センサネットワークにおける
同期型センサ情報収集機構の実装と評価
大阪大学基礎工学部情報科学科
計算機科学コース4年 村田研究室
樫原俊太郎
2004/2/26
特別研究報告
1
センサネットワーク
数十から数千のセンサ端末を配置し,環境情報を
収集,機器の制御を行うシステム

大規模農場の温度変化の観測,セキュリティ管理,家電
の制御,火山や深海など危険な場所の観測 etc
センサ端末は電池で駆動


交換は困難
消費電力が低い情報収集機構が必要
センサ端末の追加や移動,電力の枯渇による停止

再調整なしで情報収集を継続
同期型センサ情報収集機構
2004/2/26
特別研究報告
2
研究の目的
同期型センサ情報収集機構の実システムへの適用
性,実用性を検証

従来機構はシミュレーションのみで評価
改良機構を提案

理想的な無線通信を想定した従来機構の問題を解決
市販の無線センサ端末 MOTE を用いて実証実験
2004/2/26
特別研究報告
3
同期型センサ情報収集機構の概要
センサネットワークから定期的にセンサ情報を収集
するアプリケーションへの適用を対象
センサ端末が同期したタイミングで周辺部から順に
情報を送信

送受信の頻度を減らし,必要時以外は無線装置の電源を
切ることで電力消費を抑える
集中制御なしの同期


数千のセンサ端末への集中制御は非現実的
パルス結合振動子モデルを適用
蛍の発光の同期など生物界の同期をモデル化

2004/2/26
動的なセンサ端末の追加や移動,削除に対応
特別研究報告
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同期型センサ情報収集機構
センサ情報の収集
レベルは
基地局までの
ホップ数を表す
情報収集タイミングに
間に合わせるために
十分な時間 δ 早く
情報を発信する
基地局
2
3
0
1
2
1
3
2
2
レベル 3 レベル 2 レベル 1
t -3δ
t -2δ
t -δ
t
情報収集
タイミング
3
時刻
2004/2/26
特別研究報告
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同期型センサ情報収集機構の概要
センサネットワークから定期的にセンサ情報を収集
するアプリケーションへの適用を対象
センサ端末が同期したタイミングで周辺部から順に
情報を送信

送受信の頻度を減らし,必要時以外は無線装置の電源を
切ることで電力消費を抑える
集中制御なしの同期


数千のセンサ端末への集中制御は非現実的
パルス結合振動子モデルを適用
蛍の発光の同期など生物界の同期をモデル化

2004/2/26
動的なセンサ端末の追加や移動,削除に対応
特別研究報告
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同期型センサ情報収集機構
パルス結合振動子モデル
タイマの位相 Φ
状態 x
x  f i i  
 
 
状態を変化させる
1
ln 1  e b  1 i
b
状態が
0 から 1の間を
一定周期で振動
 
x j t   B x j t     j 
振動子 i
振動子 j
刺激
x, 0  x  1
B x   0, x  0
1, x  1
発火
ε
0 に戻
る
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特別研究報告
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同期型センサ情報収集機構
パルス結合振動子モデル
タイマの位相 Φ
状態 x
x  f i i  
 
刺激により
状態が 1 に
到達すると
発火
 
1
ln 1  e b  1 i
b
状態が
0 から 1の間を
一定周期で振動
振動子 i
ε
0 に戻
る
(同期)
2004/2/26
刺激
発火
このように互いに刺激を
与えあうことで
全ての振動子が
同期するようになる
振動子 j
発火
0 に戻る
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8
同期型センサ情報収集機構
同期手順とセンサ情報収集
センサ端末の発信は
レベルの大きいものには
刺激として
レベルの1つ小さいものには
センサ情報として伝わる
刺激
2
受けた刺激の
レベル + 1 に
自らのレベルを
調整する
基地局
0
3
1
2
センサ情報
1
3
2
2
2004/2/26
このように
同期とセンサ情報の発信を
同時に行いながら
徐々に同じレベルのセンサ端末が
同期したタイミングで
センサ情報を発信するようになる
特別研究報告
3
9
無線センサ端末 MOTE
CPU
プログラムメモリ
RAM
無線周波数
MICA2DOT
MICA2
U. C. Berkeley 大学の NEST
プロジェクトによって開発された
センサネットワーク構築用の
センサ端末
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電源
7.4 MHz
128 KB
4 KB
315 MHz
DC 3 V
電流( sleep )
1.5 μA
電流(受信)
1.8 mA
電流(送信)
12 mA
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実験結果(提案機構)
s32
s22
ここでいったん同期
が達成されているが,
その後すぐに
崩れている
s12
s31
s21
s11
基地局
刺激が本来の同期タイミング
より遅延して届くため
レベルの誤解
が起こる
障害物による反射により
遠くから発信されている電波が
たまたま届くため
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特別研究報告
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改良機構
電波の受信の遅延
→自身のタイマが発火した後,十分な時間,自身よりレベル
が 1 小さいセンサ端末から受信した刺激を無視する機能
を追加
電波の反射
→到着頻度と電波強度により,不安定な信号をフィルタリン
グする機能を追加
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特別研究報告
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実験結果(改良機構)
s32
s22
s12
s31
s21
s11
基地局
同期が達成された後,
それが維持されている
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特別研究報告
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まとめと今後の課題
まとめ

同期型センサ情報収集機構の実装
電波の遅延と反射による問題
実環境に適応させるために機能を追加

改良機構の実システムにおける有効性と実用性の評価
今後の課題

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障害物が多く,無線通信における環境が変化しやすい屋
内での安定したセンサ情報収集
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基地局
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