JP2012050183A - 無線ネットワークシステム - Google Patents

Abstract

【課題】屋内等の閉空間に限定した無線ネットワークシステムにおいて、高効率で無線電力伝送を実現する。
【解決手段】閉空間内にメッシュ状に配置された複数のワイヤレスグリッドと、前記閉空間に配置される複数のセンサとから構成され、前記各センサは、前記各ワイヤレスグリッドとの間で情報を転送する無線ネットワークシステムであって、前記各ワイヤレスグリッドは、無線で電力伝送用の搬送波を放射し、前記各センサは、前記各ワイヤレスグリッドから供給される電力伝送用の搬送波を受信するアンテナと、蓄電装置と、前記アンテナにおいて受信した前記電力伝送用の搬送波を整流して前記蓄電装置を充電する手段とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、無線ネットワークシステムに係わり、特に、屋内などの閉空間に配置されているセンサに対する無線電力電送方法に関する。

従来、無線システムとしては、パッシブな無線ＩＣタグ（以下、ＲＦＩＤという）と、アクティブ系小電力無線システム（以下、センサネットワークという）が知られている。
ＲＦＩＤは、ＩＣカードのメモリに記録された内容をリーダライタがワイヤレスで読み書きするものであり、ＩＣカードの駆動には無線電力伝送が用いられている。（下記、非特許文献１参照）日本の電波法では、免許制の高出力ミラーサブキャリア（ＭＳ）方式の場合には、キャリアセンスの規定がない無線送電用チャネルが定義されている。（下記、非特許文献１参照）
一方、アクティブ系小電力無線システムは、内蔵型電池で駆動し、低出力で電波を発射することで数ｍ〜数百ｍの範囲内にデータ伝送を行う無線システムであり、防犯・環境保全・構造物管理・物流等を含み様々なアプリケーションヘの展開が期待されている。例えば、電力モニタリングやガス自動検針のシステムにおいて、無線局間のマルチホップ中継により電力計やガスメータの遠隔監視・自動情報収集・制御等の実現を可能にする。（下記、非特許文献２参照）

情報通信審議会 情報通信技術分科会 小電力無線システム委員会 "小電力無線システム委員会報告，"Dec., 2008.

情報通信審議会 情報通信技術分科会 小電力無線システム委員会 "小電力無線システム委員会報告，"Dec., 2009.

現在のＲＦＩＤのアプリケーションとしては、在庫管理・物流管理などが考えられており、ＩＣカードは小さく、安く、大量に作れることが重要である。よって、バッテリーを備えたメータリンクなどは想定されていない。
また、リーダライタは直接バックボーンネットワークに接続され、複数のリーダダライタ間の無線ネットワークは想定されておらず、さらに、干渉制御は原始的な方法で行われているため、複数のリーダライタが混在する環境下での安定動作は保障されていない。すなわち、ある限定された敷地内で複数のリーダライタを設置するためには、電波吸収体によるシールドの設置や、アンテナ指向性などの調整、または使用チャネルの離隔などによってシステムのアイソレーションを確保しなければならない。
一方、センサネットワークでは、電池で駆動される無線センサノードが、マルチホップネットワークを形成し、センシング情報などをワイヤレスにより収集するものである。電池駆動であるため、スリープ機能などを用いた低消費電力動作が重要となり、高信頼なネットワークの形成には至っていない。

他方、最近、国際標準化が進められているスマートユーティリティネットワーク（ＳＵＮ）へのアクティブ系小電力無線システムの応用が検討されている。スマートユーティリティネットワーク（ＳＵＮ）は、スマートメータ（電気やガスの自動検針装置）向けの無線ネットワーク規格である。
スマートユーティリティネットワーク（ＳＵＮ）は、基本的に屋外環境における通信が想定されているため、電池駆動型通信ノードは、数〜数十年間に渡って電他の無充電・無交換の環境で働く場合があり、長寿命電池技術、あるいは高度な物理層、及びＭＡＣ層の技術が要求される。以上の条件を満足しないノードは使用時間が限られ、信頼性が低い。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、屋内等の閉空間に限定した無線ネットワークシステムにおいて、高効率で無線電力伝送を実現するための技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）閉空間内にメッシュ状に配置された複数のワイヤレスグリッドと、前記閉空間に配置される複数のセンサとから構成され、前記各センサは、前記各ワイヤレスグリッドとの間で情報を転送する無線ネットワークシステムであって、前記各ワイヤレスグリッドは、無線で電力伝送用の搬送波を放射し、前記各センサは、前記各ワイヤレスグリッドから供給される電力伝送用の搬送波を受信するアンテナと、蓄電装置と、前記アンテナにおいて受信した前記電力伝送用の搬送波を整流して前記蓄電装置を充電する手段とを有する。
（２）（１）において、前記複数のワイヤレスグリッドの少なくとも一つは、放射する電力伝送用の搬送波の位相を時間的に変化させる。
（３）（１）または（２）において、前記複数のセンサの少なくも一つは、前記蓄電装置の電圧レベルを検出する検出手段と、前記検出手段で検出された電圧レベルが所定の電圧レベル以上の場合に、電力伝送用の搬送波を放射する放射手段とを有する。
（４）（１）または（２）において、前記複数のセンサの少なくも一つは、前記蓄電装置の電圧レベルを検出する検出手段と、前記検出手段で検出された電圧レベルが所定の電圧レベル以上の場合に、前記受信した電力伝送用の搬送波を、前記アンテナに反射させ、前記閉空間内の前記電力伝送用の搬送波の空間分布を変更させる反射手段とを有する。
（５）（１）乃至（４）の何れかにおいて、前記閉空間の少なくとも１面の壁に設置される電力回収手段、あるいは、電力反射手段を有する。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、屋内等の閉空間に限定した無線ネットワークにおいて、高効率で無線電力伝送を実現することが可能となる。

本発明の実施例の無線ネットワークを説明するための図である。 本発明の実施例のワイヤレスグリッドの概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例のセンサの概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例の電力回収壁の一例を示す概念図である。 図４に示すレクテナアレイの疑念図である。 図５に示すレクテナ素子の一例の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例の無線ネットワークのグリッド−センサ間のシーケンスの一例を示す図である。 本発明の実施例の電力反射壁を説明するための概念図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施例は、本発明の特許請求の範囲の解釈を限定するためのものではない。
［実施例１］
本発明の基本的な構成としては、例えば、屋内環境等の閉空間において、蛍光灯や白熱電灯の照明と同様に電波照明をグリッド状に設置し、このワイヤレスグリッドを介して、屋内環境内に設置された全てのセンサは、このワイヤレスグリッドから電力が供給される。
図１は、本発明の実施例の無線ネットワークを説明するための図であり、本実施例の無線ネットワークを、ビル制御に適用した実施例の概念図である。
図１では、ビルの各階の天井にワイヤレスグリッド１０が複数設置されている。なお、図示は省略しているが、図１では、ビルの屋上ではソーラーパネルを用いた太陽光発電が行われビル内に電力を供給している。
ワイヤレスグリッド１０は、天井裏で、電力線およびイーサネット２０などと接続され、電力と情報のためのバックボーンネットワークを形成している。
一方、各部屋には、例えば、人感センサ、温度・湿度センサ、震度センサ、警報センサ、等のセンサ３０が複数設置される。

図２は、本発明の実施例のワイヤレスグリッド１０の概略構成を示すブロック図である。
図２において、１１はアンテナ、１２は送受信部、１３はセンサ情報送受信制御部、１４は電力送信制御部である。ワイヤレスグリッド１０は、センサ情報送受信制御部１３の制御の下で、送受信部１２を介して、各センサ３０に対してセンサ制御情報を送信するとともに、電力送信制御部１４の制御の下で、送受信部１２を介して、各センサ３０に対して、無線により電力を伝送する。
本実施例において、ワイヤレスグリッド１０からセンサ３０への無線電力伝送には、日本の電波法において、高出力パッシブ型に用意されているキャリアセンスの規定がない無線送電用の２つのチャネル（電力伝送用チャネル）を用い、パッシブ高出力型ＲＦＩＤの１Ｗのキャリアを用いて無線電力伝送を行う。
本実施例では、屋内に設置された複数のワイヤレスグリッド１０より面的に無線電力伝送を行うことで、各部屋の隅々まで電力を行き渡らせることができる。また、各ワイヤレスグリッド１０において、互いにそれぞれ放射する電力伝送用の搬送波の位相を時間的に変化させ、電力伝送用の搬送波に異なる位相回転を与えることで、電力伝送において、送信ダイバーシチ効果を得ることができる。
一方、各センサ３０で消費されなかった電力は、各部屋の電力回収壁４０を介してリサイクルする。これによりエコロジカルな無線電力伝送が実現可能となる。

図３は、本発明の実施例のセンサ３０の概略構成を示すブロック図である。
図３において、３１は通信・受電用アンテナ、３２は送受信機、３３は整流回路、３４は電圧制御装置、３５は蓄電装置、３６は充電電位検出センサ、３７はＤＣ−ＲＦ変換装置、３８は再送電用アンテナ、３９はセンサ情報送信制御部である。
センサ３０は、ワイヤレスグリッド１０から送信された無線電力伝送の搬送波を、通信・受電用アンテナ３１と送受信機３２とを介して受信し、当該受信した搬送波を整流回路３３で整流し、電圧制御装置３４により電圧を制御して蓄電装置（充電池）３５に充電する。
そして、センサ情報送信制御部３９が、充電された蓄電装置３５に基づき、無線電力伝送に用いられていない全てのアクティブ系小電力チャネル（データ伝送用チャネル）を用いてワイヤレスグリッド１０との間にアクセス回線を形成し、センサ３０で検出したセンサ情報（センシング情報）をワイヤレスグリッド１０に送信する。
さらに、本実施例では、充電電位検出用のセンサ３６で検出した電位が所定の電位以上であり、蓄電装置３５に充電された電力に余裕がある場合には、センサ３０は、送受信機３２の制御の下で、ＤＣ−ＲＦ変換装置３７により、蓄電装置３５に充電された電力を無線電力伝送の搬送波に変換し、再送電用アンテナ３８から、当該センサ３０の近傍のセンサ３０に対して無線で電力を伝送する。これにより、本実施例では、部屋の隅々までより強く電力を行き渡らせることができる

また、本実施例では、図３に反射位相制御と図示しているように、通信・受電用アンテナ３１と送受信機３２との間の伝送線路に、電圧制御リアクタンス素子（例えば、バラクタダイオード）を配置し、充電電位検出用のセンサ３６で検出した電位が所定の電位以上であり、蓄電装置３５に充電された電力に余裕がある場合には、電圧制御リアクタンス素子に印加する制御電圧を制御することにより、通信・受電用アンテナ３１で受信した電力を、通信・受電用アンテナ３１に反射させて、閉空間内の電力伝送用の搬送波の空間分布を変更させるようにしている。
複数ワイヤレスグレッドを用いた屋内無線電力伝送は、通常の一対一の電力伝送とは異なり、複数のワイヤレスグリッド１０が同時に無線電力伝送を行い、余剰の電力は電力回収壁４０が回収しリサイクルしている。

図４は、本発明の実施例の電力回収壁４０の一例を示す概念図である。
図４に示す電力回収壁４０は、レクテナ４１がアレイ状に配置されたレクテナアレイで構成される。図５に示すように、各レクテナ４１は、複数のレクテナ素子５０で構成される。
図６は、図５に示すレクテナ素子５０の一例の概略構成を示すブロック図である。
図６に示すレクテナ素子５０は、偏波共用パッチアンテナ５１と、水平偏波用のコンデンサ５２Ｈと、水平偏波用の入力フィルタ５３Ｈと、水平偏波用の整流素子５４Ｈと、水平偏波用の出力フィルタ５５Ｈと、垂直偏波用のコンデンサ５２Ｖと、垂直偏波用の入力フィルタ５３Ｖと、垂直偏波用の整流素子５４Ｖと、垂直偏波用の出力フィルタ５５Ｖとで構成される。
図５に示すレクテナ素子５０では、無線電力伝送の水平偏波の搬送波は、コンデンサ５２Ｈで直流がカットされた後、入力フィルタ５３Ｈを介して整流素子５４Ｈで直流に変換され、出力フィルタ５５Ｈを通って、直流パス（例えば、蓄電装置）に入力される。
同様に、無線電力伝送の垂直偏波の搬送波は、コンデンサ５２Ｖで直流がカットされた後、入力フィルタ５３Ｖを介して整流素子５４Ｖで直流に変換され、出力フィルタ５５Ｖを通って、直流パス（例えば、蓄電装置）に入力される。

なお、本実施例において、図１、図４に示す電力回収壁４０に代えて、電力反射壁を採用するようにしてもよい。その場合の概念図を図８に示す。
図８は、本発明の実施例において、図１、図４に示す電力回収壁４０に代えての電力反射壁を説明するための概念図である。
図８に示す電力反射壁は、反射位相制御器６２内の電圧制御リアクタンス素子（例えば、バラクタダイオード）に印加する制御電圧を制御することにより、受電用アンテナ６１で受信した電力を、受電用アンテナ６１に反射させる。これにより、閉空間内の電力伝送用の搬送波の空間分布を変更させることができる。

図７は、本発明の実施例の無線ネットワークのグリッド−センサ間のシーケンスの一例を示す図である。
図７に示すシーケンスでは、始めに、各グリッド１０において共通の同期信号に同期を取り（ステップ１０１）、各グリッド１０間で通信し、各グリッド１０から放射する電波の相対位相を決定する（ステップ１０２）。
次に、各グリッド１０から無線電力伝送を行い（ステップ１０３）、各センサ３０を起動し（ステップ１０４）、その後、各センサ３０からセンサ情報を各グリッド１０に伝送する（ステップ１０５）。
本実施例において、各部屋には、複数のワイヤレスグリッド１０と複数のセンサ３０が存在するため、無線アクセス回線は多対多の無線分散ネットワークとなる。この様なネットワークにおいて有効な無線通信方式として分散連携通信がある。
この分散連携通信では、分散して配置された無線ノードが互いに連携して通信を行うことで、同一チャネル干渉を制御し、また、中継機能を追加することでネットワークのカバレッジを拡大している。
そのため、本実施例では、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）アンテナを搭載したワイヤレスグリッド１０を想定する。ＭＩＭＯアンテナを用いるとグリッド間連携ＭＴＭＯや双方向ＭＩＭＯ中継などの高度な無線ネットワークを構築することが可能となる。なお、本実施例における分散連携通信は、本願発明の無線電力伝送方式とは直には関係がないので詳細な説明は省略する。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

１０ ワイヤレスグリッド
１１ アンテナ
１２ 送受信部
１３ センサ情報送受信制御部
１４ 電力送信制御部
２０ イーサネット
３０ センサ
３１ 通信・受電用アンテナ
３２ 送受信機
３３ 整流回路
３４ 電圧制御装置
３５ 蓄電装置
３６ 充電電位検出用センサ
３７ ＤＣ−ＲＦ変換装置
３８ 再送電用アンテナ
３９ センサ情報送信制御部
４０ 電力回収壁
４１ レクテナ
５０ レクテナ素子
５１ 偏波共用パッチアンテナ
５２Ｈ，５２Ｖ コンデンサ
５３Ｈ，５３Ｖ 入力フィルタ
５４Ｈ，５４Ｖ 整流素子
５５Ｈ，５５Ｖ 出力フィルタ
６１ 受電用アンテナ
６２ 反射位相制御器

Claims (6)

1. 閉空間内にメッシュ状に配置された複数のワイヤレスグリッドと、
   前記閉空間に配置される複数のセンサとから構成され、
   前記各センサは、前記各ワイヤレスグリッドとの間で情報を転送する無線ネットワークシステムであって、
   前記各ワイヤレスグリッドは、無線で電力伝送用の搬送波を放射し、
   前記各センサは、前記各ワイヤレスグリッドから供給される電力伝送用の搬送波を受信するアンテナと、
   蓄電装置と、
   前記アンテナにおいて受信した前記電力伝送用の搬送波を整流して前記蓄電装置を充電する手段とを有することを特徴とする無線ネットワークシステム。
2. 前記複数のワイヤレスグリッドの少なくとも一つは、放射する電力伝送用の搬送波の位相を時間的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の無線ネットワークシステム。
3. 前記複数のセンサの少なくも一つは、前記蓄電装置の電圧レベルを検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された電圧レベルが所定の電圧レベル以上の場合に、電力伝送用の搬送波を放射する放射手段とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線ネットワークシステム。
4. 前記複数のセンサの少なくも一つは、前記蓄電装置の電圧レベルを検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された電圧レベルが所定の電圧レベル以上の場合に、前記受信した電力伝送用の搬送波を、前記アンテナに反射させ、前記閉空間内の前記電力伝送用の搬送波の空間分布を変更させる反射手段とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線ネットワークシステム。
5. 前記閉空間の少なくとも１面の壁に設置される電力回収手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の無線ネットワークシステム。
6. 前記閉空間の少なくとも１面の壁に設置される電力反射手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の無線ネットワークシステム。

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