JP4943533B2 - 自立駆動型テレメトリ観測装置とその動作方法 - Google Patents

Description

この発明は、山間地域等の商用電源設備のない場所において、バッテリを電源として防災用監視データや各種環境データを観測し、その観測データを遠隔地のデータ収集装置へ転送する自立駆動型テレメトリ観測装置とその動作方法に関する。

我が国では、急流河川や土砂災害危険地域が多く、大小の地震や台風等により大規模な気象災害が発生しやすい。そこで、このような大規模気象災害による道路や建物等のインフラ設備の被害規模を把握したり、災害発生時の住民の迅速な避難誘導を可能にするために、各種防災情報の遠隔監視（テレメトリ又はテレモニタリングと呼ばれる）が行われている。一般にテレメトリは、任意に選択した観測対象場所にテレメトリ観測装置を設置し、このテレメトリ観測装置において各種センサから観測データを取得してこの観測データを通信ネットワークを介して監視センタへ転送することにより実現される。

ところで、上記テレメトリ観測装置の電源手段は、平野部や中山間部においては商用電力設備を利用できるが、山間部等の非居住地域においては商用電力設備を利用できない。このため、非居住地域では太陽光や風力などの自然エネルギをもとに電力を生成し、この生成された電力によりバッテリを充電してその出力を動作電源として使用するようにしている。しかし、自然エネルギによる発電量は元来きわめて不安定であるため、常時十分な電力を給電できるとは限らない。例えば、太陽光発電は夜間では発電できず、また昼間であっても曇天時や日照条件等によっては発電量が大きく変動する。また風力発電は、風が弱い地域では十分な発電が行われず、また風が強い地域であっても風が吹かない時間帯には発電が行われない。したがって、上記のように自然エネルギをもとに電力を生成する、いわゆる自立駆動型テレメトリ観測装置では、安定な給電が望めない電源に対し何らかの対策が必要となる。

例えば、河川の水位と雨量を観測する装置では、降雨が観測される前と実際に観測された後で監視センタへの通信頻度を変更する機能を設け、さらに通信ができなかった場合のバックアップとして観測データを観測装置内のメモリに一時蓄積する機能を設けている（例えば、非特許文献１を参照。）。

また、蓄電池として鉛蓄電池をはじめとする二次電池を使用する場合に、当該二次電池の蓄電残量を把握し、この蓄電残量値に基づいて装置の動作を制御する手法も提案されている。この場合の鉛蓄電池の蓄電残量を把握する手法としては、例えば蓄電池の内部抵抗と蓄電残量の相関から電気化学的な見地から理論式を導出し、測定した内部抵抗値をもとにこの理論式から蓄電残量を推定する手法が知られている（例えば、非特許文献２を参照。）。

水位・雨量遠隔監視システム＜http://www.ikeda-keiki.co.jp/seihin/uryou/WEBsuii-uryoukei-u.html＞

新神戸テクニカルレポートNo.14、2004-2号、"鉛蓄電池状態検知技術の開発"、大越、山田、平沢、宮崎、江守、p7-11＜http://www.shinkobe-denki.co.jp/t_report/2004/24340%20No.14_2nd.pdf＞

ところが、従来の自立駆動型テレメトリ観測装置には以下のような解決すべき課題がある。
第１に、バッテリの蓄電残量とは無関係に一定頻度で観測動作及びデータ収集装置への観測データの転送動作が行われている。このため、蓄電残量が残り少なくなった場合に、観測動作の一時停止等の緊急措置や通信頻度の低減措置、蓄電残量に応じた動的な観測方法の変更を行うことができない。特に、バッテリとして鉛蓄電池等の化学二次電池を使用している場合には、蓄電残量を正確に検知することができないため、蓄電残量に応じて観測モード及び転送モードを変更することが困難である。

第２に、蓄電池の蓄電残量が予め設定されたしきい値以下に減少した場合に警報を発生する機能を備えた装置も提案されている。しかし、蓄電残量が急激に減少してアラーム発生機能自体が動作不能になると、警報を発生することができない。また、テレメトリ観測装置では、装置自体の動作異常等のように、通常の観測データよりも重要なイベントが発生することがある、しかし、このような重要な情報を監視センタへ送信しようとした時点で既に蓄電残量が不足し、これにより送信機能等が動作不能状態に陥って重要な情報を送信できなくなることがある。

第３に、予め設定された一定の観測スケジュールにより被観測データを観測して監視センタへ転送しているため、以下のような問題がある。すなわち、一般に観測されるイベントは時々刻々変化し、観測データもこれに応じて変動する。例えば、単位時間内の降雨量が５〜１０mm程度の比較的少雨の状態は長時間継続するが、災害リスクが高まる３０〜５０mmの豪雨は数時間内に集中して発生する。したがって、少雨時にはデータ観測時間間隔もデータ収集装置への転送時間間隔も低頻度でよいが、豪雨時には高頻度でデータ収集および転送を行う必要がある。

しかし、従来のテレメトリ観測装置では、少雨時も豪雨時も一定の観測スケジュールで観測してその観測データをデータ収集装置へ転送している。このため、観測されたデータの有用性の大小に拘わらず、全てのデータが監視センタに転送され、重要でないかもしくは取得価値の少ない観測データを転送する場合にも電力を消費してしまうという問題がある。すなわち、有効転送データ量に対する所要電力の比、つまり有効テレメトリ電力を多く必要とするという問題がある。

第４に、テレメトリ観測装置自体の駆動状態の監視と異常検知に関して以下のような課題がある。すなわち、鉛蓄電池は経年劣化を生じる。したがって、この経年劣化を検出するために、例えば非特許文献２に示されるような手法を用いて電圧低下及び蓄電残量の監視が行われている。しかし、こうした従来の手法では、正確に蓄電残量を推定することは困難である。

一方、テレメトリ観測装置から監視センタへ所定のタイミングで被観測データが転送されなくなった場合、その直接的原因としては、テレメトリ観測装置内のセンサ自体の異常と、センサへの給電状態の異常が考えられる。また、間接的な原因としては、バッテリの放電異常かもしくは蓄電残量の不足が考えられる。しかし、従来のテレメトリ観測装置では、これらの原因の切り分け、異常個所の特定ができないという問題があった。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、装置の遠隔メンテナンスの簡単化を図った自立駆動型テレメトリ観測装置とその動作方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明の一観点に係わる自立駆動型テレメトリ観測装置は次のような各種手段を講じたものである。
すなわち、センサから観測データを取得してこの取得された観測データを通信ネットワークを介してデータ収集装置へ転送するデータロガーと、自然エネルギをもとに電力を生成する電力生成ユニットと、上記生成された電力を蓄積する電力蓄積ユニットと、上記電力蓄積ユニットに蓄積された電力を上記データロガーに給電する給電制御ユニットとを具備する自立駆動型テレメトリ観測装置にあって、上記給電制御ユニットにより、上記電力生成ユニットにより生成された電力と、上記電力蓄積ユニットにおける蓄積電力の残量をそれぞれ検出し、この生成された電力の検出値及び蓄積電力の残量検出値を上記データロガーに通知する。これに対しデータロガーでは、上記給電制御ユニットから通知された生成電力の検出値及び蓄積電力の残量検出値に基づいて、上記電力生成ユニット及び上記電力蓄積ユニットに異常があるか否か判定する。そして、上記電力生成ユニットと電力蓄積ユニットの少なくとも一方に異常があると判定された場合に、上記生成電力の検出値及び蓄積電力の残量検出値に基づいて異常の原因を推定し、この推定された異常の原因を表す情報をデータ収集装置へ送信する。

この発明の一観点によれば、データロガーにおいて、電力生成ユニット及び電力蓄積ユニットの異常とその原因が自動的に検出及び推定され、この推定された異常原因がデータ収集装置に通知される。この結果、例えば太陽光発電における発電電流変動による日照低減と発電障害の切り分けが可能となる。
すなわち、この発明によれば装置の遠隔メンテナンスの簡単化を図った自立駆動型テレメトリ観測装置及び方法を提供することができる。

この発明の関連技術の説明に用いる自立駆動型テレメトリ観測装置を含むテレメトリステムの構成を示すブロック図である。 図１に示した自立駆動型テレメトリ観測装置の具体的な構成を示すブロック図である。 図２に示した装置のデータロガーに記憶される観測・転送制御テーブルの一例を示す図である。 図２に示した装置のデータロガーが、蓄電残量に応じた単位時間当たりの観測回数とデータ転送回数の制御を実行する際の制御手順と制御内容を示すフローチャートである。 図２に示した装置のデータロガーに記憶される観測レベルテーブルの具体例を示すものである。 図２に示した装置のデータロガー及び充放電制御ユニットが、単位時間当たりの雨量が上限値を超えた場合に電気蓄積ユニットにリザーブされた予備電力をデータロガーに供給する制御を実行する際の制御手順と制御内容を示すフローチャートである。 図２に示した装置のデータロガー及び充放電制御ユニットが、電源系の異常が発生した場合に電気蓄積ユニットにリザーブされた予備電力をデータロガーに供給する制御実行する際の制御手順と制御内容を示すフローチャートである。 図２に示した装置のデータロガー及び充放電制御ユニットが、データ収集装置２からの要求に応じて電気蓄積ユニットにリザーブされた予備電力をデータロガーに供給する制御を実行する際の制御手順と制御内容を示すフローチャートである。 図２に示した装置のデータロガーが、観測レベルに応じた観測時間間隔及びデータ転送時間間隔の制御を実行する際の制御手順と制御内容を示すフローチャートである。 図２に示した装置のデータロガーが、観測レベルに応じて観測データを破棄する制御を実行する際の制御手順と制御内容を示すフローチャートである。 この発明の一実施形態に係わる自立駆動型テレメトリ観測装置の具体的な構成を示すブロック図である。 図１１に示した装置のデータロガー及び充放電制御ユニットが、電源系の自動診断制御を実行する際の制御手順と制御内容を示すフローチャートである。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
（関連技術）
図１は、この発明の関連技術を説明するために用いる、自立駆動型テレメトリ観測装置を含むテレメトリステムの構成を示すブロック図である。このテレメトリシステムは、山間地等の観測地点にテレメトリ観測装置１を設置すると共に、国や自治体の庁舎等にデータ収集装置２を設置し、これらのテレメトリ観測装置１とデータ収集装置２との間を通信ネットワーク３を介して接続したものである。

テレメトリ観測装置１は自立駆動型であり、充放電制御ユニット１１と、エネルギ変換部１２と、電力蓄積ユニット１３と、データロガー１４とを備えている。エネルギ変換部１２は、例えば太陽電池パネルからなり太陽光を電力に変換する。なお、エネルギ変換部１２としては、風力発電機等の自然エネルギを利用した他の変換器を使用することも可能である。電力蓄積ユニット１３は、例えば電気二重層キャパシタからなり、上記エネルギ変換部１２により生成された電力を蓄積するために使用される。

充放電制御ユニット１１は、例えば図２に示すように情報処理部１１１と、情報記憶部１１２と、シリアル通信インタフェース１１３と、充放電制御回路１１４とを備える。このうち先ず充放電制御回路１１４は、上記エネルギ変換部１２により生成された電力を上記電力蓄積ユニット１３に供給し、当該電力蓄積ユニット１３を所定の蓄電容量まで充電させる。その際、電力蓄積ユニット１３が電気二重層キャパシタからなる場合には、充電された電力の逆流防止を行う。また、電力蓄積ユニット１３が鉛蓄電池からなる場合には、定電圧充電を行う必要があるため、エネルギ変換部１２により生成された不安定な電圧値を一定値に安定化したのち電力蓄積ユニット１３に供給する。また、電力蓄積ユニット１３の過充電を防止する動作も行う。また、それと共に充放電制御回路１１４は、上記電力蓄積ユニット１３からデータロガー１４への電力の供給を制御する。

情報処理部１１１は、上記充放電制御回路１１４による電力充電ユニット１３の充放電の状態を監視して、異常状態が検出された場合にその情報を情報記憶部１１２に記憶させると共に、シリアル通信インタフェース１１３からデータロガー１４へ通知する。

テータロガー１４は、センサ群１５と、情報処理部１６と、通信インタフェース１７とを備え、さらに図２に示すように電力供給部１４１、シリアル通信インタフェース１４２及び情報記憶部１４３を備える。このうち電力供給部１４１は、上記充放電制御回路１１４から供給される電力をデータロガー１４内の各回路部に供給する。シリアル通信インタフェース１４２は、上記充放電制御ユニット１１との間で充放電制御信号及び状態通知信号を授受するために使用される。

センサ群１５は、観測用センサと、テレメトリ観測装置１内の動作状態を監視する監視用センサとから構成される。観測用センサは、例えば図２に示すように雨量センサ１５３からなる。監視用センサは、電圧センサ１５１と電流センサ１５２とからなる。電圧センサ１５１は、上記電力蓄積ユニット１３の端子間電圧を検出する。電流センサ１５２は、上記エネルギ変換部１２から出力される電流値を検出する。

雨量センサ１５３としては、例えば市販されている転倒マス型雨量計が使用される。この転倒マス型雨量計は、データロガー１４から信号線に一定電圧を印加（プルアップ）しておき、一定容量のマスに降雨が貯まるとこれが転倒して接点が接触し、これにより上記信号線上に発生する接点パルスをデータロガー１４でカウントすることにより、単位時間当たりの雨量を計測する構造となっている。なお、図２では雨量センサ１５３をデータロガー１４内に収容し、充放電制御回路１１４からデータロガー１４に供給される電力の一部を使用して動作させる場合を例示したが、駆動用バッテリを内蔵する雨量センサを使用する場合には、当該雨量センサをテレメトリ観測装置１の外部に設置することが可能である。

情報処理部１６は例えばマイクロコンピュータからなり、図示しないプログラムメモリに格納されたアプリケーション・プログラムに従い、この発明に係わる以下の各制御を実行する。
すなわち、蓄電残量に応じて単位時間当たりの観測回数とデータ転送回数を設定する制御と、電気蓄積ユニット１３にリザーブされた予備電力を予め設定したイベントの発生に応じて充放電制御回路１１４がデータロガー１４に供給する制御と、観測レベルに応じて観測時間間隔とデータ転送時間間隔を可変設定する制御と、観測レベルに応じて観測データを破棄する制御を実行する。上記予め設定されたイベントとしては、単位時間当たりの雨量が上限値を超えた場合と、電力蓄積ユニット１３の端子電圧の一定時間内における変化量がしきい値を超えた場合と、エネルギ変換部１２の出力電流の一定時間内における変化量がしきい値を超えた場合と、充放電制御回路１１４から供給される電力の一定時間内における変化量がしきい値を超えた場合と、データ収集装置から特別な要求が到来した場合がある。

情報記憶部１４３には、上記センサ群１５により検出された観測データや検出データを保存するエリアと、上記情報処理部１６の制御に使用する観測・転送制御テーブル等を保存するエリアが設けてある。通信インタフェース１７は、通信ネットワーク３を介してデータ収集装置２との間でデータ転送を行うためのもので、例えば図２に示すように無線パケット通信インタフェースを備える。

なお、データ収集装置２は、通信インタフェース２２及びデータ処理部２３を備える。これらの通信インタフェース２２及びデータ処理部２３は具体的には汎用コンピュータ２１により構成される。
また、通信ネットワーク３は、例えばインターネットに代表されるＩＰ（Internet Protocol）網と、このＩＰ網にアクセスするための複数のアクセス網とから構成される。アクセス網としては、例えばＤＳＬ（Digital Subscriber Line）や光伝送路を使用する有線加入者網、ＬＡＮ、無線ＬＡＮ（Local Area Network）、移動通信網、専用線網が用いられる。

次に、以上のように構成された装置の動作を説明する。
（１）蓄電残量に応じた単位時間当たりの観測回数とデータ転送回数の制御
データロガー１４の情報記憶部１４３には、観測・転送制御テーブルが記憶されている。この観測・転送制御テーブルは、図３に示すように、電気二重層キャパシタ１３の蓄電残量Ｘに対するｎ個(ｎは正の整数)の設定値αｉ(ただしｉ＜ｊ＝２，…，ｎに対してαｉ＜αｊ)に対応付けて、当該αｉに対し予め設定された雨量センサ１５３の単位時間当たりの観測回数Ａｉ(ただしｉ＜ｊ＝２，…，ｎに対してＡｉ＜Ａｊ)と、同じく各αｉに対して予め設定された雨量観測データの単位時間当たりの転送回数Ｂｉ(ただしｉ＜ｊ＝２，…，ｎに対してＢｉ＜Ｂｊ)をそれぞれ記憶したものである。ここで、Ａｉ及びＢｉの意味するところは、蓄電残量Ｘがαi-1≦Ｘ＜αｉの範囲にあるとき、それぞれ一定時間観測を継続できるための雨量センサのデータ観測頻度及びデータ転送頻度の許容上限値である。

さて、上記観測・転送制御テーブルを用いてデータロガー１４は次のような制御を実行する。図４は、その制御手順と制御内容を示すフローチャートである。
すなわち、データロガー１４の情報処理部１６は、先ずステップ４ａにおいて電気二重層キャパシタ１３の端子間電圧の検出値を電圧センサ１５１から取り込み、この取り込んだ端子間電圧の検出値をステップ４ｂにより蓄電残量Ｘに変換する。次に、ステップ４ｃにおいて、上記蓄電残量Ｘに対応する設定値αｉをもとに、当該設定値αｉに対応する単位時間当たりの観測回数Ａｉ及び単位時間当たりの転送回数Ｂｉを上記観測・転送制御テーブルから読み出す。

そして、ステップ４ｄにより、上記読み出されたＡｉにより指定される時間間隔で雨量センサ１５３を駆動し、当該雨量センサ１５３から雨量の観測データを取得する。またそれと共に、ステップ４ｅにより、上記読み出されたＢｉにより指定される時間間隔で通信インタフェース１７を制御し、これにより上記取得された雨量の観測データをデータ収集装置２に向け送信させる。

例えば、いま降雨時のある時刻Ｔ１において、蓄電残量Ｘ１がαi-1≦Ｘ１＜αｉの範囲にあって、単位時間当たりのデータ観測回数Ａｉ、データ収集装置への単位時間当たりのデータ転送回数Ｂｉで雨量観測が行われており、その後一定時間経過後の時刻Ｔ２に蓄電残量Ｘ２がαi-2≦Ｘ２＜αi-1に減少したとする。この時点で、情報処理部１６は、単位時間当たりの観測回数をＡi-1、観測データの単位時間当たりの転送回数をＢi-1に減少させるように雨量センサ１５３の駆動並びに通信インタフェース１７を制御する。その結果、観測頻度並びにデータ転送頻度が減少した分、データロガー１４における電力消費が抑制され、これにより雨量計測時間をより長時間化することが可能となる。

なお、もし仮に降雨量が多く、データ観測頻度を低減することが困難な場合には、観測データを情報記憶部１４３に一時格納し、データ収集装置２へのデータ転送回数のみを低減してデータ転送時に一括して転送するようにしてもよい。また、降雨時においては太陽電池パネルによる発電は行われないものと見なせる。そこで、降雨時には電流センサ１５２に給電しないようにする。このようにすると、データロガー１４における電力消費をさらに抑制することが可能となる。

（２）単位時間当たりの雨量が上限値を超えた場合に、電気蓄積ユニット１３にリザーブされた予備電力をデータロガー１４に供給する制御（イベントに応じた給電制御１）
データロガー１４の情報記憶部１４３には、単位時間当たりの雨量観測値について、警報等の緊急情報をデータ収集装置２へ転送するためのトリガとするために設定されたしきい値β１が記憶されている。

一方、充放電制御ユニット１１の情報記憶部１１２には、トリガ信号Ｓ１を受信した場合のみ放電する電力の値Ｅ１、トリガ信号Ｓ２を受信した場合のみ放電する電力の値Ｅ２、…、トリガ信号Ｓｎを受信した場合のみ放電する電力の値Ｅｎのように、ｎ個のトリガ信号に対応する放電電力値Ｅｎが記憶されている。ここで、Ｅ１＋Ｅ２＋……＋Ｅｎ＝ΣＥの値は、電気二重層キャパシタ１３の総蓄電容量Ｅcapよりも十分小さいものとする。或いは、予め電気二重層キャパシタ１３の総蓄電容量ＥcapがΣＥより十分大きくなるように蓄電容量を設計して装備しておく。したがって、各トリガ信号Ｓ１、Ｓ２、……、Ｓｎの受信に関わらない用途に必要な電力はＥcap−ΣＥの容量内で賄われる。すなわち、Ｅcap−ΣＥ＝０になった場合には、各トリガ信号Ｓ１、Ｓ２、……、Ｓｎとは関係ない用途に対しては給電されない。すなわち、電気二重層キャパシタ１３には、特定用途に使用するための予備電力がリザーブされる。

データロガー１４及び充放電制御ユニット１１は、次のように給電制御を実行する。図６は、その制御手順及び制御内容を示すフローチャートである。
すなわち、雨量センサ１５３において雨量観測接点パルス信号が計測されると、この信号が情報処理部１６に伝達される。情報処理部１６は、ステップ６ａにおいて単位時間当たりの接点パルス信号の発生回数をカウントし、このカウント値をステップ６ｂにより単位時間当たりの雨量値Ｙ１に変換する。そして、上記変換された単位時間当たりの雨量値Ｙ１を、情報記憶部１４３に予め記憶されたしきい値β１とステップ６ｃで比較する。この比較の結果、Ｙ１＞β１になると、情報処理部１６は単位時間当たりの降雨量が上限値を超えたと判断し、ステップ６ｄによりシリアル通信インタフェース１４２を介して充放電制御ユニット１１に対してトリガ信号Ｓ１を通知する。

一方、充放電制御ユニット１１の情報記憶部１１２には、先に述べたようにトリガ信号Ｓ１に対応付けて放電対象の予備電力値Ｅ１を表す情報が格納されている。この状態で、上記データロガー１４からトリガ信号Ｓ１が到来すると、充放電ユニット１１の情報処理部１１１はステップ６ｅからステップ６ｆに移行してここで情報記憶部１１２から上記トリガ信号Ｓ１に対応する放電電力値Ｅ１を表す情報を読み出す。そして、ステップ６ｇにより充放電制御回路１１４に対し指示を出し、これにより電気二重層キャパシタ１３にリザーブされた予備電力Ｅ１をデータロガー１４に供給させる。

したがってデータロガー１４は、上記供給された予備電力Ｅ１により情報処理部１６及び無線パケット通信インタフェース１７が動作状態になり、これにより単位時間当たりの降雨量が上限値を超えた旨の警報データが生成されて、この警報データがデータ収集装置２へ送信される。このため、例えば電気二重層キャパシタ１３の蓄電残量が減少してデータロガー１４の通常観測動作が停止している状態においても、上記警報データを確実にデータ収集装置２へ送信することが可能となる。

（３）電源異常が発生した場合に、電力蓄積ユニット１３にリザーブされた予備電力をデータロガー１４に供給する制御（イベントに応じた給電制御２）
データロガー１４の情報記憶部１４３には、電流センサ１５２で検出される一定時間内の電流変化量に対するしきい値β２、電圧センサ１５１で検出される一定時間内の電圧変化量に対するしきい値β３、及び電力供給部１４１で検出される一定時間内の電力消費量に対するしきい値β４がそれぞれ記憶されている。

データロガー１４の情報処理部１６は、先ず図７に示すようにステップ７ａにおいて電流センサ１５２により一定時間内の電流変化量ΔＹ２が検出されると、ステップ７ｂにより上記検出された電流変化量ΔＹ２をしきい値β２と比較する。そして、この比較の結果、電流変化量ΔＹ２がしきい値β２を下回った場合には、太陽電池パネルに遮蔽物が付着する等して発電効率が低下し、異常に至ったと判断する。

次にデータロガー１４の情報処理部１６は、データロガー１４を駆動するための電力が電力供給部１４１へ給電されていない時間帯において、ステップ７ｃにおいて電圧センサ１５１により一定時間内の電圧変化量ΔＹ３が検出する。そして、ステップ７ｄにより上記検出された電流変化量ΔＹ３をしきい値β３と比較する。この比較の結果、電圧変化量ΔＹ３がしきい値β３を下回った場合には、電気二重層キャパシタ１３の自己放電量が許容値を超えた異常状態であると判断する。

さらにデータロガー１４の情報処理部１６は、ステップ７ｅにおいて電力供給部１４１により一定時間内の電力消費量ΔＹ４を検出する。そして、ステップ７ｆにより上記検出された電力消費量ΔＹ４をしきい値β４と比較する。この比較の結果、電力消費量ΔＹ４がしきい値β４を下回った場合には、データロガー１４の情報処理量の増大等の想定される原因により通常の駆動に要する電力消費を超える異常状態であると判断する。

データロガー１４の情報処理部１６は、上記ステップ７ｂ、ステップ７ｄ又はステップ７ｆのいずれかにおいて異常状態が検出されると、ステップ７ｇによりトリガ信号Ｓ２を生成してこのトリガ信号Ｓ２をシリアル通信インタフェース１４２を介して充放電制御ユニット１１へ通知する。

一方、充放電制御ユニット１１の情報記憶部１１２には、先に述べたようにトリガ信号Ｓ２に対応付けて放電対象の予備電力値Ｅ２を表す情報が格納されている。この状態で、上記データロガー１４からトリガ信号Ｓ２が到来すると、充放電ユニット１１の情報処理部１１１はステップ７ｈからステップ７ｉに移行してここで情報記憶部１１２から上記トリガ信号Ｓ２に対応する放電電力値Ｅ２を表す情報を読み出す。そして、ステップ７ｊにより充放電制御回路１１４に対し指示を出し、これにより電気二重層キャパシタ１３にリザーブされた予備電力Ｅ２をデータロガー１４に供給させる。

したがってデータロガー１４は、上記供給された予備電力Ｅ２により情報処理部１６及び無線パケット通信インタフェース１７が動作状態となり、これにより太陽電池パネルにおいて異常が発生した旨の警報データ、電気二重層キャパシタ１３において異常が発生した旨の警報データ、又はデータロガー１４において負荷が増大する異常が発生した旨の警報データが生成されて、この生成された警報データがデータ収集装置２へ送信される。
このため、例えば電気二重層キャパシタ１３の蓄電残量が減少してデータロガー１４の通常観測動作が停止している状態においても、上記警報データを確実にデータ収集装置２へ送信することが可能となる。

（４）データ収集装置２からの要求に応じ、電力蓄積ユニット１３にリザーブされた予備電力をデータロガー１４に供給する制御（イベントに応じた給電制御３）
データロガー１４は、通常の観測動作状態において、図８に示すようにステップ８ａでデータ収集装置２からの特殊観測動作の実行要求の到来を監視している。この状態で、データ収集装置２から通信ネットワーク３を介して設定値を上回る頻度での観測データの取得要求、設定値を上回る頻度での観測データの転送要求、もしくは所要電力を上回る電力消費が生じる測定方法の要求が到来したとする。データロガー１４の情報処理部１６は、これらの実行要求を受信するとステップ８ａからステップ８ｂに移行して、シリアル通信インタフェース１４２を介して充放電制御ユニット１１に対してトリガ信号Ｓ３を与える。

一方、充放電制御ユニット１１の情報記憶部１１２には、先に述べたようにトリガ信号Ｓ３を受信した場合に、テレメトリ観測装置１に特殊観測の実行要求を実行することのみに給電する予備電力Ｅ３を表す情報が記憶されている。また、電気二重層キャパシタ１３には、先に述べたように少なくとも予備電力Ｅ３を超える蓄電残量がリザーブされている。

この状態で、シリアル通信インタフェース１１３を介してデータロガー１４からトリガ信号Ｓ３が到来すると、充放電制御ユニット１１の情報処理部１１１はステップ８ｃからステップ８ｄに移行して、情報記憶部１１２に記憶された上記予備電力Ｅ３を表す情報を読み出す。そして、ステップ８ｅにより充放電制御回路１１４に対して、データロガー１４へ予備電力Ｅ３を供給させる指示を与える。充放電制御回路１１４は、情報処理部１１１からの給電指示を受けて、電気二重層キャパシタ１３から予備電力Ｅ３をデータロガー１３の電力供給部１４１へ供給する。

したがってデータロガー１４は、上記供給された予備電力Ｅ３により情報処理部１６、各センサ、及び無線パケット通信インタフェース１７が動作状態となる。そして、データ収集装置２から特殊観測動作の実行要求により指示された観測スケジュールに従い頻度の高い観測動作を実行し、この観測動作により得られた観測データを無線通信インタフェース１７からデータ収集装置２へ高頻度で転送する。

このため、例えば電気二重層キャパシタ１３の蓄電残量が減少してデータロガー１４の通常観測動作が停止している状態であっても、上記データ収集装置２から特殊観測動作の実行要求により指示された特殊観測動作及びデータ転送動作を確実に実行することができる。

（５）観測レベルに応じた観測時間間隔及びデータ転送時間間隔の制御
データロガー１４の情報記憶部１４３には、雨量観測レベルと雨量観測時間間隔との対応関係を表す観測レベルテーブルが記憶されている。図５はこの観測レベルテーブルの具体例を示すものである。

一般に、転倒マス型雨量センサを用いて雨量観測を行う場合、マス容量を満たす降雨があった時点でマスが１回転倒して排出される雨量が０．５ミリと計測される。図５においては、小牧市のホームページ
http://www.city.komaki.aichi.jp/fire/bt_jo/taifuh/gou_u.htmlに掲載された１時間当りの降雨量（以下、「１時間雨量」という）と雨の降り方との関係を参考に、雨量観測レベルを６段階に設定している。そして、各観測レベルに対応付けて、当該観測レベルにおける１時間雨量の範囲、雨の降り方、転倒マス型雨量センサによって観測される１時間当りの雨量計パルス数（以下、「１時間パルス数」という）、降雨持続時間、観測時間間隔△Ｔ（単位：分）を設定している。ここで、雨量計パルス数は、例えば観測レベル“１”では１時間当りの降雨量が５ミリ以下であるため、１時間パルス数は１０以下となることを意味する。降雨持続時間は、平成１６年７月の新潟・福島豪雨における栃尾市での雨量観測データを参考にして、各観測レベルの１時間雨量の持続時間を見積もった。観測時間間隔△Ｔは、各観測レベルの降雨持続時間内に転送される最大データ数が概ね上記図５に示した観測レベルテーブルに示した各観測レベルの値になるように設定した。また、ここでは仮に各観測レベルにおいてデータ収集装置２への観測データの転送時間間隔を観測時間間隔△Ｔに等しく設定した。

この状態で、例えば観測レベル３に対応する降水があったとする。データロガー１４の情報処理部１６は、先ずステップ９ａにおいて、ある時刻Ｔから観測時間間隔ΔＴ後の時刻Ｔ＋△Ｔまでの期間に観測された雨量センサ１５３からのパルス数γを計測する。次にステップ９ｂにおいて、γ×（６０／△Ｔ（分））の値Γ１を計算し、この計算されたΓ１に対応する観測レベルをステップ９ｃで特定する。

そして、ステップ９ｄにおいて、情報記憶部１４３に記憶された観測レベルテーブルを参照して、特定された観測レベルに対応する観測時間間隔を読み出し、現在設定されている観測時間間隔を上記読み出された観測時間間隔に変更する。例えば、いま上記Γ１に対応する観測レベルがレベル“４”だったとすると、この時点から観測時間間隔を上記レベル“４”に対応する値に変更する。

またそれと共に、ステップ９ｅにおいて、情報記憶部１４３に記憶された観測レベルテーブルを参照して、特定された観測レベルに対応するデータ転送時間間隔を読み出し、現在設定されているデータ転送時間間隔を上記読み出されたデータ転送時間間隔に変更する。例えば、いま上記Γ１に対応する観測レベルがレベル“４”だったとすると、この時点からデータ転送時間間隔を上記レベル“４”に対応する値に変更する。

この結果、降雨量が災害発生リスクの比較的少ない観測レベル“３”から、がけ崩れの危険性がある観測レベル“４”に変化した時点で、観測時間間隔及び観測データの転送時間間隔がそれぞれ短縮される。以後同様に、任意の観測時間間隔△Ｔ内に観測されたパルス数から１時間パルス数を計算し、この計算値がどの観測レベルの１時間パルス数の範囲に属するかを判別し、この判別結果に応じて現行での観測時間間隔及びデータ転送時間間隔が雨の降り方に応じて変更される。

かくして、災害リスクが高い、より重要なデータを詳細かつ高頻度に転送することが可能となる。これは、１時間雨量を観測データとし、Ａ＝０、ａ１＝５ミリ、ａ２＝１０ミリ、ａ３＝２０ミリ、ａ４＝３０ミリ、ａ５＝４０ミリ、ａ６＝５０ミリとした場合に相当する。ただし、雨量センサの１時間雨量の上限値Ｂは観測レベルテーブル（図５）に併せてここでは定めない。

（６）観測レベルに応じた観測データの破棄
ここでは、観測レベルテーブル（図５）を土砂災害監視に適用する場合を例にとって説明する。土砂災害発生が想定される観測レベル“４”の１時間雨量が観測された時点で、データロガー１３からデータ収集装置２へ土砂災害警報が報知される。またそれと共に、観測レベル“４”未満の１時間雨量の観測データを廃棄するように設定し、この設定情報をデータロガー１３の情報記憶部１４３に記憶しておく。

データロガー１４の情報処理部１６は、先ずステップ１０ａにおいて、ある時刻Ｔから観測時間間隔ΔＴ後の時刻Ｔ＋△Ｔまでの期間に観測された雨量センサ１５３からのパルス数δを計測する。そしてステップ１０ｂにおいて、δ×（６０／△Ｔ（分））の値Γ２を計算し、この計算されたΓ２に対応する観測レベルをステップ１０ｃで特定する。

次に、ステップ１０ｄにおいて、上記特定されたΓ２に対応する観測レベルを上記情報記憶部１４３に記憶された設定情報、つまりレベル“４“と比較する。そして、この比較の結果、上記特定された現在の観測レベルが設定されたレベル“４“以上であれば、ステップ１０ｅに移行して、ここで上記雨量の観測データを土砂災害警報と共に無線パケット通信インタフェース１７からデータ収集装置２へ送信する。これに対し、上記特定された現在の観測レベルが設定されたレベル“４“未満であれば、ステップ１０ｆに移行して、ここで上記雨量の観測データを情報記憶部１４３から破棄する。

したがって、現在の雨量に対応する観測レベルが上記設定された観測レベル“４“のときには、上記雨量の観測データは破棄されてデータ収集装置２へ転送されない。このため、データ収集装置２への観測データの転送回数は抑えられ、その分データロガー１４による消費電力は低減されて、これにより電気二重層キャパシタ１３の寿命を延長することが可能となる。

（一実施形態）
図１１は、この発明の一実施形態に係わる自立駆動型テレメトリ観測装置の構成を示すブロック図である。なお、同図において前記図２と同一部分には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
充放電制御ユニット１１０には、先に述べた情報処理部１１１、情報記憶部１１２、シリアル通信インタフェース１１３及び充放電制御回路１１４に加え、電流センサ１１５と、電圧センサ１１６がさらに設けられている。電流センサ１１５は、エネルギ変換部としての太陽電池パネル１２の発電電流値Ｉｓを充放電制御回路１１４を介して検出する。電圧センサ１１６は、電力蓄積ユニットとしての電気二重層キャパシタ１３の端子間電圧Ｖｃを充放電制御回路１１４を介して検出する。

情報処理部１１１は、後述するデータロガー１４０から計測指示が到来した場合に、上記電流センサ１１５及び電圧センサ１１６からそれぞれ発電電流値Ｉｓ及び端子間電圧Ｖｃを取得し、この取得された発電電流値Ｉｓと、取得された端子間電圧Ｖｃから変換された電気二重層キャパシタ１３の蓄電残量Ｅｃをデータロガー１４０へ通知する制御機能を備える。

一方、データロガー１４０には、前記電流センサ１５１及び電圧センサ１５２の代わりに紫外線センサ１５４が設けられている。紫外線センサ１５４は、太陽光の照射量を検知するために使用される。
データロガー１４０の情報処理部１６は、電気二重層キャパシタ１３から電力供給部１４１に供給される電力の低下が検出された場合に、計測要求を上記充放電制御ユニット１１０に与える。そして、上記計測要求に対し充放電制御ユニット１１０から発電電流値Ｉｓ及び蓄電残量Ｅｃが通知された場合に、これらの値をもとに電源系の異常の有無と異常の原因をそれぞれ判定し、その判定結果の報告データをデータ収集装置２へ送信する制御機能を備える。

次に、以上のように構成されたテレメトリ観測装置の動作を説明する。図１２は、データロガー１４０及び充放電制御ユニット１１０による制御手順と制御内容を示すフローチャートである。
太陽電池パネル１２に太陽光が照射されると直流電力が生じ、太陽光強度に依存した大きさの電力が充放電制御ユニット１１０内の充放電制御回路１１４に供給される。充放電制御回路１１４に供給された電力は、電気二重層キャパシタ１３へ直流電力として出力され、所定の蓄電容量まで充電される。また、電気二重層キャパシタ１３に蓄電された電力は、充放電制御回路１１４を介してデータロガー１４０に供給され、データロガー１４０に実装もしくは接続された各機能素子を駆動するために使われる。ここで、充放電制御回路１１４は、電気二重層キャパシタ１３を充電する際に、充電された電力の逆流を防止するなど、電気二重層キャパシタ１３の蓄電形態に応じた充電制御機能を有する。

いま仮に、上記電気二重層キャパシタ１３から充放電制御回路１１４を介してデータロガー１４０に供給される電力が低下し、所定の電力で駆動されていたデータロガー１４０の動作状態が不安定になったとする。ここで、供給電力の低下を生じる原因としては、電気二重層キャパシタ１３の蓄電残量不足（原因１）と、太陽電池パネル１２における発電異常（原因２）が考えられる。

データロガー１４０の情報処理部１６は、ステップ１２ａにおいて供給電力の値がしきい値未満に低下した状態が一定時間継続したことを検出すると、供給電力の異常と判断して、ステップ１２ｂによりシリアル通信インタフェース１４２を介して充放電制御ユニット１１０に対して蓄電残量等の計測指示を与える。

これに対し充放電制御ユニット１１０では、情報処理部１１１がステップ１２ｃにおいて計測指示の到来を監視している。この状態で、上記データロガー１４０から蓄電残量等の計測指示が到来すると、先ずステップ１２ｄに移行してここで電圧センサ１１６から電気二重層キャパシタ１３の端子間電圧Ｖｃを取得する。続いてステップ１２ｅにより、電流センサ１１５から太陽電池パネル１２の発電電流値Ｉｓを取得する。そして、ステップ１２ｆにおいて上記端子間電圧Ｖｃを蓄電残量Ｅｃに変換し、この変換された蓄電残量Ｅｃと上記取得された発電電流値Ｉｓの報告データを、ステップ１２ｇによりシリアル通信インタフェース１１３からデータロガー１４０へ送信する。

データロガー１４０は、ステップ１２ｈにより充放電制御ユニット１１０からの報告データの到来を監視している。この状態で、充放電制御ユニット１１０から報告データが到来すると、ステップ１２ｈから先ずステップ１２ｉに移行して、当該報告データに含まれる蓄電残量Ｅｃ及び発電電流値Ｉｓを許容値と比較し、その比較結果をもとに蓄電残量Ｅｃ及び発電電流値Ｉｓが異常値に該当するか否かを判定する。そして、この判定の結果、異常値であればステップ１２ｊに移行し、ここで異常の原因を以下のように判定する。なお、ここではＩｓ及びＥｃが予め設定された許容値を上回った場合をＧ、下回った場合をＮＧと表記する。

判定１． Ｉｓ：Ｇ、Ｅｃ：ＮＧの場合 → 原因“１”と判断。
判定２． Ｉｓ：ＮＧ、Ｅｃ：Ｇの場合 → 原因“２”と判断。
このとき、データロガー１４０の情報処理部１６は、紫外線センサ１５４を駆動し、太陽光の照射量Ｌを一定時間計測する。そして、晴天時の平均的な太陽光の照射量をＬ０として、一定時間内ＬがＬ０を上回った場合には、太陽電池パネル１２の故障と判断する。これに対し、一定時間内ＬがＬ０を下回った場合には曇天時と判断する。また、一定時間内にＬがＬ０近傍まで回復した場合には、遮蔽物による一時遮光と判断する。

判定３ Ｉｓ：ＮＧ、Ｅｃ：ＮＧの場合
データロガー１４０の情報処理部１６は紫外線センサ１５４を駆動し、太陽光の照射量Ｌを一定時間計測する。このとき、一定時間内にＬがＬ０を下回った場合には、原因“１“と判断する。これに対し、一定時間内にＬがＬ０を上回った場合には、太陽電池パネル１２の故障と判断する。

最後に、データロガー１４０の情報処理部１６は、ステップ１２ｋにおいて上記ステップ１２ｊによる判定結果を含む報告データを生成し、この生成した報告データを無線パケット通信インタフェース１７からデータ収集装置２へ送信する。
なお、上記紫外線センサ１５４の代用として、太陽電池パネル１２の単一セルに相当する素子によって観測される太陽光強度を用いてもよい。また、データロガー１４０の情報処理部１６で異常個所を特定して原因事象を判定したが、情報処理部１６は給電電力の低下を検知した後これをデータ収集装置２へ通知し、データ収集装置２が異常個所を特定し、原因事象を判定するようにしてもよい。

したがってこの発明の一実施形態であれば、データロガー１４０において、太陽電池パネル１２及び電気二重層キャパシタ１３の異常とその原因が自動的に検出及び判定され、この推定された異常原因がデータ収集装置２に報告される。この結果、データ収集装置２では、例えば太陽光発電における発電電流Ｉｓの変動による日照低減と発電障害の切り分けが可能となる。

すなわち、太陽電池パネル１２では、複数枚のセルを直列接続して構成することから、十分な日照がある場合でも部分遮光があるとパネル全体での発電量が急激に低下する。そのため、遮光原因が木の葉等の遮蔽物の付着など一時的な現象であれば発電電流値は急速に回復する。しかし、セルの破損や表面の汚濁など永続的な現象の場合には発電電流値が低下した状態が永続する。したがって、低発電電流の継続時間により両者の状態が識別可能である。

一方、曇天が長時間続く場合でも、低発電電流の状態が永続するが、紫外線センサ又は温度センサによって日照を検知すれば、原因事象から曇天状態が排除され、日照低減と発電障害の切り分けが可能となる。また、自立駆動型テレメトリ観測装置１０の動作状態をデータ収集装置２側から遠隔にかつ詳細に診断することが可能となる。このため、万一自立駆動型テレメトリ観測装置１０に故障などが発生して保守員が観測現場へ出向く必要がある場合でも、事前に復旧の方策を容易に講じることが可能となる。

（その他の実施形態）
前記実施形態では、太陽発電を利用する場合を例にとって説明したが、風力発電や地熱発電等のその他の自然エネルギを利用して発電し、その電力を電力蓄電ユニットに蓄積して使用する場合にもこの発明を適用可能である。
その他、データロガー及び充放電制御ユニットの構成、電力蓄積ユニットの構成、データロガーによる制御手順制御内容などについても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

要するにこの発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１，１０…自立駆動型テレメトリ観測装置、２…データ収集装置、３…通信ネットワーク、１１，１１０…充放電制御ユニット、１１１…充放電制御ユニットの情報処理部、１１２…充放電制御ユニットの情報記憶部、１１３…シリアル通信インタフェース、１１４…充放電制御回路、１２…エネルギ変換部（太陽電池パネル）、１３…電力蓄積ユニット（電気二重層キャパシタ）、１４，１４０…データロガー、１４１…電力供給部、１４２…データロガーのシリアル通信インタフェース、１４３…データロガーの情報記憶部、１５…センサ群、１５１…電圧センサ、１５２…電流センサ、１５３…雨量センサ、１６…データロガーの情報処理部、１７…通信インタフェース（無線パケット通信インタフェース）。

Claims (2)

1. センサから観測データを取得し、この取得された観測データを通信ネットワークを介してデータ収集装置へ転送するデータロガーと、
   自然エネルギをもとに電力を生成する電力生成ユニットと、
   前記生成された電力を蓄積する電力蓄積ユニットと、
   前記電力蓄積ユニットに蓄積された電力を前記データロガーに給電する給電制御ユニットと
   を具備し、
   前記給電制御ユニットは、
   前記電力生成ユニットにより生成された電力を検出する手段と、
   前記電力蓄積ユニットにおける蓄積電力の残量を検出する手段と、
   前記生成された電力の検出値及び前記蓄積電力の残量検出値を前記データロガーに通知する手段と
   を備え、
   前記データロガーは、
   前記給電制御ユニットから通知された生成電力の検出値及び蓄積電力の残量検出値に基づいて、前記電力生成ユニット及び前記電力蓄積ユニットに異常があるか否か判定する異常判定手段と、
   前記電力生成ユニットと前記電力蓄積ユニットの少なくとも一方に異常があると判定された場合に、前記生成電力の検出値及び蓄積電力の残量検出値に基づいて異常の原因を推定する異常原因推定手段と、
   前記推定された異常の原因を表す情報を前記データ収集装置へ送信する手段と
   を備えることを特徴とする自立駆動型テレメトリ観測装置。
2. センサから観測データを取得し、この取得された観測データを通信ネットワークを介してデータ収集装置へ転送するデータロガーと、
   自然エネルギをもとに電力を生成する電力生成ユニットと、
   前記生成された電力を蓄積する電力蓄積ユニットと、
   前記電力蓄積ユニットに蓄積された電力を前記データロガーに給電する給電制御ユニットと
   を具備して構成される自立駆動型テレメトリ観測装置の動作方法であって、
   前記給電制御ユニットにおいて、
   前記電力生成ユニットにより生成された電力を検出するステップと、
   前記電力蓄積ユニットにおける蓄積電力の残量を検出するステップと、
   前記生成された電力の検出値及び前記蓄積電力の残量検出値を前記データロガーに通知するステップと
   を実行し、
   前記データロガーにおいて、
   前記給電制御ユニットから通知された生成電力の検出値及び蓄積電力の残量検出値に基づいて、前記電力生成ユニット及び前記電力蓄積ユニットに異常があるか否か判定するステップと、
   前記電力生成ユニットと前記電力蓄積ユニットの少なくとも一方に異常があると判定された場合に、前記生成電力の検出値及び蓄積電力の残量検出値に基づいて異常の原因を推定するステップと、
   前記推定された異常の原因を表す情報を前記データ収集装置へ送信するステップと
   を実行することを特徴とする自立駆動型テレメトリ観測装置の動作方法。

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