JP2009206560A - Sensor data collection system and method, sensor network constructing device and method, program, and recording medium - Google Patents
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Abstract
Translated fromJapaneseDescription
Translated fromJapanese本発明は、データ収集技術に関し、特に複数のセンサから無線通信を介してセンサデータを収集する技術に関する。 The present invention relates to a data collection technique, and more particularly to a technique for collecting sensor data from a plurality of sensors via wireless communication.
一般に、センサノードがネットワークを構成してデータを収集するような通信ネットワークをセンサネットワークと呼んでいる。これまで、センサネットワークを構成するノードとして特許文献１のようなデバイスが提案されているが、この例ではネットワーク上の通信のやり取りについては詳しく定義されていない。ネットワークの構築に関しては、非特許文献１や非特許文献２に代表されるように、ネットワークインフラがない広大な場所において、ノード間でデータを転送し合うさまざまな手法が提案されている。 In general, a communication network in which sensor nodes configure a network and collect data is called a sensor network. Up to now, a device such as
しかし、屋内にセンサノードを配置することを想定した場合、このような屋内型のセンサネットワークにおいては、限られた範囲に多数のセンサノードが配置される。したがって、ほぼすべてのセンサノードが互いに通信可能であることから、無線の干渉を避けてネットワークを構築する必要がある。このため、既存技術を屋内型のセンサネットワークにそのまま適用することはできない。 However, when it is assumed that sensor nodes are arranged indoors, in such an indoor sensor network, a large number of sensor nodes are arranged in a limited range. Therefore, since almost all sensor nodes can communicate with each other, it is necessary to construct a network while avoiding radio interference. For this reason, the existing technology cannot be applied to an indoor sensor network as it is.
最近では、無線の送信電力を調整できる無線通信モジュールが普及してきている。このようなデバイスを想定し、すべてのノードはお互いに通信可能であるが、省電力性や通信の効率向上のために、送信電波強度を動的に変更してクラスタを生成し、効率よくデータを収集するための研究がなされている。
その１つとして、非特許文献３に示すＬＥＡＣＨがある。この研究では、送信電力が送信先までの距離の２乗に比例するという前提に基づき、マルチホップを利用して省電力を実現している。しかし、屋内型センサネットワークにおける近距離無線では、無線の電波の送信よりも受信に電力が必要であるため、既存の省電力のための手法をそのまま屋内型センサネットワークに適応しても省電力にならず、無線の干渉を避けることも主な目的とはされていない。Recently, wireless communication modules that can adjust wireless transmission power have become widespread. Assuming such a device, all nodes can communicate with each other, but in order to save power and improve communication efficiency, clusters are created by dynamically changing the transmitted radio wave intensity to efficiently generate data. Research has been done to collect.
One of them is LEACH shown in Non-Patent Document 3. In this research, based on the premise that the transmission power is proportional to the square of the distance to the transmission destination, power saving is realized using multi-hop. However, short-range wireless in an indoor sensor network requires more power for reception than wireless radio wave transmission. Therefore, even if an existing power-saving technique is applied to an indoor sensor network as it is, power is saved. Moreover, avoiding radio interference is not the main purpose.
屋内型センサネットワークにおいて、センサノードが多数存在するときに、これらセンサノードでセンシングしたセンサデータを、少ない遅延で並行して効率よく基地局に収集することが重要となる。ここで、遅延とは、状況が変化してセンサデータが発生してから基地局にデータが到達するまでの所要時間を指す。また、送信するデータ量を抑えて多数のノードからデータを収集できるよう、センサノードは周囲の状況が変化したときにのみセンサデータを送信するものとする。 In an indoor sensor network, when there are a large number of sensor nodes, it is important to efficiently collect sensor data sensed by these sensor nodes in a base station in parallel with a small delay. Here, the delay refers to the time required for the data to arrive at the base station after the situation changes and sensor data is generated. In addition, the sensor node transmits sensor data only when the surrounding conditions change so that data can be collected from a large number of nodes while suppressing the amount of data to be transmitted.
無線通信によって多数のセンサノードからデータを収集することを考えると、まず単純な方法として、ポーリングによる手法と時分割多重による方法が挙げられる。ポーリングでは、基地局が各ノードに対してデータを要求するパケットを送信し、パケットを受信したノードがセンサデータを基地局に返信することで、データを収集できる。
センサノードでの実装は単純で実現は容易であり、確実にデータを収集できる。しかし、ノード１台ずつに順にデータを要求するため、データが発生してからデータが基地局に収集されるまでの遅延が大きくなる。さらにイベント駆動型センサを利用するため、センサデータが発生していないノードにもデータを要求しなければならず、効率が悪い。Considering that data is collected from a large number of sensor nodes by wireless communication, a simple method includes a polling method and a time division multiplexing method. In polling, the base station transmits a packet requesting data to each node, and the node that has received the packet returns sensor data to the base station, whereby data can be collected.
The sensor node implementation is simple and easy to implement, and data can be collected reliably. However, since data is sequentially requested for each node, a delay from when the data is generated until the data is collected by the base station increases. Furthermore, since an event-driven sensor is used, data must be requested from a node where sensor data is not generated, which is inefficient.
例えば、時分割多重方式では、各ノードにタイムスロットを割り当て、ノードが割り当てられた時間に基地局へデータを送信することで、無線通信の衝突を避けながらデータを収集できる。しかし、均一にタイムスロットをノードに割り当てると、送信するセンサデータの量はセンサの種類と周囲の状況によって変化するため、データが発生していないときにもタイムスロットが割り当てられる可能性が高く、無駄な時間が多い。センサデータの量に応じて動的にタイムスロットを割り当てるような手法も考えられるが、センサデータの発生量を予測することは不可能である上に、実装も困難である。さらに、時分割多重は時刻の同期が必要なため計算機リソースの限られるセンサノードでは実装しにくいという問題もある。 For example, in the time division multiplexing method, data can be collected while avoiding radio communication collisions by assigning time slots to each node and transmitting data to the base station at the time when the nodes are assigned. However, if time slots are evenly assigned to nodes, the amount of sensor data to be transmitted changes depending on the type of sensor and the surrounding conditions, so there is a high possibility that time slots will be assigned even when no data is generated. There is a lot of wasted time. Although a method of dynamically allocating time slots according to the amount of sensor data is conceivable, it is impossible to predict the amount of sensor data generated and it is difficult to implement. Furthermore, since time division multiplexing requires time synchronization, there is a problem that it is difficult to implement in a sensor node with limited computer resources.
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、複数のセンサでセンシングしたセンサデータを少ない遅延で並行して効率よく収集できるセンサデータ収集システム、方法、プログラム、および記録媒体を提供することを目的としている。 The present invention is for solving such problems, and provides a sensor data collection system, method, program, and recording medium capable of efficiently collecting sensor data sensed by a plurality of sensors in parallel with a small delay. The purpose is that.
このような目的を達成するために、本発明にかかるセンサデータ収集システムは、複数の階層を有するセンサネットワークを無線通信により構成する複数のセンサノードと、各センサノードでセンシングした当該センサノードの周囲状況を示すセンサデータをセンサネットワークを介して収集する基地局とを含むセンサデータ収集システムであって、センサネットワークは、階層ごとに１つ以上のクラスタを有し、任意のセンサノードからなる１つ以上の子ノードと１つのクラスタヘッドとからクラスタが構成され、子ノードがセンシングしたセンサデータを無線通信で当該クラスタのクラスタヘッドへ送信し、クラスタヘッドが１つ上位の階層における任意の上位クラスタの子ノードとして動作し、最上位階層に構成する１つのクラスタのクラスヘッダが基地局からなる、階層クラスタ構造を有している。 In order to achieve such an object, a sensor data collection system according to the present invention includes a plurality of sensor nodes that configure a sensor network having a plurality of layers by wireless communication, and surroundings of the sensor nodes sensed by each sensor node. A sensor data collection system including a base station that collects sensor data indicating a situation via a sensor network, wherein the sensor network has one or more clusters in each hierarchy, and includes one sensor node. A cluster is composed of the above child nodes and one cluster head, and sensor data sensed by the child node is transmitted to the cluster head of the cluster by wireless communication. One cluster that operates as a child node and constitutes the highest hierarchy Rasuhedda consists base station has a hierarchical cluster structure.
この際、センサノードで、自己の位置する階層ごとに異なる無線チャネルを使用して無線通信を行うようにしてもよい。 At this time, the sensor node may perform wireless communication using a different wireless channel for each hierarchy in which the sensor node is located.
また、子ノードに、当該子ノードが属するクラスタのクラスタヘッドから送信されたデータ要求メッセージに応じて、センサデータを当該クラスタヘッドへ送信する無線通信装置を設け、クラスタヘッドに、自己の管理するクラスタの子ノードに対してデータ要求メッセージを送信し、これに応じて子ノードから返送されたセンサデータを受信して保存し、自己が子ノードとして属する１つ上位の階層のクラスタのクラスタヘッドから送信されたデータ要求メッセージに応じて、保存しておいたセンサデータを当該クラスタヘッドへ送信する無線通信装置を設けてもよい。 In addition, the child node is provided with a wireless communication device that transmits sensor data to the cluster head in response to a data request message transmitted from the cluster head of the cluster to which the child node belongs. Sends a data request message to the child node of the node, receives and stores the sensor data returned from the child node in response to the message, and transmits it from the cluster head of the cluster in the next higher hierarchy to which it belongs as a child node. A wireless communication device that transmits the stored sensor data to the cluster head may be provided in response to the data request message.
また、本発明にかかるセンサネットワーク構築装置は、複数の階層を有するセンサネットワークを無線通信により構成する複数のセンサノードと、各センサノードでセンシングした当該センサノードの周囲状況を示すセンサデータをセンサネットワークを介して収集する基地局とを含み、センサネットワークは、階層ごとに１つ以上のクラスタを有し、任意のセンサノードからなる１つ以上の子ノードと１つのクラスタヘッドとからクラスタが構成され、子ノードがセンシングしたセンサデータを無線通信で当該クラスタのクラスタヘッドへ送信し、クラスタヘッドが１つ上位の階層における任意の上位クラスタの子ノードとして動作し、最上位階層に構成する１つのクラスタのクラスヘッダが基地局からなる、階層クラスタ構造を有するセンサデータ収集システムにおいて、各センサノードで検出した当該ノードと他のノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、センサネットワークを介してそれぞれ収集する最小送信電波強度収集装置と、これら最小送信電波強度値に基づいて、任意の階層における、各クラスタに属する子ノードとクラスタヘッドとの組合せを示す任意のクラスタ構成について、異なるクラスタに属するセンサノード間における無線通信干渉度合いを示す評価値を算出する評価値算出装置と、階層ごとに複数選択したクラスタ構成について評価値算出装置で評価値を算出し、得られた評価値に基づき階層ごとにクラスタ構成を決定することにより、センサネットワークのトポロジを決定するクラスタリング処理装置と、
トポロジに基づいて個々のセンサノードに関する通信相手情報と当該通信相手ノードに関する最小送信電波強度値とを、センサネットワークを介して各センサノードへ通知するネットワーク設定装置とを備えている。In addition, the sensor network construction device according to the present invention includes a plurality of sensor nodes that configure a sensor network having a plurality of hierarchies by wireless communication, and sensor data indicating a surrounding state of the sensor node sensed by each sensor node. The sensor network has one or more clusters for each hierarchy, and a cluster is composed of one or more child nodes composed of arbitrary sensor nodes and one cluster head. , The sensor data sensed by the child node is transmitted to the cluster head of the cluster by wireless communication, and the cluster head operates as a child node of an arbitrary upper cluster in the upper hierarchy, and is configured in the highest hierarchy A class having a hierarchical cluster structure in which the class header consists of base stations. In the data collection system, a minimum transmission radio field intensity collecting device that collects, via a sensor network, a minimum transmission radio field intensity value that can be wirelessly communicated between the node detected by each sensor node and another node, and the minimum Based on the transmitted radio field strength value, an evaluation value indicating the degree of radio communication interference between sensor nodes belonging to different clusters for an arbitrary cluster configuration indicating a combination of a child node belonging to each cluster and a cluster head in an arbitrary hierarchy. The evaluation value calculation device to be calculated and the evaluation value calculation device for the plurality of cluster configurations selected for each layer are calculated by the evaluation value calculation device, and the cluster configuration is determined for each layer based on the obtained evaluation value, thereby providing a sensor network topology. A clustering processing device for determining
And a network setting device for notifying each sensor node of the communication partner information regarding each sensor node and the minimum transmission radio wave intensity value regarding the communication partner node based on the topology.
この際、クラスタリング処理装置で、任意の階層についてクラスタ構成を決定する際、当該階層に含まれるノードからランダムにサンプルノードを選択し、このサンプルノードから各クラスタのクラスタヘッドをそれぞれ任意に選択し、クラスタ以外のサンプルノードを当該サンプルノードから最も小さい電波強度で通信可能なクラスタヘッドのクラスタにそれぞれ割り当てて当該階層の基準となるクラスタ構成を生成して、評価値算出装置により基準クラスタ構成に関する基準評価値を算出し、基準クラスタ構成のうちクラスタヘッド以外のサンプルノードからランダムに選択して当該クラスタのクラスタヘッドと入れ替えた候補クラスタ構成を順次生成して、評価値算出装置により候補クラスタ構成に関する候補評価値を算出し、候補評価値のうち最も小さい最小候補評価値ものと基準評価値とを比較し、いずれか小さい方のクラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定するようにしてもよい。 At this time, in the clustering processing apparatus, when determining a cluster configuration for an arbitrary hierarchy, a sample node is randomly selected from the nodes included in the hierarchy, and a cluster head of each cluster is arbitrarily selected from this sample node, Assign a sample node other than the cluster to the cluster of the cluster head that can communicate with the lowest radio wave intensity from the sample node to generate a cluster configuration that serves as a reference for the hierarchy, and a reference evaluation on the reference cluster configuration by the evaluation value calculation device A candidate cluster configuration is generated by sequentially calculating a candidate cluster configuration that is randomly selected from sample nodes other than the cluster head from the reference cluster configuration and replaced with the cluster head of the cluster, and a candidate evaluation regarding the candidate cluster configuration is performed by the evaluation value calculation device Calculate the value and evaluate the candidate Comparing the smallest minimum candidate evaluation value as a reference evaluation value among the values, the cluster configuration, whichever is smaller may be determined as a cluster arrangement of the hierarchy.
また、本発明にかかるセンサデータ収集方法は、複数の階層を有するセンサネットワークを無線通信により構成する複数のセンサノードと、各センサノードでセンシングした当該センサノードの周囲状況を示すセンサデータをセンサネットワークを介して収集する基地局とを含み、センサネットワークが、階層ごとに１つ以上のクラスタを有し、任意のセンサノードからなる１つ以上の子ノードと１つのクラスタヘッドとからクラスタが構成された階層クラスタ構造をなすセンサデータ収集システムにおいて、子ノードが、センシングしたセンサデータを無線通信で当該クラスタのクラスタヘッドへ送信するステップと、クラスタヘッドが、１つ上位の階層における任意の上位クラスタの子ノードとして動作するステップと、基地局が、最上位階層に構成された１つのクラスタのクラスヘッダとして動作するステップとを備えている。 In addition, the sensor data collection method according to the present invention includes a plurality of sensor nodes that configure a sensor network having a plurality of hierarchies by wireless communication, and sensor data indicating a surrounding state of the sensor node sensed by each sensor node. The sensor network has one or more clusters for each hierarchy, and a cluster is composed of one or more child nodes composed of arbitrary sensor nodes and one cluster head. In the sensor data collection system having a hierarchical cluster structure, the child node transmits the sensed sensor data to the cluster head of the cluster by wireless communication, and the cluster head The step of acting as a child node and the base station And a step of operating as a class header of one cluster that is configured in a hierarchy.
この際、センサノードが、自己の位置する階層ごとに異なる無線チャネルを使用して無線通信を行うステップをさらに備えてもよい。 In this case, the sensor node may further include a step of performing wireless communication using a different wireless channel for each hierarchy in which the sensor node is located.
また、子ノードが、当該子ノードが属するクラスタのクラスタヘッドから送信されたデータ要求メッセージに応じて、センサデータを当該クラスタヘッドへ送信する無線通信ステップを有し、クラスタヘッドが、自己の管理するクラスタの子ノードに対してデータ要求メッセージを送信し、これに応じて子ノードから返送されたセンサデータを受信して保存し、自己が子ノードとして属する１つ上位の階層のクラスタのクラスタヘッドから送信されたデータ要求メッセージに応じて、保存しておいたセンサデータを当該クラスタヘッドへ送信する無線通信ステップをさらに備えてもよい。 Further, the child node has a wireless communication step of transmitting sensor data to the cluster head in response to a data request message transmitted from the cluster head of the cluster to which the child node belongs. A data request message is transmitted to the child node of the cluster, and the sensor data returned from the child node is received and stored in response to the data request message. From the cluster head of the cluster of the next higher hierarchy to which the self belongs as the child node A wireless communication step of transmitting the stored sensor data to the cluster head according to the transmitted data request message may be further provided.
また、本発明にかかるセンサネットワーク構築方法は、複数の階層を有するセンサネットワークを無線通信により構成する複数のセンサノードと、各センサノードでセンシングした当該センサノードの周囲状況を示すセンサデータをセンサネットワークを介して収集する基地局とを含み、センサネットワークは、階層ごとに１つ以上のクラスタを有し、任意のセンサノードからなる１つ以上の子ノードと１つのクラスタヘッドとからクラスタが構成され、子ノードがセンシングしたセンサデータを無線通信で当該クラスタのクラスタヘッドへ送信し、クラスタヘッドが１つ上位の階層における任意の上位クラスタの子ノードとして動作し、最上位階層に構成する１つのクラスタのクラスヘッダが基地局からなる、階層クラスタ構造を有するセンサデータ収集システムにおいて、最小送信電波強度収集装置が、各センサノードで検出した当該ノードと他のノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、センサネットワークを介してそれぞれ収集する最小送信電波強度収集ステップと、評価値算出装置が、これら最小送信電波強度値に基づいて、任意の階層における、各クラスタに属する子ノードとクラスタヘッドとの組合せを示す任意のクラスタ構成について、異なるクラスタに属するセンサノード間における無線通信干渉度合いを示す評価値を算出する評価値算出ステップと、クラスタリング処理装置が、階層ごとに複数選択したクラスタ構成について評価値算出装置で評価値を算出し、得られた評価値に基づき階層ごとにクラスタ構成を決定することにより、センサネットワークのトポロジを決定するクラスタリング処理ステップと、ネットワーク設定装置が、トポロジに基づいて個々のセンサノードに関する通信相手情報と当該通信相手ノードに関する最小送信電波強度値とを、センサネットワークを介して各センサノードへ通知するネットワーク設定ステップとを備えている。 In addition, a sensor network construction method according to the present invention includes a plurality of sensor nodes that configure a sensor network having a plurality of hierarchies by wireless communication, and sensor data indicating a surrounding state of the sensor node sensed by each sensor node. The sensor network has one or more clusters for each hierarchy, and a cluster is composed of one or more child nodes composed of arbitrary sensor nodes and one cluster head. , The sensor data sensed by the child node is transmitted to the cluster head of the cluster by wireless communication, and the cluster head operates as a child node of an arbitrary upper cluster in the upper hierarchy, and is configured in the highest hierarchy A class having a hierarchical cluster structure in which the class header consists of base stations. In the data collection system, the minimum transmission radio wave intensity collection device collects the minimum transmission radio wave intensity values that can be wirelessly communicated between the corresponding node detected by each sensor node and other nodes via the sensor network. The radio wave intensity collection step and the evaluation value calculation device, based on these minimum transmission radio wave intensity values, in different clusters for arbitrary cluster configurations indicating combinations of child nodes and cluster heads belonging to each cluster in an arbitrary hierarchy. An evaluation value calculating step for calculating an evaluation value indicating the degree of radio communication interference between the sensor nodes to which the sensor node belongs, and a clustering processing device calculates an evaluation value with the evaluation value calculating device for a plurality of cluster configurations selected for each layer, By determining the cluster configuration for each layer based on the evaluation value, A clustering process step for determining the topology of the workpiece, and the network setting device sends the communication partner information on each sensor node and the minimum transmission radio wave intensity value on the communication partner node based on the topology to each sensor node via the sensor network. And a network setting step for notifying to.
この際、クラスタリング処理装置で、任意の階層についてクラスタ構成を決定する際、当該階層に含まれるノードからランダムにサンプルノードを選択し、このサンプルノードから各クラスタのクラスタヘッドをそれぞれ任意に選択し、クラスタ以外のサンプルノードを当該サンプルノードから最も小さい電波強度で通信可能なクラスタヘッドのクラスタにそれぞれ割り当てて当該階層の基準となるクラスタ構成を生成して、評価値算出装置により基準クラスタ構成に関する基準評価値を算出し、基準クラスタ構成のうちクラスタヘッド以外のサンプルノードからランダムに選択して当該クラスタのクラスタヘッドと入れ替えた候補クラスタ構成を順次生成して、評価値算出装置により候補クラスタ構成に関する候補評価値を算出し、候補評価値のうち最も小さい最小候補評価値ものと基準評価値とを比較し、いずれか小さい方のクラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定するようにしてもよい。 At this time, in the clustering processing apparatus, when determining a cluster configuration for an arbitrary hierarchy, a sample node is randomly selected from the nodes included in the hierarchy, and a cluster head of each cluster is arbitrarily selected from this sample node, Assign a sample node other than the cluster to the cluster of the cluster head that can communicate with the lowest radio wave intensity from the sample node to generate a cluster configuration that serves as a reference for the hierarchy, and a reference evaluation on the reference cluster configuration by the evaluation value calculation device A candidate cluster configuration is generated by sequentially calculating a candidate cluster configuration that is randomly selected from sample nodes other than the cluster head from the reference cluster configuration and replaced with the cluster head of the cluster, and a candidate evaluation regarding the candidate cluster configuration is performed by the evaluation value calculation device Calculate the value and evaluate the candidate Comparing the smallest minimum candidate evaluation value as a reference evaluation value among the values, the cluster configuration, whichever is smaller may be determined as a cluster arrangement of the hierarchy.
また、本発明にかかるプログラムは、コンピュータに、前述したいずれか１つのセンサデータ収集方法を実行させるためのプログラムである。
また、本発明にかかる他のプログラムは、コンピュータに、前述したいずれか１つセンサネットワーク構築方法を実行させるためのプログラムである。
また、本発明にかかる記録媒体は、前述したプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。The program according to the present invention is a program for causing a computer to execute any one of the sensor data collection methods described above.
Another program according to the present invention is a program for causing a computer to execute any one of the above-described sensor network construction methods.
A recording medium according to the present invention is a computer-readable recording medium that records the above-described program.
本発明によれば、センサノードを階層的にクラスタリングすることで、多数のノードから、少ない遅延で並行して効率よくセンサデータを収集できる。多数の箇所でセンシングを行いたい場合であっても、本発明を用いると理想的には１台の基地局を設置するのみで容易にセンサネットワークが構築できるようになるため、一般家庭などへセンサネットワークを普及させる上で効果的である。多数のセンサノードを用いてセンシングを行うときに、本発明を用いれば、遅延を一定以下に抑えながら、すべてのノードから効率よくデータを収集できる。 According to the present invention, sensor data can be efficiently collected in parallel with a small delay from a large number of nodes by hierarchically clustering sensor nodes. Even if it is desired to perform sensing at a large number of locations, using the present invention makes it possible to easily construct a sensor network simply by installing a single base station. It is effective in spreading the network. When sensing using a large number of sensor nodes, the present invention can be used to efficiently collect data from all nodes while keeping the delay below a certain level.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［センサデータ収集システム］
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態にかかるセンサデータ収集システムについて説明する。図１は、本発明の一実施の形態にかかるセンサデータ収集システムの構成を示すブロック図である。図２は、センサノードの構成例を示すブロック図である。図３は、基地局の構成例を示すブロック図である。図４は、ネットワーク構築装置の構成例を示すブロック図である。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Sensor data collection system]
First, a sensor data collection system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sensor data collection system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of the sensor node. FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of the base station. FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of the network construction device.
このセンサデータ収集システム１は、無線通信網からなるセンサネットワーク５０で相互に接続された、複数のセンサノード１０、基地局２０、ネットワーク構築装置３０を含み、各センサノード１０のセンサでセンシングしたセンサデータを、センサネットワーク５０を介して基地局２０へ並行して収集する機能を有している。このうち、ネットワーク構築装置３０については、センサネットワーク５０の構築時にのみ必要となる構成であり、その後のセンサデータ収集時には不要となる。また、このネットワーク構築装置３０の機能を基地局２０で実現してもよい。 The sensor
センサノード１０には、図２に示すように、周囲の状況をセンシングしセンサデータとして出力するセンサ１１と、センサ１１から出力されるセンサデータに変化があったことをイベントとして検出するセンサイベント検出装置１２と、無線通信用送信キューとして送信すべきセンサデータを記憶するセンサデータ記憶装置１４と、センサイベント検出装置１２でイベントを検出した際のセンサデータを処理してセンサデータ記憶装置１４へ保存するセンサデータ処理装置１３と、他のセンサノード１０や基地局２０と無線通信を行うことによりセンサデータなどの各種データを送受信するとともに、送信電波の強度を多段階に調整でき、他センサノードとの間で最小送信電波強度を検出する無線通信装置１５とが設けられている。 As shown in FIG. 2, the
センサノード１０を構成するセンサ１１、センサイベント検出装置１２、センサデータ処理装置１３、センサデータ記憶装置１４、および無線通信装置１５については、それぞれ別個の装置から実現した場合を例として説明するが、これらのうち複数の装置を１つの装置で実現してもよい。また、これら装置での内部処理については、専用の信号処理回路で実現してもよく、コンピュータでＣＰＵなどの演算処理装置とプログラムとを協働させてなる個々の機能処理装置で実現してもよい。 The
基地局２０には、図３に示すように、センサノード１０と無線通信を行うことによりセンサデータなどの各種データを送受信する無線通信装置２１と、無線通信装置２１で受信したセンサデータを集約して上位装置（図示せず）へ出力する受信データ処理装置２２とが設けられている。
基地局２０を構成する無線通信装置２１および受信データ処理装置２２については、それぞれ別個の装置から実現した場合を例として説明するが、これらのうち複数の装置を１つの装置で実現してもよい。また、これら装置での内部処理については、専用の信号処理回路で実現してもよく、コンピュータでＣＰＵなどの演算処理装置とプログラムとを協働させてなる個々の機能処理装置で実現してもよい。As shown in FIG. 3, the
The case where the
ネットワーク構築装置３０には、図４に示すように、センサノード１０と無線通信を行うことによりセンサデータなどの各種データを送受信する無線通信装置３１と、各センサノード１０で検出した当該ノードと他のノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、センサネットワーク５０を介してそれぞれ収集する最小送信電波強度収集装置３２と、これら最小送信電波強度値に基づいて、任意の階層における、各クラスタに属する子ノードとクラスタヘッドとの組合せを示す任意のクラスタ構成について、異なるクラスタに属するセンサノード間における無線通信干渉度合いを示す評価値を算出する評価値算出装置３３と、階層ごとに複数選択したクラスタ構成について評価値算出装置３３で評価値を算出し、得られた評価値に基づき階層ごとにクラスタ構成を決定することにより、センサネットワークのトポロジを決定するクラスタリング処理装置３４と、このトポロジに基づいて個々のセンサノード１０に関する通信相手情報と当該通信相手ノードに関する最小送信電波強度値とを、センサネットワーク５０を介して各センサノード１０へ通知するネットワーク設定装置３５とが設けられている。 As shown in FIG. 4, the
ネットワーク構築装置３０を構成する無線通信装置３１、最小送信電波強度収集装置３２、評価値算出装置３３、クラスタリング処理装置３４、およびネットワーク設定装置３５については、それぞれ別個の装置から実現した場合を例として説明するが、これらのうち複数の装置を１つの装置で実現してもよい。また、これら装置での内部処理については、専用の信号処理回路で実現してもよく、コンピュータでＣＰＵなどの演算処理装置とプログラムとを協働させてなる個々の機能処理装置で実現してもよい。 As an example, the
これにより、センサノード１０では、周囲の状況の変化によるセンサデータの変化がイベントとしてセンサデータ処理装置１３により検出されると、その変化を示すセンサデータが無線通信装置１５を介して基地局２０へ送信される。基地局２０では、このようにして各センサノード１０でセンシングしたセンサデータを無線通信装置２１で受信し、受信データ処理装置２２で集約して出力する。 Thereby, in the
［センサネットワーク］
次に、図５を参照して、本実施の形態にかかるセンサデータ収集システムのセンサネットワークについて説明する。図５は、センサネットワークの階層クラスタ構造例を示す説明図である。
センサネットワーク５０は、複数の階層を有するとともに、階層ごとに１つ以上のクラスタが設けられている階層クラスタ構造をなしている。[Sensor network]
Next, a sensor network of the sensor data collection system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of a hierarchical cluster structure of a sensor network.
The
図５の例では、最下位階層ＬL、中間階層ＬM、最上位階層ＬHの３つの階層から構成されており、これら階層ごとに１つ以上のセンサノード１０からなるクラスタが１つ以上設けられている。なお、実際のセンサネットワーク５０において、階層数は３に限定されるものではなく、少なくとも最下位階層ＬL、最上位階層ＬHの２つの階を含み、センサノード１０の数やクラスタの数に応じて、中間階層ＬMを増加させればよい。In the example of FIG. 5, the hierarchy includes three layers of the lowest hierarchy LL , the intermediate hierarchy LM , and the highest hierarchy LH , and one or more clusters each including one or
最下位階層ＬLでは、各センサノード１０は位置的に近くに存在する他のセンサノード１０とともにクラスタをそれぞれ生成し、クラスタごとにその中の１台のセンサノード１０にデータを集約する。各クラスタにおいてデータが集約されるセンサノード１０を当該クラスタのクラスタヘッドと定義する。また、各クラスタに属するセンサノード１０のうちクラスタヘッド以外のセンサノード１０を子ノードという。In the lowest hierarchy LL , each
各クラスタ内の無線通信については、当該クラスタの子ノードからクラスタヘッドにセンサデータが送信できれば十分であるため、無線送信の電波強度を制限して微弱な電波で無線通信を行うことができる。これにより、クラスタ間での電波の干渉を低減でき、各クラスタにおいて並行してデータ収集を行うことが可能となる。 For wireless communication within each cluster, it is sufficient if sensor data can be transmitted from a child node of the cluster to the cluster head. Therefore, wireless communication can be performed with weak radio waves by limiting the radio wave intensity of wireless transmission. Thereby, radio wave interference between clusters can be reduced, and data can be collected in parallel in each cluster.
中間層ＬMおよび最上位階層ＬHのクラスタの子ノードは、１段下の階層における各クラスタのクラスタヘッドから構成されており、階層ごとにこのようなクラスタ構成が繰り返し形成されている。これにより、階層が上がるごとにそれぞれのクラスタでデータが順次集約される。
最上位階層ＬHのクラスタは、基地局２０をクラスタヘッドとする１つのクラスタから構成されており、このクラスタの子ノードは、中間層ＬMの各クラスタのクラスタヘッドから構成されている。このため、最終的には最上位階層ＬHの基地局２０に対してすべてのセンサノード１０からセンサデータが集約される。Child node of the cluster of the intermediate layer LM and the highest layer LH is composed of each cluster of the cluster head in the hierarchy one step below, such a cluster configuration is repeatedly formed for each hierarchy. As a result, the data is sequentially aggregated in each cluster every time the hierarchy goes up.
Cluster highest level LH is composed of the
また、この階層クラスタ構造では、各階層で異なる通信チャネルを使用する。図５の例では、最下位階層ＬL、中間階層ＬM、最上位階層ＬHごとに、通信チャネルＣｈL，ＣｈM，ＣｈHを用いる。これにより、階層間での無線通信の干渉がなくなり、各階層で独立してデータを収集できる。
本実施の形態では、このような階層クラスタ構造を用いることで、各センサノード１０でセンシングしたセンサデータを少ない遅延で並行して効率よく収集している。これにより、ポーリングを用いる手法とは異なり、効率よくデータが収集できる。また、時分割多重を用いる方法と異なり、実装もシンプルで容易に導入可能である。In this hierarchical cluster structure, a different communication channel is used in each hierarchy. In the example of FIG. 5, communication channels ChL , ChM , and ChH are used for each of the lowest hierarchy LL , the intermediate hierarchy LM , and the highest hierarchy LH. Thereby, there is no radio communication interference between layers, and data can be collected independently at each layer.
In the present embodiment, by using such a hierarchical cluster structure, sensor data sensed by each
なお、本実施の形態では、通信帯域が溢れるほどのデータは発生しないものとする。また、センサノード間の距離は、位置取得センサを用いるのではなく、電波の強度を利用して計測するものとする。具体的には、あるセンサノードから送信電波強度を変化させて複数のパケットを送信し、受信側では、受け取ったパケットのうち最小の電波強度を距離とする。 In the present embodiment, it is assumed that no data is generated so as to overflow the communication band. In addition, the distance between sensor nodes is measured using the intensity of radio waves instead of using a position acquisition sensor. Specifically, a plurality of packets are transmitted from a certain sensor node while changing the transmission radio wave intensity, and the reception side sets the minimum radio wave intensity among the received packets as the distance.
［データ収集方法］
次に、図６および図７を参照して、本実施の形態にかかるセンサデータ収集システムのデータ集約方法について説明する。図６は、本実施の形態にかかるセンサデータ収集システムのデータ集約処理を示すフローチャートである。図７は、階層クラスタ構造の一例を示すトポロジである。[Data collection method]
Next, a data aggregation method of the sensor data collection system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a flowchart showing data aggregation processing of the sensor data collection system according to the present embodiment. FIG. 7 is a topology showing an example of a hierarchical cluster structure.
最下位階層ＬLのクラスタでは、各子ノードの持つセンサデータをクラスタヘッドに集約する。この際、クラスタヘッドは、まず、無線通信装置１５において通信チャネルとして最下位階層ＬLのチャネルＣｈLを選択し、クラスタ内の子ノードへデータ要求メッセージを送信する。子ノードは、無線通信装置１５において通信チャネルとしてチャネルＣｈLを選択しており、クラスタヘッドからデータ要求メッセージを受信した子ノードは、その時点で自身の送信キューに格納されているセンサデータをクラスタヘッドへ送信する。送信キューが空であれば、何も送信しない。In a cluster of lowest layer LL, aggregates sensor data with the child node to the cluster head. At this time, the cluster head first selects the channel ChL of the lowest hierarchy LL as a communication channel in the
クラスタヘッドは、無線通信装置１５により各子ノードからデータを受信して収集した後、通信チャネルを１段上の中間階層ＬMのチャネルＣｈLに切り替え、この中間階層ＬMのクラスタヘッドからデータ要求メッセージが送られるのを待つ。データ要求を受信すると、クラスタヘッドは、最下位階層ＬLの子ノードから収集したセンサデータを、前述した最下位階層ＬLの子ノードと同様にして中間階層ＬMのクラスタヘッドへ送信する。このようにして、すべての階層のクラスタでこの処理が繰り返し実行され、最上位階層ＬHにある基地局２０にデータが集約される。また、各階層のクラスタヘッドも他の子ノードと同じくセンシングを行っているため、子ノードから収集したセンサデータを上位階層へ送信する際、自身がセンシングしたセンサデータも付加して送信する。Cluster head is to collect data received from a child node by the
次に、図６を参照して、任意の階層に属するセンサノードのデータ集約処理について説明する。図６において、最下位階層ＬLから上にｍ番目の階層におけるｉ番目の子ノードをＮciとし、そのクラスタヘッドをＮpとし、当該階層で用いる通信チャネルをＣｈmとし、１段上のｍ＋１番目の階層で用いる通信チャネルをＣｈm+1とし、子ノードＮciへの送信電波強度をＥciとし、クラスタヘッドＮpへの送信電波強度をＥpとする。Next, with reference to FIG. 6, the data aggregation processing of sensor nodes belonging to an arbitrary hierarchy will be described. In FIG. 6, the i-th child node in the m-th layer above the lowest layer LL is Nci , its cluster head is Np , the communication channel used in the layer is Chm, and one level higher The communication channel used in the (m + 1) th layer is Chm + 1 , the transmission radio wave intensity to the child node Nci is Eci, and the transmission radio wave intensity to the cluster head Np is Ep .
センサノード１０は、ループ１として、ループ２を含むステップ１０１〜１０７を繰り替えし実行している。ループ１では、まず、センサデータ処理装置１３により、センサイベント検出装置１２でイベントを検出した際のセンサデータを処理して送信キューであるセンサデータ記憶装置１４へ追加保存し（ステップ１０１）、無線通信装置１５により、通信チャネルをＣｈmに設定し（ステップ１０２）、子ノード選択用変数ｉを０に初期化する（ステップ１０３）。The
次に、センサノード１０は、変数ｉが子ノード数ｎに達するまで、ステップ１１１〜１１５からなるループ２を繰り返し実行する。ループ２では、まず、無線通信装置１５により、送信電波強度をＥciに設定し（ステップ１１１）、子ノードＮciに対してデータ要求メッセージを送信した後（ステップ１１２）、子ノードＮciからのデータ受信待ちとなる（ステップ１１３）。
ここで、所定の待ち時間が経過するまでに子ノードＮciからデータを受信した場合（ステップ１１３：ＹＥＳ）、無線通信装置１５により、その受信データを送信キューへ追加保存し（ステップ１１４）、変数ｉを１だけ加算する（ステップ１１５）。また、ステップ１１３において、データ要求メッセージの送信から待ち時間が経過するまでに子ノードＮciからデータを受信できなかった場合（ステップ１１３：ＮＯ）、ステップ１１５へ移行する。Next, the
Here, when data is received from the child node Nci before the predetermined waiting time elapses (step 113: YES), the
このようにして、すべての子ノードについてループ２を繰り返し実行することにより、各子ノードからセンサデータを収集して送信キューに保存した後、センサノード１０は、無線通信装置１５により、通信チャネルをＣｈm+1に設定するとともに（ステップ１０４）、送信電波強度をＥpに設定し（ステップ１０５）、クラスタヘッドＮpからのデータ要求メッセージの受信待ちとなる（ステップ１０６）。In this manner, by repeatedly executing the loop 2 for all the child nodes, the sensor data is collected from each child node and stored in the transmission queue, and then the
ここで、所定の待ち時間が経過するまでにクラスタヘッドＮpからのデータ要求メッセージを受信した場合（ステップ１０６：ＹＥＳ）、無線通信装置１５により、送信キューに保存されている各子ノードから収集したセンサデータ、さらには自身でセンシングしたセンサデータをクラスタヘッドＮpへ送信し（ステップ１０７）、ループ１の先頭であるステップ１０１へ戻る。また、ステップ１０６において、待ち時間が経過するまでにクラスタヘッドＮpからのデータ要求メッセージを受信できなかった場合（ステップ１０６：ＮＯ）、ループ１の先頭であるステップ１０１へ戻る。Here, when receiving a data request message from the cluster head Np by a predetermined delay time has expired (step 106: YES), the
したがって、このデータ集約処理では、各センサノードにおいて、自身のセンシング結果と他のノードから受信したセンシング結果がセンサデータ記憶装置１４の中の送信キューで管理され、送信要求があったときには送信キューに保存されているセンサデータがすべて送信される。また、ループ２のデータ収集処理とステップ１０２の通信チャネル変更処理については、子ノードが存在するときにだけ実行される処理であり、当該センサノードが子ノードを持たない場合、これら処理は実行されない。 Therefore, in this data aggregation process, each sensor node manages its own sensing results and sensing results received from other nodes in the transmission queue in the sensor
次に、図７を参照して、センサデータの集約手順の具体例について説明する。図７のトポロジ例では、階層Ｌ1に、センサノードＡ，Ｂ，ＥからなるクラスタＣ11と、センサノードＣ，Ｄ，ＦからなるクラスタＣ12が設けられており、このうちノードＥ，Ｆがそれぞれのクラスタヘッドである。また階層Ｌ2に、センサノードＥ，Ｆ，ＧからなるクラスタＣ21が設けられており、ノードＧがクラスタヘッドである。また階層Ｌ3には、センサノードＧ，Ｈ，ＩからなるクラスタＣ31が設けられており、このうちノードＩがクラスタヘッドである。また、階層Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3では、通信チャネルとして、それぞれ異なるチャネルＣｈ1，Ｃｈ2，Ｃｈ3を用いる。Next, a specific example of the sensor data aggregation procedure will be described with reference to FIG. In the topology example of FIG. 7, a cluster C11 composed of sensor nodes A, B, and E and a cluster C12 composed of sensor nodes C, D, and F are provided in the hierarchy L1. Are the cluster heads. Further, a cluster C21 including sensor nodes E, F, and G is provided in the hierarchy L2 , and the node G is a cluster head. Further, in the hierarchy L3 , a cluster C31 including sensor nodes G, H, and I is provided, and among these, the node I is a cluster head. Further, in the hierarchies L1 , L2 , and L3 , different channels Ch1 , Ch2 , and Ch3 are used as communication channels, respectively.
このようなトポロジでは、次のようなステップ（ａ）〜（ｃ）でセンサデータを集約する。
（ａ）ノードＡとノードＢはノードＥへチャネルＣｈ1でセンサデータを集約し、ノードＣとノードＤはノードＦへチャネルＣｈ1でセンサデータを集約する。
（ｂ）ノードＥとノードＦは、それぞれの子ノードからチャネルＣｈ1でデータを集約し終えると通信チャネルをチャネルＣｈ2に切り替え、ノードＧへセンサデータを集約する。
（ｃ）ノードＧとノードＨは、それぞれの子ノードからチャネルＣｈ2でデータを集約し終えると通信チャネルをチャネルＣｈ3に切り替え、ノードＩにデータを集約する。
図７のトポロジでは２分木を例としているが、クラスタ内のノード数は通信の効率を考慮して最適な値を決めるものとする。In such a topology, sensor data is aggregated in the following steps (a) to (c).
(A) Node A and node B aggregate sensor data to node E via channel Ch1 , and node C and node D aggregate sensor data to node F via channel Ch1 .
(B) When the node E and the node F complete the aggregation of data from the respective child nodes through the channel Ch1 , the communication channel is switched to the channel Ch2 and the sensor data is collected into the node G.
(C) When the node G and the node H have aggregated data from the respective child nodes through the channel Ch2 , the node G and the node H switch the communication channel to the channel Ch3 and aggregate the data into the node I.
In the topology of FIG. 7, a binary tree is taken as an example, but the number of nodes in the cluster is determined to be an optimum value in consideration of communication efficiency.
このようなデータ収集方法は以下のような特徴を持つ。
・アルゴリズムの共通化：すべてのノードが単一のアルゴリズムで動作し、チャネルや自身の親ノードと子ノードのＩＤなど数個のパラメータを設定するだけで、センサネットワークを構築できる。このため、ユーザはセンサの種類を意識することなくセンサノードを設置できる。また、今後ノードの移動などを考慮したデータ収集方法についても、数個のパラメータを変更するだけでトポロジを変更できる。Such a data collection method has the following characteristics.
Common algorithm: All nodes operate with a single algorithm, and a sensor network can be constructed by setting several parameters such as the channel and IDs of its parent and child nodes. For this reason, the user can install a sensor node without being aware of the type of sensor. In addition, regarding the data collection method considering the movement of nodes in the future, the topology can be changed by changing only a few parameters.
・遅延の抑制：遅延を一定以下に抑制するには、遅延をＴ秒以下にする場合、階層数がｈであるとき、各階層でＴ／ｈ秒以内にデータを上位階層に転送すればよい。ネットワーク全体で遅延を一定以下に抑制しようとするとデータ収集方法が複雑になりがちであるが、このデータ収集方法によれば、各クラスタにおいて一定時間以内にデータを送信することさえ保証されれば、全体でも遅延が一定以下になることが保証される。-Suppression of delay: To suppress the delay below a certain level, when the delay is set to T seconds or less, when the number of hierarchies is h, data may be transferred to the upper hierarchy within T / h seconds in each hierarchy. . If you try to keep the delay below a certain level for the entire network, the data collection method tends to be complicated. According to this data collection method, if it is guaranteed that data is transmitted within a certain time in each cluster, Overall, the delay is guaranteed to be below a certain level.
・チャネル数の削減：一般的な無線通信では、通信帯域は有限であり、チャネル数も有限である。このデータ収集方法によれば、全ノード数をＮとするとき、平衡にクラスタリングできたとすると、必要なチャネル数はＯ（logＮ）となり、大規模なセンサネットワークに好適なデータ収集方法であるといえる。-Reduction of the number of channels: In general wireless communication, the communication band is limited and the number of channels is also limited. According to this data collection method, if the total number of nodes is N, and if clustering can be performed in a balanced manner, the required number of channels is O (logN), which can be said to be a data collection method suitable for a large-scale sensor network. .
以上の説明では、実装が最も簡単なチャネルを変更することで、上位階層と下位階層の通信が干渉しないようにしているが、実装が可能であれば、ＴＤＭＡ(Time Division Multiple Access)のタイムスロットを変えたり、ＣＤＭＡ(Code Division Multiple Access)のコードを変更することで通信が重ならないようにしてもよい。 In the above description, the channel that is the simplest to implement is changed so that communication between the upper layer and the lower layer does not interfere. However, if the implementation is possible, a time slot of TDMA (Time Division Multiple Access) The communication may not be overlapped by changing the code or changing the code of CDMA (Code Division Multiple Access).
［ネットワーク構築方法］
次に、図８および図９を参照して、本実施の形態にかかるセンサデータ収集システムのネットワーク構築方法について説明する。図８は、本実施の形態にかかるセンサデータ収集システムのクラスタリング処理を示すフローチャートである。図９は、クラスタリング処理の一例を示す説明図である。
本実施の形態にかかるセンサデータ収集システム１のネットワーク構築装置３０では、センサネットワーク５０のトポロジを決定するために、図８に示すようなクラスタリング処理を行う。[Network construction method]
Next, with reference to FIG. 8 and FIG. 9, the network construction method of the sensor data collection system concerning this Embodiment is demonstrated. FIG. 8 is a flowchart showing clustering processing of the sensor data collection system according to this embodiment. FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating an example of the clustering process.
The
センサノード１０に対するクラスタリングは、電波強度から得られた距離に基づいて行う。電波強度を用いると、遮蔽物があるために本来の距離よりも強い電力が必要な場合があり、電波強度から３次元の位置を推測して、その上で一般的な手法を用いてクラスタリングすることはできない。このため、各ノード間の相対的な距離の情報のみを用いてクラスタリングを行う。 Clustering for the
屋内型センサネットワークにおいて通信の効率化を図るには、複数のクラスタ間の無線の干渉を抑える必要がある。省電力のためにセンサノードをクラスタリングする手法がいくつか提案されているが、これらの研究は省電力化が目的であるため、センサノードからクラスタヘッドまでの距離の和が最短になるようなクラスタリングを行っている。これに対して、本実施の形態では、クラスタ内の通信電波が他のクラスタの通信に干渉しないことが求められるため、クラスタ間の重複を最小にするようにクラスタリングを行う。 In order to improve communication efficiency in an indoor sensor network, it is necessary to suppress radio interference between a plurality of clusters. Several methods for clustering sensor nodes have been proposed for power saving, but these studies are aimed at power saving, so clustering that minimizes the sum of the distance from the sensor node to the cluster head. It is carried out. On the other hand, in this embodiment, since it is required that the communication radio waves in the cluster do not interfere with the communication of other clusters, clustering is performed so as to minimize the overlap between the clusters.
クラスタ間の重複は次の式（１）に示す評価関数Ｆを用いて評価する。ここで、Ｎはクラスタリングを行っている階層の全ノード数、ｋはクラスタの個数、Ｎiはクラスタｉのノード数、Ｐiはクラスタｉのクラスタヘッド、Ｃijはクラスタｉに属するクラスタヘッド以外のｊ番目のノード、ｘlは全ノード中のｌ番目のノードである。
式（１）において、評価関数Ｆは、任意のノードｘaから別のノードｘbへの通信が第３のノードｘcで受信可能かを判別する関数であり、次の式（２）のように定義する。
ここで、ｄ（ｘa、ｘb）は、ノードｘaからノードｘbへの距離、つまりノードｘaがノードｘbへパケットを送信できる最小の電波強度を意味する。ただし、ノードｘa、ｘb、ｘcの３つが同一のクラスタに属するときは、クラスタヘッドが通信衝突しないように制御しているため、次の式（３）が成り立つものとする。
この評価関数Ｆは、各クラスタにおいて、クラスタヘッドから当該クラスタ内の子ノードのへの通信を受信可能なクラスタ外のノードの個数と、クラスタ内の子ノードからクラスタヘッドへの通信を受信可能なクラスタ外のノードの個数の合計を意味し、この値が最小になるクラスタリングが最適なものとなる。 This evaluation function F can receive, in each cluster, the number of nodes outside the cluster that can receive communication from the cluster head to the child node in the cluster, and communication from the child node in the cluster to the cluster head. This means the total number of nodes outside the cluster, and clustering that minimizes this value is optimal.
以下で、上記の評価関数Ｆを用いてノードをクラスタリングする手法を説明する。クラスタリングは、ノードの数が多いときに、単純にすべてノード間の距離を比較して計算を行うと、計算時間が膨大になるため、ＣＬＡＲＡ法を用いる（非特許文献４など参照）。この手法では、全ノードからいくつかのサンプルをランダムに選択し、サンプルのみを用いてクラスタリングした後、サンプル以外のノードを最も近いクラスタに割り当てる。本実施の形態にかかるクラスタリング処理は、このＣＬＡＲＡ法を元にしている。 A method for clustering nodes using the evaluation function F will be described below. Clustering uses the CLARA method because the calculation time becomes enormous if the calculation is performed simply by comparing the distances between all the nodes when the number of nodes is large (see Non-Patent Document 4, etc.). In this method, some samples are randomly selected from all nodes, clustered using only the samples, and then a node other than the sample is assigned to the nearest cluster. The clustering process according to the present embodiment is based on this CLARA method.
ネットワーク構築装置３０は、まず、最小送信電波強度収集装置３２により、各センサノード１０に対する最小送信電波強度要求メッセージを、ブロードキャスト方式などを用いて、無線通信装置３１からセンサネットワーク５０を介して送信し、これに応じて返送された最小送信電波強度を受信して、センサノード１０間ごとに保存する。 The
各センサノード１０の無線通信装置１５は、この最小送信電波強度要求メッセージに応じて、他センサノードとの間で検査用データを送受信することにより、最小送信電波強度を検出する。例えば、無線通信装置１５により、送信電波強度を変化させつつ、当該送信電波強度情報を含む検査用データをロードキャスト方式などを用いて送信し、一方、他ノードから検査用データを受信して同一送信元ノードごとに分類し、受信できた検査用データのうち当該送信電波強度情報で指定されている送信電波強度が最小の送信電波強度を、当該送信元ノードから自ノードへ送信する際の最小送信電波強度として検出すればよい。 The
このようにして、ネットワーク構築装置３０は、各センサノード１０間の最小送信電波強度値を収集した後、クラスタリング処理装置３４により、階層ごとに、図８のクラスタリング処理を繰り返し実行する。なお、中間階層および最上位階層についてクラスタリング処理を行う場合、当該階層より１段下の階層でクラスタヘッドとして選択されたセンサノードを当該階層のノードとして選択するものとする。図８において、Ｆold，Ｆnew，Ｆcは評価関数Ｆの計算結果であり、Ｎrandomはクラスタヘッド以外のサンプルノードからランダムに選択したセンサノードである。In this manner, the
まず、Ｎ個のノードからランダムにｍ個のサンプルノードを選択し（ステップ２０１）、ｍ個のサンプルノードからｋ個のクラスタヘッドをランダムに選択する（ステップ２０２）。これらｍやｋの値については、全ノード数や階層数に基づき予め決定しておけばよい。この後、ループ１として、ループ２を含むステップ２１１〜２１７を繰り返し実行する。 First, m sample nodes are randomly selected from N nodes (step 201), and k cluster heads are randomly selected from m sample nodes (step 202). The values of m and k may be determined in advance based on the total number of nodes and the number of hierarchies. Thereafter, as
ループ１では、まず、クラスタヘッド以外のサンプルノードを、当該サンプルノードからクラスタヘッドまでの最小送信電波強度が最も小さいクラスタヘッドのクラスタにそれぞれ割り当てることにより当該階層の基準となる基準クラスタ構成を生成し（ステップ２１１）、この基準クラスタ構成について前述した式（１）の評価関数Ｆを算出して基準評価値Ｆoldとする（ステップ２１２）。In
次に、クラスタヘッド以外のサンプルノードから、入れ替え対象となるノードとしてＮrandomをランダムに１つ選択し（ステップ２１３）、クラスタ選択用変数ｉを１に初期化するとともに、比較評価値Ｆnewを∞（無限大または最大値）に設定する（ステップ２１４）。
続いて、変数ｉがクラスタ数ｋに達するまで、ステップ２２１〜２２４からなるループ２を繰り返し実行する。Next, Nrandom is randomly selected from the sample nodes other than the cluster head as a node to be replaced (step 213), the cluster selection variable i is initialized to 1, and the comparative evaluation value Fnew is set. ∞ (infinity or maximum value) is set (step 214).
Subsequently, loop 2 including
ループ２では、まず、クラスタヘッドＮHiをＮrandomと入れ替えて候補クラスタ構成を生成し、この候補クラスタ構成について前述した式（１）の評価関数Ｆを算出して候補評価値Ｆcを算出し（ステップ２１１）、比較評価値Ｆnewと比較する（ステップ２２２）。ここで、Ｆnew＞Ｆcの場合（ステップ２２２：ＹＥＳ）、Ｆcを新たなＦnewとして設定し（ステップ２２３）、変数ｉを１だけ加算する（ステップ１１５）。また、Ｆnew≦Ｆcの場合（ステップ２２２：ＮＯ）、ステップ２２４へ移行する。In the loop 2, first, the cluster head NHi is replaced with Nrandom to generate a candidate cluster configuration, and the evaluation function F of Equation (1) described above is calculated for this candidate cluster configuration to calculate the candidate evaluation value Fc. (Step 211), and the comparison evaluation value Fnew is compared (Step 222). If Fnew > Fc (step 222: YES), Fc is set as a new Fnew (step 223), and the variable i is incremented by 1 (step 115). If Fnew ≦ Fc (step 222: NO), the process proceeds to step 224.
このようにして、すべてのクラスタについてループ２を繰り返し実行することにより、これらクラスタをＮrandomと入れ替えて生成した候補クラスタ構成から、最も小さい候補評価値Ｆcを持つ候補クラスタ構成を見つけて、その候補評価値Ｆcを示す評価値Ｆnewと基準評価値Ｆoldとを比較する（ステップ２１５）。In this way, by repeatedly executing loop 2 for all clusters, a candidate cluster configuration having the smallest candidate evaluation value Fc is found from candidate cluster configurations generated by replacing these clusters with Nrandom, and The evaluation value Fnew indicating the candidate evaluation value Fc is compared with the reference evaluation value Fold (step 215).
ここで、Ｆnew＜Ｆoldの場合（ステップ２１５：ＹＥＳ）、Ｆnewが最小となったＮHiとＮrandomとを入れ替えて、最小候補評価値を持つ候補クラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定し（ステップ２１６）、ループ１の先頭であるステップ２１１へ戻る。また、Ｆnew≧Ｆoldの場合（ステップ２１５：ＮＯ）、上記入れ替えを行わずに、基準クラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定し、ループ１を脱出して一連のクラスタリング処理を終了する。Here, when Fnew <Fold (step 215: YES), Nhi and Nrandom where Fnew is minimized are exchanged, and the candidate cluster configuration having the minimum candidate evaluation value is set as the cluster configuration of the hierarchy. Determine (step 216) and return to step 211, which is the head of
ネットワーク構築装置３０は、クラスタリング処理装置３４により、このようなクラスタリング処理を階層ごとに繰り返し実行することにより、センサネットワーク５０のトポロジを決定する。
この後、ネットワーク構築装置３０は、クラスタリング処理装置３４で決定したトポロジに基づいて、ネットワーク設定装置３５により、各センサノード１０に関する通信相手ノードと当該通信相手ノードに関する最小送信電波強度とを決定する。The
Thereafter, based on the topology determined by the
この際、子ノードのセンサデータを送信すべき通信相手ノードは、同一クラスタに属するクラスタヘッドとなり、クラスタヘッドのセンサデータを収集すべき通信相手ノードは、その逆となる。また、各センサノードの最小送信電波強度は、当該通信相手ノードとの間の最小送信電波強度を最小送信電波強度収集装置３２から取得すればよい。
このようにして、ネットワーク設定装置３５は、各センサノード１０に関する通信相手ノードと当該通信相手ノードに関する最小送信電波強度とを決定し、無線通信装置３１からセンサネットワークを介して各センサノードへ通知する。これにより、センサデータ収集に適したセンサネットワーク５０が構築されることになる。At this time, the communication partner node that should transmit the sensor data of the child node becomes a cluster head belonging to the same cluster, and the communication partner node that should collect the sensor data of the cluster head is the opposite. The minimum transmission radio wave intensity of each sensor node may be obtained from the minimum transmission radio wave
In this way, the
次に、図９を参照してクラスタリング処理例について説明する。ここでは、１３個のノードを３つのクラスタに分割する場合を例として説明する。以下のステップ（ａ）〜（ｇ）は、図９（ａ）〜図９（ｇ）に相当する。 Next, an example of clustering processing will be described with reference to FIG. Here, a case where 13 nodes are divided into three clusters will be described as an example. The following steps (a) to (g) correspond to FIGS. 9 (a) to 9 (g).
（ａ）ノードの中からランダムにサンプルを選択する。ここでは、６個のサンプルを選択した。
（ｂ）サンプルの中からランダムにクラスタヘッドを選択する。この例では３つのクラスタに分割するため、３つのクラスタヘッドＰ1、Ｐ2、Ｐ3を選択する。
（ｃ）クラスタヘッド以外のサンプルノードをクラスタリングし、評価関数Ｆを計算し、Ｆoldとする。各ノードは最小距離のクラスタヘッドのクラスタに所属するため、この例ではＰ1のクラスタには２個のノードが、Ｐ2のクラスタには０個のノードが、Ｐ3のクラスタには１個のノードがそれぞれ所属する。また、Ｐ1からＣ12への通信は、クラスタ外のＰ2，Ｐ3の２個のノードでも受信でき、Ｐ3からＣ31の通信はクラスタ外のＰ1、Ｃ11、Ｃ12，Ｐ2でも受信できる。このように通信の重なり、すなわち無線通信干渉度合いを数えることで評価関数Ｆを算出する。(A) A sample is randomly selected from the nodes. Here, six samples were selected.
(B) A cluster head is randomly selected from the samples. In this example, in order to divide into three clusters, three cluster heads P1 , P2 and P3 are selected.
(C) The sample nodes other than the cluster head are clustered, and the evaluation function F is calculated to be Fold . Because each node belonging to the minimum distance of the cluster head in the cluster, the two nodes in the cluster of P1 In this example, the zero nodes in the cluster of
（ｄ）クラスタヘッド以外のサンプルノードの中から１つをＮrandomとして選択する。この例では、Ｃ31が選ばれたとする。
（ｅ）Ｎrandomとクラスタヘッドを入れ替えた場合のＦcを計算し、最小となるものをＦnewとする。この例では、クラスタヘッドが３つあるため、Ｐ1と入れ替えるパターン１、Ｐ2と入れ替えるパターン２、Ｐ3と入れ替えるパターン３の３つのパターンについて計算を行うことになる。３つのパターンの中では、狭い範囲に同一クラスタのノードが集中するパターン２やパターン３がパターン１や現在のクラスタヘッドの配置よりもＦの値が小さく、無線通信干渉の少ない良好なクラスタリングとなる。ここでは、パターン３の場合にＦnewが最小になったものとする。(D) One of the sample nodes other than the cluster head is selected as Nrandom . In this example, it is assumed that C31 is selected.
(E) Fc is calculated when Nrandom and the cluster head are replaced, and the smallest one isdefined as Fnew . In this example, the cluster head is three, will perform calculations for three patterns of the pattern 3 to replace the pattern 2, P3 to replace the
（ｆ）Ｆnewを最小にしたクラスタヘッドとＮrandomを入れ替える。ＦnewがＦoldよりも大きく、つまりクラスタヘッドを変更しない方が評価が高いならば、入れ替えを行わずにクラスタヘッドを確定させてクラスタリング処理を終了する。一方、入れ替えを行ったときは、ステップ（ｃ）以降の処理を繰り返す。この例では、Ｐ3とＮrandomとを入れ替え、再度処理を繰り返す。
（ｇ）確定されたクラスタヘッドを用いて、すべてのノードを最短距離のクラスタヘッドのクラスタに所属させることでクラスタリングを行う。(F) Swap the cluster head that minimizes Fnew and Nrandom . If Fnew is larger than Fold , that is, if the evaluation is higher when the cluster head is not changed, the cluster head is determined without replacement and the clustering process is terminated. On the other hand, when the replacement is performed, the processing after step (c) is repeated. In this example, P3 and Nrandom are exchanged, and the process is repeated again.
(G) Using the determined cluster head, clustering is performed by causing all nodes to belong to the cluster of the cluster head with the shortest distance.
以上のクラスタリング処理において、クラスタリングの結果はサンプルの選択やクラスタヘッドの初期選択に左右されるため、評価関数Ｆが予め定めた値以下ではなくクラスタリングの精度が不十分に場合は、何度か繰り返してクラスタリングを行い、その中から最適なものを選択する。 In the clustering process described above, the result of clustering depends on the selection of samples and the initial selection of cluster heads. Therefore, if the evaluation function F is not less than a predetermined value and the accuracy of clustering is insufficient, it is repeated several times. Clustering is performed, and the most suitable one is selected.
最下位の階層のクラスタリングが終了すると、各クラスタの中から最適なクラスタヘッドを選択し直し、クラスタヘッドのみを用いて１つ上位の階層のクラスタリングを行う。これを繰り返し、すべての階層のクラスタを決定する。したがって、最上位階層ＬHに予め設定しておいた、基地局２０がクラスタヘッドとなる１つのクラスタに対して、すべてのノードが所属することになる。
すべての階層におけるクラスタリング処理が終了すると、データを収集するためのトポロジと、各ノード間の通信での最適な電波強度が決まるため、基地局２０が、ノードのクラスタヘッド、子ノードの一覧、それぞれの通信における送信電波強度をすべてのノードに対して通知する。これによって、データ収集が開始できるようになる。When clustering of the lowest hierarchy is completed, an optimal cluster head is selected again from each cluster, and clustering of the next higher hierarchy is performed using only the cluster head. This process is repeated to determine clusters in all layers. Therefore, all the nodes belong to one cluster that is set in the highest hierarchy LH and in which the
When the clustering process in all layers is completed, the topology for collecting data and the optimum radio wave intensity for communication between the nodes are determined, so that the
図１０は、本実施の形態にかかるセンサデータ収集システムの評価結果を示す説明図である。図１１は、評価に用いたトポロジを示す説明図である。
ここでは、本実施の形態にかかるセンサデータ収集方法と、従来のポーリング手法とについて、４つのセンサノードからセンサデータを基地局２０へ収集する際に発生する遅延時間を測定した。本実施の形態にかかるセンサデータ収集方法では、図１１のトポロジのセンサネットワーク５０を用いた。また、無線通信にはＩＥＥＥ８０２．１５．４準拠の無線通信モジュールを用いた。評価の結果、センサノード数が少ないにもかかわらず、従来のポーリング手法に比べて、本実施の形態にかかるセンサデータ収集方法の方が、データ収集に要する所要時間、すなわち遅延が少なくなる傾向にあることが分かる。FIG. 10 is an explanatory diagram showing an evaluation result of the sensor data collection system according to the present embodiment. FIG. 11 is an explanatory diagram showing the topology used for the evaluation.
Here, for the sensor data collection method according to the present embodiment and the conventional polling method, the delay time generated when collecting sensor data from four sensor nodes to the
１…センサデータ収集システム、１０…センサノード、１１…センサ、１２…センサイベント検出装置、１３…センサデータ処理装置、１４…センサデータ記憶装置、１５…無線通信装置、２０…基地局、２１…無線通信装置、２２…受信データ処理装置、３０…ネットワーク構築装置、３１…無線通信装置、３２…最小送信電波強度収集装置、３３…評価値算出装置、３４…クラスタリング処理装置、３５…ネットワーク設定装置、５０…センサネットワーク。 DESCRIPTION OF
Claims (13)
Translated fromJapanese前記センサネットワークは、前記階層ごとに１つ以上のクラスタを有し、任意のセンサノードからなる１つ以上の子ノードと１つのクラスタヘッドとから前記クラスタが構成され、前記子ノードがセンシングしたセンサデータを無線通信で当該クラスタのクラスタヘッドへ送信し、前記クラスタヘッドが１つ上位の階層における任意の上位クラスタの子ノードとして動作し、最上位階層に構成する１つのクラスタのクラスヘッダが前記基地局からなる、階層クラスタ構造を有することを特徴とするセンサデータ収集システム。A sensor including a plurality of sensor nodes that configure a sensor network having a plurality of hierarchies by wireless communication, and a base station that collects sensor data indicating a surrounding state of the sensor node sensed by each sensor node via the sensor network A data collection system,
The sensor network has one or more clusters for each of the hierarchies, and the cluster is composed of one or more child nodes including one sensor node and one cluster head, and the sensor sensed by the child node Data is transmitted to the cluster head of the cluster by wireless communication, the cluster head operates as a child node of any upper cluster in the upper layer, and the class header of one cluster configured in the upper layer is the base A sensor data collection system comprising a station and having a hierarchical cluster structure.
前記センサノードは、自己の位置する階層ごとに異なる無線チャネルを使用して無線通信を行うことを特徴とするセンサデータ収集システム。The sensor data collection system according to claim 1,
The sensor node performs wireless communication using a different wireless channel for each hierarchy in which the sensor node is located.
前記子ノードは、当該子ノードが属するクラスタのクラスタヘッドから送信されたデータ要求メッセージに応じて、前記センサデータを当該クラスタヘッドへ送信する無線通信装置を有し、
前記クラスタヘッドは、自己の管理するクラスタの子ノードに対してデータ要求メッセージを送信し、これに応じて前記子ノードから返送されたセンサデータを受信して保存し、自己が子ノードとして属する１つ上位の階層のクラスタのクラスタヘッドから送信されたデータ要求メッセージに応じて、保存しておいた前記センサデータを当該クラスタヘッドへ送信する無線通信装置を有する
ことを特徴とするセンサデータ収集システム。The sensor data collection system according to claim 1,
The child node has a wireless communication device that transmits the sensor data to the cluster head in response to a data request message transmitted from the cluster head of the cluster to which the child node belongs,
The cluster head transmits a data request message to a child node of the cluster managed by the cluster head, receives and stores the sensor data returned from the child node in response to the data request message, and belongs to itself as a child node. A sensor data collection system comprising: a wireless communication device that transmits the stored sensor data to the cluster head in response to a data request message transmitted from a cluster head of a cluster of a higher hierarchy.
前記各センサノードで検出した当該ノードと他のノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、前記センサネットワークを介してそれぞれ収集する最小送信電波強度収集装置と、
これら最小送信電波強度値に基づいて、任意の階層における、各クラスタに属する子ノードとクラスタヘッドとの組合せを示す任意のクラスタ構成について、異なるクラスタに属するセンサノード間における無線通信干渉度合いを示す評価値を算出する評価値算出装置と、
階層ごとに複数選択したクラスタ構成について前記評価値算出装置で前記評価値を算出し、得られた評価値に基づき階層ごとにクラスタ構成を決定することにより、前記センサネットワークのトポロジを決定するクラスタリング処理装置と、
前記トポロジに基づいて個々のセンサノードに関する通信相手情報と当該通信相手ノードに関する最小送信電波強度値とを、前記センサネットワークを介して前記各センサノードへ通知するネットワーク設定装置と
を備えることを特徴とするセンサネットワーク構築装置。A plurality of sensor nodes that configure a sensor network having a plurality of hierarchies by wireless communication, and a base station that collects sensor data indicating a surrounding state of the sensor node sensed by each sensor node via the sensor network; The sensor network has one or more clusters for each of the hierarchies, and the cluster is composed of one or more child nodes including one sensor node and one cluster head, and the sensor sensed by the child node Data is transmitted to the cluster head of the cluster by wireless communication, the cluster head operates as a child node of any upper cluster in the upper layer, and the class header of one cluster configured in the upper layer is the base Sensor data collection system having a hierarchical cluster structure comprising stations Oite,
A minimum transmission radio field intensity collecting device that collects, via the sensor network, a minimum transmission radio field intensity value that can be wirelessly communicated between the node detected by each sensor node and another node;
Based on these minimum transmission radio field strength values, an evaluation indicating the degree of radio communication interference between sensor nodes belonging to different clusters for an arbitrary cluster configuration indicating a combination of a child node belonging to each cluster and a cluster head in an arbitrary hierarchy An evaluation value calculation device for calculating a value;
Clustering processing for determining the topology of the sensor network by calculating the evaluation value with the evaluation value calculation device for a plurality of cluster configurations selected for each hierarchy, and determining the cluster configuration for each hierarchy based on the obtained evaluation values Equipment,
A network setting device for notifying each sensor node via the sensor network of communication partner information regarding each sensor node and a minimum transmission radio wave intensity value regarding the communication partner node based on the topology; Sensor network construction device.
前記クラスタリング処理装置は、任意の階層についてクラスタ構成を決定する際、当該階層に含まれるノードからランダムにサンプルノードを選択し、
このサンプルノードから各クラスタのクラスタヘッドをそれぞれ任意に選択し、
前記クラスタ以外のサンプルノードを当該サンプルノードから最も小さい電波強度で通信可能なクラスタヘッドのクラスタにそれぞれ割り当てて当該階層の基準となるクラスタ構成を生成して、前記評価値算出装置により前記基準クラスタ構成に関する基準評価値を算出し、
前記基準クラスタ構成のうちクラスタヘッド以外のサンプルノードからランダムに選択して当該クラスタのクラスタヘッドと入れ替えた候補クラスタ構成を順次生成して、前記評価値算出装置により前記候補クラスタ構成に関する候補評価値を算出し、
前記候補評価値のうち最も小さい最小候補評価値ものと前記基準評価値とを比較し、いずれか小さい方のクラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定することを特徴とするセンサネットワーク構築装置。In the sensor network construction device according to claim 4,
When determining a cluster configuration for an arbitrary hierarchy, the clustering processing device randomly selects a sample node from nodes included in the hierarchy,
Select the cluster head of each cluster arbitrarily from this sample node,
A sample cluster other than the cluster is assigned to each cluster of cluster heads capable of communicating with the smallest radio wave intensity from the sample node, and a cluster configuration serving as a reference for the hierarchy is generated, and the reference cluster configuration is generated by the evaluation value calculation device Calculate the standard evaluation value for
A candidate cluster configuration that is randomly selected from sample nodes other than the cluster head in the reference cluster configuration and replaced with the cluster head of the cluster is sequentially generated, and a candidate evaluation value related to the candidate cluster configuration is generated by the evaluation value calculation device. Calculate
A sensor network construction device, wherein the smallest candidate evaluation value of the candidate evaluation values is compared with the reference evaluation value, and the smaller cluster configuration is determined as the cluster configuration of the hierarchy.
前記子ノードが、センシングしたセンサデータを無線通信で当該クラスタのクラスタヘッドへ送信するステップと、
前記クラスタヘッドが、１つ上位の階層における任意の上位クラスタの子ノードとして動作するステップと、
前記基地局が、最上位階層に構成された１つのクラスタのクラスヘッダとして動作するステップと
を備えることを特徴とするセンサデータ収集方法。A plurality of sensor nodes that configure a sensor network having a plurality of hierarchies by wireless communication, and a base station that collects sensor data indicating a surrounding state of the sensor node sensed by each sensor node via the sensor network; Sensor data in which the sensor network has one or more clusters for each hierarchy, and has a hierarchical cluster structure in which the clusters are configured from one or more child nodes including arbitrary sensor nodes and one cluster head. In the collection system,
The child node transmits the sensed sensor data to the cluster head of the cluster by wireless communication;
The cluster head operating as a child node of any upper cluster in the next higher hierarchy;
The base station comprises a step of operating as a class header of one cluster configured in the highest layer.
前記センサノードが、自己の位置する階層ごとに異なる無線チャネルを使用して無線通信を行うステップをさらに備えることを特徴とするセンサデータ収集方法。The sensor data collection method according to claim 6,
The sensor data collecting method, further comprising the step of performing wireless communication using a different wireless channel for each hierarchy in which the sensor node is located.
前記子ノードが、当該子ノードが属するクラスタのクラスタヘッドから送信されたデータ要求メッセージに応じて、前記センサデータを当該クラスタヘッドへ送信する無線通信ステップを有し、
前記クラスタヘッドが、自己の管理するクラスタの子ノードに対してデータ要求メッセージを送信し、これに応じて前記子ノードから返送されたセンサデータを受信して保存し、自己が子ノードとして属する１つ上位の階層のクラスタのクラスタヘッドから送信されたデータ要求メッセージに応じて、保存しておいた前記センサデータを当該クラスタヘッドへ送信する無線通信ステップを有する
ことを特徴とするセンサデータ収集方法。The sensor data collection method according to claim 6,
The child node has a wireless communication step of transmitting the sensor data to the cluster head in response to a data request message transmitted from the cluster head of the cluster to which the child node belongs,
The cluster head transmits a data request message to a child node of the cluster managed by the cluster head, and receives and stores the sensor data returned from the child node in response to the data request message. A sensor data collection method comprising: a wireless communication step of transmitting the stored sensor data to the cluster head in response to a data request message transmitted from a cluster head of a cluster of a higher hierarchy.
最小送信電波強度収集装置が、前記各センサノードで検出した当該ノードと他のノードとの間で無線通信可能な最小送信電波強度値を、前記センサネットワークを介してそれぞれ収集する最小送信電波強度収集ステップと、
評価値算出装置が、これら最小送信電波強度値に基づいて、任意の階層における、各クラスタに属する子ノードとクラスタヘッドとの組合せを示す任意のクラスタ構成について、異なるクラスタに属するセンサノード間における無線通信干渉度合いを示す評価値を算出する評価値算出ステップと、
クラスタリング処理装置が、階層ごとに複数選択したクラスタ構成について前記評価値算出装置で前記評価値を算出し、得られた評価値に基づき階層ごとにクラスタ構成を決定することにより、前記センサネットワークのトポロジを決定するクラスタリング処理ステップと、
ネットワーク設定装置が、前記トポロジに基づいて個々のセンサノードに関する通信相手情報と当該通信相手ノードに関する最小送信電波強度値とを、前記センサネットワークを介して前記各センサノードへ通知するネットワーク設定ステップと
を備えることを特徴とするセンサネットワーク構築方法。A plurality of sensor nodes that configure a sensor network having a plurality of hierarchies by wireless communication, and a base station that collects sensor data indicating a surrounding state of the sensor node sensed by each sensor node via the sensor network; The sensor network has one or more clusters for each of the hierarchies, and the cluster is composed of one or more child nodes including one sensor node and one cluster head, and the sensor sensed by the child node Data is transmitted to the cluster head of the cluster by wireless communication, the cluster head operates as a child node of any upper cluster in the upper layer, and the class header of one cluster configured in the upper layer is the base Sensor data collection system having a hierarchical cluster structure comprising stations Oite,
The minimum transmission radio wave intensity collection device collects the minimum transmission radio wave intensity values that can be wirelessly communicated between the node detected by each sensor node and other nodes via the sensor network. Steps,
Based on these minimum transmission radio wave intensity values, the evaluation value calculation device can perform wireless communication between sensor nodes belonging to different clusters for any cluster configuration indicating combinations of child nodes and cluster heads belonging to each cluster in any hierarchy. An evaluation value calculating step for calculating an evaluation value indicating the degree of communication interference;
The clustering processing device calculates the evaluation value with the evaluation value calculation device for a plurality of cluster configurations selected for each layer, and determines the cluster configuration for each layer based on the obtained evaluation value, thereby allowing the topology of the sensor network A clustering process step for determining
A network setting step in which the network setting device notifies each sensor node of the communication partner information regarding each sensor node and the minimum transmission radio wave intensity value regarding the communication partner node based on the topology via the sensor network; A sensor network construction method comprising: providing a sensor network;
前記クラスタリング処理装置が、任意の階層についてクラスタ構成を決定する際、当該階層に含まれるノードからランダムにサンプルノードを選択し、このサンプルノードから各クラスタのクラスタヘッドをそれぞれ任意に選択し、前記クラスタ以外のサンプルノードを当該サンプルノードから最も小さい電波強度で通信可能なクラスタヘッドのクラスタにそれぞれ割り当てて当該階層の基準となるクラスタ構成を生成して、前記評価値算出装置により前記基準クラスタ構成に関する基準評価値を算出し、前記基準クラスタ構成のうちクラスタヘッド以外のサンプルノードからランダムに選択して当該クラスタのクラスタヘッドと入れ替えた候補クラスタ構成を順次生成して、前記評価値算出装置により前記候補クラスタ構成に関する候補評価値を算出し、前記候補評価値のうち最も小さい最小候補評価値ものと前記基準評価値とを比較し、いずれか小さい方のクラスタ構成を当該階層のクラスタ構成として決定することを特徴とするセンサネットワーク構築方法。In the sensor network construction method according to claim 9,
When the clustering processing apparatus determines a cluster configuration for an arbitrary hierarchy, it randomly selects a sample node from nodes included in the hierarchy, and arbitrarily selects a cluster head of each cluster from the sample node, and the cluster A sample cluster other than the sample node is assigned to each cluster of cluster heads that can communicate with the smallest radio wave intensity from the sample node to generate a cluster configuration that serves as a reference for the hierarchy, and the evaluation value calculation device uses the reference for the reference cluster configuration. An evaluation value is calculated, and a candidate cluster configuration is randomly generated from sample nodes other than the cluster head in the reference cluster configuration and replaced with a cluster head of the cluster, and the candidate cluster is generated by the evaluation value calculation device. Candidate comments on composition A value is calculated, the smallest candidate evaluation value among the candidate evaluation values is compared with the reference evaluation value, and the smaller cluster configuration is determined as the cluster configuration of the hierarchy. Network construction method.
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Legal Events
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