無線制御システム
【課題】、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることを可能とする無制御システムを実現すること。
【解決手段】無線ネットワークを構成する複数のセンサノードから複数のゲートウェイノードの少なくともいずれか一つを介し監視システムにデータを送信する無線制御システムにおいて、前記各ゲートウェイノードは、異なる通信設定が設定可能な複数の無線通信部を有し、前記各センサノードは、前記各ゲートウェイノードの前記各無線通信部のうち無線通信部を一つ選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とする。
【解決手段】無線ネットワークを構成する複数のセンサノードから複数のゲートウェイノードの少なくともいずれか一つを介し監視システムにデータを送信する無線制御システムにおいて、前記各ゲートウェイノードは、異なる通信設定が設定可能な複数の無線通信部を有し、前記各センサノードは、前記各ゲートウェイノードの前記各無線通信部のうち無線通信部を一つ選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線制御システムに関し、特に無線ネットワークおよびゲートウェイノード（以下、ＧＷノードという）の負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることを可能とする無線制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、たとえばインダストリアルオートメーションにおけるプロセス制御システムを、無線通信を利用した無線制御システムを構成することが提案されている。これは、従来の制御システムが有線ネットワークとして構成されていたことに起因して、通信距離の制限や配線の引き回しの制約などで温度や流量などを測定するセンサをプラント内の最適位置に設置できず、制御精度が低下する不都合を解消するためのものである。
【０００３】
このような従来の無線制御システムに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５１５６９５号公報
【０００５】
図８は、従来の無線制御システムの一例を示す構成ブロック図である。図８において、センサノード２０〜２５で測定された測定データを収集・記憶する監視システム１は、ネットワークＮＷ１００を介して、各センサノードと通信を行うＧＷノード１０と相互に接続されている。
【０００６】
ＧＷノード１０は、無線ネットワーク回線（以下、無線回線という）を介して、温度や流量などの物理量を測定するセンサ機能や測定データを無線伝送する無線通信機能を有するセンサノード２０〜２３と接続される。
【０００７】
センサノード２１は無線回線を介してセンサノード２０、２２、２３、２４、２５と接続される。また、センサノード２４は無線回線を介してセンサノード２２、２５と接続され、センサノード２３は無線回線を介してセンサノード２０、２５と接続される。
【０００８】
このように、センサノード２０〜２５はメッシュ型のマルチホップ無線ネットワークを形成している。また図８では、センサノード２３がセンサノード２０、ＧＷノード１０を介して監視システム１にデータを送信するデータ通信ＮＲ１００を示している。
【０００９】
特に図示しないがＧＷノード１０は、センサノードや他のＧＷノードとの間で無線通信を行う無線通信部、監視システムとの間で通信を行う通信部（有線）、各部の動作を制御する演算制御部、ＧＷノードとして動作させるためのプログラムや自ノードから監視システム１に到達するまでの経路情報などが格納されている記憶部から構成されている。
【００１０】
またセンサノード２０〜２５は、他のセンサノードやＧＷノードとの間で無線通信を行う無線通信部、各部の動作を制御する演算制御部、センサノードとして動作させるためのプログラムやセンサノードからＧＷノードに到達するまでの経路情報などが格納されている記憶部から構成されている。
【００１１】
ここでセンサノード２０〜２５は、アドレス／名前解決とともに経路探索を行ったり、オペレータが事前に各センサノードに経路情報を設定することにより、データをＧＷノード１０に転送するための経路情報をあらかじめ把握している。またＧＷノード１０は、監視システム１に到達するまでの経路情報をあらかじめ把握している。
【００１２】
従来の無線制御システムの動作についてデータ通信ＮＲ１００を例に説明する。センサノード２３は、センサ機能により流量や温度などの物理量を測定し、測定データを記憶する。センサノード２３は、記憶部にあらかじめ格納された経路情報に基づき、監視システム１へ測定データを転送するための中継点としてセンサノード２０を選択し、測定データを送信する。
【００１３】
センサノード２０は、記憶部にあらかじめ格納された経路情報に基づき、監視システム１へ測定データを転送するための中継点としてＧＷノード１０を選択し、センサノード２０で得られた測定データを送信する。
【００１４】
ＧＷノード１０において、無線通信部は無線回線を介してセンサノード２０から測定データを受信し、演算制御部は測定データを記憶部に記憶する。そして演算制御部は、記憶部にあらかじめ格納された経路情報に基づき、通信部を制御してネットワークＮＷ１００を介し測定データを監視システム１に送信する。
【００１５】
すなわちセンサノード２３は、データ通信ＮＲ１００に示すようにセンサノード２０、ＧＷノード１０を介して監視システム１に測定データを送信することになる。
【００１６】
監視システム１は、ＧＷノード１０から転送される測定データを記憶してセンサノード２３で測定された測定データを把握するとともに、同様に他のセンサノードからも測定データを収集・記憶することにより、プラントの運転状態を把握する。
【００１７】
そして監視システム１は、収集した測定データを図示しないコントローラに転送する。コントローラは、測定データが所定の目標値に収束するように図示しないバルブや調整弁などの制御機器を操作制御するための制御データを算出し、制御データに基づいて制御機器を操作制御する。
【００１８】
この結果、監視システムは各センサノードから測定データを収集・記憶することによりプラントの運転状態を把握でき、プラントの最適な運転を支援することができる。
【００１９】
ところで、このような無線制御システムを構築するのにあたり、各センサノードは、あらかじめＧＷノードの設置場所、ＩＰアドレスなどのネットワーク情報を把握している必要がある。そこで、ネットワーク情報を事前に各センサノードに設定したり、アドレス／名前解決機構を利用し無線ネットワークを介してネットワーク情報を取得することが行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、従来の無線制御システムでは、測定データの送受信に係る無線通信やネットワーク情報の取得に係る無線通信を含む全ての通信がＧＷノードを中継して行われるため、ＧＷノードやその周辺のセンサノードの通信負荷が大きくなってしまうという問題点がある。
【００２１】
また、このようにＧＷノード周辺の通信負荷が増大すると、無線ネットワークでは、無線通信の性質上、速度やエラーレートといった通信性能の劣化に直接影響を及ぼすため、システム全体の性能や信頼性が低下してしまうという問題点がある。
【００２２】
また、センサノードの設置場所によっては、障害物が存在すると電波障害が生じて無線通信が不安定に陥りやすくなり、ＧＷノードの通信負荷に偏りが生じてシステム全体の性能が低下するという問題点がある。
【００２３】
またＧＷノードやセンサノード間の無線通信では、各ノード間の距離とは無関係に設置位置のたとえば数センチ単位などの微妙な差異により、複数の反射波が重なり合って受信信号強度が劣化してしまうという従来からの課題（マルチパスフェージングによる通信性能劣化）があるところ、従来の無線制御システムではＧＷノードに多数のデータが集中するためマルチパスフェージングによって通信品質が低下してしまう。
【００２４】
このマルチパスフェージングによる通信性能劣化の課題に対して、各ノードの適切な設置位置を定める必要があるが、従来の無線制御システムではＧＷノードが無線通信部を１つしか搭載していないので、ＧＷノードの設置位置の自由度が小さく、全センサノードや全ＧＷノードに対してフェージングが起こらない設置位置やその姿勢を定めることは困難である。
【００２５】
また、上述のようなＧＷノードの通信負荷増大の問題点に対して通信負荷を低減させるために、複数のＧＷノードを設置して通信負荷を分散することが行われているが、センサノードやＧＷノードの設置場所によってはＧＷノードの通信負荷に偏りを生じることがあり、結果としてＧＷノードの負荷を制御できないことがある。
【００２６】
一方、緊急度の高いアラームデータと比較的優先度の低いデータとが共存する無線制御システムの場合では、複数のＧＷノードのうち少なくとも一つのＧＷノードがあらかじめ特定の周波数帯域が緊急度の高いアラームデータの送受信専用に設定し、データに優先順位をつけてデータ通信が行われている。
【００２７】
このような場合であっても、緊急度の高いデータ通信用の周波数帯域が必要となるが、上述の従来の無線制御システムでは、ＧＷノードは無線通信部を１つしか備えていないので、周波数帯域の割当によるデータの優先度付けは困難である。
【００２８】
具体的には、１つの無線通信部で帯域割当を実現する方法として、周波数ホッピングや時間分割通信などの技術が存在するが、これらの技術ではデータのリアルタイム性やスループットなどの性能面に課題があり、緊急度の高いアラームデータの伝送には適さないという問題点がある。
【００２９】
本発明はこれらの問題点を解決するものであり、その目的は、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることを可能とする無制御システムを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
無線ネットワークを構成する複数のセンサノードから複数のゲートウェイノードの少なくともいずれか一つを介し監視システムにデータを送信する無線制御システムにおいて、
前記各ゲートウェイノードは、異なる通信設定が設定可能な複数の無線通信部を有し、
前記各センサノードは、前記各ゲートウェイノードの前記各無線通信部のうち無線通信部を一つ選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とする。
【００３１】
請求項２記載の発明は、
前記各ゲートウェイノードは、前記各無線通信部の周波数チャネル、変調方式、識別ＩＤを含む通信設定を変更すること特徴とする。
【００３２】
請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載の無線制御システムにおいて、
前記センサノードは、
前記各ゲートウェイノードの各無線通信部の無線通信設定に基づき、前記各無線通信部のうち前記監視システムに到達するまでの中継点として無線通信部を一つ選択することを特徴とする。
【００３３】
請求項４記載の発明は、
請求項１〜請求項３いずれかに記載の無線制御システムにおいて、
前記センサノードは、自ノードで得た測定データまたは他のセンサノードから受信した測定データが緊急用データである場合には、前記各ゲートウェイノードの各無線通信部の無線通信設定に基づき、前記各無線通信部のうち緊急データ通信用の無線通信設定が施されている無線通信部を選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とする。
【００３４】
請求項５記載の発明は、
請求項１〜請求項４いずれかに記載の無線制御システムにおいて、
前記各ゲートウェイノードは、無線通信を行う複数の無線通信部と、前記監視システムと有線通信または無線通信によるデータ通信を行う通信部と、少なくとも前記各ゲートウェイノードを介して前記各センサノードから前記監視システムに到達するまでの経路情報、自ノードのアドレス情報および前記各無線通信部の無線通信設定情報を含むＧＷ情報通知データを格納する記憶部と、前記無線通信部の通信設定を行い、前記ＧＷ情報通知データを前記各センサノードに送信し、前記経路情報に基づいて前記各センサノードからの前記データを前記監視システムに転送する演算制御部とから構成されることを特徴とする。
【００３５】
請求項６記載の発明は、
請求項１〜請求項５いずれかに記載の無線制御システムにおいて、
前記各センサノードは、少なくとも自ノードから前記各ゲートウェイノードに到達するまでの経路情報および経路コスト情報を格納する記憶部と、無線通信を行う無線通信部と、前記ＧＷ情報通知データを他のセンサノードに転送し、前記ＧＷ情報通知データに基づき少なくとも前記各ゲートウェイノードのアドレス情報を前記記憶部に記憶し、前記経路情報、前記経路コスト情報および前記ＧＷ情報通知データに基づいて前記ゲートウェイノードに到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択し、この経路に基づき自ノードで得たデータまたは他のセンサノードから受信したデータを前記ゲートウェイノードまたはその他のセンサノードに送信する演算制御部とから構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る無線制御システムによれば、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減でき、システムの信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は本発明に係る無線制御システムの一実施例を示す構成ブロック図であり、図８と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図８との相違点は、ＧＷノード５０に出力、周波数、変調方式などの異なる無線通信の物理的特性や通信設定が設定可能な無線通信部５０、５１が複数設けられていること、各センサノードがＧＷノードの複数の無線通信部のうちいずれか一つを選択して接続することである。
【００３８】
図１において、監視システム１はネットワークＮＷ１００を介してＧＷノード５０と相互に接続されている。図１において、センサノード６１〜６４、７１〜７３で測定された測定データを収集・記憶する監視システム１は、ネットワークＮＷ１００を介して、ＧＷノード５０と相互に接続されている。
【００３９】
ＧＷノード５０の無線通信部５１は、無線回線を介してセンサノード６１、６２と接続されている。センサノード６２は、無線回線を介してセンサノード６１、６３、６４と相互に接続されている。
【００４０】
ＧＷノード５０の無線通信部５２は、無線回線を介してセンサノード７１、７２と接続されている。センサノード７２は、無線回線を介してセンサノード７１、７３と相互に接続されている。
【００４１】
このように、センサノード６１〜６４、７１〜７３は、メッシュ型のマルチホップ無線ネットワークを形成している。図１では、センサノード６３がセンサノード６１、ＧＷノード５０を介して監視システム１にデータを送信するデータ通信ＮＲ２００の動作を示している。
【００４２】
図２は、図１のＧＷノード５０の無線通信機能の一例を示す構成ブロック図である。図２において、無線通信部５１、５２および通信部５３は演算制御部５４に接続され、演算制御部５４は記憶部５５に接続されている。
【００４３】
通信部５３は、主に監視システム１との間で、たとえばＴＣＰ／ＩＰプロトコルに基づくデータ通信を監視システム１と行う。無線通信部５１は、たとえば無線通信を送受信するためのアンテナ素子を備えるものであって、主にセンサノード６１〜６４や図示しない他のＧＷノードとの間で無線通信を行う。無線通信部５２は、たとえばアンテナ素子を備えるものであって、主にセンサノード７１〜７３や図示しない他のＧＷノードとの間で無線通信を行う。
【００４４】
演算制御部５４（たとえばＣＰＵ）は、各種機能や各部の動作を制御する。記憶部５５はたとえばＲＡＭやＲＯＭなどであり、主にＯＳやＧＷノードとして動作させるためのプログラムやアプリケーション、これらプログラムなどの実行時に使用されるデータ、自ノードから監視システム１に到達するまでの経路情報などの各種情報を格納する。
【００４５】
図３は、図１のＧＷノード５０を構成する演算制御部５４の機能ブロック例図である。データ送受部５４ａは、主にデータフレームを生成し、無線通信部５１および５２、通信部５３を介してデータの送受信を行う。経路情報格納部５４ｂは、主に自ノードから監視システム３０に到達するまでの経路情報などを格納する。
【００４６】
経路情報提供部５４ｃは、ＧＷノードの設置場所、アドレスなどのネットワーク情報を各センサノードに通知する。測定データ管理部５４ｄは、無線通信部５１、５２を介して受信しデータ送受部５４ａで抽出取得した各センサノード６１〜６４、７１〜７３からの測定データを記憶部５５に記憶する。通信設定部５４ｅは、無線通信部５１、５２の出力、周波数、変調方式などの無線通信の物理的特性に関わる設定を変更し、これら無線通信設定情報を記憶部５４に記憶する。
【００４７】
なお、無線制御システムには、上記のような複数の無線通信部を有するＧＷノードが備えられるものであってもよい。
【００４８】
図４は、図１のセンサノード６１の無線通信機能の一例を示す構成ブロック図である。図４において、無線通信部６１１は演算制御部６１２に接続され、演算制御部６１２は記憶部６１３に接続されている。
【００４９】
無線通信部６１１は、主に監視システム１との間で通信を行い、たとえばＴＣＰ／ＩＰプロトコルに基づくデータ通信を監視システム１と行う。無線通信部６１１は、主に他のセンサノードや図示しない他のＧＷノードとの間で無線通信を行う。
【００５０】
演算制御部６１２（たとえばＣＰＵ）は、各種機能や各部の動作を制御する。記憶部６１３には、主にＯＳやセンサノードとして動作させるためのプログラムやアプリケーション、これらプログラムなどの実行時に使用されるデータ、自ノードから監視システム１に到達するまでの経路情報、経路コスト情報、各ＧＷノードの無線通信における出力、周波数、変調方式等の無線通信の物理的特性情報などの各種情報が格納されている。センサノード６１〜６４、７１〜７３もセンサノード６１と同様の構成である。
【００５１】
なお、経路情報は、少なくともセンサノードやＧＷノードのＩＰアドレスなどの次のホップの宛先とＧＷノードのＩＰアドレスである最終的な宛先が記憶されていればよく、この経路情報と経路コスト情報とは互いに関連付けされているものでもよい。
【００５２】
また、経路コスト情報は、データの送信元から送信先へ到達するまでの経路全体の通信品質を表す指標であり、たとえば、各センサノードおよびＧＷノードによりそれぞれ算出されるホップ数や電波の受信強度の積算値、ビットエラーレート、位置情報（ＧＰＳや三点測量などを用いたもの）などでもよい。
【００５３】
図５は、図１のセンサノード６１を構成している演算制御部６１２の機能ブロック例図である。データ送受部６１ａは、主にデータフレームを生成し、データの送受信を行う。経路情報格納部６１ｂは、主に次ホップアドレスや各ＧＷノードに到達するまでの経路情報、経路コスト情報などを格納する。
【００５４】
経路情報提供部６１ｃは、自ノードおよび他のセンサノードの設置場所、アドレスなどのネットワーク情報を他のセンサノードに通知する。経路選択部６１ｄは、経路情報格納部６１ｂの経路情報、経路コスト情報およびＧＷノード５０の無線通信における出力、周波数、変調方式等の無線通信の物理的特性に基づいて、監視システム１に測定データを転送するための最適な経路を選択する。センサ部６１ｅは、図示しないセンサを制御して流量や温度などの物理量を測定する。
【００５５】
図６は、本発明に係る無線制御システムの動作を説明するシーケンス図である。なお、センサノード６１〜６４、７１〜７３は、アドレス／名前解決を行うとともに、経路探索や事前に各センサノードに経路情報を設定することなどにより、各センサノードを介してＧＷノード５０にデータを転送するための経路情報やその経路コスト情報、次ホップの宛先などをあらかじめ把握しているものとする。
【００５６】
以下、図１のデータ通信ＮＲ２００について説明する。まず、シーケンスＳＱ１０１において、ＧＷノード５０の演算制御部５４は、格納されたプログラムを読み出し実行することにより、個々の無線通信部５１の無線通信に関する設定を行う。
【００５７】
具体的には、演算制御部５４の通信設定部５４ｅは、無線通信部５１の無線通信の設定（周波数チャネル、変調方式など）をあらかじめ定められた値に設定する。たとえばＧＷノード５０の通信設定部５４ｅは、無線通信部５１の通信設定について、緊急データ通信用として特定の周波数帯域を割り当てる。
【００５８】
なお、ＧＷノード５０の演算制御部５４が記憶部５５に格納されたプログラムを読み出し実行して各部を制御する動作については、同様であるので以下省略する。
【００５９】
シーケンスＳＱ１０２において、ＧＷノード５０は、個々の無線通信部５２の無線通信に関する設定を行う。たとえば通信設定部５４ｅは、無線通信部５２の無線通信の設定（周波数チャネル、変調方式など）をあらかじめ定められた値に設定する。なお、このような無線通信部５１における無線通信の設定は、立ち上げ時に行ってもシステム動作時に動的に行ってもよい。
【００６０】
シーケンスＳＱ１０３において、ＧＷノード５０の演算制御部５４の経路情報提供部５４ｃは、データ送受部５４ａを制御し、無線通信部５１からＧＷノード５０のアドレス情報、無線通信設定情報などを付加した「ゲートウェイ情報通知データ（以下、ＧＷ情報通知データという）」を自ノードと接続されている各センサノードに送信する。
【００６１】
たとえばＧＷノード５０の無線通信部５１は、演算制御部により設定された無線設定に基づき動作し、センサノード６１にアドレス情報や無線通信部が取扱う通信周波数などの情報を含むＧＷ情報通知データを送信する。
【００６２】
シーケンスＳＱ１０４において、センサノード６１の演算制御部６１２は記憶部６１３に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、ＧＷノード５０の無線通信部５１から得たＧＷ情報通知データに基づき、ＧＷノード５０のアドレス情報などを経路情報格納部６１ｂに記憶し、データ送受部６１ａを制御してＧＷノード５０から得たＧＷ情報通知データをセンサノード６３に転送する。
【００６３】
なお、センサノード６１の演算制御部６１２が記憶部６１３に格納されたプログラムを読み出し実行して各部を制御する動作は、他のセンサノードと同様であるので以下省略する。
【００６４】
シーケンスＳＱ１０５において、ＧＷノード５０の演算制御部５４の経路情報提供部５４ｃは、データ送受部５４ａを制御し、無線通信部５２から、ＧＷ情報通知データを自ノードと接続されている各センサノードに送信する。たとえばＧＷノード５０はセンサノード６３にＧＷ情報通知データを送信する。
【００６５】
シーケンスＳＱ１０６において、センサノード６１の演算制御部６１２は記憶部６１３に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、ＧＷノード５０の無線通信部５２から得たＧＷ情報通知データに基づき、ＧＷノード５０のアドレス情報などを経路情報格納部６１ｂに記憶し、データ送受部６１ａを制御してＧＷノード５０から得たＧＷ情報通知データをセンサノード６３に転送する。
【００６６】
シーケンスＳＱ１０７において、センサノード６３の演算制御部の経路選択部は、各無線通信部の無線通信設定状況、経路情報格納部に格納された経路情報、経路コスト情報（通信周波数チャネルの混雑度を含む）および記憶部に格納された測定データの優先度に基づいて、適切なＧＷノードの無線通信部を通信相手として選択し、ＧＷノード５０に到達する経路で最も通信品質が良好な経路を選択する。
【００６７】
たとえば、センサノード６３は、センサ部で得た測定データが緊急度の高いアラームデータである場合には、センサ部で取得した測定データの優先度や通信周波数チャネルの混雑度を含む情報およびＧＷ情報通知データに基づき、緊急データ通信用の無線通信設定が施されているＧＷノード５０の無線通信部５１を通信相手として選択する。
【００６８】
そして、センサノード６３は、たとえば経路情報格納部に格納された経路情報および経路コスト情報に基づいて、ＧＷノード５０の無線通信部５１に到達する経路のうち、最も通信品質が良好な経路（たとえば、センサノード６１→ＧＷノード５０→監視システム１に到達する経路）を選択する。
【００６９】
シーケンスＳＱ１０８において、センサノード６３の演算制御部のデータ送受部は、経路選択部が選択した経路および経路情報格納部に格納された経路情報に基づいて、センサ部で得られた測定データをセンサノード６１に送信する。
【００７０】
シーケンスＳＱ１０９において、センサノード６１の演算制御部６１２のデータ送受部６１ａは、センサノード６３から得た測定データや経路情報に基づいて、ＧＷノード５０に到達する経路で最も通信品質が良好な経路（たとえばＧＷノード５０）を選択して、センサノード６３から得た測定データをＧＷノード５０に送信する。
【００７１】
シーケンスＳＱ１１０において、ＧＷノード５０の演算制御部５４は、無線通信部５１で受信した測定データを通信部５３から送信して監視システムとデータ通信をするため、通信プロトコル変換する。
【００７２】
シーケンスＳＱ１１１において、ＧＷノード５０の通信部５３は、経路情報格納部５４ｂの経路情報に基づき、センサノード６１から受信した測定データ、すなわち、センサノード６３が測定したデータを監視システム１に転送する。
【００７３】
監視システム１は、ＧＷノード５０と同様に他のセンサノードからも測定データを収集・記憶することにより、プラントの運転状態を把握できる。
【００７４】
そして、監視システム１は、収集した測定データを図示しないコントローラに転送し、コントローラは測定データを所定の目標値に収束するように図示しないバルブや調整弁などの制御機器を操作制御するための制御データを算出し、制御データに基づいて制御機器を操作制御する。
【００７５】
この結果、本発明に係る無線制御システムでは、ＧＷノードが複数の無線通信部を備えることにより、無線ネットワークおよびＧＷノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることができる。
【００７６】
具体的には、従来のシステムでは、ＧＷノードにトラフィック負荷が集中し、システム全体のパフォーマンスが悪化していたが、本発明の無線制御システムによれば、ＧＷノードが無線通信部を複数有することにより、トラフィックの負荷を分散することができＧＷノードの通信に関する信頼性が向上し、結果としてシステム全体の信頼性が向上する。
【００７７】
また、本発明の無線制御システムはＧＷノードが複数の無線通信部を備えるため、ダイバーシティを獲得してマルチパスフェージングによる性能劣化を回避することができる。
【００７８】
また、ＧＷノードは複数の無線通信部を備えるため、複数のチャネルを割り当てることができることにより、優先帯域確保やＱｏＳ制御を容易に実現することができる。
【００７９】
また、従来のシステムにおけるフィールド機器などの計器やセンサノードは、測定点に対して設置されるので、通信機能の都合で位置を調整することは困難であったが、本発明の無線制御システムはＧＷノードが複数の無線通信部を備えることにより、ノードの設置自由度が向上して設置位置を容易に調整することができる。
【００８０】
また、通常のセンサノードは、オフィスのモバイル機器とは違い、ユーザインタフェースが貧弱であることから現場で機器同士の通信状況を確認し難く微細な位置調整は困難であったが、本発明の無線制御システムはＧＷノードが複数の無線通信部を備えることにより、ノードの設置自由度が向上して設置位置を容易に調整することができる。
【００８１】
このように本発明の無線制御システムはＧＷノードが複数の無線通信部を備えることにより、各ＧＷノード、センサノードの設置自由度が向上し、システム運用やインストレーション作業が簡易になり、運用・保守もまた簡易に行うことができる。
【００８２】
また、本発明の無線制御システムは、ＧＷノードが複数の変調方式の無線機能を共存させてダイナミックに通信設定を変更することで、機能や特徴の異なる無線通信方式を環境やアプリケーションに応じて適切に使い分けることができ、無線ネットワークおよびＧＷノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることができる。
【００８３】
なお上述の実施例では、ＧＷノード５０は無線通信部５１、５２を有すると説明しているが、ＧＷノードは複数の無線通信部を有するものでもよい。
【００８４】
また、上述の実施例の無線制御システムでは、各センサノードはＧＷノード５０を介して監視システム１とデータ通信を行うものとして説明しているが、無線制御システムはＧＷノードを複数個備えるものであってもよく、各センサノードはいずれかのＧＷノードを介して監視システム１とデータ通信を行うものであってもよい。
【００８５】
図７は無線制御システムがＧＷノードを複数個備える場合の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付け適宜説明を省略する。図１との相違点は、ＧＷノードが複数個備えられていることである。
【００８６】
ＧＷノードを複数個備えた無線制御システムは、無線通信のためのインタフェースが増えることによりトラフィックの負荷を分散することができ、ＧＷノードの通信に関する信頼性が向上し、結果としてシステム全体の信頼性が向上する。
【００８７】
また、上記実施例では、無線制御システムがインダストリアルオートメーションにおけるプラントの運転を支援する例を説明したが、特にこれに限定されるものではなく、たとえばファクトリーオートメーションにおける浄水場の制御システムや、ビルの空調・照明システムなどの運転を支援するものであっても構わない。
【００８８】
たとえば、ビルオートメーションシステムにおいては、照明やスイッチなどをセンサノードとした場合、センサノードが設置されるビル内部も機器や什器など多くの障害物が存在するので電波障害も生じやすい。
【００８９】
この場合には、各ＧＷノードは複数の無線通信部を備え、アドレス情報などのＧＷノード情報を含むＧＷ情報通知データを各センサノードに送信し、各センサノードはこのＧＷ情報通知データを記憶するとともに各センサノードに転送し、各ＧＷノードの各無線通信部の無線通信設定に基づき監視システムに到達するまでの中継点としてＧＷノードの無線通信部の中から一つを選択する。
【００９０】
そしてセンサノードは、当該ＧＷノードの無線通信部に到達する経路で通信品質が良好な経路を選択して測定データを送信することにより、無線ネットワークおよびＧＷノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることができる。
【００９１】
また、本発明に係る無線制御システムでは、ＧＷノードまたはセンサノードは、一部にＳＤＲ(Software Defined Radio)のような特別な無線方式を前提としている機能を含むものであってもよい。なおＳＤＲとは、周波数帯、変調方式などが異なるさまざまな無線通信手段を１台の無線機のソフトウェアを書き換えることで対応させる技術である。このＳＤＲを用いることにより、本発明で述べる通信周波数や変調方式のような動作を簡易かつ柔軟に行うことが可能になる。
【００９２】
また、本発明に係る無線制御システムにおける通信設定部は、ＧＷノード内にあらかじめ定められ記憶されるスケジュール情報（観測スケジュールなど）に基づき各無線通信部の通信設定（周波数帯、変調方式）を変更するものでもよいし、緊急度の高いデータ通信を行う際の無線通信部の選択やその通信設定を変更するものでもよい。
【００９３】
また、本発明に係る無線制御システムにおけるＧＷノードの演算制御部５４のデータ送受部５４ａは、データフレームの生成機能やマルチホップデータ中継機能などを有するものであってもよく、データ中継アルゴリズムには任意のものを用いてもよい。
【００９４】
また、本発明に係る無線制御システムにおける監視システム１は、それぞれ図示しない各種機能や各部の動作を制御する演算制御部（たとえばＣＰＵ）、各機器間で通信を行う通信部、ＯＳや各機器として動作するためのプログラムやアプリケーション、これらプログラムなどの実行時に使用されるデータ、各種情報などを格納するＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部などのハードウェアから構成され、各部はバスにより相互に接続されるようなそれぞれ独立した機器から構成されるものであってもよい。
【００９５】
この場合、監視システム１の演算制御部は、記憶部に格納されているＯＳなどを起動して、このＯＳ上で格納されたプログラムを読み出し実行することにより各機器または各部全体を制御し、各機器または各部固有の動作を行う。このとき記憶部は、演算制御部によって実行されるプログラムやアプリケーションをプログラム格納エリアに展開し、入力されたデータや、プログラムやアプリケーションの実行時に生じる処理結果などのデータをワークエリアに一時的に記憶するものであってもよい。
【００９６】
このような構成の監視システム１では、たとえば演算制御部が各部を制御し、各センサノードから収集した測定データを図示しないコントローラに転送し、コントローラは測定データを所定の目標値に収束するように図示しないバルブや調整弁などの制御機器を操作制御するための制御データを算出し、制御データに基づいて制御機器を操作制御する。
【００９７】
また、上記実施例では、ＧＷノード５０が各センサノードおよび監視システムと接続されると説明しているが、異なる通信設定が設定可能な複数の無線通信部を有する複数のＧＷノードが各センサノードおよび監視システムと接続されるものであってもよく、各センサノードは、複数のＧＷノードの各無線通信部のうち無線通信部を一つ選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とするものであってもよい。
【００９８】
また、上記実施例では、センサノード６１〜６４、７１〜７３から構成される無線ネットワークを示しているが、無線通信方式は無線通信の標準規格であるＩＥＥＥ８０２．１５．４を用いるものであっても構わないし、各センサノードが無線回線を介してデータの送受信をすることが可能であるならば、どのようなものを用いても構わない。
【００９９】
また上記実施例では、監視システムとＧＷノードがデータ通信を行うと説明している、監視システムとＧＷノードによって形成されるネットワークインフラは、データの送受信をすることが可能であるならば、いかなる通信方式であっても構わない（たとえば、Ethernet（登録商標）/LANなどを利用するものでもよい）。
【０１００】
以上説明したように本発明によれば、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることできる無制御システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明に係る無線制御システムの一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】図１のＧＷノード５０の無線通信機能の一例を示す構成ブロック図である。
【図３】図１のＧＷノード５０を構成する演算制御部５４の機能ブロック例図である。
【図４】図１のセンサノード６１の無線通信機能の一例を示す構成ブロック図である。
【図５】図１のセンサノード６１を構成している演算制御部６１２の機能ブロック例図である。
【図６】本発明に係る無線制御システムの動作を説明するシーケンス図である。
【図７】無線制御システムがＧＷノードを複数個備える場合の構成図である。
【図８】従来の無線制御システムの一例を示す構成ブロック図である
【符号の説明】
【０１０２】
１ 監視システム
１０、５０ ゲートウェイノード
１１、５３ 通信部
１２、５１、５２、６１１ 無線通信部
１３、５４、６１２ 演算制御部
１３ａ、５４ａ、６１ａ データ送受部
１３ｂ、５４ｂ、６１ｂ 経路情報格納部
１３ｃ、５４ｃ、６１ｃ 経路情報提供部
１３ｄ、５４ｄ 測定データ管理部
５４ｅ 通信設定部
６１ｄ 経路選択部
６１ｅ センサ部
１４、５５、６１３ 記憶部
２０〜２５、６１、〜６４、７１〜７３ センサノード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線制御システムに関し、特に無線ネットワークおよびゲートウェイノード（以下、ＧＷノードという）の負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることを可能とする無線制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、たとえばインダストリアルオートメーションにおけるプロセス制御システムを、無線通信を利用した無線制御システムを構成することが提案されている。これは、従来の制御システムが有線ネットワークとして構成されていたことに起因して、通信距離の制限や配線の引き回しの制約などで温度や流量などを測定するセンサをプラント内の最適位置に設置できず、制御精度が低下する不都合を解消するためのものである。
【０００３】
このような従来の無線制御システムに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５１５６９５号公報
【０００５】
図８は、従来の無線制御システムの一例を示す構成ブロック図である。図８において、センサノード２０〜２５で測定された測定データを収集・記憶する監視システム１は、ネットワークＮＷ１００を介して、各センサノードと通信を行うＧＷノード１０と相互に接続されている。
【０００６】
ＧＷノード１０は、無線ネットワーク回線（以下、無線回線という）を介して、温度や流量などの物理量を測定するセンサ機能や測定データを無線伝送する無線通信機能を有するセンサノード２０〜２３と接続される。
【０００７】
センサノード２１は無線回線を介してセンサノード２０、２２、２３、２４、２５と接続される。また、センサノード２４は無線回線を介してセンサノード２２、２５と接続され、センサノード２３は無線回線を介してセンサノード２０、２５と接続される。
【０００８】
このように、センサノード２０〜２５はメッシュ型のマルチホップ無線ネットワークを形成している。また図８では、センサノード２３がセンサノード２０、ＧＷノード１０を介して監視システム１にデータを送信するデータ通信ＮＲ１００を示している。
【０００９】
特に図示しないがＧＷノード１０は、センサノードや他のＧＷノードとの間で無線通信を行う無線通信部、監視システムとの間で通信を行う通信部（有線）、各部の動作を制御する演算制御部、ＧＷノードとして動作させるためのプログラムや自ノードから監視システム１に到達するまでの経路情報などが格納されている記憶部から構成されている。
【００１０】
またセンサノード２０〜２５は、他のセンサノードやＧＷノードとの間で無線通信を行う無線通信部、各部の動作を制御する演算制御部、センサノードとして動作させるためのプログラムやセンサノードからＧＷノードに到達するまでの経路情報などが格納されている記憶部から構成されている。
【００１１】
ここでセンサノード２０〜２５は、アドレス／名前解決とともに経路探索を行ったり、オペレータが事前に各センサノードに経路情報を設定することにより、データをＧＷノード１０に転送するための経路情報をあらかじめ把握している。またＧＷノード１０は、監視システム１に到達するまでの経路情報をあらかじめ把握している。
【００１２】
従来の無線制御システムの動作についてデータ通信ＮＲ１００を例に説明する。センサノード２３は、センサ機能により流量や温度などの物理量を測定し、測定データを記憶する。センサノード２３は、記憶部にあらかじめ格納された経路情報に基づき、監視システム１へ測定データを転送するための中継点としてセンサノード２０を選択し、測定データを送信する。
【００１３】
センサノード２０は、記憶部にあらかじめ格納された経路情報に基づき、監視システム１へ測定データを転送するための中継点としてＧＷノード１０を選択し、センサノード２０で得られた測定データを送信する。
【００１４】
ＧＷノード１０において、無線通信部は無線回線を介してセンサノード２０から測定データを受信し、演算制御部は測定データを記憶部に記憶する。そして演算制御部は、記憶部にあらかじめ格納された経路情報に基づき、通信部を制御してネットワークＮＷ１００を介し測定データを監視システム１に送信する。
【００１５】
すなわちセンサノード２３は、データ通信ＮＲ１００に示すようにセンサノード２０、ＧＷノード１０を介して監視システム１に測定データを送信することになる。
【００１６】
監視システム１は、ＧＷノード１０から転送される測定データを記憶してセンサノード２３で測定された測定データを把握するとともに、同様に他のセンサノードからも測定データを収集・記憶することにより、プラントの運転状態を把握する。
【００１７】
そして監視システム１は、収集した測定データを図示しないコントローラに転送する。コントローラは、測定データが所定の目標値に収束するように図示しないバルブや調整弁などの制御機器を操作制御するための制御データを算出し、制御データに基づいて制御機器を操作制御する。
【００１８】
この結果、監視システムは各センサノードから測定データを収集・記憶することによりプラントの運転状態を把握でき、プラントの最適な運転を支援することができる。
【００１９】
ところで、このような無線制御システムを構築するのにあたり、各センサノードは、あらかじめＧＷノードの設置場所、ＩＰアドレスなどのネットワーク情報を把握している必要がある。そこで、ネットワーク情報を事前に各センサノードに設定したり、アドレス／名前解決機構を利用し無線ネットワークを介してネットワーク情報を取得することが行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、従来の無線制御システムでは、測定データの送受信に係る無線通信やネットワーク情報の取得に係る無線通信を含む全ての通信がＧＷノードを中継して行われるため、ＧＷノードやその周辺のセンサノードの通信負荷が大きくなってしまうという問題点がある。
【００２１】
また、このようにＧＷノード周辺の通信負荷が増大すると、無線ネットワークでは、無線通信の性質上、速度やエラーレートといった通信性能の劣化に直接影響を及ぼすため、システム全体の性能や信頼性が低下してしまうという問題点がある。
【００２２】
また、センサノードの設置場所によっては、障害物が存在すると電波障害が生じて無線通信が不安定に陥りやすくなり、ＧＷノードの通信負荷に偏りが生じてシステム全体の性能が低下するという問題点がある。
【００２３】
またＧＷノードやセンサノード間の無線通信では、各ノード間の距離とは無関係に設置位置のたとえば数センチ単位などの微妙な差異により、複数の反射波が重なり合って受信信号強度が劣化してしまうという従来からの課題（マルチパスフェージングによる通信性能劣化）があるところ、従来の無線制御システムではＧＷノードに多数のデータが集中するためマルチパスフェージングによって通信品質が低下してしまう。
【００２４】
このマルチパスフェージングによる通信性能劣化の課題に対して、各ノードの適切な設置位置を定める必要があるが、従来の無線制御システムではＧＷノードが無線通信部を１つしか搭載していないので、ＧＷノードの設置位置の自由度が小さく、全センサノードや全ＧＷノードに対してフェージングが起こらない設置位置やその姿勢を定めることは困難である。
【００２５】
また、上述のようなＧＷノードの通信負荷増大の問題点に対して通信負荷を低減させるために、複数のＧＷノードを設置して通信負荷を分散することが行われているが、センサノードやＧＷノードの設置場所によってはＧＷノードの通信負荷に偏りを生じることがあり、結果としてＧＷノードの負荷を制御できないことがある。
【００２６】
一方、緊急度の高いアラームデータと比較的優先度の低いデータとが共存する無線制御システムの場合では、複数のＧＷノードのうち少なくとも一つのＧＷノードがあらかじめ特定の周波数帯域が緊急度の高いアラームデータの送受信専用に設定し、データに優先順位をつけてデータ通信が行われている。
【００２７】
このような場合であっても、緊急度の高いデータ通信用の周波数帯域が必要となるが、上述の従来の無線制御システムでは、ＧＷノードは無線通信部を１つしか備えていないので、周波数帯域の割当によるデータの優先度付けは困難である。
【００２８】
具体的には、１つの無線通信部で帯域割当を実現する方法として、周波数ホッピングや時間分割通信などの技術が存在するが、これらの技術ではデータのリアルタイム性やスループットなどの性能面に課題があり、緊急度の高いアラームデータの伝送には適さないという問題点がある。
【００２９】
本発明はこれらの問題点を解決するものであり、その目的は、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることを可能とする無制御システムを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
無線ネットワークを構成する複数のセンサノードから複数のゲートウェイノードの少なくともいずれか一つを介し監視システムにデータを送信する無線制御システムにおいて、
前記各ゲートウェイノードは、異なる通信設定が設定可能な複数の無線通信部を有し、
前記各センサノードは、前記各ゲートウェイノードの前記各無線通信部のうち無線通信部を一つ選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とする。
【００３１】
請求項２記載の発明は、
前記各ゲートウェイノードは、前記各無線通信部の周波数チャネル、変調方式、識別ＩＤを含む通信設定を変更すること特徴とする。
【００３２】
請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載の無線制御システムにおいて、
前記センサノードは、
前記各ゲートウェイノードの各無線通信部の無線通信設定に基づき、前記各無線通信部のうち前記監視システムに到達するまでの中継点として無線通信部を一つ選択することを特徴とする。
【００３３】
請求項４記載の発明は、
請求項１〜請求項３いずれかに記載の無線制御システムにおいて、
前記センサノードは、自ノードで得た測定データまたは他のセンサノードから受信した測定データが緊急用データである場合には、前記各ゲートウェイノードの各無線通信部の無線通信設定に基づき、前記各無線通信部のうち緊急データ通信用の無線通信設定が施されている無線通信部を選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とする。
【００３４】
請求項５記載の発明は、
請求項１〜請求項４いずれかに記載の無線制御システムにおいて、
前記各ゲートウェイノードは、無線通信を行う複数の無線通信部と、前記監視システムと有線通信または無線通信によるデータ通信を行う通信部と、少なくとも前記各ゲートウェイノードを介して前記各センサノードから前記監視システムに到達するまでの経路情報、自ノードのアドレス情報および前記各無線通信部の無線通信設定情報を含むＧＷ情報通知データを格納する記憶部と、前記無線通信部の通信設定を行い、前記ＧＷ情報通知データを前記各センサノードに送信し、前記経路情報に基づいて前記各センサノードからの前記データを前記監視システムに転送する演算制御部とから構成されることを特徴とする。
【００３５】
請求項６記載の発明は、
請求項１〜請求項５いずれかに記載の無線制御システムにおいて、
前記各センサノードは、少なくとも自ノードから前記各ゲートウェイノードに到達するまでの経路情報および経路コスト情報を格納する記憶部と、無線通信を行う無線通信部と、前記ＧＷ情報通知データを他のセンサノードに転送し、前記ＧＷ情報通知データに基づき少なくとも前記各ゲートウェイノードのアドレス情報を前記記憶部に記憶し、前記経路情報、前記経路コスト情報および前記ＧＷ情報通知データに基づいて前記ゲートウェイノードに到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択し、この経路に基づき自ノードで得たデータまたは他のセンサノードから受信したデータを前記ゲートウェイノードまたはその他のセンサノードに送信する演算制御部とから構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る無線制御システムによれば、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減でき、システムの信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は本発明に係る無線制御システムの一実施例を示す構成ブロック図であり、図８と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図８との相違点は、ＧＷノード５０に出力、周波数、変調方式などの異なる無線通信の物理的特性や通信設定が設定可能な無線通信部５０、５１が複数設けられていること、各センサノードがＧＷノードの複数の無線通信部のうちいずれか一つを選択して接続することである。
【００３８】
図１において、監視システム１はネットワークＮＷ１００を介してＧＷノード５０と相互に接続されている。図１において、センサノード６１〜６４、７１〜７３で測定された測定データを収集・記憶する監視システム１は、ネットワークＮＷ１００を介して、ＧＷノード５０と相互に接続されている。
【００３９】
ＧＷノード５０の無線通信部５１は、無線回線を介してセンサノード６１、６２と接続されている。センサノード６２は、無線回線を介してセンサノード６１、６３、６４と相互に接続されている。
【００４０】
ＧＷノード５０の無線通信部５２は、無線回線を介してセンサノード７１、７２と接続されている。センサノード７２は、無線回線を介してセンサノード７１、７３と相互に接続されている。
【００４１】
このように、センサノード６１〜６４、７１〜７３は、メッシュ型のマルチホップ無線ネットワークを形成している。図１では、センサノード６３がセンサノード６１、ＧＷノード５０を介して監視システム１にデータを送信するデータ通信ＮＲ２００の動作を示している。
【００４２】
図２は、図１のＧＷノード５０の無線通信機能の一例を示す構成ブロック図である。図２において、無線通信部５１、５２および通信部５３は演算制御部５４に接続され、演算制御部５４は記憶部５５に接続されている。
【００４３】
通信部５３は、主に監視システム１との間で、たとえばＴＣＰ／ＩＰプロトコルに基づくデータ通信を監視システム１と行う。無線通信部５１は、たとえば無線通信を送受信するためのアンテナ素子を備えるものであって、主にセンサノード６１〜６４や図示しない他のＧＷノードとの間で無線通信を行う。無線通信部５２は、たとえばアンテナ素子を備えるものであって、主にセンサノード７１〜７３や図示しない他のＧＷノードとの間で無線通信を行う。
【００４４】
演算制御部５４（たとえばＣＰＵ）は、各種機能や各部の動作を制御する。記憶部５５はたとえばＲＡＭやＲＯＭなどであり、主にＯＳやＧＷノードとして動作させるためのプログラムやアプリケーション、これらプログラムなどの実行時に使用されるデータ、自ノードから監視システム１に到達するまでの経路情報などの各種情報を格納する。
【００４５】
図３は、図１のＧＷノード５０を構成する演算制御部５４の機能ブロック例図である。データ送受部５４ａは、主にデータフレームを生成し、無線通信部５１および５２、通信部５３を介してデータの送受信を行う。経路情報格納部５４ｂは、主に自ノードから監視システム３０に到達するまでの経路情報などを格納する。
【００４６】
経路情報提供部５４ｃは、ＧＷノードの設置場所、アドレスなどのネットワーク情報を各センサノードに通知する。測定データ管理部５４ｄは、無線通信部５１、５２を介して受信しデータ送受部５４ａで抽出取得した各センサノード６１〜６４、７１〜７３からの測定データを記憶部５５に記憶する。通信設定部５４ｅは、無線通信部５１、５２の出力、周波数、変調方式などの無線通信の物理的特性に関わる設定を変更し、これら無線通信設定情報を記憶部５４に記憶する。
【００４７】
なお、無線制御システムには、上記のような複数の無線通信部を有するＧＷノードが備えられるものであってもよい。
【００４８】
図４は、図１のセンサノード６１の無線通信機能の一例を示す構成ブロック図である。図４において、無線通信部６１１は演算制御部６１２に接続され、演算制御部６１２は記憶部６１３に接続されている。
【００４９】
無線通信部６１１は、主に監視システム１との間で通信を行い、たとえばＴＣＰ／ＩＰプロトコルに基づくデータ通信を監視システム１と行う。無線通信部６１１は、主に他のセンサノードや図示しない他のＧＷノードとの間で無線通信を行う。
【００５０】
演算制御部６１２（たとえばＣＰＵ）は、各種機能や各部の動作を制御する。記憶部６１３には、主にＯＳやセンサノードとして動作させるためのプログラムやアプリケーション、これらプログラムなどの実行時に使用されるデータ、自ノードから監視システム１に到達するまでの経路情報、経路コスト情報、各ＧＷノードの無線通信における出力、周波数、変調方式等の無線通信の物理的特性情報などの各種情報が格納されている。センサノード６１〜６４、７１〜７３もセンサノード６１と同様の構成である。
【００５１】
なお、経路情報は、少なくともセンサノードやＧＷノードのＩＰアドレスなどの次のホップの宛先とＧＷノードのＩＰアドレスである最終的な宛先が記憶されていればよく、この経路情報と経路コスト情報とは互いに関連付けされているものでもよい。
【００５２】
また、経路コスト情報は、データの送信元から送信先へ到達するまでの経路全体の通信品質を表す指標であり、たとえば、各センサノードおよびＧＷノードによりそれぞれ算出されるホップ数や電波の受信強度の積算値、ビットエラーレート、位置情報（ＧＰＳや三点測量などを用いたもの）などでもよい。
【００５３】
図５は、図１のセンサノード６１を構成している演算制御部６１２の機能ブロック例図である。データ送受部６１ａは、主にデータフレームを生成し、データの送受信を行う。経路情報格納部６１ｂは、主に次ホップアドレスや各ＧＷノードに到達するまでの経路情報、経路コスト情報などを格納する。
【００５４】
経路情報提供部６１ｃは、自ノードおよび他のセンサノードの設置場所、アドレスなどのネットワーク情報を他のセンサノードに通知する。経路選択部６１ｄは、経路情報格納部６１ｂの経路情報、経路コスト情報およびＧＷノード５０の無線通信における出力、周波数、変調方式等の無線通信の物理的特性に基づいて、監視システム１に測定データを転送するための最適な経路を選択する。センサ部６１ｅは、図示しないセンサを制御して流量や温度などの物理量を測定する。
【００５５】
図６は、本発明に係る無線制御システムの動作を説明するシーケンス図である。なお、センサノード６１〜６４、７１〜７３は、アドレス／名前解決を行うとともに、経路探索や事前に各センサノードに経路情報を設定することなどにより、各センサノードを介してＧＷノード５０にデータを転送するための経路情報やその経路コスト情報、次ホップの宛先などをあらかじめ把握しているものとする。
【００５６】
以下、図１のデータ通信ＮＲ２００について説明する。まず、シーケンスＳＱ１０１において、ＧＷノード５０の演算制御部５４は、格納されたプログラムを読み出し実行することにより、個々の無線通信部５１の無線通信に関する設定を行う。
【００５７】
具体的には、演算制御部５４の通信設定部５４ｅは、無線通信部５１の無線通信の設定（周波数チャネル、変調方式など）をあらかじめ定められた値に設定する。たとえばＧＷノード５０の通信設定部５４ｅは、無線通信部５１の通信設定について、緊急データ通信用として特定の周波数帯域を割り当てる。
【００５８】
なお、ＧＷノード５０の演算制御部５４が記憶部５５に格納されたプログラムを読み出し実行して各部を制御する動作については、同様であるので以下省略する。
【００５９】
シーケンスＳＱ１０２において、ＧＷノード５０は、個々の無線通信部５２の無線通信に関する設定を行う。たとえば通信設定部５４ｅは、無線通信部５２の無線通信の設定（周波数チャネル、変調方式など）をあらかじめ定められた値に設定する。なお、このような無線通信部５１における無線通信の設定は、立ち上げ時に行ってもシステム動作時に動的に行ってもよい。
【００６０】
シーケンスＳＱ１０３において、ＧＷノード５０の演算制御部５４の経路情報提供部５４ｃは、データ送受部５４ａを制御し、無線通信部５１からＧＷノード５０のアドレス情報、無線通信設定情報などを付加した「ゲートウェイ情報通知データ（以下、ＧＷ情報通知データという）」を自ノードと接続されている各センサノードに送信する。
【００６１】
たとえばＧＷノード５０の無線通信部５１は、演算制御部により設定された無線設定に基づき動作し、センサノード６１にアドレス情報や無線通信部が取扱う通信周波数などの情報を含むＧＷ情報通知データを送信する。
【００６２】
シーケンスＳＱ１０４において、センサノード６１の演算制御部６１２は記憶部６１３に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、ＧＷノード５０の無線通信部５１から得たＧＷ情報通知データに基づき、ＧＷノード５０のアドレス情報などを経路情報格納部６１ｂに記憶し、データ送受部６１ａを制御してＧＷノード５０から得たＧＷ情報通知データをセンサノード６３に転送する。
【００６３】
なお、センサノード６１の演算制御部６１２が記憶部６１３に格納されたプログラムを読み出し実行して各部を制御する動作は、他のセンサノードと同様であるので以下省略する。
【００６４】
シーケンスＳＱ１０５において、ＧＷノード５０の演算制御部５４の経路情報提供部５４ｃは、データ送受部５４ａを制御し、無線通信部５２から、ＧＷ情報通知データを自ノードと接続されている各センサノードに送信する。たとえばＧＷノード５０はセンサノード６３にＧＷ情報通知データを送信する。
【００６５】
シーケンスＳＱ１０６において、センサノード６１の演算制御部６１２は記憶部６１３に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、ＧＷノード５０の無線通信部５２から得たＧＷ情報通知データに基づき、ＧＷノード５０のアドレス情報などを経路情報格納部６１ｂに記憶し、データ送受部６１ａを制御してＧＷノード５０から得たＧＷ情報通知データをセンサノード６３に転送する。
【００６６】
シーケンスＳＱ１０７において、センサノード６３の演算制御部の経路選択部は、各無線通信部の無線通信設定状況、経路情報格納部に格納された経路情報、経路コスト情報（通信周波数チャネルの混雑度を含む）および記憶部に格納された測定データの優先度に基づいて、適切なＧＷノードの無線通信部を通信相手として選択し、ＧＷノード５０に到達する経路で最も通信品質が良好な経路を選択する。
【００６７】
たとえば、センサノード６３は、センサ部で得た測定データが緊急度の高いアラームデータである場合には、センサ部で取得した測定データの優先度や通信周波数チャネルの混雑度を含む情報およびＧＷ情報通知データに基づき、緊急データ通信用の無線通信設定が施されているＧＷノード５０の無線通信部５１を通信相手として選択する。
【００６８】
そして、センサノード６３は、たとえば経路情報格納部に格納された経路情報および経路コスト情報に基づいて、ＧＷノード５０の無線通信部５１に到達する経路のうち、最も通信品質が良好な経路（たとえば、センサノード６１→ＧＷノード５０→監視システム１に到達する経路）を選択する。
【００６９】
シーケンスＳＱ１０８において、センサノード６３の演算制御部のデータ送受部は、経路選択部が選択した経路および経路情報格納部に格納された経路情報に基づいて、センサ部で得られた測定データをセンサノード６１に送信する。
【００７０】
シーケンスＳＱ１０９において、センサノード６１の演算制御部６１２のデータ送受部６１ａは、センサノード６３から得た測定データや経路情報に基づいて、ＧＷノード５０に到達する経路で最も通信品質が良好な経路（たとえばＧＷノード５０）を選択して、センサノード６３から得た測定データをＧＷノード５０に送信する。
【００７１】
シーケンスＳＱ１１０において、ＧＷノード５０の演算制御部５４は、無線通信部５１で受信した測定データを通信部５３から送信して監視システムとデータ通信をするため、通信プロトコル変換する。
【００７２】
シーケンスＳＱ１１１において、ＧＷノード５０の通信部５３は、経路情報格納部５４ｂの経路情報に基づき、センサノード６１から受信した測定データ、すなわち、センサノード６３が測定したデータを監視システム１に転送する。
【００７３】
監視システム１は、ＧＷノード５０と同様に他のセンサノードからも測定データを収集・記憶することにより、プラントの運転状態を把握できる。
【００７４】
そして、監視システム１は、収集した測定データを図示しないコントローラに転送し、コントローラは測定データを所定の目標値に収束するように図示しないバルブや調整弁などの制御機器を操作制御するための制御データを算出し、制御データに基づいて制御機器を操作制御する。
【００７５】
この結果、本発明に係る無線制御システムでは、ＧＷノードが複数の無線通信部を備えることにより、無線ネットワークおよびＧＷノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることができる。
【００７６】
具体的には、従来のシステムでは、ＧＷノードにトラフィック負荷が集中し、システム全体のパフォーマンスが悪化していたが、本発明の無線制御システムによれば、ＧＷノードが無線通信部を複数有することにより、トラフィックの負荷を分散することができＧＷノードの通信に関する信頼性が向上し、結果としてシステム全体の信頼性が向上する。
【００７７】
また、本発明の無線制御システムはＧＷノードが複数の無線通信部を備えるため、ダイバーシティを獲得してマルチパスフェージングによる性能劣化を回避することができる。
【００７８】
また、ＧＷノードは複数の無線通信部を備えるため、複数のチャネルを割り当てることができることにより、優先帯域確保やＱｏＳ制御を容易に実現することができる。
【００７９】
また、従来のシステムにおけるフィールド機器などの計器やセンサノードは、測定点に対して設置されるので、通信機能の都合で位置を調整することは困難であったが、本発明の無線制御システムはＧＷノードが複数の無線通信部を備えることにより、ノードの設置自由度が向上して設置位置を容易に調整することができる。
【００８０】
また、通常のセンサノードは、オフィスのモバイル機器とは違い、ユーザインタフェースが貧弱であることから現場で機器同士の通信状況を確認し難く微細な位置調整は困難であったが、本発明の無線制御システムはＧＷノードが複数の無線通信部を備えることにより、ノードの設置自由度が向上して設置位置を容易に調整することができる。
【００８１】
このように本発明の無線制御システムはＧＷノードが複数の無線通信部を備えることにより、各ＧＷノード、センサノードの設置自由度が向上し、システム運用やインストレーション作業が簡易になり、運用・保守もまた簡易に行うことができる。
【００８２】
また、本発明の無線制御システムは、ＧＷノードが複数の変調方式の無線機能を共存させてダイナミックに通信設定を変更することで、機能や特徴の異なる無線通信方式を環境やアプリケーションに応じて適切に使い分けることができ、無線ネットワークおよびＧＷノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることができる。
【００８３】
なお上述の実施例では、ＧＷノード５０は無線通信部５１、５２を有すると説明しているが、ＧＷノードは複数の無線通信部を有するものでもよい。
【００８４】
また、上述の実施例の無線制御システムでは、各センサノードはＧＷノード５０を介して監視システム１とデータ通信を行うものとして説明しているが、無線制御システムはＧＷノードを複数個備えるものであってもよく、各センサノードはいずれかのＧＷノードを介して監視システム１とデータ通信を行うものであってもよい。
【００８５】
図７は無線制御システムがＧＷノードを複数個備える場合の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付け適宜説明を省略する。図１との相違点は、ＧＷノードが複数個備えられていることである。
【００８６】
ＧＷノードを複数個備えた無線制御システムは、無線通信のためのインタフェースが増えることによりトラフィックの負荷を分散することができ、ＧＷノードの通信に関する信頼性が向上し、結果としてシステム全体の信頼性が向上する。
【００８７】
また、上記実施例では、無線制御システムがインダストリアルオートメーションにおけるプラントの運転を支援する例を説明したが、特にこれに限定されるものではなく、たとえばファクトリーオートメーションにおける浄水場の制御システムや、ビルの空調・照明システムなどの運転を支援するものであっても構わない。
【００８８】
たとえば、ビルオートメーションシステムにおいては、照明やスイッチなどをセンサノードとした場合、センサノードが設置されるビル内部も機器や什器など多くの障害物が存在するので電波障害も生じやすい。
【００８９】
この場合には、各ＧＷノードは複数の無線通信部を備え、アドレス情報などのＧＷノード情報を含むＧＷ情報通知データを各センサノードに送信し、各センサノードはこのＧＷ情報通知データを記憶するとともに各センサノードに転送し、各ＧＷノードの各無線通信部の無線通信設定に基づき監視システムに到達するまでの中継点としてＧＷノードの無線通信部の中から一つを選択する。
【００９０】
そしてセンサノードは、当該ＧＷノードの無線通信部に到達する経路で通信品質が良好な経路を選択して測定データを送信することにより、無線ネットワークおよびＧＷノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることができる。
【００９１】
また、本発明に係る無線制御システムでは、ＧＷノードまたはセンサノードは、一部にＳＤＲ(Software Defined Radio)のような特別な無線方式を前提としている機能を含むものであってもよい。なおＳＤＲとは、周波数帯、変調方式などが異なるさまざまな無線通信手段を１台の無線機のソフトウェアを書き換えることで対応させる技術である。このＳＤＲを用いることにより、本発明で述べる通信周波数や変調方式のような動作を簡易かつ柔軟に行うことが可能になる。
【００９２】
また、本発明に係る無線制御システムにおける通信設定部は、ＧＷノード内にあらかじめ定められ記憶されるスケジュール情報（観測スケジュールなど）に基づき各無線通信部の通信設定（周波数帯、変調方式）を変更するものでもよいし、緊急度の高いデータ通信を行う際の無線通信部の選択やその通信設定を変更するものでもよい。
【００９３】
また、本発明に係る無線制御システムにおけるＧＷノードの演算制御部５４のデータ送受部５４ａは、データフレームの生成機能やマルチホップデータ中継機能などを有するものであってもよく、データ中継アルゴリズムには任意のものを用いてもよい。
【００９４】
また、本発明に係る無線制御システムにおける監視システム１は、それぞれ図示しない各種機能や各部の動作を制御する演算制御部（たとえばＣＰＵ）、各機器間で通信を行う通信部、ＯＳや各機器として動作するためのプログラムやアプリケーション、これらプログラムなどの実行時に使用されるデータ、各種情報などを格納するＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部などのハードウェアから構成され、各部はバスにより相互に接続されるようなそれぞれ独立した機器から構成されるものであってもよい。
【００９５】
この場合、監視システム１の演算制御部は、記憶部に格納されているＯＳなどを起動して、このＯＳ上で格納されたプログラムを読み出し実行することにより各機器または各部全体を制御し、各機器または各部固有の動作を行う。このとき記憶部は、演算制御部によって実行されるプログラムやアプリケーションをプログラム格納エリアに展開し、入力されたデータや、プログラムやアプリケーションの実行時に生じる処理結果などのデータをワークエリアに一時的に記憶するものであってもよい。
【００９６】
このような構成の監視システム１では、たとえば演算制御部が各部を制御し、各センサノードから収集した測定データを図示しないコントローラに転送し、コントローラは測定データを所定の目標値に収束するように図示しないバルブや調整弁などの制御機器を操作制御するための制御データを算出し、制御データに基づいて制御機器を操作制御する。
【００９７】
また、上記実施例では、ＧＷノード５０が各センサノードおよび監視システムと接続されると説明しているが、異なる通信設定が設定可能な複数の無線通信部を有する複数のＧＷノードが各センサノードおよび監視システムと接続されるものであってもよく、各センサノードは、複数のＧＷノードの各無線通信部のうち無線通信部を一つ選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とするものであってもよい。
【００９８】
また、上記実施例では、センサノード６１〜６４、７１〜７３から構成される無線ネットワークを示しているが、無線通信方式は無線通信の標準規格であるＩＥＥＥ８０２．１５．４を用いるものであっても構わないし、各センサノードが無線回線を介してデータの送受信をすることが可能であるならば、どのようなものを用いても構わない。
【００９９】
また上記実施例では、監視システムとＧＷノードがデータ通信を行うと説明している、監視システムとＧＷノードによって形成されるネットワークインフラは、データの送受信をすることが可能であるならば、いかなる通信方式であっても構わない（たとえば、Ethernet（登録商標）/LANなどを利用するものでもよい）。
【０１００】
以上説明したように本発明によれば、無線ネットワークおよびゲートウェイノードの負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させることできる無制御システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明に係る無線制御システムの一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】図１のＧＷノード５０の無線通信機能の一例を示す構成ブロック図である。
【図３】図１のＧＷノード５０を構成する演算制御部５４の機能ブロック例図である。
【図４】図１のセンサノード６１の無線通信機能の一例を示す構成ブロック図である。
【図５】図１のセンサノード６１を構成している演算制御部６１２の機能ブロック例図である。
【図６】本発明に係る無線制御システムの動作を説明するシーケンス図である。
【図７】無線制御システムがＧＷノードを複数個備える場合の構成図である。
【図８】従来の無線制御システムの一例を示す構成ブロック図である
【符号の説明】
【０１０２】
１ 監視システム
１０、５０ ゲートウェイノード
１１、５３ 通信部
１２、５１、５２、６１１ 無線通信部
１３、５４、６１２ 演算制御部
１３ａ、５４ａ、６１ａ データ送受部
１３ｂ、５４ｂ、６１ｂ 経路情報格納部
１３ｃ、５４ｃ、６１ｃ 経路情報提供部
１３ｄ、５４ｄ 測定データ管理部
５４ｅ 通信設定部
６１ｄ 経路選択部
６１ｅ センサ部
１４、５５、６１３ 記憶部
２０〜２５、６１、〜６４、７１〜７３ センサノード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線ネットワークを構成する複数のセンサノードから複数のゲートウェイノードの少なくともいずれか一つを介し監視システムにデータを送信する無線制御システムにおいて、
前記各ゲートウェイノードは、異なる通信設定が設定可能な複数の無線通信部を有し、
前記各センサノードは、前記各ゲートウェイノードの前記各無線通信部のうち無線通信部を一つ選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とする無線制御システム。
【請求項２】
前記各ゲートウェイノードは、
前記各無線通信部の周波数チャネル、変調方式、識別ＩＤを含む通信設定を変更すること特徴とする
請求項１記載の無線制御システム。
【請求項３】
前記センサノードは、
前記各ゲートウェイノードの各無線通信部の無線通信設定に基づき、前記各無線通信部のうち前記監視システムに到達するまでの中継点として無線通信部を一つ選択することを特徴とする
請求項１または請求項２記載の無線制御システム。
【請求項４】
前記センサノードは、
自ノードで得た測定データまたは他のセンサノードから受信したデータが緊急用データである場合には、前記各ゲートウェイノードの各無線通信部の無線通信設定に基づき、前記各無線通信部のうち緊急データ通信用の無線通信設定が施されている無線通信部を選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とする
請求項１〜請求項３いずれかに記載の無線制御システム。
【請求項５】
前記各ゲートウェイノードは、
無線通信を行う複数の無線通信部と、
前記監視システムと有線通信または無線通信によるデータ通信を行う通信部と、
少なくとも前記各ゲートウェイノードを介して前記各センサノードから前記監視システムに到達するまでの経路情報、自ノードのアドレス情報および前記各無線通信部の無線通信設定情報を含むＧＷ情報通知データを格納する記憶部と、
前記無線通信部の通信設定を行い、前記ＧＷ情報通知データを前記各センサノードに送信し、前記経路情報に基づいて前記各センサノードからの前記データを前記監視システムに転送する演算制御部とから構成されることを特徴とする
請求項１〜請求項４いずれかに記載の無線制御システム。
【請求項６】
前記各センサノードは、
少なくとも自ノードから前記各ゲートウェイノードに到達するまでの経路情報および経路コスト情報を格納する記憶部と、
無線通信を行う無線通信部と、
前記ＧＷ情報通知データを他のセンサノードに転送し、前記ＧＷ情報通知データに基づき少なくとも前記各ゲートウェイノードのアドレス情報を前記記憶部に記憶し、前記経路情報、前記経路コスト情報および前記ＧＷ情報通知データに基づいて前記ゲートウェイノードに到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択し、この経路に基づき自ノードで得たデータまたは他のセンサノードから受信したデータを前記ゲートウェイノードまたはその他のセンサノードに送信する演算制御部とから構成されることを特徴とする
請求項１〜請求項５いずれかに記載の無線制御システム。
【請求項１】
無線ネットワークを構成する複数のセンサノードから複数のゲートウェイノードの少なくともいずれか一つを介し監視システムにデータを送信する無線制御システムにおいて、
前記各ゲートウェイノードは、異なる通信設定が設定可能な複数の無線通信部を有し、
前記各センサノードは、前記各ゲートウェイノードの前記各無線通信部のうち無線通信部を一つ選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とする無線制御システム。
【請求項２】
前記各ゲートウェイノードは、
前記各無線通信部の周波数チャネル、変調方式、識別ＩＤを含む通信設定を変更すること特徴とする
請求項１記載の無線制御システム。
【請求項３】
前記センサノードは、
前記各ゲートウェイノードの各無線通信部の無線通信設定に基づき、前記各無線通信部のうち前記監視システムに到達するまでの中継点として無線通信部を一つ選択することを特徴とする
請求項１または請求項２記載の無線制御システム。
【請求項４】
前記センサノードは、
自ノードで得た測定データまたは他のセンサノードから受信したデータが緊急用データである場合には、前記各ゲートウェイノードの各無線通信部の無線通信設定に基づき、前記各無線通信部のうち緊急データ通信用の無線通信設定が施されている無線通信部を選択し、この無線通信部に到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択してデータを送信することを特徴とする
請求項１〜請求項３いずれかに記載の無線制御システム。
【請求項５】
前記各ゲートウェイノードは、
無線通信を行う複数の無線通信部と、
前記監視システムと有線通信または無線通信によるデータ通信を行う通信部と、
少なくとも前記各ゲートウェイノードを介して前記各センサノードから前記監視システムに到達するまでの経路情報、自ノードのアドレス情報および前記各無線通信部の無線通信設定情報を含むＧＷ情報通知データを格納する記憶部と、
前記無線通信部の通信設定を行い、前記ＧＷ情報通知データを前記各センサノードに送信し、前記経路情報に基づいて前記各センサノードからの前記データを前記監視システムに転送する演算制御部とから構成されることを特徴とする
請求項１〜請求項４いずれかに記載の無線制御システム。
【請求項６】
前記各センサノードは、
少なくとも自ノードから前記各ゲートウェイノードに到達するまでの経路情報および経路コスト情報を格納する記憶部と、
無線通信を行う無線通信部と、
前記ＧＷ情報通知データを他のセンサノードに転送し、前記ＧＷ情報通知データに基づき少なくとも前記各ゲートウェイノードのアドレス情報を前記記憶部に記憶し、前記経路情報、前記経路コスト情報および前記ＧＷ情報通知データに基づいて前記ゲートウェイノードに到達する経路で最も通信品質が良好である経路を選択し、この経路に基づき自ノードで得たデータまたは他のセンサノードから受信したデータを前記ゲートウェイノードまたはその他のセンサノードに送信する演算制御部とから構成されることを特徴とする
請求項１〜請求項５いずれかに記載の無線制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２６０４５１（Ｐ２００９−２６０４５１Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０４２８７（Ｐ２００８−１０４２８７）
【出願日】平成２０年４月１４日（２００８．４．１４）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１４日（２００８．４．１４）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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