アドホックタイプのセンサネットワークを導入した 空間データの新しい収集・管理・提供方法の開発
報告書
平成１７年９月
助成研究者：大林 成行
香川大学工学部客員教授（工学博士）
目 次
１．研究の背景 ･････････････････････････････････････････････････････ 1
２．本研究開発の目的と範囲 ･････････････････････････････････････････ 3 ２．１ 本研究開発の目的 ･････････････････････････････････････････ 3 ２．２ 本研究開発の範囲 ･････････････････････････････････････････ 4
（１）無線センサネットワーク技術を取り巻く研究開発分野 ･･･････････ 4
（２）既往の研究開発分野における本研究開発の範囲 ･････････････････ 5
３．無線センサネットワーク技術に関する動向調査 ･････････････････････ 7 ３．１ 無線センサネットワークシステムの概要 ･････････････････････ 7 ３．１．１ 無線センサネットワークシステムの発展経緯 ････････････ 7 ３．１．２ 無線センサネットワークシステムの基本構成 ････････････ 7
（１）センサ端末の構成 ･････････････････････････････････････････ 8
（２）無線センサネットワーク制御方式 ･･･････････････････････････ 11 ３．２ 無線センサネットワーク技術の研究・開発動向 ･･･････････････ 14 ３．２．１ センサ端末の開発状況 ････････････････････････････････ 14 ３．２．２ 無線センサネットワーク技術の研究動向 ･･････・･････････ 18
（１）センサ ･･･････････････････････････････････････････････････ 18
（２）センサ端末・OS ････････････････････････････････････････････ 19
（３）無線通信ネットワーク ･････････････････････････････････････ 19
（４）応用システム ･････････････････････････････････････････････ 20 ３．３ 無線センサネットワーク技術の適用状況 ･････････････････････ 20 ３．４ 無線センサネットワーク技術適用上の課題と問題点 ･･･････････ 25
（１）センサ端末を構成する各種機能の向上 ･･･････････････････････ 25
（２）ネットワーク制御技術の向上 ･･･････････････････････････････ 26
（３）システム運用に関する課題 ･････････････････････････････････ 26
（４）アプリケーション連携・統合 ･･･････････････････････････････ 26
（５）セキュリティ・プライバシー ･･･････････････････････････････ 27
（６）対人間、対環境の安全性 ･･･････････････････････････････････ 27
４．実験用システムによる初期検証 ･･･････････････････････････････････ 28 ４．１ 実験用システムの概要 ･････････････････････････････････････ 28
（１）実験用システムの仕様 ･････････････････････････････････････ 28
（２）実験用システムの特徴 ･････････････････････････････････････ 30 ４．２ 実験用システムによる初期検討 ･････････････････････････････ 31
（１）実験項目１：ネットワーク構築機能 ･･････････････････････････ 31
（２）実験項目２：センシング機能 ････････････････････････････････ 32
（３）実験項目３：通信機能（センサ端末間の通信最大距離） ･････････ 35 ４．３ 無線センサネットワーク技術の
実利用を図る際の留意事項の整理 ････････････････････ 36
（１）センサ観測技術 ･･･････････････････････････････････････････ 37
（２）無線通信技術 ･････････････････････････････････････････････ 37
（３）センサ端末の位置測定技術 ･････････････････････････････････ 38
（４）最適配置決定技術 ･････････････････････････････････････････ 38
（５）時間同期技術 ･････････････････････････････････････････････ 39
（６）電源技術 ･････････････････････････････････････････････････ 39
５．無線センサネットワークの活用イメージ ･･･････････････････････････ 40 ５．１ 検討対象とする分野 ･･･････････････････････････････････････ 40 ５．２ 斜面の挙動監視・落石の検知システム ････････････････････････ 42
（１）既往の技術と無線センサネットワークを活用することの利点 ･･･ 42
（２）無線センサネットワークを利用した場合の処理手順 ･･･････････ 43
（３）期待される効果 ･･･････････････････････････････････････････ 43
（４）実用化に向けての検討課題 ･････････････････････････････････ 46
（５）活用イメージ ･････････････････････････････････････････････ 46 ５．３ 道路照明灯（道路灯）を利用した道路施設の維持・管理システム ･ 47
（１）既往の技術と無線センサネットワークを活用することの利点 ･･･ 47
（２）無線センサネットワークを利用した場合の処理手順 ･･･････････ 50
（３）期待される効果 ･･･････････････････････････････････････････ 50
（４）実用化に向けての検討課題 ･････････････････････････････････ 51
（５）活用イメージ ･････････････････････････････････････････････ 51 ５．４ 道路交通調査システム（交通量把握、駐車車両検知等） ･････････ 52
（１）既往の技術と無線センサネットワークを活用することの利点 ･･･ 52
（２）無線センサネットワークを利用した場合の処理手順 ･･･････････ 55
（３）期待される効果 ･･･････････････････････････････････････････ 55
（４）実用化に向けての検討課題 ･････････････････････････････････ 55
（５）活用イメージ ･････････････････････････････････････････････ 56 ５．５ 道路構造物の損傷・変状の検知システム ･･････････････････････ 57
（１）既往の技術と無線センサネットワークを活用することの利点 ･･･ 57
（２）無線センサネットワークを利用した場合の処理手順 ･･･････････ 60
（３）期待される効果 ･･･････････････････････････････････････････ 60
（４）実用化に向けての検討課題 ･････････････････････････････････ 60
（５）活用イメージ ･････････････････････････････････････････････ 61 ５．６ 災害時等における早期モニタリングシステム ･････････････････ 62
（１）既往の技術と無線センサネットワークを活用することの利点 ･･･ 62
（２）無線センサネットワークを利用した場合の処理手順 ･･･････････ 65
（３）期待される効果 ･･･････････････････････････････････････････ 65
（４）実用化に向けての検討課題 ･････････････････････････････････ 65
（５）活用イメージ ･････････････････････････････････････････････ 65
６． 「斜面挙動監視・落石の検知」を対象とした
無線センサネットワークシステムの検討 ････････････ 67 ６．１ プロトタイプシステムの概念構成 ･･･････････････････････････ 67 ６．２ プロトタイプシステムの仕様 ･･･････････････････････････････ 68
（１）センサ端末 ･･･････････････････････････････････････････････ 68
（２）センサ端末の管理・制御方法に関する検討 ････････････････････ 68
（３）収集したデータを一元的に管理するデータベースの検討 ･･･････ 70
（４）情報提供システムの検討 ･･･････････････････････････････････ 71 ６．３ プロトタイプシステム仕様の整理と実現可能性の評価 ･････････ 72 ６．５ まとめ ･･･････････････････････････････････････････････････ 75
７．おわりに ･･･････････････････････････････････････････････････････ 76
参考文献 ･･････････････････････････････････････････････････････････ 78
１ ． 研 究 の 背 景
高 速 で 大 容 量 の 移 動 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク の 整 備 と 丈 夫 で 安 価 な 小 型 情 報 端 末 の 普 及 に 伴 い 、 情 報 通 信 環 境 と そ の 利 用 形 態 は 「 一 人 が 一 台 の コ ン ピ ュ ー タ を 利 用 す る 」 と い っ た パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ の 時 代 か ら 「 複 数 人 が 何 時 で も 何 処 で も 複 数 の コ ン ピ ュ ー タ を 利 用 す る 」 時 代 へ と 変 化 し 始 め て い る 。
こ の よ う な 背 景 に は 、 「 あ り と あ ら ゆ る 場 所 に 情 報 通 信 機 能 を 搭 載 し た コ ン ピ ュ ー タ が 存 在 し 、ユ ー ザ は そ れ ら を 意 識 す る こ と な く 利 用 で き る 」と い っ た「 ユ ビ キ タ ス コ ン ピ ュ ー テ ィ ン グ 」 の 概 念 に 従 う 多 様 な ア プ リ ケ ー シ ョ ン の 開 発 が 大 き く 影 響 し て い る 。 未 だ 、 ユ ビ キ タ ス 関 連 技 術 は 実 験 的 な 範 疇 を 超 え て い な い も の も 多 い が 、 防 犯 、 防 災 、 物 流 、 施 設 管 理 、 医 療 ・ 福 祉 な ど の 多 分 野 に お い て 基 礎 的 ・ 先 導 的 な 研 究 開 発 と 産 業 化 を 視 野 に 入 れ た 研 究 開 発 が 積 極 的 に 進 め ら れ て お り 、 一 部 で は 実 用 化 が 始 ま っ て い る も の も 少 な く な い 。
そ の 中 で 、無 線
I Cタ グ 技 術 は 実 用 化 が 進 ん で い る ユ ビ キ タ ス 関 連 技 術 の 一 つ で あ り 、 流 通 ・ 服 飾 ・ 外 食 産 業 を 中 心 に 、 近 年 、 急 激 に 導 入 さ れ 始 め て い る 。 無 線
I Cタ グ 産 業 は 近 い 将 来 、数 十 兆 円 の 市 場 規 模 が 見 込 ま れ る と い っ た 予 測 結 果 も あ り 、 ユ ビ キ タ ス 関 連 技 術 の 進 歩 が 経 済 的 に も 社 会 的 に も 大 き な イ ン パ ク ト を 与 え 始 め て い る こ と が 伺 え る 。
一 方 、 ユ ビ キ タ ス 関 連 技 術 の 中 で も 実 世 界 の 広 域 デ ー タ 収 集 を 主 な 目 的 と し て 研 究 開 発 が 進 め ら れ て い る の が 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 で あ る 。 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 と は 、 通 信 機 能 、 演 算 処 理 機 能 、 セ ン シ ン グ 機 能 を 併 せ 持 つ 小 型 端 末 を 環 境 内 に 複 数 配 置 し て 、 温 度 、 光 、 音 、 加 速 度 、 磁 気 な ど の 物 理 量 デ ー タ を 広 域 に わ た り 時 系 列 で 収 集 す る 技 術 で あ る 。 こ こ で 用 い ら れ る コ イ ン サ イ ズ の 小 型 端 末 は
OS（
Ope ra t i ng Sy s te m） に よ り 稼 働 す る れ っ き と し た コ ン ピ ュ ー タ で あ り 、 こ の 端 末 は 周 辺 の 他 の 端 末 と 無 線 で 送 受 信 す る こ と に よ り 自 立 的 に 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク を 構 築 す る こ と が 可 能 で あ る 。 こ の ネ ッ ト ワ ー ク の こ と を 「 ア ド ホ ッ ク ・ ネ ッ ト ワ ー ク 」 と 呼 ぶ こ と が 多 い 。 端 末 で 収 集 さ れ た デ ー タ は 複 数 の 端 末 を 経 由 す る こ と で 基 地 局 に 集 め ら れ る こ と に な る 。 こ の よ う に 任 意 の 端 末 間 で 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク を 構 築 で き る 技 術 （ マ ル チ ホ ッ プ 通 信 技 術 ） を 持 つ ア ド ホ ッ ク タ イ プ の 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム （ ※
1） は 人 の 立 ち 入 り が 困 難 な 場 所 や 膨 大 な 量 の 観 測 タ ー ゲ ッ ト が 存 在 す る 場 所 、ま た 、 観 測 対 象 が 移 動 を 伴 う 場 合 な ど に お い て の 活 用 が 効 果 的 で あ る と 言 わ れ て い る 。
（ ※ １ ） 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム ： 本 研 究 で は 、 通 信 機 能 、 演 算 処 理 機 能 、 セ ン シ
ン グ 機 能 を 合 わ せ 持 つ 小 型 端 末 を 環 境 内 に 複 数 配 置 し 、端 末 間 で 自 立 的 に 構 築 さ れ る 無 線 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク を 介 し て 各 種 セ ン サ デ ー タ を 時 系 列 で 観 測 ・ 収 集 す る 技 術 の こ と を「 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 」 と 定 義 し て い る 。 ま た 、 種 々 の 課 題 解 決 へ 「 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 」を 適 用 し て い く た め に 構 成 さ れ る ハ ー ド ウ ェ ア と ソ フ ト ウ ェ ア の 集 合 の こ
現 在 、 防 犯 ・ 防 災 、 耕 作 地 管 理 、 自 然 環 境 モ ニ タ リ ン グ 、 移 動 体 監 視 、 軍 事 、 宇 宙 開 発 な ど の 多 分 野 に お い て 注 目 さ れ て い る 。
建 設 分 野 に お い て も 、 国 土 防 災 、 国 土 管 理 、 情 報 化 施 工 等 の 効 率 化 、 広 域 化 と コ ス ト 低 減 に 関 わ る 施 策 と 相 ま っ て 近 年 、 過 酷 な 作 業 環 境 で の 作 業 の 簡 素 化 や 簡 易 な セ ン シ ン グ 機 能 に よ る 作 業 の 効 率 化 、 安 全 確 保 の 面 に お い て 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 の 適 用 が 期 待 さ れ て い る 。 複 雑 な 配 線 を 敷 設 す る 必 要 が 無 く セ ン サ 端 末 を 比 較 的 容 易 に 設 置 で き る 特 徴 を 生 か し 、 斜 面 や 河 川 周 辺 に 多 数 の セ ン サ 端 末 を 設 置 し て 土 砂 崩 れ や 洪 水 、 火 山 噴 火 な ど の 予 兆 を 事 前 に 検 知 す る 手 段 と し て 、 あ る い は 、 地 震 や 台 風 、 洪 水 な ど の 災 害 発 生 時 の 正 確 な 被 災 状 況 を 迅 速 に 把 握 す る 手 段 と し て 期 待 で き る 。
ま た 、 生 体 反 応 を 感 知 す る セ ン サ を 利 用 し て 人 命 救 助 、 ガ ス 爆 発 や 火 事 、 建 物 倒 壊 と い っ た 二 次 災 害 を 防 止 す る 手 段 と し て の 応 用 も 期 待 で き る 。 そ の 他 に も 、 橋 梁 ・ 道 路 ・ ト ン ネ ル ・ ダ ム ・ 鉄 塔 等 の 構 造 物 の 管 理 ・ メ ン テ ナ ン ス の 効 率 化 、 工 事 車 両 等 の 移 動 体 の 自 動 運 転 、 都 市 熱 環 境 モ ニ タ リ ン グ な ど 今 後 の 発 展 が 期 待 で き る 項 目 が 数 多 く 挙 げ ら れ て い る 。
し か し な が ら 現 段 階 で は セ ン サ 端 末 や 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム 独 自 の 通 信 プ ロ ト コ ル 、 セ ン シ ン グ さ れ た デ ー タ の 処 理 技 術 に 関 す る 研 究 開 発 が 多 方 面 で 進 め ら れ て い る も の の 、 他 の 多 く の ユ ビ キ タ ス 関 連 技 術 と 同 様 に 実 用 化 に 向 け て 克 服 し な け れ ば な ら な い 共 通 の 課 題 が 多 い 。 特 に 「 セ ン サ 端 末 の 電 源 管 理 」 は 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の ス ペ ッ ク と 寿 命 を 決 定 す る 最 優 先 事 項 で あ り 、 ハ ー ド ウ ェ ア 、 ソ フ ト ウ ェ ア と も に 省 電 力 化 を キ ー ワ ー ド と し た 研 究 開 発 が 多 数 進 め ら れ て い る 。 通 信 プ ロ ト コ ル の 標 準 化 と い っ た 観 点 か ら は
「 端 末 の 測 位 」、「 各 端 末 間 の 時 刻 同 期 」 が 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 を 適 用 す る 上 で 無 視 で き な い 問 題 と な っ て い る 。
ま た 、セ ン サ 端 末 を 配 置 す る 環 境 に よ っ て も 新 た な 問 題 が 発 生 す る 。例 え ば 、 建 設 分 野 で 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム を 活 用 し て い こ う と す る 場 合 に は 以 下 の 点 を 考 慮 す る 必 要 が あ る 。
① 気 象 条 件 な ど 、 劣 悪 な 環 境 で シ ス テ ム を 維 持 し て い か な け れ ば な ら な い 。
② 既 存 の 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク が 殆 ど 利 用 さ れ て い な い 環 境 で シ ス テ ム を 構 築 し な け れ ば な ら な い 。
③ シ ス テ ム の 適 用 範 囲 が 物 理 的 、 用 途 的 に 広 く 、 広 域 を 賄 う た め に 新 た な 技 術 の 開 発 が 必 要 に な る 。
こ の よ う な 点 は 建 設 分 野 に お い て ユ ビ キ タ ス 関 連 技 術 の 適 用 を 阻 害 し て い る
要 因 の 一 つ と も 考 え ら れ 、 今 後 、 独 自 の 技 術 の 確 立 が 求 め ら れ て い る 点 で あ る
と 言 え る 。 本 研 究 開 発 の 発 想 も こ こ に あ る 。
２ ． 本 研 究 開 発 の 目 的 と 範 囲
２ ． １ 本 研 究 開 発 の 目 的
建 設 分 野 に お け る 広 域 で か つ 簡 易 な デ ー タ 収 集 シ ス テ ム と し て 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 活 用 が 期 待 さ れ て い る の は 前 述 の 通 り で あ る 。 し か し な が ら 、 現 段 階 で は ニ ー ズ が 先 行 し た 状 況 に あ り 、 具 体 的 な シ ス テ ム 開 発 に 向 け て 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 を 適 用 し た 実 験 事 例 は 多 く な い 。
こ の よ う な 背 景 に は 、セ ン サ 端 末 の 電 源 管 理 の 問 題 や 端 末 の 測 位 、時 刻 同 期 、 通 信 プ ロ ト コ ル の 開 発 と い っ た 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 の 基 礎 的 な 課 題 が 解 決 さ れ て い な い こ と が 挙 げ ら れ る と と も に 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 の 適 用 方 法 を 考 慮 し て ハ ー ド ウ ェ ア 、 ソ フ ト ウ ェ ア に 要 求 さ れ る 仕 様 を 整 理 す る こ と や 既 存 の シ ス テ ム と の 融 合 利 用 方 法 に 関 す る 検 討 が 実 施 さ れ て い な い こ と も 原 因 の 一 つ と 考 え ら れ る 。 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 の 現 状 を 分 析 ・ 把 握 す る と と も に 、 実 現 し た い シ ス テ ム の 仕 様 と そ の 利 用 形 態 を 明 確 に し て 、 現 状 の 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 で ど こ ま で 実 現 可 能 で あ る か 、 ま た 、 ボ ト ル ネ ッ ク と な っ て い る 箇 所 （ 問 題 点 ） は 何 か を 明 確 に す る こ と が 不 可 欠 で あ る と 言 え る 。
そ こ で 本 研 究 開 発 で は 、 建 設 分 野 に お け る 利 用 目 的 別 に 見 た 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム に よ る デ ー タ の 収 集・管 理・提 供 の あ り 方 を 検 討 す る た め に 、 以 下 の
3点 の 目 的 を 設 定 し て 研 究 開 発 を 進 め た 。
① 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 を 取 り 巻 く 現 状 に つ い て セ ン サ 端 末 や 関 連 シ ス テ ム の 研 究 ・ 開 発 動 向 を 調 査 す る 。 ま た 、 野 外 で の 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 利 用 を 想 定 し て 市 販 の 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 稼 働 試 験 を 実 施 し 、 セ ン シ ン グ 機 能 、 通 信 機 能 の 現 状 を 把 握 す る 。 さ ら に 上 述 の 2 点 の 調 査 ・ 検 討 結 果 を 考 慮 し て 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 実 利 用 を 進 め る 上 で の 課 題 を ハ ー ド ウ ェ ア 、 ソ フ ト ウ ェ ア 両 面 か ら 整 理 す る 。
② ① の 結 果 を 考 慮 し て 、 建 設 分 野 を タ ー ゲ ッ ト と と し た 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 具 体 的 な 活 用 イ メ ー ジ を 提 案 し 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 を 適 用 す る こ と の 意 義 を 整 理 す る 。 ま た 、 現 状 の 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 で も 実 現 可 能 な 範 囲 と 課 題 解 決 が 必 要 に な る 範 囲 を 区 分 し て シ ス テ ム の 要 求 仕 様 を 整 理 す る 。
③ さ ら に 、 活 用 イ メ ー ジ と し て 提 案 し た 項 目 の 一 つ で あ る 「 斜 面 の 挙 動 監 視 ・
落 石 検 知 シ ス テ ム 」 に 着 目 し て 、 セ ン サ 端 末 の 管 理 方 法 、 収 集 し た デ ー タ の
蓄 積 ・ 管 理 方 法 、 デ ー タ の 表 示 ・ 提 供 方 法 を 検 討 し て 、 シ ス テ ム 化 す る 際 の
デ ー タ 収 集 ・ 管 理 に 求 め ら れ る 仕 様 を 明 確 に す る 。
２ ． ２ 本 研 究 開 発 の 範 囲
（ １ ） 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 を 取 り 巻 く 研 究 開 発 分 野
図
- 2 . 1で 示 す よ う に 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 に 関 す る 研 究 開 発 は 「 セ ン サ 端 末 に 関 す る 研 究 開 発 」、「 通 信 プ ロ ト コ ル に 関 す る 研 究 開 発 」、「 セ ン サ デ ー タ 情 報 処 理 に 関 す る 研 究 開 発 」、「 応 用 シ ス テ ム に 関 す る 研 究 開 発 」 の 4 つ セ ク シ ョ ン に 大 き く 分 類 す る こ と が で き る 。 各 セ ク シ ョ ン が 独 立 し た 研 究 開 発 分 野 と し て 成 り 立 つ も の で は な く 、 分 野 横 断 的 な 研 究 開 発 が 不 可 欠 で あ る こ と は 言 う ま で も な い 。 此 処 で は 既 往 の 研 究 開 発 動 向 を 整 理 す る 意 味 で 、 各 研 究 開 発 の 傾 向 か ら 4 つ セ ク シ ョ ン に 分 類 し た 。
ａ ） セ ン サ 端 末 に 関 す る 研 究 開 発
主 に セ ン シ ン グ 機 能 の 強 化 や 通 信 距 離 ・ 容 量 の 拡 大 、 セ ン サ 端 末 の 省 電 力 化 に 向 け た ハ ー ド ウ ェ ア の 開 発 が 中 心 と な っ て い る 。 利 用 目 的 を 明 確 に し て セ ン サ 端 末 の 仕 様 を 限 定 し て い る 研 究 開 発 と 様 々 な ア プ リ ケ ー シ ョ ン 開 発 に 応 用 で き る よ う に 汎 用 的 な セ ン サ 端 末 の 開 発 を 目 指 し て い る も の に 二 分 さ れ て い る 傾 向 が あ る 。
ｂ ） 通 信 プ ロ ト コ ル に 関 す る 研 究 開 発
ネ ッ ト ワ ー ク の 省 電 力 化 を 目 的 に 、 イ ン タ ー ネ ッ ト な ど で 利 用 さ れ て い る 既 存 の 通 信 プ ロ ト コ ル と は 異 な る 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム 独 自 の プ ロ ト コ ル の 構 築 を 目 指 す 傾 向 に あ る 。 現 段 階 で は 通 信 プ ロ ト コ ル の 標 準 化 ま で に は 至 っ て い な い 。
・センサ ・マイクロプロセッサ
・通信モジュール（無線）・端末のケーシング
・電源（バッテリー） ・OS（省電力）
センサ端末に関する研究開発
・端末間の時刻同期 ・端末の測位
・トポロジ制御 ・ネットワーク制御
・データ輻輳制御 ・通信の信頼性 通信プロトコルに関する研究開発
・制御プログラム ・イベント処理機能
・フラッディング管理 ・データベース
・スケジュール管理 ・インターフェイス センサデータ情報処理に関する研究開発
・システム運用形態 ・セキュリティ,プライバシー
・データ品質管理 ・データ提供（ネットワーク）
・既存ネットワークシステムとの融合 ・コスト 応用システムに関する研究開発
図 - 2 . 1 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 を 取 り 巻 く 研 究 開 発 分 野
マ ル チ ・ ホ ッ プ 通 信 技 術 を 基 準 に ト ポ ロ ジ ー 制 御 、 ネ ッ ト ワ ー ク 制 御 の 効 率 化 を 目 指 し た プ ロ ト コ ル （ 主 に ネ ッ ト ワ ー ク 層 、 ト ラ ン ス ポ ー ト 層 ） に 関 す る 概 念 が 多 数 提 案 さ れ て き て い る 。 セ ン サ 端 末 の 電 源 管 理 を 第 一 に 考 え て い る た め 、 ネ ッ ト ワ ー ク の 利 用 形 態 に よ っ て 提 案 さ れ る プ ロ ト コ ル の 仕 様 が 異 な っ て い る 。 ネ ッ ト ワ ー ク の 省 電 力 化 を 目 指 す が ゆ え に 汎 用 的 な 通 信 プ ロ ト コ ル の 構 築 が 進 ま な い 傾 向 に あ る と 言 え る 。
ｃ ） セ ン サ デ ー タ 情 報 処 理 に 関 す る 研 究 開 発
セ ン サ 端 末 の イ ベ ン ト 処 理 、 ス ケ ジ ュ ー ル 管 理 な ど と い っ た 端 末 制 御 と プ ロ グ ラ ミ ン グ に 関 す る 研 究 が 進 め ら れ て い る 。 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 管 理・制 御 に 関 す る 基 本 ソ フ ト ウ ェ ア の 開 発 が 含 ま れ て お り 、 「 セ ン サ 端 末 に 関 す る 研 究 開 発 」 や 「 通 信 プ ロ ト コ ル に 関 す る 研 究 開 発 」 と 連 携 し た 研 究 事 例 が 多 い 。
ｄ ） 応 用 シ ス テ ム に 関 す る 研 究 開 発
防 犯 ・ 防 災 、 耕 作 地 管 理 、 自 然 環 境 モ ニ タ リ ン グ 、 移 動 体 監 視 、 軍 事 、 宇 宙 開 発 な ど 多 様 な 分 野 に お け る 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 の 適 用 方 法 や シ ス テ ム の 利 用 形 態 を 提 案 し て い る 事 例 が 多 い 。 利 用 形 態 を 明 確 に し て 、 独 自 の セ ン サ 端 末 の 開 発 や 通 信 プ ロ ト コ ル の 開 発 を 進 め て い る 事 例 も 目 立 つ 。無 線
I Cタ グ の よ う に 、 あ る 程 度 規 格 化 さ れ た ハ ー ド ウ ェ ア を ど の よ う に 活 用 し て い く か と い っ た 実 利 用 を 想 定 し た 研 究 ア プ ロ ー チ は 比 較 的 少 な く 、独 自 の ハ ー ド ウ ェ ア 、 ソ フ ト ウ ェ ア を 開 発 し て い る ア プ ロ ー チ が 多 い 傾 向 に あ る 。 こ れ は 、 現 状 に お い て セ ン サ 端 末 が 開 発 段 階 で あ り 一 般 ユ ー ザ が 購 入 す る こ と が 困 難 で あ る こ と や 、 電 源 管 理 の 問 題 に よ り ハ ー ド ウ ェ ア の 汎 用 化 を 抑 制 し て い る こ と な ど が 原 因 と 考 え ら れ る 。 今 ま で の 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 の 応 用 シ ス テ ム に 関 す る 研 究 開 発 は セ ン サ 端 末 の 開 発 ま で を 含 め た 研 究 ア プ ロ ー チ が 求 め ら れ て き た と 言 え る 。 し か し な が ら 、 近 年 で は 「
M O T E / M I C A（ ※2）」 シ リ ー ズ に 代 表 さ れ る よ う に 基 本 的 な セ ン シ ン グ 機 能 や マ ル チ ・ ホ ッ プ 通 信 機 能 を 装 備 し た 汎 用 的 な 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム が 市 販 さ れ 始 め て お り 、 応 用 シ ス テ ム に 関 す る 研 究 開 発 を 進 め る 際 の 垣 根 が 低 く な っ て き た と 言 え る 。
（ ２ ） 既 往 の 研 究 開 発 分 野 に お け る 本 研 究 開 発 の 範 囲
図
- 2 . 2に 本 研 究 開 発 の 範 囲 を 示 す 。 本 研 究 開 発 は 建 設 分 野 に お け る 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 利 用 形 態 の 提 案 と セ ン サ デ ー タ の 蓄 積 ・ 管 理 ・ 提 供 方 法 に 関 し て 検 討 す る も の で あ る 。
（ ※2）M O T E / M I C A：U . C . B e r k e l e y で 行 わ れ て い る 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 に 関 す る 研 究 の プ ロ ジ ェ ク ト で あ る S M A R T D U S T の 成 果 を 実 用 化 し た 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で あ る 。無 線 通 信 環 境 を 常 時 自 動 的 に 察 知 し て 自 律 的 に ネ ッ ト ワ ー ク を 構 成 す る よ う な ア ド ホ ッ ク 無 線 ネ ッ ト ワ ー ク 機 能 を 持 っ て い る た め 、端 末 を 適 当 に 配 置 す る だ け で 自 動 的 に 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク を 構 成 す る こ と が 可 能 で あ る 。
上 述 の 研 究 開 発 分 野 か ら 見 る と 、 「 応 用 シ ス テ ム に 関 す る 研 究 開 発 」に 比 重 を 置 い た も の に な る 。 具 体 的 に は 、 「 斜 面 の 挙 動 監 視 ・ 落 石 検 知 シ ス テ ム 」 や 「 道 路 交 通 調 査 シ ス テ ム 」、「 災 害 時 に お け る 早 期 モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム 」 な ど と い っ た 具 体 的 な 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 活 用 イ メ ー ジ を 作 成 し て 、 こ れ ら を 実 現 さ せ る た め の 課 題 を 明 確 に す る こ と を 第 一 の 目 的 と し て い る 。
こ の た め 、 既 往 の 研 究 事 例 や 国 内 外 の 大 学 ・ 研 究 機 関 ・ 企 業 に お け る ハ ー ド ウ ェ ア 、 ソ フ ト ウ ェ ア 開 発 状 況 を 調 査 す る と と も に 、 現 在 、 最 も 研 究 開 発 が 進 ん で い る と 言 わ れ て い る 市 販 の 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で あ る
「
M O T E / M O C A」 シ リ ー ズ を 稼 働 試 験 用 に 利 用 し て 、 セ ン サ 感 度 や 無 線 通 信 距 離 、 デ ー タ サ ン プ リ ン グ 周 期 な ど を 実 測 し 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 の 現 状 を 把 握 す る も の で あ る 。 な お 、 独 自 の セ ン サ 端 末 の 開 発 や 通 信 プ ロ ト コ ル の 提 案 は 本 研 究 開 発 の 範 囲 に 含 め ず 次 年 度 以 降 の 課 題 と す る 。
ま た 、
G I S（
G e o g r a p h i c a l I n f o r m a t i o n S y s t e m） に お け る セ ン サ デ ー タ の 活 用も 含 め 、 以 下 の 点 に 着 目 し て セ ン サ 端 末 で 収 集 し た デ ー タ の 管 理 ・ 提 供 方 法 に つ い て の 検 討 を 進 め る 。
① ネ ッ ト ワ ー ク 端 末 の 管 理 ・ 制 御 方 法
② 収 集 し た セ ン シ ン グ デ ー タ を 一 元 的 に 管 理 す る デ ー タ ベ ー ス
③ 収 集 し た セ ン シ ン グ デ ー タ を 属 性 情 報 と 連 携 さ せ て 表 示 す る 情 報 提 供 方 法 上 記 の 検 討 内 容 を 考 慮 し て 、 「 斜 面 の 挙 動 監 視 ・ 落 石 検 知 」を 目 的 に 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 実 利 用 を 図 る 際 の シ ス テ ム 仕 様 を 明 確 に す る 。な お 、 本 年 度 の 研 究 開 発 で は 、 シ ス テ ム の 全 体 構 成 を 取 り ま と め て 、 そ の 実 現 可 能 性 と シ ス テ ム の 妥 当 性 を 評 価 す る ま で に 留 め 、 具 体 的 な シ ス テ ム の 構 築 お よ び 稼 働 試 験 に つ い て は 次 年 度 に 対 応 す る こ と と す る 。
センサ 通信機能
演算処理機能
ゲートウェイ
既存ネットワーク
（インターネット等）
電源
センサ端末 無線センサネットワーク制御 ネットワークシステム運用（※本研究範囲）
センサ端末の管理・制御方法 センサデータの蓄積・管理（データベース）
情報提供システム 既存技術の利用
無線センサネットワーク技術の応用システム（活用イメージの作成）※本研究範囲 要求仕様の明確化
センサ 通信機能
演算処理機能
ゲートウェイ
既存ネットワーク
（インターネット等）
電源
センサ端末 無線センサネットワーク制御 ネットワークシステム運用（※本研究範囲）
センサ端末の管理・制御方法 センサデータの蓄積・管理（データベース）
情報提供システム 既存技術の利用
無線センサネットワーク技術の応用システム（活用イメージの作成）※本研究範囲 要求仕様の明確化
図 - 2 . 2 本 研 究 開 発 の 範 囲
３ ． 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 に 関 す る 動 向 調 査
３ ． １ 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 概 要
３ ． １ ． １ 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 発 展 経 緯
無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 端 末 （ 以 下 、 セ ン サ 端 末 ） の 開 発 は 米 国 国 防 省 高 等 研 究 計 画 局 （
D A R R A：
D e f e n s e A d v a n c e d R e s e a r c h P r o j e c t A g e n c y） の マ イ ク ロ 電 子 機 械 シ ス テ ム （
M E M S：
M i c r o E l e c t r o M e c h a n i c a l S y s t e m） 関 連 の 研 究 プ ロジ ェ ク ト で 提 案 さ れ た 「 ス マ ー ト ダ ス ト （
S m a r t D u s t）」 が 最 初 の 取 り 組 み だ と言 わ れ て い る 。 当 初 、 ス マ ー ト ダ ス ト の ア プ リ ケ ー シ ョ ン は 戦 場 に お け る 状 況 把 握 な ど の 軍 事 的 な 利 用 の 趣 向 が 強 い も の だ っ た 。 ス マ ー ト ダ ス ト は 体 積
1 . 5 m m3以 下 の サ イ ズ で 、 演 算 処 理 機 能 、 セ ン シ ン グ 機 能 、 通 信 機 能 お よ び 電 源 を 搭 載 し た 超 小 型 セ ン サ 端 末 を 開 発 し よ う と す る も の で あ っ た が 、 こ の よ う な 条 件 を ク リ ア ー で き る デ ィ バ イ ス の 完 成 ま で に は 至 ら な か っ た 。し か し な が ら 、 こ の プ ロ ジ ェ ク ト に お い て 、 膨 大 な 数 の セ ン サ 端 末 を 空 間 に 分 散 配 置 し て 利 用 す る と い っ た 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 基 本 ス タ イ ル が 確 立 さ れ た 。 ス マ ー ト ダ ス ト の 研 究 チ ー ム は よ り 実 現 的 な 観 点 か ら 既 存 の 部 品 を 活 用 す る
「
C O T Sダ ス ト （
C O T S D u s t）」 の 開 発 を 開 始 し た 。
C O T Sと は
C o m m e r c i a l O f f - t h e - S h e l fの 略 で 「 市 販 さ れ て い る 部 品 を 組 み 上 げ ら れ た も の 」 と い っ た 意 味 を 持 つ 。
C O T Sダ ス ト の 研 究 で は 、 コ イ ン 大 の 大 き さ で バ ッ テ リ ー 駆 動 す る デ ィ バ イ ス の 開 発 が 進 め ら れ た 。 ス マ ー ト ダ ス ト と 同 様 に
C O T Sダ ス ト に お い て も 、 超 小 型 無 人 機 （
M AV：
M i c r o A i r Ve h i c l e） に 搭 載 し て 戦 場 の 状 況 を 調 査 す る な ど と い っ た 軍 事 的 な 利 用 を 対 象 と し て 研 究 が 進 め ら れ た 背 景 が あ る 。
そ の 後 、
C O T Sダ ス ト は
D A R PAの
N E S T（
N e t w o r k E m b e d d e d S o f t w a r e Te c h n o l o g y） プ ロ ジ ェ ク ト と し て 採 択 さ れ 、 ハ ー ド ウ ェ ア の 改 良 や ハ ー ド ウ ェ ア 上 で 動 作 す る 各 種 の ソ フ ト ウ ェ ア の 開 発 が 進 め ら れ「
M O T E / M I C A」と し て 一般 に 市 販 さ れ る ま で に 至 っ て い る 。
今 日 で は 、 複 数 の 大 学 や 民 間 企 業 に お い て タ イ プ の 異 な る 様 々 な セ ン サ 端 末 が 開 発 さ れ て き て い る 。 セ ン サ 端 末 の バ ッ テ リ ー の 寿 命 を 延 長 さ せ る 方 法 や 各 端 末 に お け る セ ン シ ン グ の 同 期 を と る 方 法 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム 自 体 の 信 頼 性 、 堅 牢 性 、 リ ア ル タ イ ム 性 を 確 保 す る 方 法 な ど 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 を 適 用 し た ア プ リ ケ ー シ ョ ン の 利 用 目 的 や 適 用 範 囲 を 考 慮 す る 形 で 独 自 の 商 品 化 が 進 む 傾 向 に あ る 。 な お 、
3 . 2節 で は 、 欧 米 や 我 が 国 に お け る 代 表 的 な セ ン サ 端 末 に つ い て 整 理 し て い る 。
３ ． １ ． ２ 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 基 本 構 成
無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム と は 、 マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ を 搭 載 し た 小 型
の セ ン サ 端 末 を 空 間 内 に 配 置 し て 、 各 デ ィ バ イ ス で 観 測 さ れ た セ ン サ デ ー タ を デ ィ バ イ ス 間 で 無 線 中 継 す る こ と に よ り 一 元 的 に 収 集 で き る ネ ッ ト ワ ー ク で あ る 。 特 に 「 ア ド ホ ッ ク タ イ プ 」 の 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム は 、 各 デ ィ バ イ ス が そ の 設 置 環 境 や 他 の デ ィ バ イ ス と の 位 置 関 係 か ら 適 時 、 デ ー タ を 経 由 さ せ る デ ィ バ イ ス を 自 動 的 に 選 択 し 通 信 経 路 を 構 築 す る 「 自 己 編 成 機 能 」 を 持 つ 特 徴 が あ る 。 ア ド ホ ッ ク 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム は デ ー タ の 中 継 に 基 地 局 や ア ク セ ス ポ イ ン ト を 必 要 と し な い た め 、 ネ ッ ト ワ ー ク 構 成 を 吟 味 す る 必 要 が 無 く 野 外 で も 迅 速 に 情 報 収 集 ネ ッ ト ワ ー ク を 構 築 す る こ と が で き る 。 な お 、こ れ ら セ ン サ や 小 型 通 信 デ ィ バ イ ス 、マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ の 製 造 に は
M E M S（
M i c r o E l e c t r o M e c h a n i c a l S y s t e m s）に 代 表 さ れ る 高 集 積 度 の 電 子 工 学 技 術 が 不 可 欠 と な る 。
収 集 さ れ た セ ン サ デ ー タ は ゲ ー ト ウ ェ イ を 介 し て 一 元 化 さ れ 、 既 存 の ネ ッ ト ワ ー ク （ イ ン タ ー ネ ッ ト や 衛 星 通 信 な ど ） を 介 し て サ ー バ も し く は パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ に 蓄 積 さ れ 利 用 目 的 に 応 じ て 計 算 処 理 を 実 施 し て 重 要 な 決 定 を 下 す た め の 情 報 を 作 成 す る こ と に な る 。
図
- 3 . 1は 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 基 本 構 成 と 一 般 的 な デ ー タ の 流 れ を 示 し て い る 。以 下 、こ の デ ー タ の 流 れ に 従 い 、 「 セ ン サ 端 末 の 構 成 」、 「 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 制 御 方 式 」 に つ い て 取 り ま と め る 。
（ １ ） セ ン サ 端 末 の 構 成
一 般 に セ ン サ 端 末 は「 無 線 通 信 部（ ア ン テ ナ を 含 む ）」、 「 制 御 部（ プ ロ セ ッ サ ）」、
「 セ ン サ 部 」 お よ び 「 電 源 部 」 の
4つ の 要 素 で 構 成 さ れ る 。 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク は 多 く の 場 合 、 多 数 の 端 末 を 自 然 環 境 な ど 比 較 的 広 範 囲 な 環 境 に 分 散 配 置 し て 利 用 す る こ と が 想 定 さ れ る た め 、 端 末 の 電 源 を 頻 繁 に 交 換 す る こ と は 困 難 で あ る 。 こ の た め 、 低 消 費 電 力 な セ ン サ 、 無 線 通 信 モ ジ ュ ー ル 、 プ ロ セ ッ サ が 好 ま れ る 。 ま た 、 端 末 の 設 置 を 容 易 に す る こ と や 端 末 の 設 置 に 伴 う 観 測 対 象 環 境 へ の 影 響 を 低 減 す る た め に 、 端 末 の 小 型 化 、 軽 量 化 が 必 須 と 言 え る 。
ゲートウェイ センサーデータ収集 処理・蓄積端末（DB）
・無線ＬＡＮ
・インターネット
・衛星通信 など 現実世界の現象や状態
（音・光などの物理量データ）
アドホック無線ネットワーク方式 センサ 無線通信
プロセッサ（制御）
電源 既存ネットワーク
ゲートウェイ センサーデータ収集 処理・蓄積端末（DB）
・無線ＬＡＮ
・インターネット
・衛星通信 など 現実世界の現象や状態
（音・光などの物理量データ）
アドホック無線ネットワーク方式 センサ 無線通信
プロセッサ（制御）
電源 センサ 無線通信
プロセッサ（制御）
電源 既存ネットワーク
図 - 3 . 1 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 基 本 構 成 と デ ー タ の 流 れ
a ） 無 線 通 信 部
無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で 利 用 さ れ る 代 表 的 な 低 消 費 電 力 型
W PA N（
Wi r e l e s s P e r s o n a l A r e a N e t w o r k）を 表
- 3 . 1に 整 理 す る 。現 在 の セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 用 端 末 に 用 い ら れ て い る 、
W PA Nの 多 く は 、 通 信 速 度 が 数 十
k b p s〜 百 数 十
k b p s程 度 で 、数
m〜 数 百 ｍ 程 度 の 通 信 距 離 が 確 保 で き る 微 弱 あ る い は 特 定 省 電 力 無 線 で 構 成 さ れ る 。ま た 、ほ と ん ど の 無 線 モ ジ ュ ー ル に は ス リ ー プ モ ー ド（ 待 機 モ ー ド ） を 持 っ て お り 、 シ ス テ ム の 消 費 電 力 を 抑 え る 用 途 に 使 用 さ れ る 。 以 下 、 表 ‐
3 . 1に 整 理 さ れ て い る
W PA Nの 特 徴 を 列 挙 す る 。
① 微 弱 無 線
微 弱 無 線 と は 電 波 法 に 規 定 さ れ て い る 許 容 値 を 守 れ ば 、い つ で も 、ど こ で も 、 誰 が 使 っ て も 構 わ な い 無 線 で あ る 。 国 内 で 使 用 で き る 微 弱 無 線 は
3 2 2 M H zを 境 に 厳 し く 制 限 さ れ て い る 。市 販 の 微 弱 無 線 は
3 0 0 M H z付 近 に 集 中 し て い る 。
② 特 定 小 電 力 無 線
チ ャ ン ネ ル の 選 択 が
2 0チ ャ ン ネ ル 、ト ー ン 信 号 や デ ジ タ ル ・ コ ー ド ・ ス ケ ル チ な ど で 細 か く グ ル ー プ 別 け が で き る 特 徴 が あ る 。 同 時 通 話 タ イ プ 、 ト ラ ン シ ー バ ー タ イ プ 、 中 継 機 兼 用 型 な ど 用 途 に よ っ て さ ま ざ ま な タ イ プ が あ る 。 免 許 ・ 資 格 が 不 要 で あ る 。
③
Z i g b e eデ ー タ 転 送 速 度 は 最 高
2 5 0 k b p sで 、 最 大 伝 送 距 離 は
3 0 m、 一 つ の ネ ッ ト ワ ー ク に 最 大 で
2 5 5台 の 機 器 を 接 続 で き る 。 ア ル カ リ 単
3乾 電 池
2本 で 約
2年 駆 動 す る と い う 低 消 費 電 力 が 最 大 の 特 徴 で 、 転 送 速 度 が 遅 く て も か ま わ な い 家 電 等 の 遠 隔 制 御 な ど に 応 用 さ れ る 見 通 し と な っ て い る 。
表 - 3 . 1 低 消 費 電 力 型 W P A N （ W i r e l e s s P e r s o n a l A r e a N e t w o r k ） の 比 較
方 式 名 称 微 弱 無 線 特 定 小 電 力 無 線
Z i g B e e B l u e t o o t h U W B
規 格 独 自 独 自
I E E E 8 0 2 . 1 5 . 4 I E E E 8 0 2 . 1 5 . 1 I E E E 8 0 2 . 1 5 . 3 a伝 送 速 度
（
b p s）
2 K 2 . 4 K 2 5 0 K 1 M 4 8 0 M
利 用 周 波 数 帯 域
3 0 7 . 7 4 M H z 3 1 6 . 7 4 M H z
4 2 9 M H z 2 . 4 G H z 8 6 8 M H z 9 1 5 M H z
2 . 4 G H z 3 . 1 G H z
〜
1 0 . 6 G H z伝 送 距 離
3 0 m 3 0 m〜
3 0 0 m 1 0 m〜
7 5 m 1 0 m〜
1 0 0 m 1 0 m（
11 0 M b p s）
4 m（2 0 0 M b p s
） 消 費 電 力
（ 通 信
/待 機 ）
6 6 m W / 3 . 3 m W
5 0 m W / 0 . 3 m W
＜
6 0 m W（ 通 信 ）
1 2 0 m W / 4 . 2 m W
＜
1 0 0 m W（ 通 信 ）
製 品 化 済 済 サ ン プ ル 済 未
物 理 層 の イ ン タ ー フ ェ ー ス に は
I E E E 8 0 2 . 1 5 . 4が 使 わ れ 、 無 線
L A N規 格 の
I E E E 8 0 2 . 11 bと 同 じ
2 . 4 G H z帯 の 周 波 数 帯 域 を
1 6の チ ャ ン ネ ル に 分 割 し て 利 用 す る 。 ア メ リ カ で は
9 1 5 M H z帯 が 、 ヨ ー ロ ッ パ で は
8 6 8 M H zが 利 用 可 能 で あ る 。 か つ て 家 電 向 け の 無 線 通 信 規 格 と し て 推 進 さ れ て い た 「
H o m e R F」 の 技 術 を 転 用 し 、「
H o m e R F L i t e」 と し て 知 ら れ て い た プ ロ ト コ ル で 通 信 す る 。
④
B l u e t o o t h携 帯 情 報 機 器 向 け の 無 線 通 信 技 術 で あ る 。 ノ ー ト パ ソ コ ン や
P D A、 携 帯 電 話 な ど を ケ ー ブ ル を 使 わ ず に 接 続 し 、 音 声 や デ ー タ を や り と り す る こ と が で き る 。
B l u e t o o t hは 免 許 な し で 自 由 に 使 う こ と の で き る
2 . 4 5 G H z帯 の 電 波 を 利 用 し 、
1 M b p sの 速 度 で 通 信 を 行 う こ と が で き る 。
B l u e t o o t hは 機 器 間 の 距 離 が
1 0 m以 内 で あ れ ば 障 害 物 が あ っ て も 利 用 す る こ と が で き る 。
⑤
U W B（
U l t r a Wi d e B a n d）
デ ー タ を
1 G H z程 度 の 極 め て 広 い 周 波 数 帯 に 拡 散 し て 送 受 信 が 可 能 で あ る 。 そ れ ぞ れ の 周 波 数 帯 に 送 信 さ れ る デ ー タ は ノ イ ズ 程 度 の 強 さ し か な い た め 、 同 じ 周 波 数 帯 を 使 う 無 線 機 器 と 混 信 す る こ と が な く 、 消 費 電 力 も 少 な い 。 位 置 測 定 、 レ ー ダ ー 、 無 線 通 信 の
3つ の 機 能 を 合 わ せ 持 っ て お り 、 極 め て 独 特 な 無 線 応 用 技 術 と 言 え る 。
ｂ ） 制 御 部 （ プ ロ セ ッ サ ）
無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム に 用 い ら れ る マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ は 、 パ ソ コ ン 用 の 汎 用 マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ に 比 べ て 処 理 能 力 が 低 く 、 処 理 機 能 も 限 定 的 で あ る 。一 般 的 に 、8 ビ ッ ト あ る い は
1 6ビ ッ ト 程 度 の 処 理 能 力 で 、数
M H z〜 数
十
M H z程 度 の 動 作 周 波 数 の 組 み 込 み 用 マ イ コ ン が 利 用 さ れ る 。無 線 セ ン サ ネ ッ
ト ワ ー ク シ ス テ ム 用 の マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ の 特 徴 を 以 下 に 列 挙 す る 。
① プ ロ セ ッ サ は セ ン サ か ら デ ー タ を 取 得 す る こ と と 、 そ の デ ー タ を 目 的 地 に 送 り 届 け る た め の 通 信 制 御 が 主 な 仕 事 で あ り 、 高 い 処 理 能 力 を 必 要 と し な い 。
② 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で は 、 多 く の セ ン サ 端 末 を 使 用 し て シ ス テ ム を 構 築 す る た め 、 プ ロ セ ッ サ の 開 発 ・ 製 造 を 低 コ ス ト に す る 必 要 が あ る 。
③ 消 費 電 力 を 抑 え る た め ス リ ー プ モ ー ド を 搭 載 し て い る こ と が 好 ま し い 。
④
O Sを 含 め た シ ス テ ム 独 自 の ソ フ ト ウ ェ ア 開 発 が 容 易 に な る よ う プ ロ セ ッ サ と 愛 称 の 良 い シ ス テ ム 開 発 環 境 が 整 備 さ れ て い る こ と が 好 ま し い 。
ｃ ） セ ン サ 部
端 末 に 搭 載 す る セ ン サ は 基 本 的 に ど の よ う な 種 類 の セ ン サ で も 構 わ な い 。 一
般 的 に は 、 磁 気 （ 磁 界 ）、 加 速 度 （
2軸 、
3軸 ）、 傾 斜 （
2軸 、
3軸 ）、 音 声 、 光 、
温 度 な ど の セ ン サ が 利 用 さ れ る 。 単 一 の セ ン シ ン グ 項 目 の み に 対 応 す る の で は
な く 、 複 数 種 類 の セ ン シ ン グ 項 目 に 同 時 に 対 応 で き る よ う に 複 数 の セ ン サ を 搭
載 し た セ ン サ 端 末 が 一 般 的 で あ る 。 前 述 の 通 り 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で は 、 端 末 に お け る 省 電 力 化 が 課 題 で あ る こ と か ら 、 利 用 目 的 に 合 わ せ て 搭 載 す る セ ン サ の 種 類 ・ 個 数 ・ 要 求 仕 様 を 吟 味 す る こ と が 不 可 欠 で あ る 。 ｄ ） 電 源 部
無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム に お け る 様 々 な 技 術 的 課 題 の 多 く が 電 源 の 問 題 に 関 連 し て い る 。 仮 に 電 源 を 気 に す る 必 要 が 無 け れ ば 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム を 構 成 す る 各 デ ィ バ イ ス に は 強 力 な 通 信 機 能 と 強 力 な プ ロ セ ッ サ を 搭 載 す る こ と が 出 来 る だ ろ う し 、 制 約 の 多 い
O Sを わ ざ わ ざ 使 う 必 要 も 無 く な る と 言 え る 。 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で は 、 有 限 の 電 源 を 如 何 に 効 率 良 く 利 用 し て い く か が 課 題 と な っ て い る 。
セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク を 配 置 す る 環 境 （ 室 内 、 屋 外 ） や 端 末 の 予 定 稼 働 時 間 、 環 境 配 慮 と い っ た 観 点 か ら 電 源 に 関 す る 様 々 な 研 究 ア プ ロ ー チ が 存 在 す る 。 単 純 に バ ッ テ リ ー を 高 機 能 化 さ せ る ア プ ロ ー チ ば か り で は な く 、 「 い か に し て セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク に 電 源 を 供 給 す る か 」 と い っ た 研 究 や 、 光 、 熱 、 風 力 あ る い は 振 動 な ど の エ ネ ル ギ ー を 使 っ て 自 己 発 電 す る こ と で バ ッ テ リ ー を 使 わ ず 動 作 す る 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 研 究 な ど も 行 わ れ つ つ あ る 。
（ ２ ） 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 制 御 方 式
ネ ッ ト ワ ー ク 化 さ れ た セ ン サ 端 末 が 相 互 に 通 信 し 合 う た め に 共 通 の 通 信 手 順
（ プ ロ ト コ ル ） が 必 要 で あ る 。 イ ン タ ー ネ ッ ト に お い て は
O S I（
O p e n S y s t e m I n t e r c o n n e c t i o n） 参 照 モ デ ル と し て
7階 層 の プ ロ ト コ ル 階 層 化 モ デ ル が 標 準 化 さ れ て お り 、 長 年 の 洗 練 化 に よ り 高 い 信 頼 性 を 獲 得 し て い る 。 既 存 の ネ ッ ト ワ ー ク プ ロ ト コ ル は ス ル ー プ ッ ト や 延 滞 対 策 と い っ た 通 信 の 品 質 向 上 を 最 優 先 事 項 と し て 開 発 さ れ て き た 経 緯 が あ る 。
一 方 で 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で は 、 如 何 に 省 電 力 化 を 図 る か が シ ス テ ム そ の も の の 性 能 を 左 右 す る こ と に な る た め 、 通 信 の 品 質 向 上 が 最 重 要 課 題 と は な ら な い 。 ま た 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で 取 り 扱 う デ ー タ は イ ン タ ー ネ ッ ト 等 で 取 り 扱 わ れ る 画 像 や 音 声 、 動 画 像 デ ー タ に 比 べ て 格 段 に 容 量 が 小 さ い こ と か ら も 既 存 の ネ ッ ト ワ ー ク プ ロ ト コ ル を そ の ま ま 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム に 適 用 す る こ と は 最 善 と は な ら ず 、 独 自 の 新 た な 通 信 プ ロ ト コ ル の 設 計 が 望 ま れ て お り 、 現 在 活 発 な 研 究 開 発 が 進 め ら れ て い る 最 中 で あ る 。
ａ ） ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク と 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム
ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク と は 、 一 般 的 に 移 動 す る 端 末 間 で 適 宜 、 動 的 に ネ ッ
ト ワ ー ク を 構 築 し て 端 末 間 で デ ー タ 配 送 を 行 う ネ ッ ト ワ ー ク 形 態 を 指 す 。 無 線
電 波 の 届 か な い 端 末 同 士 で は 、 中 間 に 居 る 他 の 端 末 が デ ー タ を 中 継 し て （ こ の
技 術 を マ ル チ ホ ッ プ 通 信 技 術 と 呼 ぶ ） 通 信 を 行 う 。 ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク は ネ ッ ト ワ ー ク 構 築 の 容 易 性 、 迅 速 性 に 優 れ て お り 、 イ ン フ ラ へ の 依 存 を 少 な く し 、 ユ ー ザ の 柔 軟 性 が 向 上 す る な ど の 利 点 が あ る 。 一 方 で 、 ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク の 構 築 時 に は 、 複 数 の 端 末 の 協 力 が 必 須 で あ り 、 協 力 者 へ の 報 償 や セ キ ュ リ テ ィ 問 題 な ど そ の 実 現 に 置 い て は 多 く の 研 究 課 題 が あ る 。
無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム は 位 置 が 特 性 さ れ て い な い 端 末 間 の 経 路 を 動 的 に 構 築 す る と い う 点 で ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク の 概 念 が 適 用 さ れ て い る と 言 え る 。 し か し 、 厳 密 に は ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク と 異 な る 部 分 が あ る 。 そ れ は 、 ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク の 概 念 で は 、 端 末 の 立 場 が す べ て 同 等 と な る の に 対 し て 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で は 「 観 察 者 」 と 「 セ ン サ 」 と い う 異 な る 立 場 の 端 末 が ネ ッ ト ワ ー ク を 構 築 す る 点 で あ る 。 セ ン サ 端 末 間 で は 情 報 の 中 継 は あ る も の の 、 お 互 い が 終 端 端 末 と な っ て 情 報 交 換 す る と い っ た こ と は 稀 で あ る 。 そ の た め 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で は 、 ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク の 概 念 を 前 提 に 、 「 観 測 者 」 か ら 「 セ ン サ 」 に 対 す る 通 信 と 、 「 セ ン サ 」 か ら 「 観 測 者 」 へ の 通 信 に 着 目 し た 経 路 制 御 方 法 の 開 発 が 重 要 に な る 。
ｂ ） 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 経 路 制 御 プ ロ ト コ ル
上 述 の 通 り 、 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム は ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク の 概 念 に 立 脚 し て い る 。 ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク で は 、 こ れ ま で 膨 大 な 数 の 経 路 制 御 プ ロ ト コ ル が 提 案 さ れ て き て い る が 、 標 準 化 ま で に は 至 っ て い な い の が 現 状 で あ る 。 そ の 理 由 は 、 端 末 の 移 動 モ デ ル や 密 度 、 ト ラ フ ィ ッ ク の 特 徴 、 ネ ッ ト ワ ー ク 規 模 な ど の 想 定 環 境 に よ っ て 、 経 路 制 御 プ ロ ト コ ル の 性 能 が 大 き く 左 右 さ れ る た め で あ る 。 ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク の 経 路 制 御 方 法 に は 大 き く 以 下 の
2通 り が 提 案 さ れ て い る 。
① リ ア ク デ ィ ブ 型 プ ロ ト コ ル
通 信 を 始 め る 際 に 経 路 を 検 索 す る 。 通 信 の 要 求 が 少 な い ネ ッ ト ワ ー ク で は 冗 長 な 制 御 メ ッ セ ー ジ を 減 ら す こ と が で き る 。 し か し 、 通 信 を 開 始 す る ま で に 延 滞 が 起 こ る た め 、 通 信 開 始 の 延 滞 を 重 視 す る よ う な ア プ リ ケ ー シ ョ ン に は 向 い て い な い 。
② プ ロ ア ク テ ィ ブ 型 プ ロ ト コ ル
定 期 的 な 情 報 交 換 に よ り 経 路 を 決 定 し て お く こ と か ら 、 通 信 開 始 の 延 滞 が 殆 ど 発 生 し な い 。 し か し 、 デ ー タ 通 信 量 が ほ と ん ど 無 い ネ ッ ト ワ ー ク や ト ポ ロ ジ ー の 変 動 が 頻 繁 に 起 こ る よ う な ネ ッ ト ワ ー ク で は 、 不 必 要 な 経 路 情 報 が 増 加 し て 効 率 が 悪 く な る 。
ｃ ） セ ン サ 端 末 間 に お け る 時 刻 同 期
高 密 度 で セ ン サ 端 末 が 設 置 さ れ た 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で は 、 同
じ 現 象 を 複 数 の 端 末 が 感 知 す る 可 能 性 が 高 い 。 そ の た め 、 同 期 の と れ た 時 刻 情 報 を 利 用 し て 、 ネ ッ ト ワ ー ク 内 部 で デ ー タ を 融 合 、 削 除 す る こ と に よ り 、 ト ラ フ ィ ッ ク の 冗 長 性 を 取 り 除 く こ と が 必 要 に な る 。
時 刻 同 期 の 事 実 上 の 標 準 と な っ て い る
N T P（
N e t w o r k Ti m e P r o t o c o l） は 、 高 精 度 の 時 刻 同 期 を 実 現 す る こ と が 可 能 で あ る 。 し か し 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム で は 、 位 置 測 位 の た め に マ イ ク ロ 秒 の オ ー ダ ー で 正 確 な 同 期 が 必 要 と さ れ る 場 合 や 、 あ る イ ベ ン ト を 検 知 し た 特 定 の ノ ー ド 間 で の み 時 刻 を 同 期 さ せ た い 場 合 な ど 、 イ ン タ ー ネ ッ ト と は そ の 要 求 が 異 な る 。 高 密 度 の ノ ー ド で 構 成 さ れ た セ ッ ト ワ ー ク 環 境 で 、 省 電 力 か つ ス ケ ー ラ ビ リ テ ィ の 高 い 仕 組 み が 要 求 さ れ て い る 。
無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム を 想 定 し た 時 刻 同 期 の 仕 組 み と し て 、
R B S（
R e f e r e n c e B r o a d c a s t S y n c h r o n i z a t i o n） が 提 案 さ れ て い る 。ｄ ） セ ン サ 端 末 の 位 置 測 定
セ ン サ 端 末 の 位 置 情 報 は 、物 理 現 象 が 感 知 さ れ た 位 置 を 特 定 す る だ け で な く 、 経 路 制 御 や デ ー タ 集 約 な ど の プ ロ ト コ ル 処 理 を 効 率 化 し 、 セ ン シ ン グ 領 域 や 位 置 に 依 存 し た サ ー ビ ス を 提 供 す る な ど 利 用 価 値 が 高 い 。
無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム を 構 成 す る 各 セ ン サ 端 末 の 位 置 情 報 を 提 供 す る 手 段 と し て
G P S（
G l o b a l P o s i t i o n i n g S y s t e m） の 利 用 が 挙 げ ら れ る 。 し か しな が ら 、コ ス ト や 電 源 事 情 の 問 題 か ら 、す べ て の セ ン サ 端 末 に
G P S受 信 モ ジ ュ ー ル を 搭 載 す る こ と は 現 実 的 で は な い 。
G P Sの 利 用 可 能 な 場 所 は 主 と し て 屋 外 に 限 ら れ る と と も に 、 ビ ル の 谷 間 な ど 電 波 伝 搬 環 境 が 悪 い 場 所 で は 常 に 高 い 精 度 の 測 位 結 果 が 得 ら れ る と は 限 ら な い 。 加 え て 、
G P S単 独 測 位 で は 測 位 精 度 が
1 0 m程 度 、 搬 送 波 位 相 情 報 を 利 用 し た
RT K（
R e a l Ti m e K i n e m a t i c） 測 位 で 数 十
c m程 度 の 精 度 で あ り 、こ の 測 位 精 度 が 利 用 目 的 に 対 し て 十 分 で あ る と は 言 い 切 れ な い 。 こ の た め 、 各 セ ン サ 端 末 に ど の よ う に し て 位 置 情 報 を 与 え る か と い っ た 問 題 は 重 要 な 技 術 課 題 に な っ て い る 。
セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク に お け る 位 置 測 定 の 手 法 は 、 主 と し て レ ン ジ ベ ー ス
（
R a n g e - b a s e d） の 手 法 と レ ン ジ フ リ ー （R a n g e - f r e e） の 手 法 の
2種 類 に 分 類 さ れ る 。
① レ ン ジ ベ ー ス
各 セ ン サ 端 末 間 の 距 離 レ ン ジ を 測 定 し 、 距 離 に 基 づ い て デ ィ バ イ ス の 位 置 を
決 定 す る 手 法 で あ る 。 距 離 測 定 に 用 い る 信 号 （ 電 波 、 音 波 ） の 時 間 的 な パ ラ
メ ー タ を 利 用 す る
T O A（
Ti m e o f A r r i v a l）や
T D O A（
Ti m e D i f f e r e n c e o f A r r i v a l）
の 手 法 と 、 信 号 の 受 信 強 度 に 基 づ く 手 法 が あ る 。 一 般 的 に は 、 距 離 測 定 に 用
い る 信 号 の 受 信 強 度 は 周 辺 の 環 境 に よ り 大 き く 変 動 す る た め 、 時 間 を 利 用 す
る 手 法 の 方 が 高 精 度 に 距 離 を 測 定 で き る と 言 わ れ て い る 。 セ ン サ 端 末 間 の 距 離 か ら あ る 端 末 の 位 置 を 決 定 す る 手 法 は 、
G P Sの 測 位 原 理 と 同 一 の 原 理 に 基 づ い て い る 。
② レ ン ジ フ リ ー
あ ら か じ め 位 置 情 報 が 既 知 で あ る 代 表 の セ ン サ 端 末 （ ラ ン ド マ ー ク ） を 仮 定 す る 。 各 セ ン サ 端 末 は 複 数 の ラ ン ド マ ー ク と の 位 置 関 係 や ホ ッ プ 数 な ど か ら 距 離 を 計 算 し 、 三 角 測 量 や 多 角 測 量 で 自 ら の 位 置 を 測 定 す る 方 法 で あ る 。
３ ． ２ 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 の 研 究 ・ 開 発 動 向 ３ ． ２ ． １ セ ン サ 端 末 の 開 発 状 況
現 在 開 発 が 進 め ら れ て い る 代 表 的 な セ ン サ 端 末 に つ い て 、 開 発 目 的 と 機 能 の 特 徴 を 表
- 3 . 2に 整 理 す る 。 以 下 、 各 セ ン サ 端 末 の 利 用 目 的 や 開 発 状 況 を 取 り ま と め る 。
①
M O T E（ 開 発 元 ：
U C B e r k e l e y）
U . C . B e r k e l e y
で 行 わ れ た 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 の 研 究 プ ロ ジ ェ ク ト で あ る 「
S M A RT D U S T」 の 成 果 を 実 用 化 し た 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム 用 の 汎 用 デ ィ バ イ ス で あ る 。
M O T E / M I C Aは 、 メ イ ン 基 板 と セ ン サ 基 板 か ら 構 成 さ れ て お り 、 メ イ ン 基 板 は 、 プ ロ セ ッ サ 、 無 線 通 信 機 能 、 電 源 を 搭 載 し て い る 。 セ ン サ 基 板 は 、 音 、 光 、 温 度 、 加 速 度 、 磁 気 の セ ン サ と ブ ザ ー を 搭 載 し て い る 。 無 線 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク シ ス テ ム の 端 末 向 け 動 作 環 境 で あ る
Ti n y O S上 で 動 作 し 、 プ ロ グ ラ ム は
N e s C言 語 で 記 述 さ れ て い る 。 ア プ リ ケ ー シ ョ ン 用 の ラ イ ブ ラ リ や ツ ー ル が 用 意 さ れ て お り 、 無 線 通 信 環 境 を 常 時 自 動 的 に 察 知 し て 自 律 的 に ネ ッ ト ワ ー ク を 構 成 す る よ う な ア ド ホ ッ ク 無 線 通 信 機 能 を 持 っ て い る た め 、 端 末 を 適 当 に 配 置 す る だ け で 自 動 的 に 無 線 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク を 構 築 す る こ と が 可 能 で あ る 。
② μ
A M P S（ 開 発 元 ：
M I T）
M I T
