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WO2018151202A1 - センシングシステムおよびタイムスタンプ補正方法 - Google Patents

センシングシステムおよびタイムスタンプ補正方法 Download PDF

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WO2018151202A1
WO2018151202A1 PCT/JP2018/005224 JP2018005224W WO2018151202A1 WO 2018151202 A1 WO2018151202 A1 WO 2018151202A1 JP 2018005224 W JP2018005224 W JP 2018005224W WO 2018151202 A1 WO2018151202 A1 WO 2018151202A1
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packet
time
sensor
circuit
count value
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賢一 松永
尚一 大嶋
アハマド ムサ
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • H04L7/00—Arrangements for synchronising receiver with transmitter
    • H04L7/0008—Synchronisation information channels, e.g. clock distribution lines
    • H—ELECTRICITY
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    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/30—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
    • H04W4/38—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for collecting sensor information
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W56/00—Synchronisation arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a time stamp correction technique for correcting a time stamp related to sensor data wirelessly transmitted from a sensor terminal and received by a data collection terminal.
  • FIG. 8 is a configuration example of a sensor network used in IoT. Under such circumstances, it is required that a terminal accommodating a sensor responds to various use cases and needs, and there may be a problem in operation only with the current mainstream smartphone.
  • FIG. 9 is a configuration example of a general sensor network.
  • BLE Bluetooth Low Energy
  • Bluetooth registered trademark
  • FIG. 10 shows research trends in conventional time synchronization technology (see Non-Patent Document 1 and the like).
  • the monotonicity is guaranteed by the incremental counter. It is possible to recognize it.
  • the accuracy is low, and an error of about several seconds per day is generated, and the results are not consistent in a wearable device that performs measurement at the day level.
  • the time stamp of the data collection terminal can be synchronized with the upper network at a level of 1 ms or less according to the synchronization method as described in Non-Patent Document 1, so the accuracy is very high. Good for.
  • a packet loss occurs, it can only be estimated from time, and when a transmission delay occurs, there is a problem that an error occurs in the time stamp due to the delay.
  • the present invention is intended to solve such problems, and provides a time stamp correction technique that enables a data collection terminal to obtain a time stamp with less error concerning sensor data without mounting a sophisticated clock function on the sensor terminal.
  • the purpose is to do.
  • a sensing system includes a sensor terminal that stores measured sensor data in a packet and wirelessly transmits the packet, and receives the packet to collect the sensor data and perform a higher-order measurement.
  • a sensing system comprising a data collection terminal for transfer to a network, wherein the sensor terminal outputs a count value that repeats monotonous changes in a certain numerical range by counting a sensor clock generated by the terminal with a counter A real-time clock circuit; and a sensor control circuit that periodically transmits the packet in synchronization with the change in the count value, and transmits the packet by adding the count value to the packet.
  • Generate a reference clock that is synchronized with the reference time obtained from the host network.
  • a reference clock generation circuit and a collection control circuit that acquires the value of the reference clock from the reference clock generation circuit in response to reception of the packet and stores it in a storage circuit as a time stamp indicating the arrival time of the packet
  • the collection control circuit statistically processes the time stamps related to the plurality of received packets and the count value added to these packets, and obtains a reference arrival time indicating an obtained packet transmission interval and an arrival time of the first packet. Based on the above, the time stamps related to these packets are recalculated.
  • the time stamp correction method of the sensing system includes a sensor terminal that stores measured sensor data in a packet and periodically wirelessly transmits the received data, collects the sensor data, and collects the sensor data.
  • a time stamp correction method used in a sensing system comprising a data collection terminal for transferring to a network, wherein the real-time clock circuit of the sensor terminal counts a sensor clock generated by the own terminal with an incremental counter, thereby providing a constant A step of outputting a count value that repeats monotonically increasing in a numerical range; and a sensor control circuit of the sensor terminal transmits the packet in synchronization with a change in the count value, and adds the count value to the packet.
  • Transmitting and the data collection terminal A step of generating a reference clock synchronized with a reference time acquired from the upper network, and a collection control circuit of the data collection terminal from the reference clock generation circuit in response to reception of the packet; A step of acquiring a value of a reference clock and storing it in a storage circuit as a time stamp indicating the arrival time of the packet, and the collection control circuit is added to the time stamp related to a plurality of received packets and these packets And statistically processing the count value, and recalculating the time stamps related to these packets based on the obtained packet transmission interval and the reference arrival time indicating the arrival time of the first packet.
  • the errors included in the estimated value of the packet transmission interval and the initial arrival time are averaged, so that the error included in the time stamp given at the time of reception is estimated by estimating the time stamp based on these. Can be reduced. Therefore, even if the sensor terminal is not equipped with a high-performance clock function capable of measuring time information and calendar information, it is possible to obtain a time stamp with less error regarding sensor data in the data collection terminal. For this reason, the circuit configuration of the sensor terminal can be greatly simplified, not only the cost of the entire sensing system can be reduced, but also the power consumption at the sensor terminal can be reduced, and the battery life can be greatly extended.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the sensing system.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing packet transmission.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the time stamp and the estimated measurement time.
  • FIG. 4 is a plot example of the reference time against the count value.
  • FIG. 5 is a graph showing the effect of time stamp correction according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is an enlarged graph of the main part of FIG.
  • FIG. 7 shows an example of storing a time stamp.
  • FIG. 8 is a configuration example of a sensor network used in IoT.
  • FIG. 9 is a configuration example of a general sensor network.
  • FIG. 10 shows the research trend of the conventional time synchronization technology.
  • the sensing system 1 receives a plurality of sensor terminals 20 that are stored in sensor data packets obtained by measuring various physical quantities by sensors and wirelessly transmitted, and packets from the sensor terminals 20.
  • the data collection terminal 10 collects the sensor data and transfers it to the host device 30 of the host network NW.
  • the sensor terminal 20 includes a sensor circuit 21, a real-time clock circuit 22, a wireless communication circuit 23, a storage circuit 24, and a sensor control circuit 25 as main components.
  • the sensor circuit 21 is a sensor that measures various physical quantities.
  • sensors that measure body condition and movement such as body temperature, blood pressure, pulse, and acceleration sensor, are used. Needless to say, the sensor is not limited to these sensors. .
  • the real time clock circuit 22 is a circuit unit that counts the sensor clock generated in the sensor terminal 20 with a counter and outputs the obtained count value. Since this counter counts the input sensor clocks one by one, the obtained count value is a value that repeats monotonous changes within a certain numerical range corresponding to the bit width of the counter.
  • the counter is an incremental counter and the counter value monotonously increases by one will be described as an example. However, a decremental counter may be used, and in this case, the counter value monotonously decreases by one. It will be.
  • the wireless communication circuit 23 is a circuit unit that performs wireless communication with the data collection terminal 10.
  • the storage circuit 24 is a semiconductor memory that stores various processing data used for measurement and transmission of sensor data.
  • the sensor control circuit 25 is composed of an arithmetic processing unit in which a microprocessor such as a CPU / MPU cooperates with a program, stores sensor data indicating a measurement result from the sensor circuit 21 in a packet, and a real-time clock circuit 22.
  • the function of periodically transmitting from the wireless communication circuit 23 to the data collection terminal 10 in synchronization with the change of the count value output from the terminal, that is, in synchronization with incrementing by 1, and the real time when transmitting the packet A function of adding the count value acquired from the clock circuit 22 to the packet and transmitting the packet.
  • the data collection terminal 10 is provided with a radio communication circuit 11, a reference clock generation circuit 12, a storage circuit 13, and a collection control circuit 14 as main components.
  • the wireless communication circuit 11 is a circuit unit that performs wireless communication with the sensor terminal 20.
  • the reference clock generation circuit 12 is a circuit unit that outputs a reference clock based on time information acquired from a time server of the upper network NW, for example.
  • the storage circuit 13 is a semiconductor memory that stores a time stamp indicating the arrival time of the packet received from the sensor terminal 20 by the wireless communication circuit 11.
  • the collection control circuit 14 is composed of an arithmetic processing unit in which a microprocessor such as a CPU / MPU cooperates with a program, and generates a reference clock each time a packet from the sensor terminal 20 is received by the wireless communication circuit 11.
  • the function of acquiring the reference clock from the circuit 12 and storing it in the storage circuit 13 as a time stamp indicating the arrival time of the received packet, the count value added to the plurality of received packets, and these read out from the storage circuit 13 By statistically processing the time stamp of the packet, it has a function of estimating the initial arrival time indicating the arrival time of the first packet received first among these packets and the packet transmission interval indicating the transmission interval of these packets ing.
  • the collection control circuit 14 corrects the time stamp given at the time of packet reception by recalculating the time stamp related to these packets based on the initial arrival time and the estimated value of the packet transmission interval, and these sensors.
  • NW such as UNIX time
  • the host device 30 can obtain time information and calendar information related to sensor data. It can be acquired.
  • the reference clock generation circuit 12 may be implemented with a known time synchronization method such as the time synchronization method described in Non-Patent Document 1, for example, in order to synchronize with the reference time of the upper network NW.
  • the sensor control circuit 25 of the sensor terminal 20 simply adds the count value of the incremental counter to the acquired packet of sensor data, so that it is not necessary to select a high performance microprocessor. Since the slower the operating frequency, the lower the power consumption, for example, a microprocessor with an operating frequency of 50 MHz or less may be used.
  • the sensor control circuit 25 of the sensor terminal 20 stores the sensor data measured by the sensor circuit 21 in a packet and wirelessly synchronizes with the change in the count value n of the incremental counter from the real-time clock circuit 22.
  • the data is periodically transmitted from the communication circuit 11 to the data collection terminal 10 at a constant transmission interval. On this occasion.
  • the sensor control circuit 25 acquires the count value n from the real-time clock circuit 22, adds it to the packet P, and transmits it.
  • the packet transmission interval and the count operation of the incremental counter are synchronized, and the count value n increases monotonously by 1 for each packet to be transmitted. Therefore, the count value n of the first packet P 0 transmitted first is 0, and the count value n increases by 1 for each subsequent packet P1, P2,.
  • the count value n has a maximum value N max corresponding to the bit width of the incremental counter. After the count value n reaches N max , the count value n is reset to zero and monotonically increases again.
  • the collection control circuit 14 of the data collection terminal 10 acquires the reference clock from the reference clock generation circuit 12, and indicates the arrival time of the received packet.
  • the time stamp T is stored in the storage circuit 13.
  • the reference clock generation circuit 12 generates a reference clock synchronized with the precise time of the upper network NW based on the time information periodically acquired by the collection control circuit 14 from a device such as a time server on the upper network NW. Yes. As a result, a time stamp indicating the precise arrival time of each packet is stored in the storage circuit 13.
  • the transmission interval T packet becomes longer, so that the measurement estimation time t is extended to the rear side from the initial characteristic 31 as shown in FIG. Characteristic 32 will be shown.
  • the transmission interval T packet is shortened. Therefore, as shown in FIG. 34 will be shown. Further, since the transmission delay from the sensor terminal 20 to the data collection terminal 10 is present, it is conceivable that an error occurs in the initial arrival time T 0.
  • the estimated values of the transmission interval T packet and the initial arrival time T 0 are averaged for errors caused by the transmission delay and processing priority of the microprocessor included in each of them, thereby reducing the error included in the time stamp. be able to. Therefore, by applying the obtained transmission interval T packet and the estimated value of the initial arrival time T 0 to the above-described equation (1), the time stamp of each sensor data can be accurately estimated, that is, recalculated. It becomes possible to correct the time stamp given at the time of reception. In particular, it is extremely useful for sensing applications that require a relatively high sampling rate such as acceleration and voltage waveform.
  • UNIX (registered trademark) time is used as the reference time.
  • the UNIX time is accurate, there is a variation of the normal distribution low latitude with respect to the trend. Therefore, when the present invention is applied, the inclination can be accurately measured.
  • the graph shown in FIG. 5 is a measurement result obtained by experimentally measuring the frequency distribution of the time stamp intervals of the packets when the data collection terminal 10 receives packets transmitted in parallel at a constant interval of 40 ms from the plurality of sensor terminals 20. Is shown.
  • the cause is considered to be an error due to a delay time related to communication between the sensor terminal 20 and the data collection terminal 10, and a processing delay due to a processing load required for receiving a packet transmitted in parallel.
  • the time interval between received packets has a confidence interval width of ⁇ 3 ⁇ of 250 ⁇ s. This means that the time stamp interval is within the confidence interval of 40 ms ⁇ 125 ⁇ s with a probability of 99.7%, and shows a high effect by the time stamp correction according to the present embodiment.
  • the sensor control circuit 25 periodically transmits packets in synchronization with the change in the count value from the real-time clock circuit 22 that repeats monotonous increase within a certain numerical range. At the same time, the count value is acquired and added to the packet and transmitted.
  • the collection control circuit 14 synchronizes with the reference time of the upper network NW from the reference clock generation circuit 12 in response to reception of the packet.
  • the obtained reference clock value is acquired and stored in the storage circuit 13 as a time stamp indicating the arrival time of the packet, the time stamp and the count value regarding the plurality of received packets are statistically processed, and the obtained packet transmission interval and head The time for these packets based on the reference arrival time, which indicates the arrival time of the packet Stamp is obtained so as to correct the.
  • the errors included in the estimated values of the transmission interval T packet and the initial arrival time T 0 are averaged, and by estimating the time stamp based on these, the error included in the time stamp given at the time of reception is reduced. can do. Therefore, even if the sensor terminal 20 is not equipped with a high-performance clock function capable of measuring time information and calendar information, the data collection terminal 10 can obtain a time stamp with little error regarding sensor data. For this reason, the circuit configuration of the sensor terminal 20 can be greatly simplified, not only the cost of the entire sensing system 1 can be reduced, but also the power consumption at the sensor terminal 20 can be reduced, and the battery life can be greatly extended. Become.
  • the time stamp can be estimated based on the estimated value of the transmission interval T packet and the initial arrival time T 0 , even if a packet loss occurs between the sensor terminal 20 and the data collection terminal 10, Sensor data can be measured and corrected with synchronized accurate reference time.
  • the collection control circuit 14 of the data collection terminal 10 performs the statistical processing using a number smaller than the maximum count value as the constraint length related to the number of packets used for the statistical processing, whereby the transmission interval T The packet and the initial arrival time T 0 are estimated.
  • Other configurations in the sensing system 1 according to the present embodiment are the same as those in the first embodiment, and a description thereof is omitted here.
  • the collection control circuit 14 reads out from the storage circuit 13 a time stamp related to a packet received earlier than the latest packet last received by the constraint length from the storage circuit 13 as statistical processing. It is what you do.
  • Other configurations in the sensing system 1 according to the present embodiment are the same as those in the first embodiment, and a description thereof is omitted here.
  • the collection control circuit 14 stores a new time stamp in the storage circuit 13 in response to reception of the packet, if the number of time stamps already stored is less than the constraint length.
  • the oldest time stamp located at the beginning of the storage area is stored.
  • a new time stamp is stored at the end of the storage area.
  • all time stamps stored in the storage area are read from the storage circuit 13 as target time stamps, and statistical processing is performed.
  • the packet for the constraint length used for the statistical processing is used while being shifted (slided) one by one for each statistical processing. That is, the constraint length of N ′ max used for statistical processing is not changed, and i, i ⁇ 1, i ⁇ 2,..., I ⁇ N ′ max + 1st packet is used for parameter estimation of the i th packet.
  • the transmission interval T packet is estimated by the following equation (4), and the initial arrival time T 0 is estimated by the following equation (5).
  • FIG. 7 shows an example of storing a time stamp. Until the number of packets reaches N ′ max , the storage area of the storage circuit 13 relating to time stamps is increased by one to store new time stamps, and after reaching N ′ max, one of the oldest time stamps is stored. Erasing each one, shifting the remaining time stamp, and finally storing a new time stamp.
  • the accuracy of the time stamp estimated with a small number of packets is unstable, but the averaging process by the least square method gradually becomes effective as it approaches N ′ max. Therefore, the estimation accuracy is improved.
  • the number of packets reaches N ′ max , statistical processing is performed as soon as a new packet is received, so latency is reduced and real-time performance is improved.
  • SYMBOLS 1 ... Sensing system, 10 ... Data collection terminal, 11 ... Wireless communication circuit, 12 ... Reference clock generation circuit, 13 ... Memory circuit, 14 ... Collection control circuit, 20 ... Sensor terminal, 21 ... Sensor circuit, 22 ... Real time clock circuit , 23 ... wireless communication circuit, 24 ... storage circuit, 25 ... sensor control circuit, 30 ... host device, NW ... host network.

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Abstract

センサ制御回路（２５）が、一定の数値範囲で単調増加を繰り返すリアルタイムクロック回路（２２）からのカウント値の変化に同期して周期的にパケットを送信するとともに、カウント値を取得してパケットに付加して送信し、収集制御回路（１４）が、パケットの受信に応じて、基準クロック生成回路（１２）から上位ネットワーク（ＮＷ）の基準時刻に同期した基準クロックの値を取得して、パケットの到着時刻を示すタイムスタンプとして記憶回路（１３）に保存し、受信した複数のパケットに関するタイムスタンプおよびカウント値を統計処理し、得られたパケット送信間隔と先頭パケットの到着時刻を示す基準到着時刻とに基づいて、これらパケットに関するタイムスタンプを補正する。これにより、センサ端末に高度な時計機能を搭載することなく、データ収集端末でセンサデータに関する誤差の少ないタイムスタンプを得ることができる。

Description

センシングシステムおよびタイムスタンプ補正方法
　本発明は、センサ端末から無線送信されてデータ収集端末で受信したセンサデータに関するタイムスタンプを補正するためのタイムスタンプ補正技術に関する。
　すべてのモノがインターネットに接続されるＩｏＴ（Internet of things）社会では、各種のセンサがネットワークに接続され、多種多量のデータを収集し、そのデータを解析することで人間の役に立つ情報を引き出すことが期待されている。図８は、ＩｏＴで用いられるセンサネットワークの構成例である。そのような中では様々なユースケース・ニーズに対して、センサを収容する端末が対応することが求められており、現在主流のスマートフォンのみでは運用に問題が生じる場合もある。
　特に、スマートフォンでは多台数の同時接続に難があり、その対応策として、センサ収容端末のネットワークの構成をツリー型にすることにより、接続台数の向上が見込まれる。図９は、一般的なセンサネットワークの構成例である。特に、近距離無線通信技術の１つであるBluetooth（登録商標）を拡張したＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）は、極低電力で通信が可能であり、センサとセンサ収容端末と間の無線通信方式として極めて有用な手法である。
　しかし、この手法を取る場合にはデータ収集端末（子）にてタイムスタンプを打つことが多く、子と親で時刻がずれているとセンシングに関する基準時間が不明確になるため、従来、様々な時刻同期手法が提案されている。図１０は、従来の時刻同期技術の研究動向である（非特許文献１など参照）。
　しかしながら、このような従来技術では、データ収集端末でタイムスタンプを打つ場合、センサとデータ収集端末間の通信に関わる遅延時間についてはキャンセルすることができず、タイムスタンプには常に誤差が生じるという問題点があった。一方、センサに一定周期で増加するインクリメンタルカウンタを利用した簡易タイムスタンプ機構が設けられる場合も増えてきているが、こちらはセンサデバイスのコスト削減のために制度の低い発振器が使用されている場合が多く、誤差を生じるという問題点があった。
　すなわち、センサに設けた簡易タイムスタンプ機構でタイムスタンプを打つ場合、インクリメンタルカウンタにより単調性が保証されるため、データ収集端末にデータが到達しないパケットロスがあった場合にもインクリメンタルカウンタを参照することで、それを認識することが可能である。一方、その精度は低く、一日に数秒程度の誤差を生じ、特に日数レベルで計測を行うウェアラブルデバイスでは結果が一致しなくなる。
　これに対して、データ収集端末のタイムスタンプは、非特許文献１で挙げられるような同期手法によれば１ｍｓ以下のレベルで上位ネットワークに対して同期をかけることが可能になるため、精度は非常に良い。しかし、パケットロスが発生した場合にはそれを時間から推定することしかできず、伝送遅延が発生した際にはその遅延でタイムスタンプに誤差を生じてしまう問題がある。
鈴木誠ほか、「無線センサネットワークにおける時刻同期技術の研究動向」、東京大学・先端科学技術研究センサー、森川研究室・技術研究報告書、No.2008001、2008年4月24日
　本発明はこのような課題を解決するためのものであり、センサ端末に高度な時計機能を搭載することなく、データ収集端末でセンサデータに関する誤差の少ないタイムスタンプが得られるタイムスタンプ補正技術を提供することを目的としている。
　このような目的を達成するために、本発明にかかるセンシングシステムは、計測したセンサデータをパケットに格納して無線送信するセンサ端末と、前記パケットを受信することにより前記センサデータを収集して上位ネットワークへ転送するデータ収集端末とを備えるセンシングシステムであって、前記センサ端末は、自端末で生成したセンサクロックをカウンタで計数することにより、一定の数値範囲で単調変化を繰り返すカウント値を出力するリアルタイムクロック回路と、前記カウント値の変化に同期して周期的に前記パケットを送信するとともに、前記カウント値を前記パケットに付加して送信するセンサ制御回路とを備え、前記データ収集端末は、前記上位ネットワークから取得した基準時刻に同期した基準クロックを生成する基準クロック生成回路と、前記パケットの受信に応じて、前記基準クロック生成回路から前記基準クロックの値を取得して、前記パケットの到着時刻を示すタイムスタンプとして記憶回路に保存する収集制御回路とを備え、前記収集制御回路は、受信した複数のパケットに関する前記タイムスタンプとこれらパケットに付加されているカウント値とを統計処理し、得られたパケット送信間隔と先頭パケットの到着時刻を示す基準到着時刻とに基づいて、これらパケットに関する前記タイムスタンプを再計算するようにしたものである。
　また、本発明にかかる上記センシングシステムのタイムスタンプ補正方法は、計測したセンサデータをパケットに格納して周期的に無線送信するセンサ端末と、前記パケットを受信して前記センサデータを収集して上位ネットワークへ転送するデータ収集端末とを備えるセンシングシステムで用いられるタイムスタンプ補正方法であって、前記センサ端末のリアルタイムクロック回路が、自端末で生成したセンサクロックをインクリメンタルカウンタで計数することにより、一定の数値範囲で単調増加を繰り返すカウント値を出力するステップと、前記センサ端末のセンサ制御回路が、前記カウント値の変化に同期して前記パケットを送信するとともに、前記カウント値を前記パケットに付加して送信するステップと、前記データ収集端末の基準クロック生成回路が、前記上位ネットワークから取得した基準時刻に同期した基準クロックを生成するステップと、前記データ収集端末の収集制御回路が、前記パケットの受信に応じて、前記基準クロック生成回路から前記基準クロックの値を取得して、前記パケットの到着時刻を示すタイムスタンプとして記憶回路に保存するステップと、前記収集制御回路が、受信した複数のパケットに関する前記タイムスタンプとこれらパケットに付加されているカウント値とを統計処理し、得られたパケット送信間隔と先頭パケットの到着時刻を示す基準到着時刻とに基づいて、これらパケットに関する前記タイムスタンプを再計算するステップとを備えている。
　本発明によれば、パケットの送信間隔と初期到着時刻の推定値に含まれる誤差が平均化されるため、これらに基づきタイムスタンプを推定することで、受信時に付与したタイムスタンプに含まれる誤差を低減することができる。したがって、時刻情報やカレンダー情報を計時できる高性能な時計機能をセンサ端末に搭載しなくても、データ収集端末においてセンサデータに関する誤差の少ないタイムスタンプを得ることが可能となる。このため、センサ端末の回路構成を大幅に簡素化でき、センシングシステム全体のコストを削減できるだけでなく、センサ端末での消費電力を削減でき、電池寿命を大幅に延長することが可能となる。
図１は、センシングシステムの構成を示すブロック図である。 図２は、パケット送信を示す説明図である。 図３は、タイムスタンプと計測推定時刻の関係を示すグラフである。 図４は、カウント値に対する基準時刻のプロット例である。 図５は、本実施の形態にかかるタイムスタンプ補正の効果を示すグラフである。 図６は、図５の要部を拡大したグラフである。 図７は、タイムスタンプの記憶例である。 図８は、ＩｏＴで用いられるセンサネットワークの構成例である。 図９は、一般的なセンサネットワークの構成例である。 図１０は、従来の時刻同期技術の研究動向である。
　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。
［第１の実施の形態］
　まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるセンシングシステム１について説明する。
　図１に示すように、このセンシングシステム１は、センサにより各種の物理量を計測して得られたセンサデータパケットに格納して無線送信する複数のセンサ端末２０と、センサ端末２０からのパケットを受信してセンサデータを収集し上位ネットワークＮＷの上位装置３０へ転送するデータ収集端末１０とから構成されている。
［センサ端末］
　センサ端末２０には、主な構成として、センサ回路２１、リアルタイムクロック回路２２、無線通信回路２３、記憶回路２４、およびセンサ制御回路２５が設けられている。
　センサ回路２１は、各種の物理量を計測するセンサである。例えば、人の生体情報を収集するセンシングシステムでは、体温、血圧、脈拍、加速度センサなど、身体状態や動作を計測するセンサが用いられるが、これらのセンサに限定されるものではないことは言うまでもない。
　リアルタイムクロック回路２２は、センサ端末２０内で生成したセンサクロックをカウンタで計数し、得られたカウント値を出力する回路部である。このカウンタは、入力されたセンサクロックを１つずつ計数するため、得られたカウント値は、カウンタのビット幅に相当する一定数値範囲で単調変化を繰り返す値となる。本実施の形態では、カウンタがインクリメンタルカウンタからなり、カウンタ値が１ずつ単調増加する場合を例として説明するが、デクリメンタルカウンタを用いてもよく、この場合はカウンタ値が１ずつ単調減少することになる。
　無線通信回路２３は、データ収集端末１０との間で無線通信を行う回路部である。
　記憶回路２４は、センサデータの計測および送信に用いる各種処理データを記憶する半導体メモリである。
　センサ制御回路２５は、ＣＰＵ／ＭＰＵなどのマイクロプロセッサとプログラムとを協働させてなる演算処理部から構成されて、センサ回路２１から計測結果を示すセンサデータをパケットに格納し、リアルタイムクロック回路２２から出力されるカウント値の変化に同期して、すなわち１ずつインクリメントされるのに同期して、無線通信回路２３からデータ収集端末１０へ周期的に送信する機能と、パケットを送信する際、リアルタイムクロック回路２２から取得したカウント値をパケットに付加して送信する機能とを有している。
［データ収集端末］
　データ収集端末１０には、主な構成として、無線通信回路１１、基準クロック生成回路１２、記憶回路１３、および収集制御回路１４が設けられている。
　無線通信回路１１は、センサ端末２０との間で無線通信を行う回路部である。
　基準クロック生成回路１２は、例えば上位ネットワークＮＷの時刻サーバから取得した時刻情報に基づいて基準クロックを出力する回路部である。
　記憶回路１３は、無線通信回路１１でセンサ端末２０から受信したパケットの到着時刻を示すタイムスタンプを記憶する半導体メモリである。
　収集制御回路１４は、ＣＰＵ／ＭＰＵなどのマイクロプロセッサとプログラムとを協働させてなる演算処理部から構成されて、無線通信回路１１でセンサ端末２０からのパケットを受信するごとに、基準クロック生成回路１２から基準クロックを取得し、受信したパケットの到着時刻を示すタイムスタンプとして記憶回路１３に保存する機能と、受信した複数のパケットに付加されているカウント値と、記憶回路１３から読み出したこれらパケットのタイムスタンプとを統計処理することにより、これらパケットのうち最初に受信した先頭パケットの到着時刻を示す初期到着時刻とこれらパケットの送信間隔を示すパケット送信間隔とを推定する機能とを有している。
　また、収集制御回路１４は、これら初期到着時刻およびパケット送信間隔の推定値に基づいて、これらパケットに関するタイムスタンプを再計算することにより、パケット受信時に付与したタイムスタンプを補正する機能と、これらセンサデータとタイムスタンプとの組を上位装置３０へ転送する機能とを有している。このタイムスタンプについては、例えばＵＮＩＸ時刻など上位ネットワークＮＷの基準時刻に基づくものであることから、一般的には時刻情報だけではなくカレンダー情報も含まれている。これにより、センサ端末２０に全体的な時刻情報やカレンダー情報を計時する時計機能を搭載せず、簡素な構成のカウンタしか搭載しない場合でも、上位装置３０で、センサデータに関する時刻情報およびカレンダー情報を取得することが可能となる。
　なお、データ収集端末１０の収集制御回路１４については、処理負担のある統計処理を行う必要があるため、マイクロプロセッサとして計算能力の高いものが望ましい。また、基準クロック生成回路１２については、上位ネットワークＮＷの基準時刻と同期させるため、例えば非特許文献１に記載された時刻同期手法など、公知の時刻同期手法を実装しておけばよい。
　一方、センサ端末２０のセンサ制御回路２５については、取得したセンサデータのパケットに、インクリメンタルカウンタのカウント値を付加するだけなので、マイクロプロセッサとして高い性能のものを選択する必要はない。動作周波数が遅いほど消費電力が小さいため、例えば５０ＭＨｚ以下の動作周波数のマイクロプロセッサであってもよい。
［第１の実施の形態の動作］
　次に、図２を参照して、本実施の形態にかかるセンシングシステム１の動作について説明する。
　図２に示すように、センサ端末２０のセンサ制御回路２５は、センサ回路２１で計測したセンサデータをパケットに格納し、リアルタイムクロック回路２２からインクリメンタルカウンタのカウント値ｎの変化に同期して、無線通信回路１１からデータ収集端末１０へ一定の送信間隔で周期的に送信する。この際。センサ制御回路２５は、リアルタイムクロック回路２２からカウント値ｎを取得してパケットＰに付加して送信する。
　図２の例では、パケットの送信間隔とインクリメンタルカウンタのカウント動作とが同期しており、カウント値ｎは送信するパケットごとに１ずつ単調増加している。このため、最初に送信される先頭パケットＰ0のカウント値ｎ＝０であり、後続するパケットＰ１，Ｐ２，…ごとにカウント値ｎが１ずつ増加することになる。このカウント値ｎは、インクリメンタルカウンタのビット幅に応じた最大値Ｎmaxを有しており、カウント値ｎがＮmaxに到達した後、ゼロにリセットされ再び単調増加することになる。
　一方、データ収集端末１０の収集制御回路１４は、無線通信回路１１でセンサ端末２０からのパケットを受信するごとに、基準クロック生成回路１２から基準クロックを取得し、受信したパケットの到着時刻を示すタイムスタンプＴとして記憶回路１３に保存する。
　基準クロック生成回路１２は、収集制御回路１４が上位ネットワークＮＷ上の時刻サーバなどの装置から定期的に取得した時刻情報に基づいて、上位ネットワークＮＷの精密な時刻と同期した基準クロックを生成している。これにより、各パケットの精密な到着時刻を示すタイムスタンプが記憶回路１３に保存されることになる。
　図３の、タイムスタンプと計測推定時刻の関係を示すグラフに示すように、パケットに付加されているカウント値ｉがパケットごとに１ずつ増加する場合、データ収集端末１０における先頭パケットＰ0の到着時刻である初期到着時刻Ｔ0とし、パケットＰの送信間隔をＴpacketとすると、カウント値がｉであるパケットＰｉに関するタイムスタンプｔは、次の式（１）で求められることになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　しかしながら、センサ端末２０のセンサクロックが基準より遅い場合、送信間隔Ｔpacketが長くなるため、計測推定時刻ｔは、図３（ａ）に示すように、当初の特性３１より後側に引き伸ばされた特性３２を示すことになる。一方、センサ端末２０のセンサクロックが基準より速い場合、送信間隔Ｔpacketが短くなるため、計測推定時刻ｔは、図３（ａ）に示すように、当初の特性３３より前側に縮められた特性３４を示すことになる。また、センサ端末２０からデータ収集端末１０までの伝送遅延が存在するため、初期到着時刻Ｔ0に誤差が生じる場合も考えられる。
　本発明では、複数のパケットに関するタイムスタンプとカウント値とを統計処理することにより、各センサデータのタイムスタンプに含まれる誤差を低減するようにしたものである。
　先頭パケットＰ0からＰNmax-1までのＮmax個のパケットＰを受信したとし、これらパケットＰk（ｋ＝０～Ｎmax-1の整数）のタイムスタンプをＴkとした場合、最小二乗法に基づいて、送信間隔Ｔpacketは次の式（２）で推定され、初期到着時刻Ｔ0は次の式（３）で推定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　これら送信間隔Ｔpacketと初期到着時刻Ｔ0の推定値は、それぞれが含む伝送遅延やマイクロプロセッサでの処理優先度などに起因する誤差が平均化されるため、タイムスタンプに含まれる誤差を低減することができる。したがって、得られた送信間隔Ｔpacketと初期到着時刻Ｔ0の推定値を前述した式（１）に適用すれば、各センサデータのタイムスタンプを精度よく推定、すなわち再計算することができ、パケット受信時に付与したタイムスタンプを補正することが可能となる。特に、加速度や電圧波形などの比較的高いサンプリングレートが求められるセンシングアプリケーションに対して、極めて有用である。
　図４に示す、カウント値に対する基準時刻のプロット例では、基準時刻としてＵＮＩＸ（登録商標）時刻が用いられている。ＵＮＩＸ時刻は正確であるがトレンドに対して正規分布低緯度のバラツキが存在するため、本発明を適用するとその傾きを正確に測定することが可能である。
　図５に示すグラフは、複数のセンサ端末２０から４０ｍｓ間隔一定で並行して送信されたパケットをデータ収集端末１０で受信した際における、パケットのタイムスタンプ間隔の頻度分布を実験により計測した計測結果を示している。
　タイムスタンプの補正を適用していない未適用の場合、実際の４０ｍｓ間隔を中心として２０ｍｓや６０ｍｓへのばらつきが生じていることがわかる。この原因は、センサ端末２０とデータ収集端末１０との間の通信に関わる遅延時間による誤差、さらには並行して送信されたパケットの受信処理に要する処理負担による処理遅延などが考えられる。
　一方、本実施の形態にかかるタイムスタンプ補正を適用した場合、図６に示すように、受信したパケットのタイムスタンプ間隔は、±３σの信頼区間幅が２５０μｓであった。このことは、９９．７％の確率でタイムスタンプ間隔が４０ｍｓ±１２５μｓの信頼区間に収まっていることを意味しており、本実施の形態にかかるタイムスタンプ補正による高い効果を示している。
［第１の実施の形態の効果］
　このように、本実施の形態は、センサ端末２０において、センサ制御回路２５が、一定の数値範囲で単調増加を繰り返すリアルタイムクロック回路２２からのカウント値の変化に同期して周期的にパケットを送信するとともに、カウント値を取得してパケットに付加して送信し、データ収集端末１０において、収集制御回路１４が、パケットの受信に応じて、基準クロック生成回路１２から上位ネットワークＮＷの基準時刻に同期した基準クロックの値を取得して、パケットの到着時刻を示すタイムスタンプとして記憶回路１３に保存し、受信した複数のパケットに関するタイムスタンプおよびカウント値を統計処理し、得られたパケット送信間隔と先頭パケットの到着時刻を示す基準到着時刻とに基づいて、これらパケットに関するタイムスタンプを補正するようにしたものである。
　これにより、送信間隔Ｔpacketと初期到着時刻Ｔ0の推定値に含まれる誤差が平均化されるため、これらに基づきタイムスタンプを推定することで、受信時に付与したタイムスタンプに含まれる誤差を低減することができる。したがって、時刻情報やカレンダー情報を計時できる高性能な時計機能をセンサ端末２０に搭載しなくても、データ収集端末１０においてセンサデータに関する誤差の少ないタイムスタンプを得ることが可能となる。
　このため、センサ端末２０の回路構成を大幅に簡素化でき、センシングシステム１全体のコストを削減できるだけでなく、センサ端末２０での消費電力を削減でき、電池寿命を大幅に延長することが可能となる。
　また、送信間隔Ｔpacketと初期到着時刻Ｔ0の推定値に基づいて、タイムスタンプを推定できるため、センサ端末２０とデータ収集端末１０との間でパケットロスが発生した場合でも、上位ネットワークＮＷに同期した正確な基準時刻によりセンサデータの測定・補正を行うことが可能となる。
［第２の実施の形態］
　次に、本発明の第２の実施の形態にかかるセンシングシステム１について説明する。
　第１の実施の形態で説明した、ｎが０からＮmaxまでを利用して最小二乗法を利用した方法は、非常に精度が高い。しかし、Ｎmaxが大きい値であった場合、これらすべてのデータを取りきるまでパケットのタイムスタンプが確定しないという課題がある。これは、特にリアルタイム性を求められるアプリケーションでは問題となる。加えて、データ収集端末１０にＮmaxに応じた大きなメモリ領域を必要とするため、そのためのコストも課題となる。
　本実施の形態は、データ収集端末１０の収集制御回路１４において、統計処理に用いるパケット数に関する拘束長として、カウント値の最大値より小さい数を用いて、統計処理を行うことにより、送信間隔Ｔpacketと初期到着時刻Ｔ0とを推定するようにしたものである。本実施の形態にかかるセンシングシステム１におけるその他の構成については、第１の実施の形態と同様であり、ここでの説明は省略する。
　このように、１＜Ｎ’max＜Ｎmaxを満たす独自の拘束長Ｎ’maxを用いて計算を行うことで、リアルタイム性を改善し、データ収集端末１０におけるタイムスタンプ蓄積メモリの容量を下げ、コストを低減することが可能となる。
　このＮ’maxの値の選び方としては、任意の整数をＭとしたときにＮ’max＋１＝Ｎmax／Ｍが整数となるものとすると好ましい。これはｎがＮmax→０に戻る際に生じる値の変化から影響を受けないようにするための工夫である。ＭＰＵの性質から一般的にＮ’max＋１は２の乗数であるため、Ｍは２の乗数を選ぶと問題が少ない。
［第３の実施の形態］
　次に、本発明の第３の実施の形態にかかるセンシングシステム１について説明する。
　前述した第２の実施の形態では、拘束長Ｎ’maxが全て揃わないと推定が終了しないため、リアルタイム性については未だ課題が残る。
　本実施の形態は、統計処理の際、収集制御回路１４が、最後に受信した最新パケットから拘束長だけそれ以前に受信したパケット分に関するタイムスタンプを対象タイムスタンプとして記憶回路１３から読み出して統計処理するようにしたものである。本実施の形態にかかるセンシングシステム１におけるその他の構成については、第１の実施の形態と同様であり、ここでの説明は省略する。
　この際、より具体的には、収集制御回路１４が、パケットの受信に応じて新たなタイムスタンプを記憶回路１３に保存する際、すでに保存されているタイムスタンプ数が拘束長を下回る場合には、記憶回路１３に設けられている記憶領域の先頭から順に新たなタイムスタンプを保存し、タイムスタンプ数が拘束長に達している場合には、記憶領域の先頭に位置する最古のタイムスタンプを消去して残りのタイムスタンプを記憶領域の先頭から順に並ぶようシフトさせた後、記憶領域の最後尾に新たなタイムスタンプを保存する。
　また、統計処理の際、記憶領域に保存されているすべてのタイムスタンプを対象タイムスタンプとして記憶回路１３から読み出して統計処理する。
　これにより、統計処理に使用する拘束長分パケットが、統計処理ごとに１つずつシフト（スライド）しながら使用されることになる。すなわち、統計処理に使用するＮ’maxの拘束長は変化させず、ｉ番目のパケットのパラメータ推定にはｉ，ｉ－１，ｉ－２，…，ｉ－Ｎ’max＋１番目のパケットを使用するものとなる。
　この場合、送信間隔Ｔpacketは次の式（４）で推定され、初期到着時刻Ｔ0は次の式（５）で推定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　しかし、この方法ではｎがＮmax→０に変化した際に誤差を生じるため、これを補正する必要がある。この補正方法として、ある整数０＜ｊ＜ｉ－Ｎ’maxに対してＴj+1－Ｔj＜－Ｔthが成り立つときにはＴj+1，Ｔj，…，Ｔi-N'max+1のそれぞれにＴpacket＊Ｎmaxを加算して計算を行う方法である。しきい値Ｔthの選び方は任意であるが、処理時間や伝送時間の誤差による時間の揺らぎや一時的なパケットロスを防止するためにＮmax／２程度とすると良好に動作する。
　逆に、これ以上の時間差はコネクション切断を意味する。図７は、タイムスタンプの記憶例である。パケットがＮ’max個に達するまでは、タイムスタンプに関する記憶回路１３の記憶領域を１つずつ増やして新たなタイムスタンプを格納し、Ｎ’max個に達した後は最も古いタイムスタンプから１つずつ消去して、残りのタイムスタンプをシフトさせ、最後に新たなタイムスタンプを格納する。
　この方法によれば、パケット受信開始時においては、パケット数が少なく推定されるタイムスタンプの精度が不安定であるが、Ｎ’maxに近づくにつれて徐々に最小二乗法による平均化処理が効いてくるため、推定精度が改善する。加えて、パケット数がＮ’maxに到達してからは、新たなパケットが受信されてすぐに統計処理が行われるためレイテンシが削減され、リアルタイム性が向上する。
［実施の形態の拡張］
　以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
　１…センシングシステム、１０…データ収集端末、１１…無線通信回路、１２…基準クロック生成回路、１３…記憶回路、１４…収集制御回路、２０…センサ端末、２１…センサ回路、２２…リアルタイムクロック回路、２３…無線通信回路、２４…記憶回路、２５…センサ制御回路、３０…上位装置、ＮＷ…上位ネットワーク。

Claims (5)

  1. 　計測したセンサデータをパケットに格納して無線送信するセンサ端末と、前記パケットを受信することにより前記センサデータを収集して上位ネットワークへ転送するデータ収集端末とを備えるセンシングシステムであって、
    　前記センサ端末は、
    　自端末で生成したセンサクロックをカウンタで計数することにより、一定の数値範囲で単調変化を繰り返すカウント値を出力するリアルタイムクロック回路と、
    　前記カウント値の変化に同期して周期的に前記パケットを送信するとともに、前記カウント値を前記パケットに付加して送信するセンサ制御回路とを備え、
    　前記データ収集端末は、
    　前記上位ネットワークから取得した基準時刻に同期した基準クロックを生成する基準クロック生成回路と、
    　前記パケットの受信に応じて、前記基準クロック生成回路から前記基準クロックの値を取得して、前記パケットの到着時刻を示すタイムスタンプとして記憶回路に保存する収集制御回路とを備え、
    　前記収集制御回路は、受信した複数のパケットに関する前記タイムスタンプとこれらパケットに付加されているカウント値とを統計処理し、得られたパケット送信間隔と先頭パケットの到着時刻を示す基準到着時刻とに基づいて、これらパケットに関する前記タイムスタンプを再計算する
    　ことを特徴とするセンシングシステム。
  2. 　請求項１に記載のセンシングシステムにおいて、
    　前記収集制御回路は、前記統計処理に用いるパケット数に関する拘束長として、１より大きくて前記カウント値の最大値より小さい数を用いることを特徴とするセンシングシステム。
  3. 　請求項２に記載のセンシングシステムにおいて、
    　前記収集制御回路は、前記統計処理の際、最後に受信した最新パケットから前記拘束長だけそれ以前に受信したパケット分に関するタイムスタンプを対象タイムスタンプとして前記記憶回路から読み出して統計処理することを特徴とするセンシングシステム。
  4. 　請求項２に記載のセンシングシステムにおいて、
    　前記収集制御回路は、前記パケットの受信に応じて新たなタイムスタンプを前記記憶回路に保存する際、すでに保存されているタイムスタンプ数が前記拘束長を下回る場合には、前記記憶回路に設けられている記憶領域の先頭から順に新たなタイムスタンプを保存し、前記タイムスタンプ数が前記拘束長に達している場合には、前記記憶領域の先頭に位置する最古のタイムスタンプを消去して残りのタイムスタンプを記憶領域の先頭から順に並ぶようシフトさせた後、前記記憶領域の最後尾に前記新たなタイムスタンプを保存し、前記統計処理の際、前記記憶領域に保存されているすべてのタイムスタンプを対象タイムスタンプとして前記記憶回路から読み出して統計処理することを特徴とするセンシングシステム。
  5. 　計測したセンサデータをパケットに格納して周期的に無線送信するセンサ端末と、前記パケットを受信して前記センサデータを収集して上位ネットワークへ転送するデータ収集端末とを備えるセンシングシステムで用いられるタイムスタンプ補正方法であって、
    　前記センサ端末のリアルタイムクロック回路が、自端末で生成したセンサクロックをインクリメンタルカウンタで計数することにより、一定の数値範囲で単調増加を繰り返すカウント値を出力するステップと、
    　前記センサ端末のセンサ制御回路が、前記カウント値の変化に同期して前記パケットを送信するとともに、前記カウント値を前記パケットに付加して送信するステップと、
    　前記データ収集端末の基準クロック生成回路が、前記上位ネットワークから取得した基準時刻に同期した基準クロックを生成するステップと、
    　前記データ収集端末の収集制御回路が、前記パケットの受信に応じて、前記基準クロック生成回路から前記基準クロックの値を取得して、前記パケットの到着時刻を示すタイムスタンプとして記憶回路に保存するステップと、
    　前記収集制御回路が、受信した複数のパケットに関する前記タイムスタンプとこれらパケットに付加されているカウント値とを統計処理し、得られたパケット送信間隔と先頭パケットの到着時刻を示す基準到着時刻とに基づいて、これらパケットに関する前記タイムスタンプを再計算するステップと
    　を備えることを特徴とするタイムスタンプ補正方法。
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