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 4 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 5 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 6 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 2004/2/26 特別研究報告 7 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 特別研究報告 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 2004/2/26 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 特別研究報告 10 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 2004/2/26 特別研究報告 11 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 2004/2/26 特別研究報告 12 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 2004/2/26 特別研究報告 13 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 2004/2/26 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 特別研究報告 14 基地局 2004/2/26 特別研究報告 15
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