モード１、及び電力をさらに落とし、さらに無線部の感度を上げ、送信出力を低減するスリープ・モード２というモードを採用することで、消費電力を低減することができる。

更に、本実施形態に係るネットワークは、一般の制御で使われるプログラム・コントローラの機能を、実現することができる。プログラム・コントローラの入出力端子の代わりに無線インターフェースを配する実装の方法も提供できることは、上述の内容から容易に理解できる。図１６に示すように、この構成ではＡ，Ｂ，Ｃ，Ｉ，Ｈが主要な構成要素であるがそのデータは途中の中継ノードを経て中心にあるプログラム・コントローラ・ノードに送られ、あるいはプログラム・コントローラ・ノードからの信号で出力する。その制御はイベント的であったり、シーケンス的であったり、フィードバック制御であったりと多様であることを妨げない。

本発明は広範囲にわたるエリアでのデータを抽出することができるネットワークの構築が可能であり、地殻変動調査におけるデータ収集や、産業界での工場設備や機器類の異常検査、環境監視、火災や天災時の情報収集、セキュリティ監視、物流の監視などに適用することができる。

実施形態に係る分散データ収集システムに用いるモジュールの構成ブロック図である。 同モジュールの外観を示す平面図と側面図である。 ブルートゥースを用いたモジュール結合による無線通信の説明図である。 モジュールにより構築したネットワークの説明図である。 本実施形態に係るネットワーク構築の説明図である。 モジュールに搭載する入出力手段のサービス機能を示す図表である。 第１スコープのテーブルである。 第２スコープのテーブルである。 デフォルトノードを加味した第２スコープにおけるネットワークテーブルである。 第３スコープのテーブルである。 第４スコープのテーブルである。 最終スコープにおけるネットワークテーブルである。 モジュールを用いたネットワーク構築の説明図である。 通信経路を追加したケースのテーブルである。 ＧＰＳ利用のネットワーク構築の説明図である。 プログラム・コントーラとして用いる場合のネットワーク構成図である。

符号の説明

１２………モジュール（ノード）、１８………入出力手段、２２………データ処理部、２４………演算部、２６………データ記憶部、２８………データ送受信制御部、３０………アンテナ、３２………無線通信部、３４………電力供給部、４０………マスタ、４２………スレーブ。

Claims (9)

1. 少なくとも演算処理部と通信部を装備し物理的・化学的データの信号入出力手段または演算通信処理用インターフェースを有して任意のエリアに分散配置されるモジュールを有し、前記通信部は複数のモジュールとの接続が可能な通信機能を有して分散されたモジュール相互間を連係することにより通信ネットワークを形成可能としており、個々のモジュールは前記信号入出力手段を介してデータ収集をなし、収集したデータを前記ネットワークの伝達経路を介して任意の指定モジュールに伝送可能としたプログラムを備えていることを特徴とする分散データ収集システム。
2. 前記モジュールが分散された初期にネットワーク通信経路を構築して自己組織化できるプログラムを格納し、通信経路状況に応じてネットワーク構成を変更可能としてなることを特徴とする請求項１に記載の分散データ収集システム。
3. 前記ネットワークを構成するモジュールの１つは外部ネットワークとの接続機能を有するモジュールであることを特徴とする請求項１に記載の分散データ収集システム。
4. 各モジュールは通信可能なモジュール数の検出により分布密度を算出し粗密度に応じてアラーム発生手段を設けてなることを特徴とする請求項１に記載の分散データ収集システム。
5. 前記演算処理部は定期的にデータを収集して所定のモジュールへのデータ伝送をなさしめると共に、問い合わせ型で必要なときに必要な分だけ収集して指定モジュールへ伝送可能な制御手段を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の分散データ収集システム。
6. 少なくとも演算処理部と通信部を装備し物理的・化学的データの信号入出力手段または演算通信処理用インターフェースを有するモジュールを設定エリアに散布して分散配置させ、分散されたモジュール間を前記通信部により通信連係させてネットワーク構築を可能としたことを特徴とする分散データ収集システムの構築方法。
7. 各モジュールのプログラムの変更は前記ネットワークを通じて行われることを特徴とする請求項６に記載の分散データ収集システムの構築方法。
8. 前記ネットワークは定期的に健全性をチェックし、状況に応じて通信経路を変更可能としてなることを特徴とする請求項６に記載の分散データ収集システムの構築方法。
9. 少なくとも演算処理部と通信部を装備し物理的・化学的データの信号入出力手段または演算通信処理用インターフェースを有するモジュールを設定エリアに散布してランダムに分散させ、各モジュールは通信可能なモジュール数の検出により分布密度を算出し、分布密度が均一となるように前記通信部により連係されるモジュールを選択接続してネットワークを構築することを特徴とする分散データ収集システムの構築方法。

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