JP6967439B2 - Wireless communication protocol - Google Patents
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Description
本明細書中に開示されている発明は、例えば、センサモジュール向けの無線通信プロトコルに関する。 The invention disclosed herein relates to, for example, a wireless communication protocol for a sensor module.
一般に、無線通信プロトコルでは、パケットを連続して送信することのできる送信期間が制限されており、所定の送信期間(例えば最長50ms)が経過した後には、所定の休止期間(例えば最短50ms)に亘って、パケットの送信再開を待機しなければならない(例えば日本の電波法に準拠した標準規格の一つであるARIB STD−T108を参照)。そのため、複数のパケットから成るデータを無線通信部で送信するための無線通信期間には、その開始から終了まで、上記の送信期間と休止期間が交互に繰り返される。 Generally, in a wireless communication protocol, a transmission period during which packets can be continuously transmitted is limited, and after a predetermined transmission period (for example, a maximum of 50 ms) has elapsed, a predetermined pause period (for example, a minimum of 50 ms) is reached. It must wait for the packet to resume transmission (see, for example, ARIB STD-T108, which is one of the standards compliant with the Radio Law of Japan). Therefore, in the wireless communication period for transmitting data composed of a plurality of packets by the wireless communication unit, the above transmission period and the pause period are alternately repeated from the start to the end.
しかしながら、上記従来の無線通信プロトコルでは、これに則って無線通信を行う無線通信部の消費電力低減について、さらなる改善の余地があった。 However, in the above-mentioned conventional wireless communication protocol, there is room for further improvement in reducing the power consumption of the wireless communication unit that performs wireless communication according to the protocol.
本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、無線通信部の消費電力を低減することのできる新規な無線通信プロトコルを提供することを目的とする。 The invention disclosed in the present specification is to provide a novel wireless communication protocol capable of reducing the power consumption of the wireless communication unit in view of the above-mentioned problems found by the inventors of the present application. The purpose.
本明細書中に開示されている無線通信プロトコルは、複数のパケットから成るデータを無線通信部で送信するための無線通信期間において、前記パケットを連続して送信することのできる送信期間が制限されており、所定の送信期間が経過した後には所定の休止期間に亘って前記パケットの送信再開を待機しなければならず、前記無線通信期間の開始から終了まで、前記送信期間と前記休止期間が交互に繰り返されるものであって、前記送信期間毎に送信するパケットの個数を固定しておき、その送信動作を前記送信期間内に完了させた上で、前記休止期間には前記無線通信部を通常モードからこれよりも消費電力の小さい省電力モードに移行させる構成(第1の構成)とされている。 The wireless communication protocol disclosed in the present specification limits the transmission period during which the packet can be continuously transmitted in the wireless communication period for transmitting data composed of a plurality of packets by the wireless communication unit. After the predetermined transmission period has elapsed, the packet transmission restart must be waited for for a predetermined pause period, and the transmission period and the pause period are from the start to the end of the wireless communication period. It is repeated alternately, and the number of packets to be transmitted is fixed for each transmission period, the transmission operation is completed within the transmission period, and then the wireless communication unit is operated during the pause period. It is configured to shift from the normal mode to the power saving mode in which the power consumption is smaller than this (first configuration).
また、本明細書中に開示されている無線通信回路は、制御部と、前記制御部により制御される無線通信部と、を有し、上記第1の構成から成る無線通信プロトコルに則ってデータの無線通信を行う構成(第2の構成)とされている。 Further, the wireless communication circuit disclosed in the present specification includes a control unit and a wireless communication unit controlled by the control unit, and data is based on the wireless communication protocol having the first configuration. It is said that the configuration is such that wireless communication is performed (second configuration).
なお、上記第2の構成から成る無線通信回路において、前記制御部は、前記無線通信部への送信要求を開始してから所定の移行待機時間が経過した時点で省電力モード移行信号を出力し、前記無線通信部は、前記省電力モード移行信号に応じて前記通常モードから前記省電力モードに移行する構成(第3の構成)にするとよい。 In the wireless communication circuit having the second configuration, the control unit outputs a power saving mode transition signal when a predetermined transition standby time has elapsed since the transmission request to the wireless communication unit was started. The wireless communication unit may be configured to shift from the normal mode to the power saving mode (third configuration) in response to the power saving mode transition signal.
また、上記第3の構成から成る無線通信回路において、前記制御部は、前記省電力モード移行信号を出力してから所定の復帰待機時間が経過した時点で通常モード復帰信号を出力し、前記無線通信部は、前記通常モード復帰信号に応じて前記省電力モードから前記通常モードに復帰する構成(第4の構成)にするとよい。 Further, in the wireless communication circuit having the third configuration, the control unit outputs a normal mode return signal when a predetermined return standby time has elapsed after outputting the power saving mode transition signal, and outputs the normal mode return signal. The communication unit may be configured to return from the power saving mode to the normal mode (fourth configuration) in response to the normal mode return signal.
また、上記第2の構成から成る無線通信回路において、前記制御部は、前記無線通信部への送信要求を開始してから所定の移行待機時間が経過した時点で前記無線通信部への電力供給を停止し、前記無線通信部は、前記電力供給の停止により前記通常モードから前記省電力モードに移行する構成(第5の構成)にしてもよい。 Further, in the wireless communication circuit having the second configuration, the control unit supplies power to the wireless communication unit when a predetermined transition standby time has elapsed since the transmission request to the wireless communication unit was started. The wireless communication unit may be configured to shift from the normal mode to the power saving mode (fifth configuration) by stopping the power supply.
また、上記第5の構成から成る無線通信回路において、前記制御部は、前記無線通信部への電力供給を停止してから所定の復帰待機時間が経過した時点で前記無線通信部への電力供給を再開し、前記無線通信部は、前記電力供給の再開により前記省電力モードから前記通常モードに復帰する構成(第6の構成)にするとよい。 Further, in the wireless communication circuit having the fifth configuration, the control unit supplies power to the wireless communication unit when a predetermined recovery standby time elapses after the power supply to the wireless communication unit is stopped. The wireless communication unit may be configured to return from the power saving mode to the normal mode (sixth configuration) by restarting the power supply.
また、本明細書中に開示されているセンサ回路は、所定の計測対象を計測するセンサ部と、上記第2〜第6いずれかの構成から成り前記センサ部で得られた計測結果の無線通信を行う無線通信回路と、を有する構成(第7の構成)とされている。 Further, the sensor circuit disclosed in the present specification comprises a sensor unit that measures a predetermined measurement target and a configuration according to any one of the second to sixth, and wireless communication of the measurement result obtained by the sensor unit. It is a configuration (seventh configuration) having a wireless communication circuit for performing the above.
また、本明細書中に開示されているセンサモジュールは、環境発電部及び蓄電部を含む電源回路と、上記第7の構成から成り前記電源回路から電力供給を受けて間欠的に動作するセンサ回路と、を有する構成(第8の構成)とされている。 Further, the sensor module disclosed in the present specification comprises a power supply circuit including an energy harvesting unit and a power storage unit, and a sensor circuit that operates intermittently by receiving power supply from the power supply circuit having the above-mentioned seventh configuration. And, it is said to have a configuration (eighth configuration).
なお、上記第8の構成から成るセンサモジュールは、前記蓄電部に蓄えられた入力電圧を常時監視する電圧監視回路をさらに有し、前記センサ回路は、計測対象の計測及び計測結果の無線通信を行うアクティブ状態と、その動作を休止するスリープ状態とを交互に繰り返すものであり、前記スリープ状態では、所定の周期で前記電圧監視回路の出力確認を行い、前記入力電圧が所定の基準電圧よりも高ければ前記アクティブ状態に復帰し、前記入力電圧が前記基準電圧よりも低ければ前記スリープ状態を維持する構成(第9の構成)にするとよい。 The sensor module having the eighth configuration further includes a voltage monitoring circuit that constantly monitors the input voltage stored in the power storage unit, and the sensor circuit performs measurement of the measurement target and wireless communication of the measurement result. The active state to be performed and the sleep state to suspend the operation are alternately repeated. In the sleep state, the output of the voltage monitoring circuit is confirmed at a predetermined cycle, and the input voltage is higher than the predetermined reference voltage. If it is high, the active state may be restored, and if the input voltage is lower than the reference voltage, the sleep state may be maintained (nineth configuration).
また、本明細書中に開示されているセンサネットワークは、上記第8または第9の構成から成るセンサモジュールと、前記センサモジュールの計測結果を無線で受信する受信機と、を有する構成(第10の構成)とされている。 Further, the sensor network disclosed in the present specification has a configuration (10th) including a sensor module having the eighth or ninth configuration and a receiver that wirelessly receives the measurement result of the sensor module. The composition of).
本明細書中に開示されている発明によれば、無線通信部の消費電力を低減することのできる新規な無線通信プロトコルを提供することが可能となる。 According to the invention disclosed in the present specification, it is possible to provide a novel wireless communication protocol capable of reducing the power consumption of the wireless communication unit.
<センサネットワーク(第1実施形態)>
図1は、センサネットワークの第1実施形態を示す図である。本実施形態のセンサネットワークXは、センサモジュール1と、受信機2と、サーバ3と、を有する。
<Sensor network (first embodiment)>
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a sensor network. The sensor network X of the present embodiment includes a
センサモジュール1は、例えば、環境発電による自己発電電力を用いて動作する端末であり、所定の計測対象(=機械の振動など)を計測する。また、センサモジュール1は、一方向または双方向の無線通信機能を備えており、受信機2に対して自身の計測結果を無線で送信する。
The
受信機2は、センサモジュール1の計測結果を無線で受信し、これをサーバ3に有線または無線で転送する通信機器である。
The
サーバ3は、受信機2から転送されたセンサモジュール1の計測結果について、その記録や解析などを行う。
The
本実施形態のセンサネットワークXでは、センサモジュール1の消費電力が環境発電によって賄われているので、センサモジュール1については、電源配線の敷設や電池の交換が不要となる。また、センサモジュール1と受信機2との間では、無線通信が行われるので、相互間を結ぶ信号配線も不要となる。従って、センサモジュール1を任意の箇所に配置することが可能となる。
In the sensor network X of the present embodiment, since the power consumption of the
例えば、センサネットワークXを用いて車両の振動や温度などをモニタリングする場合には、センサモジュール1への電源配線や信号配線を省略することにより、車両の軽量化を図ることが可能となる。また、センサネットワークXを用いて患者の生体情報などをモニタリングする場合には、センサモジュール1を患者の体内に埋め込み、その検出結果を体外の受信機2で読み出すことにより、患者の負担を軽減することが可能である。また、工場などにおいて、空調機やコンプレッサなどの振動または温度をモニタリングする場合には、搬送車による断線や、配線による事故を減らすことが可能となる。
For example, when monitoring the vibration and temperature of the vehicle using the sensor network X, it is possible to reduce the weight of the vehicle by omitting the power supply wiring and the signal wiring to the
<センサモジュール>
図2は、センサモジュール1の一構成例を示す図である。本構成例のセンサモジュール1は、電源回路10と、センサ回路20と、電圧監視回路30と、を含む。
<Sensor module>
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the
電源回路10は、センサモジュール1の各部に電力を供給するための手段であり、環境発電部11と、蓄電部12と、パワーマネジメント部13と、を含む。
The
環境発電部11は、センサモジュール1の置かれた環境下に存在するエネルギー(=振動、光、熱など)を受けて発電する手段(いわゆるエナジーハーベスタ)である。なお、振動をエネルギー源とする場合には、発電素子として、ピエゾ素子などの圧電素子を用いるとよい。また、太陽光や照明光をエネルギー源とする場合には、発電素子として、シリコン系、化合物系、または、有機系などの光電素子を用いるとよい。また、熱をエネルギー源とする場合には、発電素子として、ペルチェ素子などの熱電素子を用いるとよい。また、環境発電(ないしは自己発電)をより広義に捉えると、CT方式電流センサを用いることもできる。その原理は、測定導体(1次側)に流れる交流電流による磁気コア内に発生した磁束を打ち消すように2次側の巻線に巻線比に応じた交流電流(2次電流)が流れるというものである。ただし、上記はあくまで例示であり、他の発電原理による発電デバイスを用いても構わない。例えば、振動発電には、圧電式(ピエゾ素子を用いるもの)だけでなく、電磁誘導式(コイルと磁石を用いた電磁誘導によるもの)や、静電式(エレクトレットを用いるもの)などがある。
The
蓄電部12は、環境発電部11で得られた自己発電電力(ただしCT方式電流センサを用いる場合には非接触給電電力と読み替えてもよい)を蓄える手段であり、例えば、スーパーキャパシタ(=電気二重層キャパシタの総称)を好適に用いることができる。なお、蓄電部12に蓄えられた入力電圧Vin(=スーパーキャパシタの充電電圧)は、パワーマネジメント部13に供給される一方、電圧監視回路30の監視対象とされている。
The power storage unit 12 is a means for storing the self-generated power obtained by the energy harvesting unit 11 (however, when a CT type current sensor is used, it may be read as non-contact power supply power), and is, for example, a supercapacitor (= electricity). A general term for double layer capacitors) can be preferably used. The input voltage Vin (= charging voltage of the supercapacitor) stored in the power storage unit 12 is supplied to the
パワーマネジメント部13は、入力電圧Vinから所望の電源電圧Vddを生成してセンサ回路20に供給する。なお、パワーマネジメント部13としては、例えば、DC/DCコンバータを好適に用いることができる。
The
センサ回路20は、センサ部21と、無線通信部22と、制御部23と、を含み、電源回路10から電力供給を受けて間欠的に動作する。
The
センサ部21は、所定の計測対象(磁気、加速度、角速度、圧力、歪み、振動、温度、湿度、光、赤外線、紫外線、電磁波、放射線、電界、電流、電圧、電力、位置、距離、変位、流速、流量、成分、組成、濃度、音、ガス、匂い、電気伝導度、pH、水位、カウントなど)を計測する手段である。なお、センサ部21は、アナログ出力であってもデジタル出力であっても構わない。
The
なお、センサモジュール1では、環境発電部11のエネルギー源とセンサ部21の計測対象が共通であるとよい。一つの例として、環境発電部11で振動をエネルギー源とし、センサ部21で上記の振動を計測対象としている場合が挙げられる。この場合、センサ部21が振動を計測しようとするときには、その振動を受けて環境発電部11で発電が行われるので、振動以外をエネルギー源とする場合と比べて、より確実にセンサ部21への電力供給を行うことが可能となる。
In the
無線通信部22は、制御部23からの指示に応じてセンサ部21で得られた計測結果を受信機2に無線で送信する。なお、無線通信部22と制御部23は、それぞれ、無線通信回路を構成する回路要素の一つとして理解することもできる。
The
制御部23は、センサ部21と無線通信部22の制御主体であり、センサ部21の出力信号を受け付けるインタフェイス回路や、各種の信号処理を行うデジタル制御回路などを含む。制御部23としては、MCU[micro control unit]などが好適に用いられる。
The
電圧監視回路30は、蓄電部12に蓄えられた入力電圧Vinを常時監視し、その監視結果を出力信号Soとして制御部23に送出する。
The
なお、環境発電部11のハーベスタ能力は、必ずしも大きいものではなく、センサ回路20を常時動作し続けることは難しい。そこで、センサ回路20は、所定の周期Tで電圧監視回路30の出力信号Soを確認しながら、計測対象の計測及び計測結果の無線通信を行うアクティブ状態と、その動作を一時的に休止するスリープ状態と、を交互に繰り返す間欠動作を行う。以下では、センサ回路20の間欠動作について詳述する。
The harvester capacity of the
<間欠動作>
まず、電圧監視回路30を用いた間欠動作の説明に先立ち、その比較例として、電圧監視回路30を用いない間欠動作について、図3を参照しながら簡単に説明しておく。
<Intermittent operation>
First, prior to the description of the intermittent operation using the
図3は、間欠動作の比較例(電圧監視なし)を示すタイムチャートであり、上側から順に、入力電圧Vinとセンサ回路20の動作状態(A:アクティブ状態、S:スリープ状態)が示されている。なお、オン電圧Vonは、パワーマネジメント部13がオンする電圧であり、オフ電圧Voffは、パワーマネジメント部13がオフする電圧である。
FIG. 3 is a time chart showing a comparative example of intermittent operation (without voltage monitoring), and shows the operating states (A: active state, S: sleep state) of the input voltage Vin and the
本図で示したように、センサ回路20は、アクティブ状態A(=計測及び無線通信)とスリープ状態S(=充電)を交互に繰り返す間欠動作を行う。なお、本図では、図示の便宜上、アクティブ状態Aを維持する時間(例えば時刻t11〜t12)が本来よりも長く描写されているが、実際には、スリープ状態Sを維持する時間(=間欠動作の周期T(例えば数分〜数時間))と比べて極めて短時間で完了する。
As shown in this figure, the
仮に、スリープ状態Sにおける蓄電電力がアクティブ状態Aにおける消費電力よりも大きい場合には、入力電圧Vinが一旦オン電圧Vonを上回って以降、これがオフ電圧Voffを下回ることはない。従って、センサ回路20は、一定の周期Tを維持して間欠動作を行うことが可能である。
If the stored power in the sleep state S is larger than the power consumption in the active state A, once the input voltage Vin exceeds the on-voltage Von, it does not fall below the off-voltage Voff. Therefore, the
一方、本図で示したように、スリープ状態Sにおける蓄電電力がアクティブ状態Aにおける消費電力よりも小さい場合には、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへ復帰する度に、入力電圧Vinが徐々に低下していき、最終的にはオフ電圧Voffを下回る。その結果、パワーマネジメント部13がオフとなり、センサ回路20への電力供給が停止されるので、制御部23のタイマが切れて一定の周期Tで間欠動作を行うことができなくなる(時刻t12〜t13と時刻t14〜t15を比較参照、T≠T’)。このように、間欠動作の周期Tが変動してしまうと、周期性を持つデータを取得することができなくなる。
On the other hand, as shown in this figure, when the stored power in the sleep state S is smaller than the power consumption in the active state A, the input voltage Vin gradually decreases each time the sleep state S returns to the active state A. Finally, it falls below the off voltage Voff. As a result, the
また、アクティブ状態Aの途中で、入力電圧Vinがオフ電圧Voffを下回った場合には、計測及び無線通信が中断されるので、十分なデータを取得することができなかったり、若しくは、全てのデータを送信することができなかったりする(時刻t13〜t14を参照)。 Further, if the input voltage Vin falls below the off voltage Voff in the middle of the active state A, measurement and wireless communication are interrupted, so that sufficient data cannot be acquired, or all data. Cannot be sent (see times t13 to t14).
上記の不具合は、パワーマネジメント部13のオン電圧Von及びオフ電圧Voffを調整することにより、多少改善することはできるが、根本的に解決することはできない。以下では、電圧監視回路30を用いることにより、上記の不具合を根本的に解決することのできる間欠動作について詳述する。
The above-mentioned problem can be improved to some extent by adjusting the on-voltage Von and the off-voltage Voff of the
図4は、電圧監視回路30を用いた間欠動作の一例を示すフローチャートである。センサモジュール1の起動により、環境発電部11の発電動作が始まると、蓄電部12に蓄えられた入力電圧Vinが上昇していく。そして、ステップS1において、入力電圧Vinがオン電圧Vonに達すると、続くステップS2において、パワーマネジメント部13がオンとなる。
FIG. 4 is a flowchart showing an example of intermittent operation using the
その結果、センサ回路20への電力供給が開始されるので、ステップS3において、センサ回路20がオンとなる。その後、ステップS4では、センサ部21による計測対象の計測が行われ、さらに、ステップS5では、無線通信部22による計測結果の無線通信が行われる。なお、これらのステップS3〜S5は、先述のアクティブ状態に相当する。
As a result, the power supply to the
ステップS5の無線通信が完了すると、続くステップS6において、センサ回路20がオフとなる。すなわち、センサ回路20がアクティブ状態からスリープ状態に移行する。ただし、スリープ状態への移行後も、アクティブ状態への復帰に必要な回路要素(制御部23のタイマなど)については、パワーマネジメント部13から最小限の電力供給を受けて動作を継続している。
When the wireless communication in step S5 is completed, the
その後、ステップS7では、制御部23により、周期Tが経過したか否かの判定が行われる。ここで、イエス判定が下されたときにはフローがステップS8に進められ、ノー判定が下されたときにはフローがステップS7に戻される。
After that, in step S7, the
ステップS7でイエス判定が下された場合、ステップS8では、制御部23により、電圧監視回路30の出力信号Soが確認され、入力電圧Vinが所定の基準電圧Vrefよりも高いか否かの判定が行われる。なお、本フローでは明示されていないが、電圧監視回路30は、センサ回路20の動作状態に依ることなく、入力電圧Vinを常時監視しているものとする。ここで、イエス判定が下されたときには、フローがステップS3に戻されて、スリープ状態からアクティブ状態への復帰が行われる。一方、ノー判定が下されたときには、フローがステップS7に戻されて、周期Tの経過判定が繰り返される。
If a yes determination is made in step S7, in step S8, the
すなわち、本フローでは、スリープ状態(ステップS6〜S8)において、所定の周期Tで電圧監視回路30の出力確認が行われており、入力電圧Vinが所定の基準電圧Vrefよりも高ければアクティブ状態に復帰し、入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも低ければスリープ状態を維持するように、言い換えれば、入力電圧Vinが基準電圧Vrefを上回るまで、周期Tのスリープ状態を繰り返すように、ループが回されている。
That is, in this flow, in the sleep state (steps S6 to S8), the output of the
図5は、電圧監視回路30を用いた間欠動作の一例を示すタイムチャートであり、先の図3と同様、上側から順に、入力電圧Vinとセンサ回路20の動作状態(A:アクティブ状態、S:スリープ状態)が示されている。
FIG. 5 is a time chart showing an example of intermittent operation using the
なお、先述の基準電圧Vrefは、パワーマネジメント部13のオフ電圧Voffに対して、少なくとも、アクティブ状態A(時刻t21〜t22、時刻t23〜t24、または、時刻t26〜t27を参照)における入力電圧Vinの想定低下値Δだけ高い電圧値(Vref≧Voff+Δ)に設定されているものとする。
The above-mentioned reference voltage Vref is at least the input voltage Vin in the active state A (see time t21 to t22, time t23 to t24, or time t26 to t27) with respect to the off voltage Voff of the
時刻t21〜t22におけるアクティブ状態A(図4のステップS3〜S5に相当)の完了後、時刻t22では、センサ回路20がアクティブ状態Aからスリープ状態Sに移行する(図4のステップS6に相当)。従って、入力電圧Vinが低下から上昇に転じる。
After the completion of the active state A (corresponding to steps S3 to S5 in FIG. 4) at times t21 to t22, the
その後、時刻t23では、周期Tの経過(図4のステップS7=Yに相当)に伴い、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰判定(図4のステップS8に相当)が行われる。なお、本図の例では、時刻t23の時点で入力電圧Vinが基準電圧Vrefを上回っているので、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰が認められる(図4のステップS8=Yに相当)。従って、入力電圧Vinが上昇から低下に転じる。 After that, at time t23, as the cycle T elapses (corresponding to step S7 = Y in FIG. 4), the determination of returning from the sleep state S to the active state A (corresponding to step S8 in FIG. 4) is performed. In the example of this figure, since the input voltage Vin exceeds the reference voltage Vref at the time t23, the return from the sleep state S to the active state A is recognized (corresponding to step S8 = Y in FIG. 4). .. Therefore, the input voltage Vin changes from rising to falling.
さらに、時刻t23〜t24におけるアクティブ状態A(図4のステップS3〜S5に相当)の完了後、時刻t24では、センサ回路20が再びアクティブ状態Aからスリープ状態Sに移行する(図4のステップS6に相当)。従って、入力電圧Vinが再び低下から上昇に転じる。
Further, after the completion of the active state A (corresponding to steps S3 to S5 in FIG. 4) at times t23 to t24, the
その後、時刻t25では、周期Tの経過(図4のステップS7=Yに相当)に伴い、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰判定(図4のステップS8に相当)が行われる。ただし、本図の例では、時刻t25の時点で入力電圧Vinが基準電圧Vrefを上回っていないので、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰が認められず、スリープ状態Sが維持される(図4のステップS8=Nに相当)。従って、入力電圧Vinは、低下に転じることなく上昇し続ける。 After that, at time t25, as the cycle T elapses (corresponding to step S7 = Y in FIG. 4), the determination of returning from the sleep state S to the active state A (corresponding to step S8 in FIG. 4) is performed. However, in the example of this figure, since the input voltage Vin does not exceed the reference voltage Vref at the time t25, the return from the sleep state S to the active state A is not recognized, and the sleep state S is maintained (FIG. 4 corresponds to step S8 = N). Therefore, the input voltage Vin continues to rise without turning to a decline.
時刻t25において、アクティブ状態Aへの復帰が見送られた後、時刻t26では、2回目の周期Tの経過(図4のステップS7=Yに相当)に伴い、再びスリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰判定(図4のステップS8に相当)が行われる。なお、本図の例では、時刻t26の時点で入力電圧Vinが基準電圧Vrefを上回っているので、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰が認められず、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰が認められる(図4のステップS8=Yに相当)。従って、入力電圧Vinが上昇から低下に転じる。 After the return to the active state A is postponed at the time t25, at the time t26, with the passage of the second cycle T (corresponding to step S7 = Y in FIG. 4), the sleep state S is changed to the active state A again. (Corresponding to step S8 in FIG. 4) is determined. In the example of this figure, since the input voltage Vin exceeds the reference voltage Vref at the time t26, the return from the sleep state S to the active state A is not recognized, and the sleep state S is changed to the active state A. Return is recognized (corresponding to step S8 = Y in FIG. 4). Therefore, the input voltage Vin changes from rising to falling.
時刻t26以降についても、上記と同様の動作が繰り返されることにより、電圧監視回路30を用いた間欠動作が継続される。このような動作アルゴリズムによれば、センサモジュール1は、常に安全な電圧領域(Vin>Voff)で動作し続けることができる。
After the time t26, the same operation as described above is repeated, so that the intermittent operation using the
従って、アクティブ状態Aの途中で動作が中断してしまうことがなくなるので、十分なデータを取得することができなかったり、若しくは、全てのデータを送信することができなかったりする不具合を未然に防止することが可能となる。 Therefore, since the operation is not interrupted in the middle of the active state A, it is possible to prevent a problem that sufficient data cannot be acquired or all data cannot be transmitted. It becomes possible to do.
また、上記の動作アルゴリズムによれば、図6で示したように、データの取得間隔が周期Tのn倍(ただしnは自然数であり、環境発電部11のハーベスタ能力に依存して変動する可変値)となる。従って、周期性のあるデータ取得を行うことが可能となり、受信機2でデータを読み取るべきタイミングを事前に予測することができるようになる。
Further, according to the above operation algorithm, as shown in FIG. 6, the data acquisition interval is n times the period T (however, n is a natural number and is variable depending on the harvester capacity of the energy harvesting unit 11). Value). Therefore, it becomes possible to acquire data with periodicity, and it becomes possible to predict in advance the timing at which the data should be read by the
なお、図6の○印(=時刻t31、t32、t34、t37)は、データ取得が行われたタイミングを示しており、図6の×印(=時刻t33、t35、t36)は、データ取得がスキップされたタイミングを示している。従って、本図におけるデータ取得間隔は、T(=時刻t31〜t32)、2T(=時刻t32〜t34)、及び、3T(=時刻t34〜t37)となる。 The ○ mark (= time t31, t32, t34, t37) in FIG. 6 indicates the timing at which the data acquisition was performed, and the × mark (= time t33, t35, t36) in FIG. 6 indicates the data acquisition. Indicates when was skipped. Therefore, the data acquisition intervals in this figure are T (= time t31 to t32), 2T (= time t32 to t34), and 3T (= time t34 to t37).
例えば、モータの振動を一定時間毎に計測しようとする場合、既存のセンサネットワークでは、環境発電部11のハーベスタ能力が低いときに、間欠動作の周期自体がばらつくので、データを読み取るべきタイミングを全く予測することができない。
For example, when trying to measure the vibration of a motor at regular intervals, the cycle of intermittent operation itself varies when the harvester capacity of the
これに対して、本構成例のセンサネットワークXであれば、環境発電部11のハーベスタ能力が低くても、常に一定の周期Tでデータ取得の可否判定(図4のステップS7及びS8を参照)が行われる。すなわち、データの取得間隔は、所定の周期Tを基準としてn倍の長さ(=n×T)に規格化されている。従って、周期T毎にデータを読み取りに行っておけば、少なくともデータを取り逃すおそれがなくなる。
On the other hand, in the case of the sensor network X of this configuration example, even if the harvester capacity of the
また、本構成例のセンサモジュール1であれば、自身の電圧監視回路30を用いて上記の間欠動作を実現することができる。従って、特許文献1の従来技術と異なり、別途のシステムマネージャを何ら要することなく、自ら間欠動作の周期Tを決めることができるので、より簡易にセンサネットワークXを構築することが可能となる。
Further, in the case of the
また、本構成例のセンサモジュール1では、計測対象の計測(図4のステップS4)と計測結果の無線通信(図4のステップS5)がセットとされており、スリープ状態Sからアクティブ状態Aへの復帰判定時に入力電圧Vinが基準電圧Vrefを上回っていない限り、双方の動作がいずれもスキップされる。
Further, in the
このような構成とすることにより、環境発電部11のハーベスタ能力が不足しているときには、計測結果の無線通信だけでなく、計測対象の計測さえもスキップして、蓄電部12の充電に専念することができる。従って、特許文献2の従来技術と比べて、さらなる低消費電力化(延いてはデータ取得間隔n×Tの短縮)を図ることが可能となる。なお、特許文献2では、データを送信する前に蓄電量が確認されているが、データの取得や保存などを行う前に蓄電力の確認は行われていない。そのため、データの取得や保存を行っている最中にエネルギーが足りなくなり、動作不能に陥るおそれがある。すなわち、特許文献2では、十分なデータを取得してその全てを保存することができるという保証はない。従って、本構成例のセンサモジュール1は、低消費電力化だけでなく、システムの安定性に関しても優位性を持つと言える。
With such a configuration, when the harvester capacity of the
また、本構成例のセンサモジュール1であれば、環境発電部11のハーベスタ能力が比較的低い場合であっても、センサネットワークXを長時間に亘って安定的に動作し続けることができるようになる。従って、例えば、インフラ設備やFA[factory automation]機器のモニタリング手段として非常に好適であると言える。
Further, with the
<電圧監視回路(第1実施例)>
図7は、電圧監視回路30の第1実施例を示す図である。本実施例の電圧監視回路30は、リセットIC31とプルアップ抵抗32を含む。
<Voltage monitoring circuit (first embodiment)>
FIG. 7 is a diagram showing a first embodiment of the
リセットIC31は、入力電圧Vinと基準電圧Vrefとの比較結果に応じた出力信号So(=リセット信号)を生成して制御部23に送出する半導体集積回路装置であり、コンパレータCMPと、Nチャネル型MOS[metal oxide semiconductor]電界効果トランジスタN1と、を集積化して成る。
The
コンパレータCMPは、反転入力端(−)に入力される入力電圧Vinと非反転入力端(+)に入力される基準電圧Vrefを比較して、ゲート信号Vgを生成する。ゲート信号Vgは、入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも高いときにローレベルとなり、入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも低いときにハイレベルとなる。なお、コンパレータCMPは、ヒステリシスを持っているので、入力電圧Vinが基準電圧Vrefの近傍で変動したとしても、ゲート信号Vgの論理レベルが不安定になりにくい。 The comparator CMP compares the input voltage Vin input to the inverting input terminal (−) with the reference voltage Vref input to the non-inverting input terminal (+) to generate a gate signal Vg. The gate signal Vg becomes a low level when the input voltage Vin is higher than the reference voltage Vref, and becomes a high level when the input voltage Vin is lower than the reference voltage Vref. Since the comparator CMP has hysteresis, the logic level of the gate signal Vg is unlikely to become unstable even if the input voltage Vin fluctuates in the vicinity of the reference voltage Vref.
トランジスタN1は、オープンドレイン型の出力段を形成するスイッチ素子であり、出力信号Soの出力端と接地端との間に接続されている。なお、トランジスタN1は、ゲート信号Vgがハイレベルであるときにオンし、ゲート信号Vgがローレベルであるときにオフする。なお、トランジスタN1としてnpn型バイポーラトランジスタを用いることにより、オープンコレクタ型の出力段を形成しても構わない。 The transistor N1 is a switch element that forms an open-drain type output stage, and is connected between the output end and the ground end of the output signal So. The transistor N1 is turned on when the gate signal Vg is at a high level and turned off when the gate signal Vg is at a low level. An open collector type output stage may be formed by using an npn type bipolar transistor as the transistor N1.
プルアップ抵抗32は、電源電圧Vddの入力端と出力信号Soの出力端との間に接続されている。従って、出力信号Soは、トランジスタN1のオン/オフに応じて、電源電圧Vddと接地電圧GNDとの間でパルス駆動される2値信号となる。
The pull-up
制御部23は、出力信号Soの論理レベルを確認して入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも高いか否かを判定する。より具体的に述べると、出力信号Soがハイレベル(=Vdd)であるときには、入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも高いと判定し、出力信号Soがローレベル(=GND)であるときには、入力信号Vinが基準電圧Vrefよりも低いと判定する。
The
このように、リセットIC31とプルアップ抵抗32を用いれば、少ない部品点数で小面積の電圧監視回路30を実現することができるので、電圧監視回路30を実装しても、センサモジュール1を不必要に大型化せずに済む。
As described above, if the
特に、オープンドレイン型の出力段を持つリセットIC31を用いれば、電源電圧Vddの入力端と出力信号Soの出力端との間にプルアップ抵抗32を外付けするだけで、出力信号Soの波高値(=Vdd−GND)を制御部23の入力ダイナミックレンジ内に収めることが可能となる。
In particular, if a
また、市販品のリセットICには、その入力ダイナミックレンジや基準電圧について、多数のバリエーションが用意されている。従って、市販品の中からリセットIC31として適切な機種を選択するだけで、環境発電部11のハーベスタ能力に応じた電圧監視回路30を実現することが可能となる。このような仕様は、常に変化する環境発電に向いていると言える。
In addition, a large number of variations of the input dynamic range and the reference voltage of the commercially available reset IC are prepared. Therefore, it is possible to realize the
<電圧監視回路(第2実施例)>
図8は、電圧監視回路30の第2実施例を示す図である。本実施例の電圧監視回路30は、抵抗ラダー33とスイッチ34を含む。
<Voltage monitoring circuit (second embodiment)>
FIG. 8 is a diagram showing a second embodiment of the
抵抗ラダー33は、入力電圧Vinの入力端と接地端との間に直列に接続された抵抗33a及び33b(抵抗値R33a及びR33b)を含み、抵抗33a及び33b相互間の接続ノードから入力電圧Vinの分圧電圧Vdiv(=Vin×{R33b/(R33a+R33b)})を出力する分圧回路である。なお、上記の分圧電圧Vdivは、電圧監視回路30の出力信号Soとして、制御部23に送出される。
The resistor ladder 33 includes
スイッチ34は、入力電圧Vinの入力端と抵抗ラダー33との間に接続されており、制御部23からの指示に応じてオン/オフされる。
The
制御部23は、アナログの出力信号Soをデジタル信号に変換するA/D[analog-to-digital]コンバータ23aを含み、分圧電圧Vdivの電圧値を確認して入力電圧Vinが基準電圧Vrefよりも高いか否かを判定する。また、制御部23は、周期T毎に、分圧電圧Vdivの電圧値を読み取るタイミングでスイッチ34をオンし、分圧電圧Vdivの電圧値を読み取った後にスイッチ34をオフする。このような制御により、抵抗ラダー33に電流が流れ続けることはないので、無駄な消費電流をなくすことができる。
The
本実施例の電圧監視回路30であれば、先の第1実施例(図7)と異なり、リセットIC31さえ用いないので、更なる面積縮小を実現することができる。また、電圧監視回路30では、その消費電流を抑えつつ、分圧電圧Vdivが制御部23の入力ダイナミックレンジに収まるように、抵抗値R33a及びR33bを調整しておけば足りるので、その設定作業が簡単である。
In the
また、本実施例の電圧監視回路30を用いれば、制御部23において、入力電圧Vinと基準電圧Vrefとの比較結果が得られるだけでなく、入力電圧Vinの電圧値そのものを認識することができる。従って、例えば、アクティブ状態への復帰に向けて、あとどれだけ電力が足りていないのか、さらには、あとどれだけスリープ状態を継続すればよいのか、といった予測情報を取得することができる。このような予測情報をセンサネットワークXの管理者等に報知してやれば、何時間後にデータを読み取りに行けばいいかが分かる。さらに、周期T毎に分圧電圧Vdivを読み取れば、周期Tの間に分圧電圧Vdivがどれだけ変化しているかが分かる。従って、環境発電部11における現在のハーベスタ能力を把握することが可能となる。また、周期Tの間の分圧電圧Vdivの変化量が所定値よりも小さい場合、その度合いに応じて、次に制御部23のA/Dコンバータ23aで分圧電圧Vdivを読み取るタイミングをk×T(ただしkは2以上の整数)に設定するとよい。このような構成とすることにより、周期T毎に分圧電圧Vdivを読み取らなくてもよくなるので、更なる低消費電力化を実現することが可能となる。
Further, by using the
<センサネットワーク(第2実施形態)>
図9は、センサネットワークの第2実施形態を示す図である。本実施形態のセンサネットワークXは、一対多数の無線センサネットワークとして構築されており、受信機2は、複数のセンサモジュール1に共有されている。
<Sensor network (second embodiment)>
FIG. 9 is a diagram showing a second embodiment of the sensor network. The sensor network X of the present embodiment is constructed as a one-to-many wireless sensor network, and the
なお、このようなセンサネットワークXの適用例としては、医療・健康分野(健康管理や安否確認)、構造物監視(ワイヤ断線やボルト緩みの監視)、プラント監視(設備異常の監視)、並びに、物流管理(流通状態や品質の監視)などを挙げることができる。 Examples of applications of such sensor network X include medical / health fields (health management and safety confirmation), structure monitoring (wire disconnection and bolt loosening monitoring), plant monitoring (equipment abnormality monitoring), and Logistics management (monitoring of distribution status and quality) can be mentioned.
ただし、本実施形態のセンサネットワークXを構築するに際しては、単一の受信機2に対して複数設けられているセンサモジュール1相互間のコリジョン(=無線信号の衝突とこれに伴うデータ損失など)を回避する必要がある。特に、センサモジュール1の数が多い場合には、コリジョン発生率が大きくなるので、コリジョンを回避するための対策が必須となる。そこで、以下では、センサネットワークXにおけるコリジョン回避手法について具体的に説明する。
However, when constructing the sensor network X of the present embodiment, collisions between a plurality of
図10は、コリジョン回避手法の一例を示すタイムチャートであり、紙面の上側から順に、複数(本図では3つ)のセンサモジュール1(1)〜1(3)それぞれの通信タイミングが○印で描写されている。 FIG. 10 is a time chart showing an example of the collision avoidance method, in which the communication timings of the plurality of sensor modules 1 (1) to 1 (3) (three in this figure) are marked with a circle in order from the upper side of the paper. It is depicted.
本図で示したように、センサモジュール1(1)〜1(3)それぞれの通信タイミングは、相互間のコリジョンを回避するために互いにずらされている。例えば、センサモジュール1(1)〜1(3)は、それぞれ、異なる時刻t41(1)〜t41(3)、時刻t42(1)〜t42(3)、及び、時刻t43(1)〜t43(3)で無線通信を行う。 As shown in this figure, the communication timings of the sensor modules 1 (1) to 1 (3) are staggered from each other in order to avoid collisions between the sensors modules 1 (1) to 1 (3). For example, the sensor modules 1 (1) to 1 (3) have different times t41 (1) to t41 (3), times t42 (1) to t42 (3), and times t43 (1) to t43 (3), respectively. Perform wireless communication in 3).
例えば、センサモジュール1(1)〜1(3)は、それぞれ、内蔵時計(RTC[real time clock]など)の時刻を基準として、タイミングをずらしながら無線通信を行うコリジョン回避手法を採用するとよい。より具体的に述べると、センサモジュール1(1)〜1(3)のそれぞれに送受信機能を持たせておき、相互コミュニケーションを取りながら、内蔵時計の時刻を基準にして、それぞれの通信タイミングをずらしておけばよい。 For example, each of the sensor modules 1 (1) to 1 (3) may adopt a collision avoidance method in which wireless communication is performed while shifting the timing based on the time of the built-in clock (RTC [real time clock] or the like). More specifically, each of the sensor modules 1 (1) to 1 (3) has a transmission / reception function, and while communicating with each other, the communication timing of each sensor module 1 (1) to 1 (3) is shifted based on the time of the built-in clock. You just have to leave it.
なお、先にも述べたように、センサモジュール1(1)〜1(3)それぞれのデータ取得間隔(延いては無線通信間隔)は、いずれも周期Tとされている。従って、上記の相互コミュニケーションについては、必ずしも通信タイミングの到来毎に行う必要はなく、少なくとも初回の通信タイミングで行えば足りる。なぜなら、初回の通信タイミングを互いにずらしておけば、周期Tの経過毎に訪れる2回目以降の通信タイミングは、本図で示したように、必然的にずれるからである。 As described above, the data acquisition interval (and thus the wireless communication interval) of each of the sensor modules 1 (1) to 1 (3) is set to the period T. Therefore, the above-mentioned mutual communication does not necessarily have to be performed every time the communication timing arrives, and it is sufficient to perform at least the first communication timing. This is because if the first communication timings are staggered from each other, the second and subsequent communication timings that are visited each time the cycle T elapses are inevitably staggered as shown in this figure.
また、例えば、センサモジュール1(1)〜1(3)では、それぞれ、他のセンサモジュールが無線通信中でないことを確認してから自身の無線通信を行うコリジョン回避手法(いわゆるLBT[listen before talk]手法、例えば、EnOceanの通信プロトコル(日本ではERP[enocean radio protocol]2、アメリカやヨーロッパではERP1)を採用してもよい。より具体的に述べると、センサモジュール1(1)〜1(3)は、それぞれ、無線信号の送信を始める前に、自身が受信機となって無線信号を拾うことにより、自身の周囲に無線信号を送信中の端末があるか否かを確認し、該当する端末があった場合には、その端末が無線信号の送信を完了するまで待機し、その後に自身の無線信号を送信し始める構成とすればよい。 Further, for example, in the sensor modules 1 (1) to 1 (3), collision avoidance methods (so-called LBT [listen before talk]) in which the other sensor modules perform their own wireless communication after confirming that they are not in wireless communication. ] Method, for example, EnOcean communication protocol (ERP [enocean radio protocol] 2 in Japan, ERP1 in the United States and Europe) may be adopted. More specifically, sensor modules 1 (1) to 1 (3). ), Before starting the transmission of the wireless signal, confirms whether or not there is a terminal transmitting the wireless signal around itself by picking up the wireless signal by itself as a receiver, and is applicable. If there is a terminal, the configuration may be such that the terminal waits until the transmission of the wireless signal is completed, and then the terminal starts transmitting its own wireless signal.
また、例えば、センサモジュール1(1)〜1(3)は、それぞれ、別途のシステムマネージャから指定されたタイムスロットでのみ無線通信を行うコリジョン回避手法(いわゆるTSA[time slot assign]手法)を採用してもよい。より具体的に述べると、図11で示したように、(1)各センサモジュールが動作するのに必要なエネルギーを十分確保できたら、受信機に対して、送信要求を出し、(2)受信機がその送信要求を受け、スロット番号をセンサモジュールに通知し、(3)センサモジュールがスロット番号の通知を受けて、指定されたタイムスロットにてデータを送信する、という流れになる。 Further, for example, each of the sensor modules 1 (1) to 1 (3) adopts a collision avoidance method (so-called TSA [time slot assign] method) in which wireless communication is performed only in a time slot specified by a separate system manager. You may. More specifically, as shown in FIG. 11, when (1) sufficient energy required for each sensor module to operate can be secured, a transmission request is sent to the receiver, and (2) reception is performed. The machine receives the transmission request and notifies the sensor module of the slot number, and (3) the sensor module receives the notification of the slot number and transmits data in the designated time slot.
<電池搭載>
なお、環境発電部11では対応できないアプリケーションが数多く存在するので、これをカバーするために、電池(モバイルバッテリなど)を環境発電部11と並列に設けてもよい。電池の位置付けは、環境発電部11と同じである。
<Battery installed>
Since there are many applications that cannot be supported by the
電池を使う場合、蓄電部12に充電しながら、負荷に電源供給する。これについては、環境発電部11も同様である。ただし、電池の出力電流がかなり小さいので、全体的に見ると、電源供給源は蓄電部12のみとなっている。環境発電部11は、出力インピーダンスがかなり高い電池だと考えてよい。
When a battery is used, power is supplied to the load while charging the power storage unit 12. The same applies to the
先述のスリープ動作は、環境発電部11と電池のいずれを使うかに依存しない。スリープ動作は、ソフトウェアでコントロールしている。周期Tのスリープ状態が経過した後、入力電圧Vinをチェックして、基準電圧Vrefを上回っていればアクティブ状態に復帰し、下回っていれば再び周期Tのスリープ状態を維持する、という一連の動作は、環境発電部11の使用時と同様に行われる。
The sleep operation described above does not depend on whether the
<一般的な無線通信プロトコル(比較例)>
次に、センサモジュール1の無線通信過程(=図4のステップS5に相当)における一般的な無線通信プロトコルの概要について説明する。
<General wireless communication protocol (comparative example)>
Next, an outline of a general wireless communication protocol in the wireless communication process of the sensor module 1 (= corresponding to step S5 in FIG. 4) will be described.
図12は、一般的な無線通信プロトコルに則って無線通信を行うときの電流プロファイル(=センサ回路20に流れる消費電流Icの挙動)を示す図である。 FIG. 12 is a diagram showing a current profile (= behavior of current consumption Ic flowing through the sensor circuit 20) when performing wireless communication according to a general wireless communication protocol.
本図で示したように、センサモジュール1のスリープ期間T10(=図4のステップS6〜S8に相当)には、センサ回路20の消費電流Icがほぼ0(正確には、センシング期間T20と無線通信期間T30における消費電流Icと比べてほぼ0)となる。
As shown in this figure, during the sleep period T10 of the sensor module 1 (= corresponding to steps S6 to S8 in FIG. 4), the current consumption Ic of the
一方、センサモジュール1のセンシング期間T20(=図4のステップS4に相当、例えば0.8s)には、センサ部21での計測動作に必要な消費電流Icが流れる。
On the other hand, during the sensing period T20 of the sensor module 1 (= corresponding to step S4 in FIG. 4, for example, 0.8 s), the current consumption Ic required for the measurement operation in the
また、センサモジュール1の無線通信期間T30(=図4のステップS5に相当、例えば1.6s)には、無線通信部22での無線通信動作に必要な消費電流Icが流れる。この無線通信期間T30には、センサ部21で得られた計測結果(=複数のパケットから成るデータ)が無線通信部22から送信される。
Further, in the wireless communication period T30 of the sensor module 1 (= corresponding to step S5 in FIG. 4, for example, 1.6 s), the current consumption Ic required for the wireless communication operation in the
なお、一般的な無線通信プロトコルでは、無線通信期間T30において、パケットを連続して送信することのできる送信期間T31が制限されている。すなわち、所定の送信期間T31(例えば最長50ms)が経過した後には、所定の休止期間T32(例えば最短50ms)に亘ってパケットの送信再開を待機しなければならない。 In a general wireless communication protocol, the transmission period T31 at which packets can be continuously transmitted is limited in the wireless communication period T30. That is, after the predetermined transmission period T31 (for example, the maximum of 50 ms) has elapsed, the packet transmission resumption must be waited for the predetermined pause period T32 (for example, the minimum of 50 ms).
従って、無線通信期間T30の開始から終了まで、送信期間T31と休止期間T32が交互に繰り返される。そのため、無線通信期間T30に流れる消費電流Icには、パルス状の電流成分が含まれている。 Therefore, the transmission period T31 and the pause period T32 are alternately repeated from the start to the end of the wireless communication period T30. Therefore, the current consumption Ic flowing in the wireless communication period T30 includes a pulse-shaped current component.
ただし、本図から分かるように、無線通信期間T30での消費電流Icには、上記パルス状の電流成分だけなく、無線通信期間T30の開始から終了まで、定常的に流れ続ける電流成分Icc(例えば4mA程度)が含まれている。この電流成分Iccは、無線通信期間T30の開始から終了まで、無線通信部22を動作し続けなければならないことに起因して生じる。以下では、その理由について説明する。
However, as can be seen from this figure, the current consumption Ic in the wireless communication period T30 includes not only the pulsed current component but also the current component Icc that continues to flow steadily from the start to the end of the wireless communication period T30 (for example,). About 4mA) is included. This current component Icc is caused by the fact that the
図13は、一般的な無線通信プロトコルにおける各部の挙動を示す図であり、上から順に、無線通信部22のパケット送信状態、無線通信部22と制御部23との通信状態、並びに、センサ回路20の消費電流Icが描写されている。
FIG. 13 is a diagram showing the behavior of each part in a general wireless communication protocol, in order from the top, the packet transmission state of the
本図で示すように、無線通信部22は、制御部23から入力されるリクエスト信号S1(=パケット送信要求)に応じて、送信駆動用のパワーアンプ(図示せず)にパケット送信命令を出力する一方、制御部23にレスポンス信号S2(=パケット送信命令の出力完了通知)を返信する。その後、無線通信部22では、先のパケット送信命令に応じてパワーアンプによるパケットS3の送信が行われる。このようなパケット送信動作に伴い、センサ回路20の消費電流Icには、パルス状の電流成分が現れる。
As shown in this figure, the
センサモジュール1の無線通信期間T30のうち、送信期間T31には、上記一連のパケット送信動作が繰り返される。そして、所定の送信期間T31(例えば最長50ms)が経過した後には、所定の休止期間T32(例えば最短50ms)に亘ってパケットS3の送信再開が待機される。なお、送信期間T31と休止期間T32の交互切替動作については、無線通信部22が主体となり、そのタイミング制御が行われる。
Of the wireless communication period T30 of the
ところで、1個のパケットS3は、複数本(例えば3本)のサブテレグラムから成る。そのため、リクエスト信号S1の出力タイミングによっては、パケットS3を構成する全てのサブテレグラムを送信期間T31内に送信し終えることができない場合もある。 By the way, one packet S3 is composed of a plurality of (for example, three) sub-telegrams. Therefore, depending on the output timing of the request signal S1, it may not be possible to finish transmitting all the sub-telegrams constituting the packet S3 within the transmission period T31.
例えば、本図では、送信期間T31の満了タイミングよりもかなり前にリクエスト信号S1が出力されているので、そのリクエスト信号S1に応じたパケット送信動作をその送信期間T31内に完了することができている。 For example, in this figure, since the request signal S1 is output well before the expiration timing of the transmission period T31, the packet transmission operation corresponding to the request signal S1 can be completed within the transmission period T31. There is.
一方、図14では、送信期間T31aの満了タイミング直前にリクエスト信号S1が出力されているので、そのリクエスト信号S1に応じたパケット送信動作をその送信期間T31a内に完了することができていない。 On the other hand, in FIG. 14, since the request signal S1 is output immediately before the expiration timing of the transmission period T31a, the packet transmission operation corresponding to the request signal S1 cannot be completed within the transmission period T31a.
より具体的に述べると、送信期間T31aには、パケットS3xを構成する3本のサブテレグラムのうち、1本のサブテレグラムしか送信できておらず、残り2本のサブテレグラムは、休止期間T32の経過を待機した後、次の送信期間T31bで送信されている。 More specifically, in the transmission period T31a, only one sub-telegram among the three sub-telegrams constituting the packet S3x can be transmitted, and the remaining two sub-telegrams have the rest period T32. After waiting for the progress, the transmission is performed in the next transmission period T31b.
すなわち、パケットS3xは、休止期間T32を挟んで、その前後の送信期間T31a及びT31bに分割して送信されている。このようなパケットS3xの分割送信を支障なく実施するためには、先に送信期間T31aで送信されたサブテレグラムと、後から送信期間T31bで送信されたサブテレグラムの双方が、いずれも同一のパケットS3xを構成するものであることを無線通信部22で認識しておかなければならない。
That is, the packet S3x is divided into transmission periods T31a and T31b before and after the pause period T32 and transmitted. In order to carry out such divided transmission of the packet S3x without any trouble, both the sub-telegram first transmitted in the transmission period T31a and the sub-telegram transmitted later in the transmission period T31b are the same packet. The
そのため、送信期間T31a及びT31bではもちろん、休止期間T32においても、その直前の送信状況を忘れないように、無線通信部22を通常モード(=全ての機能部が動作している状態)に維持しておく必要があり、これが消費電流Icに含まれる定常的な電流成分Icc(先出の図12も参照)の発生原因となっている。
Therefore, not only in the transmission periods T31a and T31b, but also in the pause period T32, the
以下では、このような電流成分Iccを削減することのできる新規な無線通信プロトコルについて提案する。 In the following, we propose a novel wireless communication protocol that can reduce such current component Icc.
<新規な無線通信プロトコル>
図15は、新規な無線通信プロトコルにおける各部の挙動を示す図であり、先の図13及び図14と同じく、上から順に、無線通信部22のパケット送信状態、無線通信部22と制御部23との通信状態、並びに、センサ回路20の消費電流Icが描写されている。
<New wireless communication protocol>
FIG. 15 is a diagram showing the behavior of each unit in the new wireless communication protocol, and as in FIGS. 13 and 14, the packet transmission state of the
ここで提案する新規な無線通信プロトコルは、先出の一般的な無線通信プロトコル(図13を参照)をベースとしつつ、送信期間T31毎に送信するパケットS3の個数を固定しておき、その送信動作を送信期間T31内に完了させた上で、休止期間T32には無線通信部22を通常モードからこれよりも消費電力の小さい省電力モードに移行させる点に特徴を有している。
The new wireless communication protocol proposed here is based on the above-mentioned general wireless communication protocol (see FIG. 13), and the number of packets S3 to be transmitted is fixed for each transmission period T31, and the transmission thereof is fixed. After completing the operation within the transmission period T31, the
より具体的に述べると、制御部23は、無線通信部22へのパケット送信要求(=リクエスト信号S1の出力動作)を開始してから、所定の移行待機時間T41(ただしT41<T31)が経過した時点で、省電力モード移行信号S4を出力する。なお、移行待機時間T41は、所定個数のパケットS3を送信し終えるまでの所要時間を考慮して、適切な長さに設定しておけばよい。
More specifically, the
一方、無線通信部22は、制御部23からの省電力モード移行信号S4に応じて、通常モードから省電力モードに移行するとともに、制御部23にアクノリッジ信号S5(=省電力モード移行信号S4の受領確認通知)を返信する。
On the other hand, the
なお、省電力モードへの移行により、無線通信部22は、通常モードに復帰するための必要最小限の機能部(例えば、通常モード復帰信号S6を待ち受けるための信号受信部)だけを維持し、それ以外の機能部(例えばパケットS3を送信するためのパワーアンプ)を全て停止した状態となる。その結果、通常モードで消費されていた定常的な電流成分Iccがなくなるので、センサ回路20の消費電流Icが0ベースに戻る。
By shifting to the power saving mode, the
その後、無線通信部22は、送信期間T31の経過に伴い、休止期間T32に切り替わる。このとき、無線通信部22は、すでに省電力モードに移行している。従って、休止期間T32において、無線通信部22で不必要な電力が浪費されることはない。
After that, the
また、新規な無線通信プロトコルでは、送信期間T31毎に送信するパケットS3の個数を敢えて制限したことにより、その送信動作を送信期間T31内で確実に完了することができる。すなわち、休止期間T32を跨いでパケットS3の分割送信が行われることはない。従って、省電力モードへの移行により、無線通信部22がそれまでの送信状況を忘れてしまったとしても、以降のパケット送信動作に支障が生じることはない。
Further, in the new wireless communication protocol, the transmission operation can be surely completed within the transmission period T31 by intentionally limiting the number of packets S3 to be transmitted for each transmission period T31. That is, the packet S3 is not divided and transmitted over the pause period T32. Therefore, even if the
その後、制御部23は、省電力モード移行信号S4を出力してから所定の復帰待機時間T42が経過した時点で、通常モード復帰信号S6(=起動トリガとしての割込信号)を出力する。なお、復帰待機時間T42は、休止期間T32の長さを考慮して、適切な長さに設定しておけばよい。例えば、休止期間T32が満了する前に、無線通信部22が省電力モードから通常モードに復帰するように、復帰待機時間T42を設定しておけばよい。
After that, the
一方、無線通信部22は、制御部23からの通常モード復帰信号S6に応じて省電力モードから通常モードに復帰する。従って、これ以降、無線通信部22は、制御部23からのリクエスト信号S1に応じてパケット送信動作を行うことが可能となる。
On the other hand, the
このように、新規な無線通信プロトコルでは、無線通信部22の動作が不要となる休止期間T32において、無線通信部22が通常モードから省電力モードに移行される。従って、休止期間T32には、センサ回路20の消費電流Icを0ベースに戻すことができるので、センサモジュール1全体の低消費電力化を実現することが可能となる。
As described above, in the new wireless communication protocol, the
より具体的に述べると、新規な無線通信プロトコルでは、一般的な無線通信プロトコルと比べて、センサモジュール1の消費電力を4〜5%カットすることができる。特に、環境発電部11のハーベスタ能力は、必ずしも大きくないので、センサモジュール1では、非常に有効となる。
More specifically, the new wireless communication protocol can reduce the power consumption of the
ただし、無線通信期間T30に送信されるデータの全体量が変わらないので、新規な無線通信プロトコルでは、無線通信期間T30が若干長くなることに留意すベきである(例えば1.6ms→2.2ms)。 However, since the total amount of data transmitted during the wireless communication period T30 does not change, it should be noted that the wireless communication period T30 is slightly longer in the new wireless communication protocol (for example, 1.6 ms → 2. 2ms).
また、図15では、省電力モード移行信号S4と通常モード復帰信号S6を用いて、無線通信部22のモード切替制御を行う構成を例に挙げたが、モード切替制御の手法については、これに限定されるものではなく、例えば、上記のモード切替制御に代えて、無線通信部22への電力供給をオン/オフする構成としても構わない。
Further, in FIG. 15, a configuration in which the mode switching control of the
図15に即して具体的に述べると、制御部23は、無線通信部22へのパケット送信要求(=リクエスト信号S1の出力動作)を開始してから、所定の移行待機時間T41(ただしT41<T31)が経過した時点で、無線通信部22への電力供給を停止し、無線通信部23は、電力供給の停止により通常モードから省電力モードに移行する。ここでの省電力モードは、先に説明した内容と異なり、無線通信部23の機能部が全て動作を停止した状態に相当する。
More specifically in line with FIG. 15, the
その後、制御部23は、無線通信部22への電力供給を停止してから所定の復帰待機時間T42が経過した時点で、無線通信部22への電力供給を再開し、無線通信部23は、電力供給の再開により省電力モードから通常モードに復帰する。
After that, the
上記したモード切替制御の手法を採用する場合には、移行待機時間T41が送信期間T31そのものとなり、復帰待機時間T42が休止期間T32そのものとなる。すなわち、送信期間T41と休止期間T32の交互切替制御は、制御部23を主体として実施されることになる。
When the above-mentioned mode switching control method is adopted, the transition standby time T41 becomes the transmission period T31 itself, and the return standby time T42 becomes the pause period T32 itself. That is, the alternate switching control between the transmission period T41 and the pause period T32 is performed mainly by the
<その他の変形例>
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
<Other variants>
In addition to the above-described embodiments, the various technical features disclosed in the present specification can be modified in various ways without departing from the spirit of the technical creation. That is, it should be considered that the above embodiment is exemplary in all respects and is not restrictive, and the technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment and is claimed. It should be understood that the meaning of scope and equality and all changes belonging to the scope are included.
本明細書中に開示されているセンサモジュールないしセンサネットワークは、例えば、インフラ設備やFA機器のモニタリング手段として好適に利用することが可能である。 The sensor module or sensor network disclosed in the present specification can be suitably used as, for example, a monitoring means for infrastructure equipment and FA equipment.
1、1(1)〜1(3) センサモジュール
2 受信機
3 サーバ
10 電源回路
11 環境発電部
12 蓄電部
13 パワーマネジメント部
20 センサ回路
21 センサ部
22 無線通信部
23 制御部
23a A/Dコンバータ
30 電圧監視回路
31 リセットIC
32 プルアップ抵抗
33 抵抗ラダー
33a、33b 抵抗
34 スイッチ
CMP コンパレータ
N1 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
X センサネットワーク
S1 リクエスト信号
S2 レスポンス信号
S3、S3x パケット
S4 省電力モード移行信号
S5 アクノリッジ信号
S6 通常モード復帰信号
1, 1 (1) -1 (3)
32 Pull-up resistor 33
Claims (8)
前記制御部により制御される無線通信部と、
を有し、
コンピュータを機能させるための無線通信プロトコルに則ってデータの無線通信を行う無線通信回路であって、
前記無線通信プロトコルは、複数のパケットから成るデータを前記無線通信部で送信するための無線通信期間において、前記パケットを連続して送信することのできる送信期間が制限されており、所定の送信期間が経過した後には所定の休止期間に亘って前記パケットの送信再開を待機しなければならず、前記無線通信期間の開始から終了まで、前記送信期間と前記休止期間が交互に繰り返されるように機能させ、かつ、前記送信期間毎に送信するパケットの個数を固定しておき、その送信動作を前記送信期間内に完了させた上で、前記休止期間には前記無線通信部を通常モードからこれよりも消費電力の小さい省電力モードに移行させるように機能させるものであり、
前記制御部は、前記無線通信部への送信要求を開始してから所定の移行待機時間が経過した時点で省電力モード移行信号を出力し、
前記無線通信部は、前記省電力モード移行信号に応じて前記通常モードから前記省電力モードに移行する、無線通信回路。 Control unit and
The wireless communication unit controlled by the control unit and
Have,
A wireless communication circuit that performs wireless communication of data according to the wireless communication protocol for operating a computer.
The wireless communications protocol in a wireless communication periods for transmitting data comprising a plurality of packets by the wireless communication unit, the packet has a transmission period which can be continuously transmitted is limited to a predetermined transmission period After that, the packet transmission restart must be waited for a predetermined pause period, and the function is such that the transmission period and the pause period are alternately repeated from the start to the end of the wireless communication period. In addition, the number of packets to be transmitted is fixed for each transmission period, the transmission operation is completed within the transmission period, and then the wireless communication unit is changed from the normal mode to the rest period. Also functions to shift to a power saving mode with low power consumption.
The control unit outputs a power saving mode transition signal when a predetermined transition standby time has elapsed since the transmission request to the wireless communication unit was started.
The wireless communication unit is a wireless communication circuit that shifts from the normal mode to the power saving mode in response to the power saving mode transition signal .
前記無線通信部は、前記通常モード復帰信号に応じて前記省電力モードから前記通常モードに復帰する、請求項1に記載の無線通信回路。 The control unit outputs a normal mode return signal when a predetermined return standby time has elapsed after outputting the power saving mode transition signal.
The wireless communication circuit according to claim 1 , wherein the wireless communication unit returns from the power saving mode to the normal mode in response to the normal mode return signal.
前記制御部により制御される無線通信部と、
を有し、
コンピュータを機能させるための無線通信プロトコルに則ってデータの無線通信を行う無線通信回路であって、
前記無線通信プロトコルは、複数のパケットから成るデータを前記無線通信部で送信するための無線通信期間において、前記パケットを連続して送信することのできる送信期間が制限されており、所定の送信期間が経過した後には所定の休止期間に亘って前記パケットの送信再開を待機しなければならず、前記無線通信期間の開始から終了まで、前記送信期間と前記休止期間が交互に繰り返されるように機能させ、かつ、前記送信期間毎に送信するパケットの個数を固定しておき、その送信動作を前記送信期間内に完了させた上で、前記休止期間には前記無線通信部を通常モードからこれよりも消費電力の小さい省電力モードに移行させるように機能させるものであり、
前記制御部は、前記無線通信部への送信要求を開始してから所定の移行待機時間が経過した時点で前記無線通信部への電力供給を停止し、
前記無線通信部は、前記電力供給の停止により前記通常モードから前記省電力モードに移行する、無線通信回路。 Control unit and
The wireless communication unit controlled by the control unit and
Have,
A wireless communication circuit that performs wireless communication of data according to the wireless communication protocol for operating a computer.
The wireless communications protocol in a wireless communication periods for transmitting data comprising a plurality of packets by the wireless communication unit, the packet has a transmission period which can be continuously transmitted is limited to a predetermined transmission period After that, the packet transmission restart must be waited for a predetermined pause period, and the function is such that the transmission period and the pause period are alternately repeated from the start to the end of the wireless communication period. In addition, the number of packets to be transmitted is fixed for each transmission period, the transmission operation is completed within the transmission period, and then the wireless communication unit is changed from the normal mode to the rest period. Also functions to shift to a power saving mode with low power consumption.
The control unit stops the power supply to the wireless communication unit when a predetermined transition standby time has elapsed since the transmission request to the wireless communication unit was started.
The wireless communication unit is a wireless communication circuit that shifts from the normal mode to the power saving mode by stopping the power supply .
前記無線通信部は、前記電力供給の再開により前記省電力モードから前記通常モードに復帰する、請求項3に記載の無線通信回路。 The control unit resumes power supply to the wireless communication unit when a predetermined recovery standby time has elapsed after stopping the power supply to the wireless communication unit.
The wireless communication circuit according to claim 3 , wherein the wireless communication unit returns from the power saving mode to the normal mode by restarting the power supply.
前記センサ部で得られた計測結果の無線通信を行う請求項1〜4のいずれか一項に記載の無線通信回路と、
を有することを特徴とするセンサ回路。 A sensor unit that measures a predetermined measurement target, and
The wireless communication circuit according to any one of claims 1 to 4 , which performs wireless communication of measurement results obtained by the sensor unit.
A sensor circuit characterized by having.
前記電源回路から電力供給を受けて間欠的に動作する請求項5に記載のセンサ回路と、
を有する、センサモジュール。 A power supply circuit including an energy harvesting unit and a power storage unit,
The sensor circuit according to claim 5 , which operates intermittently by receiving power supply from the power supply circuit.
Has a sensor module.
前記センサ回路は、計測対象の計測及び計測結果の無線通信を行うアクティブ状態と、その動作を休止するスリープ状態と、を交互に繰り返すものであり、前記スリープ状態では、所定の周期で前記電圧監視回路の出力確認を行い、前記入力電圧が所定の基準電圧よりも高ければ前記アクティブ状態に復帰し、前記入力電圧が前記基準電圧よりも低ければ前記スリープ状態を維持する、請求項6に記載のセンサモジュール。 Further, it has a voltage monitoring circuit that constantly monitors the input voltage stored in the power storage unit.
The sensor circuit alternately repeats an active state in which measurement of a measurement target and wireless communication of measurement results are performed and a sleep state in which the operation is paused. In the sleep state, the voltage monitoring is performed at a predetermined cycle. The sixth aspect of claim 6, wherein the output of the circuit is confirmed, and if the input voltage is higher than a predetermined reference voltage, the active state is restored, and if the input voltage is lower than the reference voltage, the sleep state is maintained. Sensor module.
前記センサモジュールの計測結果を無線で受信する受信機と、
を有することを特徴とするセンサネットワーク。 The sensor module according to claim 6 or 7.
A receiver that wirelessly receives the measurement results of the sensor module,
A sensor network characterized by having.
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