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ワイヤレスセンサーネットワーク：仕組み、種類、アプリケーション、トラブルシューティング

Aug26

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ワイヤレスセンサーネットワーク（WSN）は、分散センサーノードを使用して物理的条件を測定し、そのデータをゲートウェイ、シンク、コントローラー、またはアプリケーションにワイヤレスで送信します。これらは、産業監視、スマートビル、農業、環境センシング、インフラ監視、およびIoTシステムに広く使用されています。この資料では、ワイヤレスセンサーネットワークの仕組み、シングルホップとマルチホップの通信、一般的なワイヤレス技術、主要な性能パラメータ、アプリケーション、ネットワーク選択、トラブルシューティングについて説明します。

カタログ

1. ワイヤレスセンサーネットワークとは？

2. ワイヤレスセンサーネットワークはどのように機能するのか

3. ワイヤレスセンサーネットワークのトポロジー：シングルホップ、マルチホップ、スター、ツリー、メッシュ

4. WSNのためのワイヤレス通信技術とプロトコル

5. ワイヤレスセンサーネットワークの主要性能と設計パラメータ

6. 一般的なワイヤレスセンサーネットワークのアプリケーションとユースケース

7. ワイヤレスセンサーネットワークを設計し選択する方法

8. 一般的なワイヤレスセンサーネットワークの問題、テスト、トラブルシューティング

Example single-hop WSN architecture

図1：シングルホップWSNアーキテクチャの例

ワイヤレスセンサーネットワークとは？

ワイヤレスセンサーネットワークは、温度、湿度、圧力、振動、動き、光、ガス濃度、または機器の状態などの物理的条件を測定し、その測定値をワイヤレスで送信するセンサーノードのグループです。典型的なセンサーノードには、センシング要素、信号調整または変換回路、マイクロコントローラー、ワイヤレストランシーバー、電源が含まれます。ネットワークアーキテクチャに応じて、データはシンク、ゲートウェイ、コントローラー、またはリモートアプリケーションに直接送信されるか、他のノードを通じて送信されます。

ワイヤレスセンサーネットワークはどのように機能するのか？

センサーノードは、最初にセンシング要素を使用して物理的条件を測定します。信号は条件付けされ、ノードのマイクロコントローラーが処理できるデータに変換されます。ノードは、その後、測定値をパッケージして、選択したワイヤレスリンクを介して送信します。データは、目的地に到達する前に、ゲートウェイまたは中間ノードを経由して移動する場合があります。ゲートウェイまたはシンクは測定値を収集し、それらをローカルコントローラー、サーバー、クラウドプラットフォーム、または監視アプリケーションに転送し、データが保存、分析、表示、またはアクションをトリガーするために使用されることができます。

ワイヤレスセンサーネットワークのトポロジー：シングルホップ、マルチホップ、スター、ツリー、メッシュ

Single-Hop vs. Multi-Hop Wireless Sensor Network

図2：シングルホップとマルチホップのワイヤレスセンサーネットワーク

ホップカウントとネットワークトポロジーは異なることを示します。ホップカウントは、パケットが目的地に到達する前に通過するワイヤレスリンクの数を示します。トポロジーは、ノード、ルーター、およびゲートウェイがどのように構成されているかを説明します。スター型ネットワークはシングルホップ通信を使用できますが、ツリー型およびメッシュネットワークは通常、複数のホップを使用します。

ネットワークタイプ	中継	冗長性	レイテンシ動作	転送電力	故障行動	適切なアプリケーション
シングルホップ	中間の無線中継なし	ゲートウェイのカバレッジとシステム設計に依存	リレーのホップ遅延なし	センサーは自分のトラフィックのみを送信	直接リンクの喪失はそのノードを切断する可能性あり	直接ノードからゲートウェイへのセンシング
マルチホップ	1つ以上の中間ノードがトラフィックを転送	ルーティング設計に依存	追加のホップは遅延や再送を追加する可能性あり	リレーノードは他のトラフィックを転送するためにエネルギーを消費	故障によりルーティングを行う必要があるか、パスが途切れる可能性あり	直接リンクが利用できない分散ネットワーク
スター	エンドノードは中央コーディネーターまたはゲートウェイと通信	通常、中央ポイントに強く依存	直接無線パスは通常単純	エンドノードは通常他のノードのトラフィックを中継しない	中央ポイントの故障は多くのノードに影響を与える可能性あり	中央集権型の監視およびゲートウェイベースのネットワーク
ツリー	データは中間ノードを通じて親子パスに従う	代替パスが設計されない限り通常は制限される	ツリーの深さが増すと遅延が増加する可能性あり	親/ルーターノードは子のトラフィックを転送しなければならない	上流の親の故障によりそのブランチが切断される可能性あり	階層的な建物または産業用ネットワーク
メッシュ	ルーティング機能を持つノードは他のノードのトラフィックを転送	複数のルートが利用できる可能性あり	ルートの長さと再ルーティングがレイテンシに影響を与える	ルーターは継続的な転送業務のために十分な電力を必要とする	ルーティングは代替パスが存在する場合、故障したリンクまたはルーターをバイパスする可能性あり	ビルディングオートメーションと分散産業センサー

マルチホップネットワークは自動的にメッシュネットワークではない。マルチホップ通信はツリーまたは他のルーティング構造でも発生する可能性がある。

LoRaWANは、ホップ数とトポロジーを分離すべき理由の重要な例でもあります。LoRaアライアンスは、エンドデバイスが1つ以上のゲートウェイへのシングルホップ無線リンクを使用するスター・オブ・スターズトポロジーとしてLoRaWANを定義しています。ゲートウェイは、IP接続を介してパケットをネットワークサーバーに転送します。LoRaWANのエンドデバイスは無線メッシュを形成せず、お互いにパケットを中継しません。

WSNのための無線通信技術とプロトコル

無線技術は、そのプロトコルレイヤーと役割に応じて比較されるべきです。無線PHY/MAC仕様、ネットワーキングスタック、およびアプリケーションメッセージングプロトコルは同じ機能を果たしません。

無線、PHY、およびリンク技術

テクノロジー	プロトコルの役割	提供するもの	WSN設計ノート
IEEE 802.15.4	PHYとMAC	物理層無線操作と低速度無線ネットワークのためのMAC機能を定義	ZigbeeやThreadなどの技術の無線/MAC基盤として使用
Bluetooth Low Energy (BLE)	複数のLE PHYオプションを持つBluetooth無線スタック	Bluetooth LEの無線およびリンク通信を提供	カバレッジおよび通信動作は、選択されたPHY、送信電力、受信機、アンテナ、エンクロージャ、および環境に依存
Wi-Fi / IEEE 802.11	IPネットワーキングの上に通常あるPHYおよびMACファミリー	WLAN接続を提供	センサー設計が既存のWi-Fiインフラとの互換性を必要とする場合に便利
LoRa PHY	物理層	LoRaWANの下で使用されるLoRa無線変調を提供	LoRaとLoRaWANは同じプロトコルレイヤーとして扱うべきではない
NB-IoT	3GPPのセルラー無線アクセス技術	免許を受けたセルラー帯域を通じてIoT接続を提供	ネットワークの可用性、支援される3GPPリリース、オペレーターの設定、移動体要件、および省電力機能を確認する必要あり
LTE-M	3GPPのセルラー無線アクセス技術	免許を受けたセルラー帯域を通じてセルラーIoT接続を提供	移動性、レイテンシの挙動、デバイスの機能、およびネットワークサポートが異なるため、NB-IoTとは別に評価すべき
プロプライエタリ無線	ベンダー特有のPHY/MACまたはスタック	アプリケーション特有の無線通信を提供	相互運用性、地域規制、および長期的なベンダーサポートの確認が必要

IEEE 802.15.4 は、完全なアプリケーションスタックではなく、PHY および MAC 機能を特に定義しています。Bluetooth LE は、LE 1M、LE 2M、LE Coded を含む複数の PHY 構成をサポートしているため、BLE を「短距離」と無条件に表現するのはあまりにも単純すぎます。NB-IoT と LTE-M は、補完的な特性を持つ異なる 3GPP セルラー IoT 技術であり、意図された展開とオペレーターネットワークに対して個別に評価されるべきです。

ネットワークスタックと高レベルの無線プロトコル

テクノロジー / プロトコル	基盤となるテクノロジー	主な役割	一般的な WSN 使用
Zigbee	IEEE 802.15.4 PHY/MAC	Zigbee ネットワーキングおよびアプリケーション層機能を追加	センサー、ビル自動化、監視
Thread	6LoWPAN と IPv6 を使用した IEEE 802.15.4	IPv6 ベースのメッシュネットワーキングを提供	スマートビルおよび IP ベースのセンサーネットワーク
WirelessHART	WirelessHART データリンク、ネットワーキング、スケジューリング、およびアプリケーション機能を持つ IEEE 802.15.4 ベースの無線	管理された産業用無線通信を提供	プロセス計測および産業監視
LoRaWAN	LoRa またはサポートされている地域 PHY オプション	LoRaWAN MAC / ネットワークアーキテクチャ、デバイスクラス、セキュリティ、およびゲートウェイ / ネットワークサーバー通信を定義	スターオブスターズネットワークを通じた分散センシング

Zigbee 仕様は、その上位層の下に IEEE 802.15.4 MAC および PHY を使用しています。Thread は、IEEE 802.15.4 無線テクノロジーに基づいた IPv6 ベースのメッシュネットワーキングプロトコルです。WirelessHART は IEEE 802.15.4 ベースの物理層の上にその産業通信機能を追加します。LoRaWAN は無線 PHY 自体ではなく、高レベルのネットワーキングプロトコルとスターオブスターズアーキテクチャを定義します。

アプリケーションメッセージングプロトコル

プロトコル	レイヤー / 役割	どのように使用されるか
MQTT	アプリケーションメッセージングプロトコル	クライアントとサーバーまたはブローカー間のパブリッシュ / サブスクライブメッセージングを使用
CoAP	アプリケーションプロトコル	制約のあるデバイスおよびネットワーク向けに設計された REST スタイルの通信を提供

MQTT と CoAP は、IEEE 802.15.4、BLE、または LoRa のような無線技術の代替としてリストすべきではありません。これらは基盤となるネットワークの上で動作します。MQTT はクライアント-サーバーのパブリッシュ / サブスクライブメッセージングを定義し、CoAP は制約された環境向けに設計されたアプリケーションプロトコルを提供します。

プロトコルバージョン、PHY、地域バンドやチャネルプラン、パケットサイズ、ネットワーク構成、アンテナシステム、送信電力、テスト環境を指定せずに、これらの技術に普遍的な範囲、スループット、遅延、または電力ランキングを割り当ててはいけません。

無線センサーネットワークの主要な性能および設計パラメータ

無線の性能は、通信範囲のみから評価できません。電力、干渉、パケット配信、遅延、トポロジー、および環境条件も考慮する必要があります。

パラメータ	確認すること	重要な理由
カバレッジ範囲	ノードとゲートウェイ間の距離および障害物	信頼できるリンクが確立できるかどうかを決定します
データレート	1 秒あたりに送信されるデータの量	センサーペイロードをサポートする必要があります
レイテンシ	測定から宛先までの遅延	アラームおよび制御アプリケーションにとって重要
パケット配信比率 (PDR)	送信されたパケットと比較して成功裏に受信されたパケット	通信の信頼性を測定します
RSSI / 受信信号レベル	受信した無線信号の強度	選択した無線システムのリンク条件を評価するのに役立ちます
SNR	背景ノイズと比較した信号レベル	選択した PHY と変調のリンク品質を評価するのに役立ちます
周波数帯	サブ GHz、2.4 GHz、ライセンスセルラー帯域、またはその他の許可されたスペクトル	アンテナ設計、干渉、伝播、および規制に影響します
電力消費	スリープ、センシング、処理、受信、および送信電流	バッテリーとエネルギー要件を決定します
デューティサイクル	ノードが各作動状態に費やす時間	平均電流とバッテリー寿命に影響します
ノード数	ネットワーク内のデバイス数	トラフィックとスケーラビリティに影響します
トポロジー	スター、ツリー、メッシュ、単一ホップ、またはマルチホップ	ルーティング、遅延、および転送要件に影響します
干渉	コチャネル/隣接チャネル干渉と周波数占有	競合するRF活動を特定するのに役立ちます
セキュリティ	認証、暗号化、鍵管理、安全なアップデート	デバイスとネットワークデータを保護します
環境評価	温度、湿気、埃、振動、エンクロージャー	フィールド信頼性を決定します
アンテナ設計	アンテナタイプ、方向、配置、エンクロージャーの影響	ワイヤレスパフォーマンスに直接影響します

ネットワークの信頼性、電力、およびリンクパフォーマンスを評価する際には、以下の計算を使用します：

PDR (%) = 受信パケット ÷ 送信パケット × 100

平均電流 (mA) = Σ(I × t) ÷ サイクル時間

理想的なバッテリー寿命 (h) = 使用可能容量 (mAh) ÷ 平均電流 (mA)

リンクマージン (dB) = 予測受信電力 (dBm) − 受信機感度 (dBm)

バッテリー寿命は推定値であり、保証された動作寿命ではありません。実際のバッテリー寿命は、温度、バッテリーの劣化、自己放電、変換損失、および再送信を考慮する必要があります。

RSSIおよびSNRは、無線デバイス、PHY、変調、帯域幅、および動作条件に依存します。異なるワイヤレス技術に普遍的なRSSIまたはSNR閾値を適用しないでください。

一般的なワイヤレスセンサーネットワークのアプリケーションとユースケース

ワイヤレスセンサーネットワークは、各地点に信号配線を設置せずに多くの測定ポイントを広く分散させる必要がある場合に有用です。

アプリケーション	一般的な測定値	主なWSN要件
工業モニタリング	温度、振動、圧力、機器の状態	信頼性、干渉耐性、バッテリー寿命
スマートビル	占有、温度、湿度、空気質、照明	低電力およびスケーラブルなノード数
農業	土壌の湿気、温度、湿度、気象条件	長距離および低電力
環境モニタリング	空気質、水準、天候、汚染	遠隔操作および環境保護
資産モニタリング	位置、動き、温度、状態	低電力および広域接続性
エネルギーおよび公共事業	メーター測定、電圧、流れ、圧力	信頼性、セキュリティ、長寿命
インフラストラクチャーモニタリング	歪み、振動、変位、構造状態	長期的な信頼性および分散カバレッジ
ヘルスケアおよびウェアラブルデバイス	動き、温度、生理学的測定	低電力、セキュリティ、コンパクトサイズ
スマートシティ	駐車場、照明、環境条件、インフラ	大規模ノード数および広範なカバレッジ

ワイヤレスセンサーネットワークの設計と選定方法

ワイヤレスプロトコルを選ぶ前に、測定および通信の要件から始めてください。

選定要因	確認すべきこと	設計決定
センサーデータ	測定タイプおよびペイロードサイズ	必要なデータ容量を決定します
更新レート	測定値が送信される頻度	トラフィックと電力消費を決定します
カバレッジエリア	距離、壁、機械、地形	適切な無線技術とトポロジーを選択します
トポロジー	直接通信または中継ノード	シングルホップまたはマルチホップを選択します
電源	バッテリー、電源、太陽光、エネルギー収穫	無線とデューティサイクルを適切に選択します
バッテリー寿命の目標	必要なメンテナンス間隔	アクティブ時間と不必要な送信を最小限に抑えます
レイテンシ	最大許容遅延	アラームと制御に重要です
信頼性	必要なパケット配信パフォーマンス	再試行、冗長性、またはメッシュルーティングを考慮します
ノード数	現在および将来のセンサーの数	アドレス指定とネットワーク容量をスケーラブルにすることを確認します
干渉	他の無線および工業的ノイズ	周波数、チャネル、および配置を慎重に選択してください
ゲートウェイ要件	ローカルまたはインターネット/クラウド接続	互換性のあるゲートウェイインターフェースを選択します
セキュリティ	認証、暗号化、アクセス制御	デバイスとネットワークデータを保護します
環境	屋内、屋外、工業、危険物、湿気	適切なエンクロージャとハードウェアを選択してください
コスト	ノード、ゲートウェイ、バッテリー、設置、メンテナンス	総システムコストを評価してください

ワイヤレスセンサーネットワーク選定の例

以下の温室の例は、説明的なものです。構成と受け入れ基準は、WSNの展開がどのように指定およびテストされるかを示していますが、実際のフィールド結果として扱うべきではありません。

温室には、1つのLoRaWANゲートウェイに接続された50個のバッテリー駆動の温度および湿度センサーのノードが必要だとしましょう。

選定 / テスト項目	説明的な要件
アプリケーション	温室の温度と湿度の監視
デバイスモデル	Milesight EM300-TH、ハードウェア3.x
地域チャネル計画	この説明的な欧州展開のためのEU863–870；実際の設置場所で許可された地域計画を使用してください
ネットワークモード	OTAAを使用したLoRaWANクラスA
サンプルサイズ	50センサーのノード
ペイロード	バッテリーレベル、温度、湿度；文書化されたEM300-THフィールドフォーマットを使用して、約10のアプリケーションペイロードバイト
報告間隔	10分ごとに1つのアップリンク
確認ポリシー	定期的な測定のための未確認のアップリンク；アプリケーションが確認済みの配信を要求する場合のみ、確認を使用
送信電力	説明的な868 MHzモデルのための16 dBm
センサーアンテナの位置	内部アンテナ；各ノードを最終的な向きで設置し、大きな金属面による不要なシールドを避ける
ゲートウェイの位置	実用的な場合、主要な温室の障害物の上に中央に位置し、高く設置
ファームウェア	EM300-TH ハードウェア 3.x ファームウェア v1.11
電源モード	バッテリー駆動のクラスA動作、測定と報告イベントの間はスリープ
受け入れ基準	フィールドテスト中に≥99% PDRの説明的なプロジェクトターゲット、各ノードは最終位置からデータを信頼性高く届ける
電源の受け入れ	測定された平均電流は、プロジェクトの計算されたバッテリー寿命ターゲットを満たさなければならない

MilesightはEM300-THをクラスA LoRaWANデバイスとして指定し、内部アンテナ付きの868 MHzバージョンに16 dBmの送信電力を一覧表示しています。その文書化されたアップリンクフォーマットは、バッテリーレベル、温度、および湿度のフィールドを割り当てます。それらの3つの通常測定フィールドには、チャネル/タイプバイトを含めると、約10バイトのデータが得られます。Milesightは現在、EM300-TH ハードウェア 3.x用のファームウェアv1.11をリストしています。

報告間隔、確認ポリシー、ゲートウェイの位置、ノードの配置、≥99% PDRは、説明的なプロジェクト設定であり、普遍的なLoRaWAN要件ではありません。地域の設定も適用されるLoRaWANチャネル計画および地元の無線規制に従わなければなりません。

メッシュ展開の場合、すべてのバッテリー駆動のセンサーがパケットを中継できると仮定してはいけません。スリープ状態のバッテリー端末デバイスは通常、他のノードのトラフィックを転送しません。常時オンのルーター、リピーター、または他のルーティング可能なデバイスが転送を行い、適切な電源が必要です。したがって、メッシュトポロジーにはセンサーノードの電源戦略と、電源を供給されたルーティングノードの配置の両方を含めるべきです。

一般的なワイヤレスセンサーネットワークの問題、テスト、トラブルシューティング

ワイヤレスの障害は、センサーノード、無線リンク、アンテナ、ルーティング、ゲートウェイ、電源、設定、またはアプリケーションレイヤーから発生する可能性があります。

問題または症状	考えられる原因	推奨されるチェック
ノードが接続しない	誤ったネットワーク資格情報、周波数、チャネル、または設定	無線およびネットワーク設定を確認します
信号が弱い	過度の距離、障害物、アンテナの問題	RSSI/SNR、アンテナの配置、経路を確認します
パケットロスが頻繁	干渉、信号強度が弱い、混雑	チャネルの使用状況、リンクの品質、再送信を確認します
インターミッテント接続	マージナルRFリンク、移動障害物、緩い電源接続	時間をかけてリンクの品質を監視します
バッテリー寿命が短い	過度の送信、スリープモードの失敗、リトライ	平均電流を測定し、デューティサイクルを確認します
1つのメッシュノードが過負荷	不十分な経路選択またはトポロジー	ルーティングパスとノードの配置を検査します
高いレイテンシ	ホップ数が多すぎる、リトライ、混雑、報告間隔が遅い	ホップ数とパケットタイミングを測定します
ゲートウェイがデータを受信しない	ゲートウェイの電源、ネットワーク、無線、または設定の故障	ゲートウェイの動作とノードの関連付けを確認
ノードを追加した後、ネットワークが失敗	容量、衝突、ルーティング、またはアドレッシングの制限	ネットワークの負荷とスケーラビリティを確認
データ値が正しくありません	センサーの問題、キャリブレーションエラー、パケット解析	ローカルのセンサーの読み取り値と受信データを比較
機械の近くで通信に失敗します	RFの干渉またはシールド	機械のオン/オフでテストし、スペクトル/チャネルの状態を検査
ノードはベンチで動作するが、設置後は動作しない	アンテナの調整不良、エンクロージャ、設置面、悪い位置	最終エンクロージャと位置でRFの性能をテスト
権限のないまたは不明なデバイスが表示される	セキュリティまたはプロビジョニングの問題	認証、キー、およびデバイス登録を見直す