JP2010050777A - センサノード - Google Patents

Abstract

【課題】電池動作電圧が低くてもセンサノードを安定化電源回路で動作させ、間歇動作に同期して安定化電源回路を起動、停止することにより、電池の低い電圧で長期間動作させるセンサノードを提供する。
【解決手段】周期的にセンサの信号を取り込むセンサ部と、該センサ部から送られる計測データを送信データへ変換するプロセッサ部と、該プロセッサ部で変換された計測データを無線送信する無線部と、センサ部、プロセッサ部、無線部の動作のための電源を供給する電池による電源を安定化する安定化電源部とを備え、プロセッサ部は、安定化電源部の動作を停止させるとともに、センサからの信号の取り込み周期のカウントを行うタイマ部の出力により安定化電源部の起動を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサネットワークシステムに用いられるセンサノードに係り、特に、計測を行うセンサノードの電源回路に関する。

製造プロセスやプラントなどでは、不具合がでないように管理するために、製造装置の環境の計測データを集中して管理するセンサネットワークシステムが採用されている。特に、計測機能と計測データを無線で送信する機能とを有する小型で電池駆動のセンサノードと呼ばれる計測端末と、無線で送信された計測データを収集するゲートウェイと、センサノードとゲートウェイとの間に距離がある場合には計測データの無線伝送による中継を行う中継器とを用いたシステムが開発されている。

従来、無線を使用し、電池で間歇的に動作するセンサノードにおいて、如何に消費電流を少なくし、電池で長期間動作させるかが課題となっている。センサノードのセンサ部への電源供給は、センサ部が動作していない時は遮断されて、消費電流が低減される。さらに、計測機能である内部処理と計測データの送信処理のタイミングを、消費電流の状況に合わせてずらすことで一時的な消費電流の増加を防止する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、電池からの電源供給とＤＣ−ＤＣ変換器からの電源供給を供給部のモニタ抵抗の電圧差により負荷電流を計測し、負荷電流により電源供給を切替えることにより、消費電流の低減を図る技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

しかし、センサ部、プロセッサ部、無線部に使用しているＩＣの中には、動作電圧が２．２Ｖ以上必要なものがあり、３Ｖリチウム電池の放電終止電圧の規定である１．８Ｖまで使用できず、この電圧差分は電池の容量が減少し、動作時間が短くなってしまう。この対策として、安定化電源回路を設けて、電圧を昇圧することで、電池電圧の１．８Ｖまで動作可能となるが、間歇動作を行うセンサノードの停止時にも安定化電源回路が動作すると、安定化電源回路の内部回路自体の消費電流が流れ、電池の動作時間が短くなってしまう。また、消費電流を計測して、電池とＤＣ−ＤＣ変換器を切替えた場合は、電池動作時に上記動作電圧が高いＩＣは動作できない。

特開２００５−２６０２９１号公報 特開２００６−２８００２８号公報

上述のように、従来技術のセンサノードの電源回路は電池の電圧が低い場合にはセンサノードの内部ＩＣが動作電圧以下となり動作不可となる点、電池の動作電圧を上げるとその分電池容量が減少する点、かつ単独の安定化電源のみではセンサノード間歇動作に同期して切替できない点にある。

本発明は、電池動作電圧が低くてもセンサノードを安定化電源回路で動作させ、間歇動作に同期して安定化電源回路を起動、停止することにより、電池の低い電圧で長期間動作させるセンサノードを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、周期的にセンサの信号を取り込むセンサ部と、該センサ部から送られる計測データを送信データへ変換するプロセッサ部と、該プロセッサ部で変換された計測データを無線送信する無線部と、センサ部、プロセッサ部、無線部の動作のための電源を供給する電池による電源を安定化する安定化電源部とを備え、プロセッサ部は、安定化電源部の動作を停止させるとともに、センサからの信号の取り込み周期のカウントを行うタイマ部の出力により安定化電源部の起動を行うように構成したものである。

本発明によれば、電池動作電圧が低くてもセンサノードを安定化電源回路で動作させ、間歇動作に同期して安定化電源回路を起動、停止することにより、電池の低い電圧で長期間動作させるセンサノードを提供することができる。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

図１は、センサネットワークシステムの構成図である。図１において、複数からなるセンサノード１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは電池で動作し、予め設定した間歇周期毎に電源を駆動する。センサノードは各々センサ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの温度、湿度、４／２０ｍＡの電流信号、加速度センサインタフェースと接続し、間歇周期毎に温度、湿度、４／２０ｍＡの電流信号、加速度を計測し、計測データ（温度、湿度、４／２０ｍＡの電流信号、加速度）とステータス（電池電圧、電波強度）を集合してセンサノードデータとし、無線（ＺｉｇＢｅｅ）を用い伝送する。

中継器３ａ，３ｂはゲートウェイとセンサノードの間に設置し、センサノード１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの計測周期毎に伝送されたデータパケットをゲートウェイ４へ中継伝送する。中継器は通常センサノードとゲートウェイの間に距離があり、電波が微弱で直接センサノードとゲートウェイが交信できない場合に設置する。ゲートウェイ４は中継器３ａ，３ｂまたはセンサノード１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄから無線伝送されるデータパケットを受信する。受信したデータパケットをＰＣ、サーバまたはコントローラで構成する上位計算機５へＬＡＮなどのネットワークを使用して伝送する。上位計算機５は伝送されたセンサノードデータを温度、湿度など計測データのトレンドの表示を行う。

図２は、センサノードの構成を示す回路図である。センサ接続の例として温度センサにサーミスタ６の場合を示す。サーミスタ６は温度の変化に対して抵抗値が変化する。センサ部７はサーミスタへＲ１を介して電源を接続し、サーミスタ６の温度による抵抗値の変化をＲ２間の電圧として取込む。

センサ部７はセンサ信号をＲ３とＣ１のローパスフィルタ回路を設け高域ノイズをカットする。プロセッサ部８は電圧信号をＡＤ変換器１３でデジタル信号に変換する。電池の残量を測るため電池電圧信号をＡＤ変換器１３でデジタル信号に変換する。計測データ演算部１４は、ＡＤ変換したサーミスタのデジタル信号から計測データ（温度）と、電池のデジタル信号から電池電圧と電池が動作電圧以下の場合の電池ＬＯＷ警報のステータス（電池電圧、電池ＬＯＷ警報）を作成する。

無線部９は計測データ（温度）とステータス（電池電圧、電池ＬＯＷ警報）を受けて、無線部９内の電波強度を加えデータパケットを作成し、送り先アドレス（ＡｄｄｒｅｓｓＩＤ）をゲートウェイまたは中継器にして無線（ＺｉｇＢｅｅ）出力する。電源部１０は安定化電源部１２を内蔵し、安定化電源部１２は電池１１の１．８Ｖから３Ｖの電圧Ｖｂａｔを昇圧し、Ｖｐｏ＝３．３Ｖを出力する。Ｖｐｏはセンサノード内のセンサ部７、プロセッサ部８、無線部９へ電圧Ｖｃｃとし、電源を供給する。プロセッサ部８の計測データ演算部１４はＡＤ変換の開始から起動中信号をＯＮにし、無線部９の無線の伝送後にＯＦＦを出力する。

間歇周期タイマ１５は１０ｍｓ毎に＋１カウントずつ加算を行うカウンタで構成し、カウント値が間歇周期となった時に間歇起動信号をＯＮにし、計測データ演算部１４の起動中信号のＯＮで間歇起動信号をＯＦＦ、カウンタをリセットする。論理和演算１６は（起動中信号＋間歇起動信号）＝電源起動信号の演算を行い、電源起動信号は安定化電源部１２と接続され、安定化電源部は電源起動信号のＯＮで動作し、Ｖｐｏを出力する。電源起動信号のＯＮでＶｃｃはＶｂａｔ＜ＶｐｏでダイオードＤ１が非導通となり、Ｖｃｃ＝Ｖｐｏとなる。

これにより、センサ部７、プロセッサ部８、無線部９に安定化電源部１２の電圧Ｖｐｏを供給することになり、電池電圧Ｖｂａｔが低い場合においても、ＩＣの動作電圧以上の電圧を供給することができる。電源起動信号のＯＦＦでＶｂａｔ＞Ｖｐｏとなり、ダイオードＤ１が導通し、Ｖｃｃ＝Ｖｂａｔとなる。つまり、ダイオードＤ１は、プロセッサ部からの停止信号（電源起動信号のＯＦＦ）により安定化電源部の動作を停止させるとともに、安定化電源部の停止時は電池からプロセッサ部へ電源が供給されるように切り替える切替部になる。

電源起動信号はセンサ部７の電源スイッチ１７ａと無線部の電源スイッチ１７ｂの合わせてＯＮ／ＯＦＦを行い、電源起動信号停止時はプロセッサ部８のみ、電池１１の電圧をダイオードＤ１を介して供給し、これにより、間歇周期の無線によるデータ送信後のセンサノードのスリープ時における、消費電流を低減することができる。

図３は、安定化電源回路１２の内部構成を示す回路図である。動作時は安定化電源回路内のＦＥＴ１が発信回路（１００ＫＨｚ）でＯＮ／ＯＦＦを繰り返す。これにより、ＦＥＴ１のＯＮ時にインダクタンスＬ１に蓄えられたエネルギーが、ＦＥＴ１のＯＦＦ時にダイオードＤ１を介して、コンデンサＣ３に供給される。

Ｖｐｏの安定化は、Ｖｐｏの電圧をＲ１１とＲ１２で分圧し、コンパレータで基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、Ｖｒｅｆ＞（Ｒ１２／（Ｒ１１＋Ｒ１２））・Ｖｐｏはコンパレータの出力をＯＮとし、Ｖｒｅｆ≦（Ｒ１２／（Ｒ１１＋Ｒ１２））・Ｖｐｏで出力をＯＦＦとする。コンパレータの出力はＡＮＤ＿ＡＭＰと接続する。ＡＮＤ＿ＡＭＰの出力＝（電源起動信号・コンパレータ出力・発信回路出力）となり、電源起動信号のＯＮとＶｐｏの分圧値がＶｒｅｆより低い場合、発信回路のＯＮに合わせ、ＯＮを出力する。ＡＮＤ＿ＡＭＰのＯＮでＦＥＴ１をＯＮする。

これにより、電源起動信号により安定化電源回路１２を起動・停止することができる。また、電源起動信号はＦＥＴ２に接続し、停止時にＦＥＴ２をＯＦＦすることにより消費電流を低減することができる。

図４は、センサノードの動作を示すフローチャートである。最初に、センサノードに電池を接続する（ステップ４０１）。イニシャライズでセンサノードのタイマカウントのリセット、内部ワークエリアのリセット、間歇周期のセットを行う（ステップ４０２）。次に、電池電圧のＡＤ変換を行い、電池電圧を取り込み、電圧がセンサノードの動作電圧以下の１．８Ｖ以下か確認する（ステップ４０３）。

１．８Ｖ以下の場合は、計測データ演算部１４で作成されたステータスに、電池電圧値と電池ＬＯＷ警報をセットし、１．８Ｖ以上の場合は、ステータスに電池電圧値をセットして電池ＬＯＷ警報はセットしない（ステップ４０４）。次に、安定化電源を起動するため、起動中信号をＯＮ出力し、間歇起動信号をＯＦＦする（ステップ４０５）。次に、センサ入力を行うため、ＡＤ変換を行い、サーミスタの電圧信号を取込む（ステップ４０６）。次に、サーミスタの電圧信号から温度を算出する（ステップ４０７）。サーミスタの電圧信号をＶｔｈ、サーミスタの抵抗値をＲｔｈとするとＶｔｈは次式で表される。

Ｖｔｈ＝（Ｒ２×Ｒｔｈ／（Ｒ２＋Ｒｔｈ））／（Ｒ１＋（Ｒ２×Ｒｔｈ／（Ｒ２＋Ｒｔｈ））×Ｖｃｃ
この式を変換し、Ｒｔｈを求めると、
Ｒｔｈ＝（１−Ｋｖ）×Ｒ１×Ｒ２／（Ｋｖ×（Ｒ１＋Ｒ２）−Ｒ１）
但し、Ｋｖ＝（１−Ｖｔｈ／Ｖｃｃ）とする。

これより、サーミスタ電圧信号からＫｖを求め、上式でＲｔｈを計算で求める。Ｒｔｈを求めると、サーミスタで定義されている、抵抗−温度特性から温度を求める。サーミスタの抵抗−温度特性は、例えば、ＪＩＳ Ｃ １６１１に記載されている。求めた温度から温度計測データを作成する。

次に、無線送信を行い、温度計測データとステータス（電池電圧、電池ＬＯＷ警報）と無線部の電波強度データとを集合してデータパケットを作成し、送り先アドレス（ＡｄｄｒｅｓｓＩＤ）をゲートウェイまたは中継器にして無線（ＺｉｇＢｅｅ）出力する（ステップ４０８）。次に、無線送信後、ゲートウェイ又は中継器側から、センサノードが送信したデータパケットを受信したことを、無線でセンサノードに知らせるため、返信するＡＣＫ受信の判定を行う（ステップ４０９）。ＡＣＫが受信ない時はＡＣＫ受信内のタイムアウトでＮＯとなり、データパケットの再送を行う（ステップ４１０）。

次に、ＡＣＫ受信で安定化電源を停止するため、起動中信号をＯＦＦにする（ステップ４１１）。これにより、安定化電源１２は停止し、マイクロプロセッサ部は電池の電圧で動作し、センサ部と無線部の電源は遮断される。次にスリープ（ホールド）で終了する（ステップ４１２）。

スリープ（ホールド）時は、間歇周期タイマの１０ｍｓの割込みが入る（ステップ４１３）。タイマの割込みが入ると、タイマカウントを＋１加算する（ステップ４１４）。次に、タイマカウントが間歇周期以上になったかを判定し、以下の場合はそのまま終了する（ステップ４１６）。間歇周期以上の場合は、間歇起動信号をＯＮにし、タイマカウントを０にリセットする（ステップ４１７）。これにより、安定化電源が起動する。次に、ステップ４０３の電池電圧確認へ移行し、上述したステップを実行する。

図５は、センサノードの動作タイムチャートを示す。タイマカウントの間歇周期で間歇起動信号をＯＮし、電源起動信号がＯＮ（起動）で安定化電源が起動し、タイマカウントをリセットする。間歇起動信号でプロセッサが処理を開始し、起動中信号をＯＮし、間歇起動信号をＯＦＦする。プロセッサの処理終了で起動中信号をＯＦＦし、電源起動信号をＯＦＦ（停止信号）する。これにより安定化電源動作からプロセッサは電池動作に移るとともに停止する。以上のシーケンスを間歇周期毎に繰り返す。

図６は、間歇周期のタイマ部をプロセッサ部とは別に設けた例を示すセンサノードの回路図である。センサ部７は、デジタルで温湿度を計測できるデジタル温湿度センサ１８に適用した例を示す。デジタル温湿度センサ１８は温度センサ、湿度センサとＡＤ変換、マイクロプセッサを内蔵し、温度、湿度をデジタル温湿度センサ１８自体で計測し、測定結果の温度データ、湿度データをシリアル通信で伝送する。センサ部７はデジタル温湿度センサ１８へ電源Ｖｓｎを供給する。

プロセッサ部８は、シリアル通信部（ＣＯＭ）１９でデジタル温湿度センサ１８のシリアルデータ（ＤＡＴＡ）とシリアルクロック（ＣＬＫ）を用いて、シリアル通信を行い、温度データ、湿度データを取込む。また、電池の残量を測るため電池電圧信号をＡＤ変換器１３でデジタル信号に変換する。

計測データ演算部１４はシリアル通信で入力したデジタル温湿度センサの温度データ、湿度データから計測データ（温度、湿度）と、電池のデジタル信号から電池電圧と電池が動作電圧以下の場合の電池ＬＯＷ警報のステータス（電池電圧、電池ＬＯＷ警報）を作成する。無線部９は計測データ（温度、湿度）とステータス（電池電圧、電池ＬＯＷ警報）を受けて、無線部９内の電波強度を加えデータパケットを作成し、送り先アドレス（ＡｄｄｒｅｓｓＩＤ）をゲートウェイまたは中継器にして無線（ＺｉｇＢｅｅ）出力する。

電源部１０は安定化電源部１２を内蔵し、安定化電源部１２は電池１１の１．８Ｖから３Ｖの電圧Ｖｂａｔを昇圧し、Ｖｐｏ＝３．３Ｖを出力する。Ｖｐｏはセンサノード内のセンサ部７、プロセッサ部８、無線部９へ電圧Ｖｃｃとし、電源を供給する。プロセッサ部８の計測データ演算部１４はＡＤ変換の開始から起動中信号をＯＮにし、無線部９の無線の伝送後にＯＦＦを出力する。

周期タイマ部２０は１０ｍｓ毎に＋１カウントずつ加算を行うカウンタで構成し、カウント値が間歇周期となった時に間歇起動信号をワンショットのパルス信号でＯＮにするとともに、カウントをリセットする。ワンショットのパルス幅はプロセッサ部の起動中信号がＯＮとなる時間までＯＮとなるよう規定する。間歇起動信号はプロセッサ部８と接続し、プロセッサ部８の処理開始を指令する。

間歇起動信号のＯＮで電源起動信号をＯＮし、電源起動信号は安定化電源部１２と接続し、安定化電源部は電源起動信号のＯＮで動作し、Ｖｐｏを出力する。電源スイッチ２１は電源起動信号のＯＮでセンサ部７、プロセッサ部８、無線部９に安定化電源部１２の電圧Ｖｐｏを供給する。周期タイマ部２０と論理和演算１６は電池電圧と接続し、安定化電源の起動、停止に関わらず動作を行う。これにより、センサ部７、プロセッサ部８、無線部９の電源を電源スイッチ２１一つで一括ＯＮ／ＯＦＦ可能にするとともに、プロセッサ部停止時は周期タイマ部２０と論理和演算１６のみ消費電流が流れることとなり、消費電流を低減することができる。

図７は、間歇起動信号を外部装置から取り込み安定化電源を起動する構成としたセンサノードの回路図である。デジタル温湿度センサ１８、センサ部７、プロセッサ部８、無線部９、電源部１０の機能は、図６の場合と同様である。外部装置２２は、センサノードの計測と無線伝送を行うため、接点をＯＮにする。接点のＯＮにより、外部装置２２から起動信号が送られる。この起動信号が外部入力回路（起動信号入力回路）２３内の抵抗Ｒ１で電圧信号となり、インバータ２４で間歇起動信号をワンショットのパルス信号を出力する。

間歇起動信号のＯＮで電源起動信号をＯＮし、電源起動信号は安定化電源部１２と接続し、安定化電源部は電源起動信号のＯＮで動作し、Ｖｐｏを出力する。間歇起動信号はプロセッサ部８と接続し、プロセッブ部８の処理開始を指令する電源起動信号のＯＮで電源スイッチ２１をＯＮし、センサ部７、プロセッサ部８、無線部９へ電源Ｖｃｃを供給し、動作させる。

外部入力回路２３を構成する抵抗Ｒ１、インバータ２４と論理和演算１６は電池電圧と接続し、安定化電源の起動、停止に関わらず動作を行う。これにより、消費電流が少なく、かつ例えば人が手動でボタンを押し、データ計測と無線データの伝送を行うことができる、外部装置から計測指示するセンサノードを実現できる。

以上のように、本発明の実施例によれば、無線を利用し、有線にはない、無線の特徴である配線コストがない、自由な場所に設置可能であることなどを活かして現場の温湿度をセンサで測るセンサネットワークシステムにおいて、電池からの電圧を安定化電源回路で昇圧し、センサノードの間歇周期に合わせて安定化電源回路の起動・停止を行い、安定化電源停止から起動時のために間歇周期の計時する部位のみ電池で動作させ、安定化電源の起動を行うこと、外部からセンサノードの起動指示可能とする長期間動作を可能とする。また、センサの種類は温湿度だけだなく、例えば４／２０ｍＡの電流信号、加速度センサなど各種センサにもセンサノードのセンサ部を対応することにより適用可能となる。

センサネットワークシステムの構成図。 センサノードの構成を示す回路図。 安定化電源回路の内部構成を示す回路図。 センサノードの動作を示すフローチャート。 センサノードの動作タイムチャート。 間歇周期のタイマ部をプロセッサ部とは別に設けた例を示すセンサノードの回路図。 間歇起動信号を外部装置から取り込み安定化電源を起動する構成としたセンサノードの回路図。

符号の説明

１…センサノード、１ａ…センサノード、１ｂ…センサノード、１ｃ…センサノード、１ｄ…センサノード、２ａ…センサ、２ｂ…センサ、２ｃ…センサ、２ｄ…センサ、３ａ…中継器、３ｂ…中継器、４…ゲートウェイ、５…上位計算機、６…サーミスタ、７…センサ部、８…プロセッサ部、９…無線部、０…電源、１１…電池、１２…安定化電源部、１３…ＡＤ変換器、１４…計測データ演算部、１５…間歇周期タイマ、１６…論理和演算、１７ａ…電源スイッチ、１７ｂ…電源スイッチ、１８…デジタル温湿度センサ、１９…シリアル通信部（ＣＯＭ）、２０…周期タイマ部、２１…電源スイッチ、２２…外部装置、２３…外部入力回路、２４…インバータ。

Claims (3)

1. 周期的にセンサの信号を取り込むセンサ部と、
   該センサ部から送られる計測データを送信データへ変換するプロセッサ部と、
   該プロセッサ部で変換された計測データを無線送信する無線部と、
   前記センサ部、プロセッサ部、無線部の動作のための電源を供給する電池による電源を安定化する安定化電源部とを備え、
   前記プロセッサ部は、前記安定化電源部の動作を停止させるとともに、前記センサからの信号の取り込み周期のカウントを行うタイマ部の出力により前記安定化電源部の起動を行うことを特徴とするセンサノード。
2. 周期的にセンサの信号を取り込むセンサ部と、
   該センサ部から送られる計測データを送信データへ変換するプロセッサ部と、
   該プロセッサ部で変換された計測データを無線送信する無線部とを備え、
   前記センサ部、プロセッサ部、無線部の動作のための電源が電池で供給されるセンサノードにおいて、
   前記電池による電源を安定化する安定化電源部と、
   前記プロセッサ部からの停止信号により前記安定化電源部の動作を停止させるとともに、前記安定化電源部の停止時は前記電池から前記プロセッサ部へ電源が供給されるように切り替える切替部とを備え、
   前記プロセッサ部は、前記センサからの信号の取り込み周期のカウントを行うとともに、前記安定化電源部の起動を行うことを特徴とするセンサノード。
3. 周期的にセンサの信号を取り込むセンサ部と、
   該センサ部から送られる計測データを送信データへ変換するプロセッサ部と、
   該プロセッサ部で変換された計測データを無線送信する無線部とを備え、
   前記センサ部、プロセッサ部、無線部の動作のための電源を供給する電池による電源を安定化する安定化電源部と、
   外部から送信された起動信号が入力される起動信号入力回路とを備え、
   前記安定化電源部は、前記プロセッサ部から送信される停止信号に基づいて停止し、前記起動信号入力回路に入力された前記起動信号に基づいて起動することを特徴とするセンサノード。

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