JP5075762B2 - Sensor node and sensor network system - Google Patents
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Description
本発明は、多数のセンサノードを無線ネットワークで接続し、センサノードが測定したデータを計算機で収集して、データ解析を行うセンサネットワークシステムに関し、多数のセンサノードが高頻度で測定及び通信を行う混雑した通信環境において、センサノードの通信量を削減することによりセンサノード間の通信輻輳を防止するセンサネットワークシステムに関する。 The present invention relates to a sensor network system in which a large number of sensor nodes are connected by a wireless network, data measured by the sensor nodes is collected by a computer, and data analysis is performed. The present invention relates to a sensor network system that prevents communication congestion between sensor nodes by reducing the communication amount of the sensor nodes in a congested communication environment.
近年、センサ機能を搭載した小型無線センサノード (以下、センサノード)、中継機(ルータノード)、基地局、及びセンサネットサーバ(以下、管理サーバ)から構成されるセンサネットワークシステムの開発が進められている。センサノードは、センサにより人又は場所の状態等に関するデータ(以下、センサデータ)を取得し、取得したセンサデータを中継機によりマルチホップに中継し、基地局を経由して管理サーバに送信する。管理サーバは、受信したセンサデータに基づいて、各種処理を実行する。 In recent years, development of sensor network systems composed of small wireless sensor nodes (hereinafter referred to as sensor nodes), repeaters (router nodes), base stations, and sensor network servers (hereinafter referred to as management servers) equipped with sensor functions has been promoted. ing. The sensor node acquires data (hereinafter referred to as sensor data) related to the state of a person or a place by a sensor, relays the acquired sensor data in a multi-hop by a relay, and transmits the data to a management server via a base station. The management server executes various processes based on the received sensor data.
センサネットワークシステムにおけるキーデバイスは、小型、低電力を特徴とするセンサノードである。小型であるが故に環境や人を含むあらゆるモノへ付けることが可能となり、低電力であるが故に外部給電することなく電池で数年間稼動させることができる。さらに無線で通信するが故に、センサノードの設置場所の自由度が高く、広範囲へ配置することが可能である。 A key device in a sensor network system is a sensor node characterized by small size and low power. Because it is small in size, it can be attached to everything including the environment and people, and because of its low power, it can be operated for several years with a battery without external power supply. Furthermore, since communication is performed wirelessly, the degree of freedom of the installation location of the sensor node is high, and the sensor node can be arranged in a wide range.
センサノードにおける特徴的な動作として、間欠動作がある。これは、センシングやデータ送信のようなタスクを実行する時のみ必要なハードウェアを駆動し、実行すべきタスクがない時はセンサ、RF等の周辺ハードウェアは完全に停止し、マイコンも低電力モードで休眠させるという動作である。間欠動作を行うことにより、センサノードは、限られたバッテリの下で長時間動作が可能となる。 As a characteristic operation in the sensor node, there is an intermittent operation. This drives the necessary hardware only when executing tasks such as sensing and data transmission. When there are no tasks to be executed, peripheral hardware such as sensors and RF are completely stopped, and the microcomputer is also low power. It is an operation to sleep in the mode. By performing the intermittent operation, the sensor node can operate for a long time under a limited battery.
マイコンが所定の休眠時間を満了すると、タイマ部が割り込みを発生させることにより、マイコンは通常動作モードへ復帰する。そして所定の手順に従い、センシングを実行し、センシングしたデータを送信し、自分宛のデータがある場合にはPollingにより受信し、該データの処理を行う。その時点で実行すべき全てのタスクが終了すれば、再び所定時間の休眠に入る。休眠期間の合間のタスク処理期間の長さは数10ミリ秒から長くても1秒程度なので、センサノードはほとんどその時間は休眠状態にあることになる。 When the microcomputer expires a predetermined sleep time, the timer unit generates an interrupt, so that the microcomputer returns to the normal operation mode. Then, according to a predetermined procedure, sensing is performed, the sensed data is transmitted, and if there is data addressed to itself, it is received by Polling and the data is processed. When all the tasks to be executed at that time are completed, the computer enters sleep for a predetermined time again. Since the length of the task processing period between the sleep periods is about 1 second at the longest from several tens of milliseconds, the sensor node is almost in the sleep state for that time.
なお、間欠動作の基本的な特徴は「タスクを実行する必要がない時は休眠する」ことであるので、タスクのスケジューリングの方法によって間欠動作の実施方法には多様な変化が考えられる。例えばセンサノードが複数のセンサを搭載する場合には、センサ毎に別々のセンシング周期を持たせてもかまわない。また、センシング、データ送信、データ受信の各々は、本来的には独立のタスクであるので、各々のタスク毎に独立の動作周期を持たせても構わない。 Since the basic feature of intermittent operation is “sleep when there is no need to execute a task”, various methods can be considered for the method of performing intermittent operation depending on the task scheduling method. For example, when a sensor node is equipped with a plurality of sensors, different sensing cycles may be provided for each sensor. In addition, since sensing, data transmission, and data reception are inherently independent tasks, each task may have an independent operation cycle.
センサノードと管理サーバの間は無線通信を利用することは、設置場所の自由度の観点から必要であるが、一方で不都合も発生する。センサネットワークで用いられている小電力無線通信方式であるIEEE802.15.4の場合、通信レートが最大250kbps(31.25kB/s)である。しかし、振動や音声など、サンプリング速度が比較的速いデータを連続的に観測する場合、高レートな通信が必要である。よって、一つの無線ネットワークに所属するセンサノードの数が増えるに従って、一つのセンサノードが利用できる帯域に制約を受けることになる。 Use of wireless communication between the sensor node and the management server is necessary from the viewpoint of the degree of freedom of installation location, but inconvenience also occurs. In the case of IEEE802.15.4, which is a low-power wireless communication method used in sensor networks, the communication rate is a maximum of 250 kbps (31.25 kB / s). However, when continuously observing data with a relatively high sampling rate such as vibration and voice, high-rate communication is required. Therefore, as the number of sensor nodes belonging to one wireless network increases, the band that can be used by one sensor node is limited.
無線ネットワークの帯域を有効に利用するために、センサノードが測定したデータのうち、変化の小さいデータを間引いて送信し、データの差分のみを送信することで通信量を削減する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In order to effectively use the bandwidth of the wireless network, a technology is known that reduces the amount of communication by thinning out and transmitting data with small changes among the data measured by the sensor node and transmitting only the data difference. (For example, refer to Patent Document 1).
また、センサノードが複数の観測値を用いてヒストグラムを算出して送信し、サーバが受信したヒストグラムが異常値であると判断した場合、センサノードがヒストグラムを算出するために用いた複数の観測値を送信する技術が知られている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, when the sensor node calculates and transmits a histogram using a plurality of observation values and the server determines that the received histogram is an abnormal value, the plurality of observation values used by the sensor node to calculate the histogram Is known (for example, see Patent Document 2).
本発明の対象とするセンサネットワークシステムは、測定対象物に多数のセンサノードを設置し、高頻度にセンサデータを取得して、解析を行うものである。例えば、配管やポンプ、モータ等の機器の振動をモニタリングすることによる異常診断・予防保全システムである。具体的には、400 Hz - 1 kHz程度の振動を計測する電池駆動振動センサノードを,配管、機器等の100箇所ないし10,000箇所に常時設置し、異常検知を行う。 The sensor network system as an object of the present invention is to install a large number of sensor nodes on a measurement object, acquire sensor data at a high frequency, and perform analysis. For example, it is an abnormality diagnosis / preventive maintenance system by monitoring vibrations of equipment such as pipes, pumps, and motors. Specifically, battery-driven vibration sensor nodes that measure vibrations of about 400 Hz to 1 kHz are always installed at 100 to 10,000 locations such as pipes and equipment to detect anomalies.
このような振動の観測値を用いて設備の予防保全を行う場合、フーリエ変換が用いられる。フーリエ変換は、連続した観測値から周波数スペクトルを求める手法であるため、一定期間の連続した観測値が必要である。さらに、管理サーバは、その連続した観測値を間引き処理等が施されていない実データとして収集する必要がある。そのため、例えば特許文献1に開示されるようにデータの間引きを行うことができない。また、たとえデータの間引きなどを行ったとしても、単位時間当たりのデータ送信量が大きいセンサノードを多数備えたセンサネットワークシステムでは、センサノードの数が増えるに従って通信帯域が逼迫するという課題が生じる。
When performing preventive maintenance of equipment using such vibration observation values, Fourier transform is used. Since Fourier transform is a technique for obtaining a frequency spectrum from continuous observation values, continuous observation values for a certain period are required. Furthermore, the management server needs to collect the continuous observation values as actual data that has not been subjected to thinning processing or the like. Therefore, for example, data thinning cannot be performed as disclosed in
また、特許文献2に開示されるように、センサノードがある期間の観測値から算出した統計値をサーバに送信し、サーバが異常と判断した期間の観測値を要求し、センサノードがその観測値を送信する場合、統計値の送信と観測値要求の送信による通信量が増加する。さらには、センサノードは要求を受信するまで休眠できないため、消費電力が大きくなるという課題が生じる。
Further, as disclosed in
本発明は上記課題を解決すべく、サンプリング速度が速いデータを測定するセンサノードを多数備えながらも、無線ネットワークの通信帯域を確保可能なセンサネットワークシステムを提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a sensor network system that can secure a communication band of a wireless network while including a large number of sensor nodes that measure data with a high sampling rate.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。所定の間隔で観測値を取得するセンサと、所定期間に取得した観測値から特徴量を算出する近似計算部と、特徴量が所定の閾値を超えるか否かを判定する送信判断部と、特徴量が上記所定の閾値を超えた場合、上記所定期間に取得した観測値をサーバに送信する無線通信部と、を有するセンサノードである。 Of the inventions disclosed in this application, the outline of typical ones will be briefly described as follows. A sensor that acquires observation values at predetermined intervals, an approximate calculation unit that calculates a feature value from the observation values acquired during a predetermined period, a transmission determination unit that determines whether the feature value exceeds a predetermined threshold, and a feature A wireless communication unit that transmits an observation value acquired during the predetermined period to a server when the amount exceeds the predetermined threshold.
また、センサノードとサーバとを有するセンサネットワークシステムであって、センサノードは、所定の間隔で観測値を取得するセンサと、所定期間に取得した観測値から特徴量を算出する近似計算部と、特徴量が所定の閾値を超えるか否かを判定する送信判断部と、特徴量が所定の閾値を超えた場合、所定期間に取得した観測値をサーバに送信する無線通信部と、を有するセンサネットワークシステムである。 Further, in the sensor network system having a sensor node and a server, the sensor node includes a sensor that acquires observation values at predetermined intervals, an approximate calculation unit that calculates a feature value from the observation values acquired in a predetermined period, A sensor having a transmission determination unit that determines whether or not a feature amount exceeds a predetermined threshold, and a wireless communication unit that transmits an observation value acquired in a predetermined period to the server when the feature amount exceeds a predetermined threshold It is a network system.
本発明によれば、センサノードによる監視対象の監視を可能にしながら、無線ネットワークの通信帯域を確保することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the communication band of a wireless network can be ensured, enabling the monitoring of the monitoring object by a sensor node.
特に、所定の周波数で観測を行うセンサノードを多数備えた場合であっても、通信データ量を削減することで無線ネットワークの通信帯域が逼迫するのを防ぎ、センサノードを多数備えたセンサネットワークシステムを安定して運営することが可能となる。 In particular, even when a large number of sensor nodes that perform observation at a predetermined frequency are provided, the communication network amount is reduced by reducing the amount of communication data, and a sensor network system having a large number of sensor nodes. Can be operated stably.
本発明の実施形態を説明する前に、本発明の特徴について説明する。本発明の特徴は、センサノードが、所定の期間内に取得した複数の観測値から特徴量を算出し、当該特徴量を用いて送信要否を判定し、送信要と判定した場合にのみ観測値を送信する。これにより、センサノードの送信量を削減して無線ネットワークの通信帯域を確保するとともに、サーバは解析するために必要なデータ(観測値)を収集することができる。ここで特徴量とは、観測値の特徴を数値化して表した量であり、判断基準として使用できる量のことである。複数の観測値を用いて単一のデータあるいは複数の観測値よりデータ量の少ない複数のデータを算出し、特徴量として使用する。 Before describing embodiments of the present invention, features of the present invention will be described. The feature of the present invention is that observation is performed only when a sensor node calculates a feature value from a plurality of observation values acquired within a predetermined period, determines whether transmission is necessary using the feature value, and determines that transmission is required. Send value. As a result, the transmission amount of the sensor node can be reduced to secure the communication band of the wireless network, and the server can collect data (observation values) necessary for analysis. Here, the feature quantity is a quantity expressed by quantifying the feature of the observed value, and is a quantity that can be used as a criterion. A plurality of observation values are used to calculate a single data or a plurality of data having a data amount smaller than a plurality of observation values and use them as feature amounts.
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態のセンサネットワークシステムの構成のブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram of a configuration of a sensor network system according to an embodiment of the present invention.
センサネットワークシステムは、管理サーバAP1、ゲートウェイGW1、ルータノードRT1、センサノードSS1、管理計算機101、クライアント計算機102、有線センサ103、RFIDリーダ104及びLAN(Local Area Network)NW2を備える。
The sensor network system includes a management server AP1, a gateway GW1, a router node RT1, a sensor node SS1, a
LAN NW2は、管理サーバAP1、ゲートウェイGW1、管理計算機101、クライアント計算機102及び有線センサ103を相互に接続する。
The LAN NW2 connects the management server AP1, the gateway GW1, the
センサノードSS1は監視対象に取り付けられて、振動や音などの測定データを所定のサンプリング周期で測定し、IEEE802.15.4を物理層として採用した無線ネットワークNW1を介して基地局へ送信する。当該センサネットワークシステムに分散されて設置される。本説明図のセンサネットワークシステムには、9個のセンサノードが設置されているが、いくつ設置されてもよい。センサノードは、ZigBee通信部122、タスクマネージャー124、センサコントローラー125、パワーマネージャー126を備える。ZigBee通信部122は、ZigBeeプロトコルを用いて、ゲートウェイGW1、ルータノードRT1と通信する。タスクマネージャー124は、間欠動作を行うための起動と休眠といったタスクや、ユーザからの指示を処理する。センサコントローラー125は、センサからの観測値を取得する。パワーマネージャー126は、起動と休眠の際の電源制御を行う。センサノードに関する詳細は図2にて説明する。
The sensor node SS1 is attached to a monitoring target, measures measurement data such as vibration and sound at a predetermined sampling period, and transmits the measurement data to the base station via the wireless network NW1 adopting IEEE802.15.4 as a physical layer. Distributed and installed in the sensor network system. Although nine sensor nodes are installed in the sensor network system of this explanatory diagram, any number may be installed. The sensor node includes a ZigBee
ルータノードRT1は、ZigBee通信部122及びルーティングマネージャ121を備える。ZigBee通信部122は、ZigBeeプロトコルを用いて、ゲートウェイGW1、センサノードSS1又は他のルータノードと通信する。ルーティングマネージャ121は、外部から受信した情報の転送先を判定する。本説明図のセンサネットワークシステムには、7個のルータノードが設置されているが、いくつ設置されてもよい。
The router node RT1 includes a
ルータノードRT1は、センサノードSS1によって観測された環境情報又は管理サーバAP1から発行された要求等を受信し、ゲートウェイGW1、センサノードSS1又は他のルータノードRT1に転送する。ゲートウェイGW1は、LAN通信部120、ルーティングマネージャ121、ZigBee通信部122及びPAN制御部123を備える。
The router node RT1 receives the environmental information observed by the sensor node SS1 or the request issued from the management server AP1 and transfers it to the gateway GW1, the sensor node SS1, or another router node RT1. The gateway GW1 includes a
LAN通信部120は、LAN NW2を介して、管理サーバAP1と通信する。ルーティングマネージャ121は、外部から受信した情報の転送先を判定する。ZigBee通信部122は、ZigBeeプロトコルを用いて、ルータノードRT1又はセンサノードSS1通信する。PAN制御部123は、当該ゲートウェイGW1から構成されるPAN(センサノード、ルータノード、ゲートウェイからなる無線通信網)を制御する。
The
ゲートウェイGW1は、センサノードSS1によって観測された環境情報又は管理サーバAP1から発行された要求等を受信し、管理サーバAP1、ルータノードRT1又はセンサノードSS1に転送する。 The gateway GW1 receives the environmental information observed by the sensor node SS1 or a request issued from the management server AP1, and transfers it to the management server AP1, the router node RT1, or the sensor node SS1.
管理サーバAP1は、LAN通信部120を通じて、LAN NW2を介して,基地局GW1,管理計算機101,クライアント計算機102及び有線センサ103と通信する。また、基地局を介してセンサノードからの観測値の受信や、センサノードの制御を行う。管理サーバは、解析機能110、警報機能111、管理機能112を備える。解析機能110は、センサから得られた観測値の解析を行う。警報機能111は、観測値を解析した結果何らかの異常があった場合、ユーザへと通知する。管理機能112は、ネットワークの構成管理やセンサノードの状態管理を行う。また、管理サーバは、観測値や解析結果を保存するデータベースHistoryDatabase116を備える。
The management server AP1 communicates with the base station GW1, the
管理計算機101は、当該センサネットワークシステムの管理者によって操作される。管理計算機101は、管理者の操作を契機に、各種要求を管理サーバAP1に送信する。
The
クライアント計算機102は、当該センサネットワークシステムのクライアントによって操作される。クライアント計算機102は、各種アプリケーションを実行する。また、クライアント計算機102は、センサノードSS1によって観測された環境情報を、管理サーバAP1から受信する。クライアント計算機102は、受信した環境情報に基づいて、各種処理を行う。
The
有線センサ103は、環境情報を観測する。そして、有線センサ103は、観測した環境情報を、LAN NW2を介して管理サーバAP1に送信する。有線センサは、有線にてネットワーク網NW2と接続されているセンサ群であり、例えば熱電対温度センサがある。RFID104リーダは、RFID Tagに記載されたIDを読み込みネットワーク網NW2を通じてサーバへと通知する。
The
センサノードSS1は、振動センサとしてX軸、Y軸、Z軸方向の3軸の加速度をそれぞれ測定する加速度センサを備える。また、温度と湿度を測定する温湿度センサや、音を測定するマイク、明度を測定する照度センサを備えてもよい。センサノードのハードウェア構成の一例を図2に示す。 The sensor node SS1 includes an acceleration sensor that measures three-axis acceleration in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions as a vibration sensor. Moreover, you may provide the temperature / humidity sensor which measures temperature and humidity, the microphone which measures a sound, and the illumination intensity sensor which measures a brightness. An example of the hardware configuration of the sensor node is shown in FIG.
センサノードSS1はセンサ201、A/D変換器202、マイコン203、無線通信部204、表示部205、不揮発性メモリ206、Read-Onlyメモリ207、Real-Time Clock208、電池209、ボタン212からなる。無線通信部204は、図1のZigBeeCommunicator122に相当する。
The sensor node SS1 includes a
各軸の加速度センサの出力は、A/D変換器202でアナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された観測値は、演算処理を行うマイコン203に読み込まれて、Real-Time Clock208の時刻情報と共にフラッシュメモリなどの不揮発性メモリ206に書き込まれる。
The output of the acceleration sensor for each axis is converted from an analog signal to a digital signal by the A /
マイコン203は、起動時に不揮発性メモリ206に格納されているプログラムをメモリ210に読み込んで実行することにより、図3で説明する各種処理を行う。A/D変換機202から読み込んだ観測値をメモリ210に格納し、所定の回数観測を行うと、観測値から後述する送信判断を行う。そして、必要に応じてパケットに格納され、無線通信部204からアンテナAntennaを介して中継機ないし基地局へと無線で送信される。これら一連のタスクは、マイコン203上で動作するタスクマネージャ124にて管理されている。
The
表示部205は、ユーザに対して情報を表示するための出力デバイスであり、センサ201により計測した最新の観測値を表示することができる。その際、低電力化のために、通常時は何も表示せず、特定の操作(例えば、ボタン212押下)を行った時のみ、該最新測定値を表示するといった活用がある。
The
センサノードは、ハードウェアにおいてReal-Time Clock208以外の電源をOFF状態にする休眠状態と、全ての回路の電源をON状態にする起動状態の2つの動作を一定周期ごとに使い分ける。センサノードは休眠状態になることにより、5μAという低電力で、時刻情報を保持したまま動作をすることが可能となる。
The sensor node uses, in hardware, two operations, a sleep state in which the power other than the Real-
センサノードSS1の機能要素の一例を、図3に示す。本実施例のセンサノードは、所定の期間内に取得した観測値を用いて近似計算を行い、観測値送信の要否を判定することを特徴とする。これにより、センサノードのデータ送信量を削減することが可能となる。近似計算の詳細については後述する。 An example of functional elements of the sensor node SS1 is shown in FIG. The sensor node according to the present embodiment is characterized in that an approximate calculation is performed using observation values acquired within a predetermined period, and it is determined whether or not an observation value transmission is necessary. As a result, the data transmission amount of the sensor node can be reduced. Details of the approximate calculation will be described later.
センサデータ取得部301は、各軸のセンサSnX〜SnZをデジタル信号に変換する。センサデータ取得部301は、図1のSensorController125に相当する。不揮発性メモリ蓄積部305は、デジタル信号に変換された観測値に観測時刻を示すタイムスタンプを付加してフラッシュメモリなどの不揮発性メモリに格納する。近似計算部302は、所定の周期(例えば1秒等)となる度にデジタル信号に変換された観測値から当該周期内の観測値の近似計算を行う。送信判断部303は、近似値から観測値送信の要否を判定する。無線通信部304は、無線ネットワークを介して基地局と送受信を行う。要求受付部306は、管理サーバからの要求(コマンド)を受け付ける。データ破棄部307は、受け付けた要求が不揮発性メモリ内のデータを破棄する要求であった場合に観測値の削除を行う。閾値設定部309は、要求が送信判断の閾値設定要求であった場合に該閾値設定要求に含まれる閾値を送信判断部303に通知すると共に不揮発メモリに保存する。観測値要求処理部309は、受け付けた要求がメモリ内の観測値を取得する要求であった場合に、概観測値をメモリより取得し、データ生成部308へと伝達する。データ生成部308において、観測値はパケットへと格納され、無線通信部304を介して基地局へと送信される。管理サーバAP1のハードウェア構成の一例を図4に示す。管理サーバAP1は、演算を行うCPU401、外部通信部402、電源403、ハードディスクドライブ404、キーボード405、ディスプレイ406、メモリ407からなる。外部通信部402は、図1のLAN Communicator120に相当する。
The sensor
管理サーバAP1は、外部通信部402を経由し有線ネットワークNW2と通信を行い、基地局GW1へのコマンドの送信や、基地局GW1が中継機RT1を介して収集したセンサノードSN1からの観測値を受信する。管理サーバは、基地局、中継器、センサノードの無線ネットワーク構成や、センサノードの間欠動作設定などを管理する管理機能112を有する。CPU401はメモリ407に記憶されたプログラムを読み込み、図5で説明する各処理を実行する。例えば、プログラムの指示に従って取得した観測値などのデータの加工を行ったり、ハードディスクドライブ404へデータを蓄積したり、ディスプレイ406に表示したりする。また、CPU401はキーボード405から入力されたユーザ要求に応じて、ハードディスクドライブ404上のHistoryDatabase116に格納された履歴を読み込み、ディスプレイ406に表示する。また、CPU401は、キーボード405から入力されたユーザコマンドの解釈を行い、外部通信部402を通じて基地局GW1へと配信する。
The management server AP1 communicates with the wired network NW2 via the
管理サーバAP1の機能の一例は、図5に示すようにイベント受付部502、イベント配送部503、観測値蓄積部504、表示部505、詳細解析部506、ユーザ要求受付部507、コマンド作成部508、コマンド発行部509からなる。詳細解析部506は、図1の解析機能110に相当する。
Examples of functions of the management server AP1 include an
管理サーバAP1は、センサノードSS1からの観測値501を、外部通信部402のイベント受付部502にて受信する。受信した観測値501は、イベント配送部503を通じてハードディスクドライブ404上の観測値蓄積部504へ配送され格納されたり、ディスプレイ406上の表示部505へと配送されたりする。また、観測値501の詳細な解析を行う場合、イベント配送部503から詳細解析部506へと配送された後に解析される。解析結果は表示部505へと表示され、必要に応じて警報機能111を通じてユーザへ警報を発する。
The management server AP1 receives the
ユーザからセンサノードに対しての要求は、キーボード406を介してユーザ要求受付部507へと入力される。ユーザ要求は、コマンド作成部508にてセンサノードに対するコマンドへと解釈され、外部通信部402のコマンド発行部509からセンサノードへと発行される。
以上のセンサネットワークシステムを用いたアプリケーションの例として、配管の振動を観測する例を図6に示す。
A request from the user to the sensor node is input to the user
FIG. 6 shows an example of observing piping vibration as an example of an application using the above sensor network system.
配管603はサポート607によって建物に固定されているが、接続しているポンプ601の影響や、中を流れる流体の影響によって振動する。鉄鋼材料の場合、この振動により発生する応力のうち一定値(疲労限界)を超えるものが繰り返し加わることで、亀裂などの不具合を生じる。従って、振動を計測し応力を評価する必要がある。図6のように、弁602付近や分岐部604、配管継目606、曲がり部605は偏流が発生するため、特に振動が大きい。そのため、複数のセンサノードSS1を設置し、振動を計測し応力の評価を行う。
The
本実施形態のセンサノードでは、振動を計測後、一般的な物理モデルを統計値により近似することにより応力の評価を行うことを特徴とする。これにより、少ない計算量で応力の評価が可能となり、マイコン等の性能が低いセンサノードであっても高速に応力の評価を行うことができる。さらには、物理モデルに則した評価が可能となり精度の高い判定を行うことができる。 The sensor node of the present embodiment is characterized in that stress is evaluated by approximating a general physical model with statistical values after measuring vibration. Thereby, stress can be evaluated with a small amount of calculation, and stress can be evaluated at high speed even for a sensor node having low performance such as a microcomputer. Furthermore, evaluation according to a physical model is possible, and determination with high accuracy can be performed.
一般に、配管の応力解析は、加速度のパワースペクトル密度PSD(Power Spectrum Density)に基づき、振動特性を評価する方法を用いる。物理モデルとなる配管の振動応力σ[N/mm2]の計算式を、式(1)に示す。 Generally, piping stress analysis uses a method for evaluating vibration characteristics based on acceleration power spectral density PSD (Power Spectrum Density). A formula for calculating the vibration stress σ [N / mm 2 ] of the pipe, which is a physical model, is shown in Formula (1).
また、解析周波数毎のパワースペクトル密度の計算式を、式(2)に示す。 In addition, a formula for calculating the power spectral density for each analysis frequency is shown in Formula (2).
特許文献2に開示されるように、PSDは観測値をフーリエ変換することにより算出する。フーリエ変換を行うために必要な計算量は、観測値のデータ点数をNとすると、NlogNオーダーである。すなわち、512点をフーリエ変換するためには、512回観測を行った後に、512×log512=1388オーダーの計算量が必要となる。
一方、本実施形態では構造物の応力解析を行う場合、簡易評価として1次固有振動数におけるパワースペクトルを用いて評価する。この場合、f、E、e、L,Δfはそれぞれ定数とすることができるため、応力は式(3)で近似し簡易評価できる。
As disclosed in
On the other hand, in this embodiment, when performing stress analysis of a structure, evaluation is performed using a power spectrum at the primary natural frequency as a simple evaluation. In this case, since f, E, e, L, and Δf can be constants, the stress can be approximated by Equation (3) and simply evaluated.
式(3)において、Σxi 2は観測を行う毎に逐次計算することが可能である。従って、σを求めるために必要な計算量は、除算を1回行うのみで良いため、1オーダー程度である。このように、本実施形態で用いる評価式(3)は、物理モデル(1)よりも計算量が少なく、物理モデルに則した評価が可能である。 In Equation (3), Σx i 2 can be calculated sequentially each time observation is performed. Accordingly, the amount of calculation necessary for obtaining σ is about one order because division only needs to be performed once. As described above, the evaluation formula (3) used in the present embodiment has a smaller calculation amount than the physical model (1) and can be evaluated according to the physical model.
図9に、観測値送信判断のフローチャートの一例を示す。ここでは、センサノードが上述の近似式の計算を行い、近似値が閾値を超えた場合に観測値を送信し、近似値が閾値を越えない場合に送信しないことを特徴とする。これにより、センサノードの計算量を少なくし、かつ、通信量を減らすことが可能となる。さらにサーバは、詳細な解析が必要となる観測値の実データを収集することができる。 FIG. 9 shows an example of a flowchart of the observation value transmission determination. Here, the sensor node calculates the above approximate expression, and transmits an observed value when the approximate value exceeds the threshold value, and does not transmit when the approximate value does not exceed the threshold value. As a result, the calculation amount of the sensor node can be reduced and the communication amount can be reduced. Furthermore, the server can collect actual data of observations that require detailed analysis.
センサノードSS1は起動すると観測を行い(901)、観測値を不揮発メモリに保存する(902)と共に、観測値の二乗を計算し加算する(903)。観測回数が指定回数(例えば512回)を超えているかを判定し(904)、超えていない場合は再び観測901を行い、観測値の二乗を加算する(903)。前記指定回数は、管理サーバで行う詳細解析の内容により決定する値であり、管理サーバによって指定される。また、観測後に二乗を加算する逐次計算を行うことにより、指定回数経過後にまとめて処理を行う計算と比較し、1度の計算量を少なくすることができると共に、メモリ210上に記憶しておくデータ量を1回の観測分と計算結果格納用の2データ分に押さえることが可能となる。判定の結果、観測回数が指定回数を超えた場合、式(3)により近似値を算出する(905)。近似値が設定されている閾値を超過しているか否かを判定し(906)、閾値を超過している場合、観測値をサーバへと送信し(907)、終了する(908)。近似値が設定されている閾値以下の場合、観測値の送信は行わず、終了する(908)。
When the sensor node SS1 is activated, the observation is performed (901), the observation value is stored in the nonvolatile memory (902), and the square of the observation value is calculated and added (903). It is determined whether the number of observations exceeds a specified number (for example, 512) (904). If not,
閾値は、ユーザにより予め設定されていてもよく、第2の実施形態として後述するようにセンサノードが判断して設定することも可能である。また、センサノードからの観測値の送信状況に応じて、サーバが閾値を設定することも可能である。例えば、サーバにおいて、閾値を越える観測値が所定時間観測されない場合は、通信帯域が逼迫しない範囲で閾値を低く設定することができる。 The threshold value may be set in advance by the user, or can be determined and set by the sensor node as described later in the second embodiment. Also, the server can set a threshold according to the transmission state of the observation value from the sensor node. For example, when the observed value exceeding the threshold is not observed for a predetermined time in the server, the threshold can be set low within a range where the communication band is not tight.
また、複数のセンサノードが異なる箇所に設置されている場合、閾値をセンサノード毎に個別に決定することが可能である。つまり、センサノードの設置場所に応じて閾値を設定し、センサノードは、近似値σが閾値を超えた場合にのみ観測値を送信する。これにより、設置箇所の振動の大きさが違う場合でも、各センサノードが送信する観測値の送信量を同一にすることや、ポンプ付近など重点的に観測したい箇所に設置したセンサノードの送信量を多く設定することが可能となる。この場合、閾値は設置場所に応じてユーザが予め設定すればよい。あるいは、サーバがセンサノードの設置場所を把握しておき、当該設置場所に設置されたセンサノード各々に閾値設定コマンドを送信することにより、設定することも可能である。 Further, when a plurality of sensor nodes are installed at different locations, the threshold value can be individually determined for each sensor node. That is, the threshold value is set according to the installation location of the sensor node, and the sensor node transmits the observation value only when the approximate value σ exceeds the threshold value. As a result, even if the vibration level at the installation location is different, the transmission amount of the observation value transmitted by each sensor node is the same, or the transmission amount of the sensor node installed at the location where you want to observe intensively, such as near the pump It becomes possible to set many. In this case, the user may set the threshold in advance according to the installation location. Alternatively, it is also possible to set the server node by knowing the installation location of the sensor node and transmitting a threshold setting command to each sensor node installed at the installation location.
以上のように、センサノードSS1において継続的に観測された観測値は、所定の観測回数毎に送信の要否を判断し、閾値を超えることが無い限り送信されることが無いため、継続的に観測するセンサノードSS1〜SSnが多数存在していても、無線ネットワークNW1の通信帯域が逼迫するのを防いで、安定した通信環境を確保することができる。 As described above, since the observation value continuously observed at the sensor node SS1 is determined to be transmitted every predetermined number of observations and is not transmitted unless the threshold is exceeded, it is continuously transmitted. Even if there are a large number of sensor nodes SS1 to SSn to be observed, it is possible to prevent the communication band of the wireless network NW1 from becoming tight and to secure a stable communication environment.
ここで、近似値はサーバの解析において必要としないため、通信量及び消費電力を低減する観点からセンサノードは近似値を送信する必要はない。しかし、図11に示すように、センサノードが近似値を算出905し、送信判断906により観測値を送信しないと判断した場合、算出した近似値を送信することもできる。これにより、閾値を超えない観測値の測定が続いたとしても、センサノードから近似値が送信されるため、サーバはセンサノードの生死判定(センサノードが正常に機能しているか否かの判定)を行うことが可能となる。
Here, since the approximate value is not required in the server analysis, the sensor node does not need to transmit the approximate value from the viewpoint of reducing the communication amount and the power consumption. However, as shown in FIG. 11, when the sensor node calculates 905 an approximate value and determines that the observation value is not transmitted by the
次に、センサノードSS1で観測される振動データと管理サーバAP1で取得される振動データの関係を図7に示す。図7において、701はセンサノードSS1で観測された振動データを、702はセンサノードで計算された応力の近似値を、703は管理サーバAP1で取得される振動データの様子を示している。つまり、センサノードには、観測値がすべて記録され、管理サーバにはその近似値が閾値を超える観測値のみ記録されることを示している。 Next, FIG. 7 shows the relationship between the vibration data observed at the sensor node SS1 and the vibration data acquired at the management server AP1. In FIG. 7, 701 indicates vibration data observed at the sensor node SS1, 702 indicates an approximate value of stress calculated at the sensor node, and 703 indicates the state of vibration data acquired by the management server AP1. That is, all the observed values are recorded in the sensor node, and only the observed value whose approximate value exceeds the threshold is recorded in the management server.
センサノードSS1は指定されたサンプリング周期(例えば200Hz)で継続的に観測を行い711、指定回数712(例えば512回)毎の観測値を用いて近似値721を算出する。算出した近似値721が判定閾値722を超えた場合、超えた区間712の観測値711を管理サーバAP1へと送信する。従って、管理サーバAP1では、703に示す通り閾値722を超えた振動データのみが取得される。
The sensor node SS1 continuously performs observation at a specified sampling period (for example, 200 Hz) 711, and calculates an
センサノードSS1は観測値711を不揮発性メモリ206に保存しているため、管理サーバAP1は閾値722を超えていない区間(713)の振動データが必要な場合にセンサノードSS1に問い合わせて取得することが可能である。
Since the sensor node SS1 stores the observed
センサノードSS1〜SSnの観測と、基地局との通信は図8に示すシーケンス図のように行われる。 Observation of the sensor nodes SS1 to SSn and communication with the base station are performed as shown in the sequence diagram of FIG.
センサノードSS1は所定の回数観測し(713)、観測値801を不揮発性メモリに保存する(902)。所定の回数を超過すると、近似値を算出する(905)。該算出した近似値が閾値を超過しているかを判断し(906)、超過していない場合は観測値の送信を行わず再び観測を行う。所定の回数の観測値(712)から算出した近似値が閾値を超過した場合、観測値を送信する(802)。送信しなかった観測値が必要である場合、管理サーバAP1はセンサノードSS1に対し基地局を介して観測値要求を送信する(803)。センサノードSS1は、不揮発性メモリに保存されている観測値を取得し(804)、該観測値を基地局GW1へと送信する(801)。
The sensor node SS1 observes a predetermined number of times (713), and stores the observed
次に、第2の実施例として、センサノードが判断して閾値を再設定する例を、図10を用いて説明する。本実施例は通信が輻輳することを防止するため、センサノードが観測値の送信量を監視し、送信量が多くなった場合または少なくなった場合、閾値を変化することにより送信量を調節することを特徴とする。 Next, as a second embodiment, an example in which the sensor node determines and resets the threshold will be described with reference to FIG. In this embodiment, in order to prevent communication congestion, the sensor node monitors the transmission amount of the observation value, and adjusts the transmission amount by changing the threshold when the transmission amount increases or decreases. It is characterized by that.
図10は、センサノードが判断して閾値を変更するフローチャートを示している。なお、近似値計算1002を行うフローは図9の観測901、不揮発性メモリに保存902、逐次計算903、回数超過判断904、及び近似値算出905と同様のフローのため、省略している。
FIG. 10 shows a flowchart in which the sensor node determines and changes the threshold value. The flow for performing the
センサノードは起動すると(1001)、図9の近似値計算と同様のフローにて近似値計算を行い(1002)、計算回数を加算する(1003)。計算した近似値が閾値を超過しているか否かを判定し(1004)、超過している場合は観測値をサーバへと送信すると共に、送信回数を加算する(1005)。その後、近似値計算の回数が所定回数(例えば10回)を超過しているか否かを判定し(1006)、超過していない場合は、終了して(1013)再び近似値計算を行う(1002)。所定回数を超過している場合は送信率の計算を行う(1007)。計算した送信率を基に、閾値の再計算を行うか否かを判定する(1008)。図10では、例として送信率が0.6より大きい場合または送信率が0の場合を条件に再計算する例が示されている。 When the sensor node is activated (1001), the approximate value is calculated in the same flow as the approximate value calculation of FIG. 9 (1002), and the number of calculations is added (1003). It is determined whether or not the calculated approximate value exceeds the threshold value (1004). If the calculated approximate value exceeds the threshold value, the observation value is transmitted to the server and the number of transmissions is added (1005). Thereafter, it is determined whether or not the number of approximate value calculations exceeds a predetermined number (for example, 10 times) (1006). If not, the process ends (1013) and approximate value calculation is performed again (1002). ). If the predetermined number is exceeded, the transmission rate is calculated (1007). Based on the calculated transmission rate, it is determined whether or not to recalculate the threshold (1008). FIG. 10 shows an example in which recalculation is performed on condition that the transmission rate is greater than 0.6 or the transmission rate is 0.
送信率とは、近似値の計算回数(送信判定回数)に対する送信回数の割合のことである。送信率が判定値(例えば0.6)より大きい場合は送信過多、判定値より小さい場合(例えば、0の場合)は送信不足と判定する。送信率の判定値はセンサノード毎に設定することができ、例えばポンプ付近など重点的に監視したい箇所に設置したセンサに関しては、0.9より大きい場合に再計算するよう設定しておくことにより、観測値をより多く収集することが可能となる。 The transmission rate is the ratio of the number of transmissions to the approximate number of calculations (transmission determination number). When the transmission rate is larger than the determination value (for example, 0.6), it is determined that the transmission is excessive, and when it is smaller than the determination value (for example, 0), it is determined that the transmission is insufficient. The judgment value of the transmission rate can be set for each sensor node. For example, for sensors installed in places that you want to monitor intensively, such as near the pump, if you set it to be recalculated if it is greater than 0.9, observation It becomes possible to collect more values.
送信過多または送信不足と判定した場合、所定回数分の近似値の平均値を算出し(1009)、新たな閾値として設定する(1010)。その後、計算回数を0にリセットし(1011)、送信回数を0にリセットして(1012)、終了する(1013)。 When it is determined that there is excessive transmission or insufficient transmission, an average value of approximate values for a predetermined number of times is calculated (1009) and set as a new threshold (1010). Thereafter, the number of calculations is reset to 0 (1011), the number of transmissions is reset to 0 (1012), and the process ends (1013).
このように送信率の判定結果に基づいて近似値の閾値を再設定することにより、各センサノードの送信率を一定に保つことができ、一つのノードが送信過多となっても通信帯域を逼迫することがなく、安定した観測値収集が可能となる。 In this way, by resetting the threshold value of the approximate value based on the determination result of the transmission rate, the transmission rate of each sensor node can be kept constant, and even if one node has excessive transmission, the communication band is tight. Stable observation value collection is possible.
上述した送信率の計算および閾値の再計算は、サーバで行うことも可能である。センサノードは近似値が閾値を超過しているか否かを判定し(1004)、超過していない場合は「超過していない旨」を通知するために近似値のみをサーバへと送信する。サーバは近似値を所定回数(例えば10回)受信すると送信率(特徴量を受信した回数に対する観測値を受信した回数の割合)の計算を行い、送信率が判定値(例えば0.6)を超えた場合、10回分の近似値の平均を算出する。そして、平均値を閾値として再設定するコマンドを作成し、コマンド発行部509を通じてセンサノードに対し送信する。センサノードは、受信するコマンドに基づいて、近似値の閾値を設定する。
The transmission rate calculation and threshold recalculation described above can also be performed by a server. The sensor node determines whether or not the approximate value exceeds the threshold (1004). If not, the sensor node transmits only the approximate value to the server to notify “not over”. When the server receives the approximate value a predetermined number of times (for example, 10 times), the server calculates the transmission rate (the ratio of the number of times the observed value is received to the number of times the feature value is received), and the transmission rate exceeds the judgment value (for example, 0.6) In this case, the average of the approximate values for 10 times is calculated. Then, a command for resetting the average value as a threshold value is created and transmitted to the sensor node through the
これにより、近似値をサーバに送信することは通信量及びセンサノードの消費電力の観点から不利ではあるが、送信率の計算及び閾値の再計算による消費電力を低減することができる。 Thereby, although it is disadvantageous to transmit the approximate value to the server from the viewpoint of the communication amount and the power consumption of the sensor node, the power consumption due to the calculation of the transmission rate and the recalculation of the threshold can be reduced.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、種々変形実施可能であり、上述した各実施形態を適宜組み合わせることが可能であることは、当業者に理解されよう。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made, and it is possible to appropriately combine the above-described embodiments. It will be understood by the contractor.
101:管理計算機、102:クライアント計算機、103:有線センサ、104:RFIDリーダ、201:センサ、204:無線通信部、205:表示部、301:センサデータ取得部、302:近似計算部、303:送信判断部、304:無線通信部、305:不揮発性メモリ蓄積部、306:要求受付部、307:データ破棄部、308:データ生成部、309:閾値設定部 101: management computer, 102: client computer, 103: wired sensor, 104: RFID reader, 201: sensor, 204: wireless communication unit, 205: display unit, 301: sensor data acquisition unit, 302: approximate calculation unit, 303: Transmission determination unit, 304: wireless communication unit, 305: nonvolatile memory storage unit, 306: request reception unit, 307: data discard unit, 308: data generation unit, 309: threshold setting unit
Claims (12)
所定期間に取得した上記観測値から特徴量を算出する近似計算部と、
上記特徴量が所定の閾値を超えるか否かを判定する送信判断部と、
上記特徴量が上記所定の閾値を超えた場合、上記所定期間に取得した観測値をサーバに送信する無線通信部と、を有するセンサノード。 A sensor for obtaining observation values at predetermined intervals;
An approximate calculation unit for calculating a feature amount from the observed value acquired in a predetermined period;
A transmission determination unit that determines whether or not the feature amount exceeds a predetermined threshold;
A sensor node comprising: a wireless communication unit that transmits an observation value acquired during the predetermined period to a server when the feature amount exceeds the predetermined threshold.
上記近似計算部は、上記観測値の1次固有振動数におけるパワースペクトルを用いて上記特徴量を算出するセンサノード。 The sensor node according to claim 1,
The approximate calculation unit is a sensor node that calculates the feature amount using a power spectrum at the primary natural frequency of the observed value.
上記特徴量が上記所定の閾値を超えない場合、上記無線通信部は上記所定期間に取得した観測値を上記サーバに送信しないセンサノード。 The sensor node according to claim 1,
A sensor node in which, when the feature amount does not exceed the predetermined threshold, the wireless communication unit does not transmit an observation value acquired during the predetermined period to the server.
上記特徴量が上記所定の閾値を超えない場合、上記無線通信部は上記特徴量を上記サーバに送信するセンサノード。 The sensor node according to claim 1,
When the feature amount does not exceed the predetermined threshold, the wireless communication unit transmits the feature amount to the server.
上記特徴量の算出回数と、上記所定期間に取得した観測値の送信回数を保持し、
上記算出回数に対する上記送信回数の割合が第1の判定値を超えた場合に、上記特徴量の平均値を用いて閾値を再設定する閾値再設定部を有するセンサノード。 The sensor node according to claim 1,
Holds the number of calculation times of the feature amount and the number of times of transmission of observation values acquired during the predetermined period,
A sensor node having a threshold resetting unit that resets a threshold using the average value of the feature amounts when a ratio of the number of transmissions to the number of calculations exceeds a first determination value.
上記算出回数に対する上記送信回数の割合が上記第1の判定値より小さい第2の判定値を超えない場合、上記閾値再設定部は上記特徴量の平均値を用いて閾値を再設定するセンサノード。 The sensor node according to claim 5, wherein
When the ratio of the number of transmissions to the number of calculations does not exceed a second determination value that is smaller than the first determination value, the threshold resetting unit resets the threshold using the average value of the feature amounts .
観測対象となる設備に複数のセンサノードが設置されている場合であって、
上記設備におけるセンサノードの設置場所に応じて、上記センサノードごとに上記閾値が設定されているセンサノード。 The sensor node according to claim 1,
When multiple sensor nodes are installed in the equipment to be observed,
A sensor node in which the threshold value is set for each of the sensor nodes according to the installation location of the sensor node in the facility.
上記センサノードは、
所定の間隔で観測値を取得するセンサと、
所定期間に取得した上記観測値から特徴量を算出する近似計算部と、
上記特徴量が所定の閾値を超えるか否かを判定する送信判断部と、
上記特徴量が上記所定の閾値を超えた場合、上記所定期間に取得した観測値を上記サーバに送信する無線通信部と、を有するセンサネットワークシステム。 A sensor network system having a sensor node and a server,
The sensor node is
A sensor for obtaining observation values at predetermined intervals;
An approximate calculation unit for calculating a feature amount from the observed value acquired in a predetermined period;
A transmission determination unit that determines whether or not the feature amount exceeds a predetermined threshold;
A sensor network system comprising: a wireless communication unit configured to transmit an observation value acquired during the predetermined period to the server when the feature amount exceeds the predetermined threshold.
上記近似計算部は、上記観測値の1次固有振動数におけるパワースペクトルを用いて上記特徴量を算出するセンサネットワークシステム。 The sensor network system according to claim 8,
The approximate calculation unit is a sensor network system that calculates the feature amount by using a power spectrum at the primary natural frequency of the observed value.
上記特徴量が上記所定の閾値を超えない場合、上記無線通信部は上記特徴量を上記サーバに送信するセンサネットワークシステム。 The sensor network system according to claim 8,
The sensor network system in which the wireless communication unit transmits the feature value to the server when the feature value does not exceed the predetermined threshold.
上記サーバは、
上記所定期間に取得した観測値及び上記特徴量を受信する外部通信部と、
上記特徴量を受信した回数に対する上記観測値を受信した回数の割合が第1の判定値を超えた場合に、上記特徴量の平均値を用いて閾値を算出する解析部と、を有し、
上記外部通信部は、上記解析部により算出された閾値を上記センサノードに送信するセンサネットワークシステム。 The sensor network system according to claim 10, wherein
The server
An external communication unit that receives the observed value and the feature value acquired during the predetermined period;
An analysis unit that calculates a threshold value using an average value of the feature amount when a ratio of the number of times of receiving the observation value to the number of times of receiving the feature amount exceeds a first determination value;
The external communication unit transmits a threshold value calculated by the analysis unit to the sensor node.
上記特徴量を受信した回数に対する上記観測値を受信した回数の割合が上記第1の判定値より小さい第2の判定値を超えない場合、上記解析部は上記特徴量の平均値を用いて閾値を算出するセンサネットワークシステム。 The sensor network system according to claim 11, wherein
If the ratio of the number of times the observed value is received to the number of times the feature value is received does not exceed the second determination value that is smaller than the first determination value, the analysis unit uses the average value of the feature value to set a threshold value Sensor network system to calculate
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