JP2013182566A

JP2013182566A - ワイヤレス給電対応マルチホップ型センサシステム

Info

Publication number: JP2013182566A
Application number: JP2012047892A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Ino; 仁猪野; Takashi Saito; 隆齋藤
Original assignee: Nakayo Telecommunications Inc
Current assignee: Nakayo Telecommunications Inc
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2013-09-12

Abstract

【課題】電源ケーブルの敷設や電池が不要なワイヤレス給電対応マルチホップ型センサシステムの提供。
【解決手段】ＷＬ中継ユニット２は、受電デバイス２０１，電力変換部２０３等を介して前段からワイヤレス受電した電力で動作し、受電した電力を電圧変換トランス２１０，給電デバイス２１２等を介して後段へワイヤレス給電し、後段センサ情報受信部２２０は後段へワイヤレス給電する電力の電流値変動に含まれている後段からのセンサ情報を受信し、センサ情報中継部２００は、前段からのワイヤレス給電される電力が印加される可変負荷２０４の負荷値をセンサ情報に応じて変動して、センサ情報を前段へ送信する。
【選択図】図２

Description

本発明は、マルチホップ式にセンサ情報を中継するマルチホップ型センサシステムに関する。

例えば、屋内外に各種のセンサ機器を設置する場合、配線環境の無い場所に設置されるセンサ機器とデータを授受する管理機器との接続が問題となる。このため、センサ機器と管理機器との間の通信は、配線が不要な無線通信技術により実現することが多い。ただし、給電問題は依然として残存し、センサ機器の近傍に電源コンセントが無い場合や、電源ケーブルの新たな敷設が困難な場合、センサ機器を電池で動作させるのが一般的である。その場合、定期的な電池交換が必要でありシステムの維持管理が面倒である。

これを改善する技術として、電磁波、共鳴する磁場や電場等を介して、電力を無線で給電するワイヤレス給電技術がある（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載された技術は、携帯電話機のような移動する被電力供給装置へ電力を給電する際に、被電力供給装置の位置情報を取得し、給電側から電力供給可能な範囲内に位置する装置へ無線で電力を供給するワイヤレス給電が可能な無線通信装置に関する。特に、被電力供給装置の位置が範囲外で、電力を中継する第２の無線通信装置が存在している場合に、第２の無線通信装置を中継装置として被電力供給装置へ電力を供給することが記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載された技術は、移動する被電力供給装置へのワイヤレス給電であって、被電力供給装置をセンサに置き換えた場合、各センサからのセンサ情報を収集することは考慮していない。

特開２００９−２６１１５７号公報

そこで、本発明の課題は、複数のセンサ機器へワイヤレス（以下、ＷＬと略すこともある）給電により電力をマルチホップ式に供給すると共に、ＷＬ給電による電力の伝達手段を利用して、ＷＬ給電と逆方向にセンサ情報をマルチホップ式に中継するワイヤレス給電対応マルチホップ型センサシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、マルチホップ式にセンサ情報を中継する２以上の中継ユニットとセンサ情報を収集するセンサ情報収集装置を含むセンサシステムであって、前記中継ユニットは、前段から変動する磁場もしくは変動する電場によりワイヤレス受電するワイヤレス受電手段と、後段へ変動する磁場もしくは変動する電場によりワイヤレス給電するワイヤレス給電手段と、後段からセンサ情報を受信するセンサ情報受信手段と、前段へセンサ情報を送信するセンサ情報送信手段と、自中継ユニットとローカル接続されたセンサ機器からセンサ情報を入力するセンサ情報入力手段と、前記ワイヤレス受電手段がワイヤレス受電している電力を印加する負荷の負荷値を電子的に変動させる負荷値変動手段と、を有し、前記ワイヤレス受電手段がワイヤレス受電を開始した場合に、自中継ユニットは前記ワイヤレス受電した電力で動作し、前記ワイヤレス給電手段は後段へワイヤレス給電し、前記センサ情報入力手段は自中継ユニットとローカル接続されたセンサ機器からセンサ情報を入力し、前記センサ情報受信手段は前記ワイヤレス給電手段がワイヤレス給電している電力の出力電流の電流値変動を検出し前記電流値変動に含まれている後段からのセンサ情報を受信し、前記センサ情報送信手段は、前記センサ情報受信手段が受信したセンサ情報および前記センサ情報入力手段が入力したセンサ情報に応じて前記負荷値変動手段を制御して負荷値を変動し、前段が備える前記ワイヤレス給電手段が自中継ユニットへ給電している電力の出力電流に前記センサ情報に応じた電流値変動を発生させて前段へ前記センサ情報を送信し、前記センサ情報収集装置は、初段の中継ユニットへ変動する磁場もしくは変動する電場によりワイヤレス給電する装置側ワイヤレス給電手段と、初段の中継ユニットからセンサ情報を受信する装置側センサ情報受信手段と、を有し、前記装置側ワイヤレス給電手段は、定期的または非定期に初段の中継ユニットへワイヤレス給電し、前記装置側センサ情報受信手段は、前記装置側ワイヤレス給電手段が給電している電力の出力電流の電流値変動を検出し、前記電流値変動に含まれている初段の中継ユニットからのセンサ情報を受信することを特徴とする。

本発明によれば、電源ケーブルの敷設や電池を必要としない、ワイヤレス給電対応マルチホップ型センサシステムを提供できる。

本発明によるセンサシステムの全体図ＷＬ中継ユニット２の内部ブロック構成図本発明によるセンサシステムのシーケンス図ＷＬ中継ユニット２の動作フローチャート図

以下、図面を併用して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明によるセンサシステム（以下、本システムと略すこともある）の全体図である。

図１により、本システムの構成および機能概要について説明する。１はセンサ情報収集装置、２はＷＬ中継ユニット（以下、本ユニットと略すこともある）、３はＷＬ中継ユニット２にローカル接続されたセンサ機器（気温を測る温度センサや開閉状態を検出する接点センサ等）、４は収集したセンサ情報を処理する情報処理装置（例えば、パーソナルコンピュータ）である。

センサ情報収集装置１は、商用電源からの交流１００Ｖを受電して動作し、初段のＷＬ中継ユニット２−１へ、高周波電力により発生する変動する磁場もしくは変動する電場により非接触で電力を供給する（ワイヤレス給電）と共に、初段のＷＬ中継ユニット２−１からセンサ情報を受信する。

センサ情報収集装置１は、定期的または非定期（例えば、情報処理装置４からセンサ情報の収集要求を受付けた時）に、初段のＷＬ中継ユニット２−１へのワイヤレス給電を開始する。

後段側からのセンサ情報を前段側へ中継する際に、本ユニットにセンサ機器等の情報出力型のセンサ機器３が接続されていれば、後段から伝達されてきたセンサ情報にセンサ機器３から入力したセンサ情報を付加して、前段へ中継する。なお、ＷＬ中継ユニット２の内部ブロック構成および動作フローについては後で説明する。

センサ機器３は、ＷＬ中継ユニット２とローカル接続され、ＷＬ中継ユニット２へセンサ情報を出力する。センサ機器３は、例えば、ドアーの開閉等を検知する圧力センサや接点センサ、人の存在，人の侵入（振動），温湿度等の各種状態もしくは状態の変化を検知する各種センサ機器が適用可能である。ただし、センサ機器３の動作電力は、ＷＬ中継ユニット２から給電可能なレベルの軽微な電力であることが望ましい。

情報処理装置４は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置であって、センサ情報収集装置１との間でＷＬ中継ユニット２への給電要求とセンサ情報の受信をする。なお、情報処理装置４とセンサ情報収集装置１のローカル接続は近距離有線接続または近距離無線接続でもよいし、ローカルネットワークを介した接続であってもよい。

次に、ＷＬ中継ユニット２の内部ブロック構成および機能について説明する。図２は本発明によるＷＬ中継ユニット２の内部ブロック構成の例である。

センサ情報中継部２００は、ＷＬ中継ユニット２内の各部を制御し、後段へのワイヤレス給電や後段側から前段側へのセンサ情報の中継に係る制御を実行する。

受電デバイス２０１は、前段からワイヤレス給電される電力を受電するコイルを含むデバイスであり、前段から放出された磁界共鳴用の高周波変動電磁界（電磁波）を受けとる。

マッチング回路部２０２は、受電デバイス２０１が受取った高周波変動電磁界から磁界共鳴により高周波電力を受電するためのマッチング回路である。

電力変換部２０３は、受電した高周波電力を所定の直流電圧に変換しＷＬ中継ユニット２内の各部へ直流電圧を供給すると共に、前段からのワイヤレス給電を受電していることをセンサ情報中継部２００へ通知する。

可変負荷２０４は、前段からワイヤレス受電している電力の伝達パスの途中に挿入される負荷であり、その負荷値（抵抗値やインピーダンス）を電子的に変動させる負荷値変動手段（例えば、電界効果トランジスタ）である。即ち、センサ情報に対応して負荷値変動させることで、前段のＷＬ中継ユニット２にセンサ情報を伝達する。

電圧変換トランス２１０は、前段側からワイヤレス受電した高周波電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の電圧を昇圧する手段であって、後段側へワイヤレス給電する磁界共鳴用の高周波電力を発生させる。

電流変動検出部２１１は、給電デバイス２１２から後段へ出力されるワイヤレス給電の出力電流の電流値変動を検出し、検出した電流値変動を後段センサ情報受信部２２０へ出力する。この電流値変動は、後段側の負荷値変動に起因し、後段側からのセンサ情報が含まれている。

なお、電流変動検出部２１１は、情報を搬送する手段としての電流値変動だけでなく、後段側がワイヤレス受電しないことによる、電流値特性も検知する。即ち、ワイヤレス受電する後段が存在していない場合、給電デバイス２１２へ流入する電流値は小さい。これを判別すれば、ワイヤレス受電する後段が存在しているか否かを判別できる。また後段からの応答信号（例えば、受電動作中）の受信手段としても利用可能である。

給電デバイス２１２は、給電用のコイルを含むデバイスであって、磁界共鳴用の高周波電力による変動電磁界を、後段側へ放出する。

後段センサ情報受信部２２０は、電流変動検出部２１１から入力する電流値変動に含まれているセンサ情報を抽出して受信する手段である。なお、一定時間内に後段からのセンサ情報を受信しない場合、自ＷＬ中継ユニット２が最終段である判断することも可能である。

センサ機器接続部２２１は、センサ機器３を接続する手段であり、有線または近距離無線通信によるローカル通信を実行し、センサ機器３からセンサ情報をセンサ情報中継部２００へ出力する。

図３は、本発明によるワイヤレス給電対応マルチホップ型センサシステムのシーケンス図である。図１，図２を併用して、センサ情報および電力の流れを説明する。

まず、センサ情報収集装置１が起点となる電力の流れについて説明する。情報処理装置４がセンサ情報収集装置１へセンサ情報の収集を指示すると、センサ情報収集装置１はＷＬ中継ユニット２−１へのワイヤレス給電を開始し（Ｓ３００）、初段のＷＬ中継ユニット２−１を起動させる。

センサ情報収集装置１からワイヤレス給電により電力を受電し、起動したＷＬ中継ユニット２−１は、自ＷＬ中継ユニット２−１とセンサ機器３−１が消費する電力の残りの電力を後段のＷＬ中継ユニット２−２に向けてワイヤレス給電を開始し（Ｓ３１０）、ＷＬ中継ユニット２−２を起動させる。

起動したＷＬ中継ユニット２−２は、自ＷＬ中継ユニット２−２とセンサ機器３−２が消費する電力の残りの電力を後段のＷＬ中継ユニット２−３に向けてワイヤレス給電を開始し（Ｓ３１１）、ＷＬ中継ユニット２−３を起動させる。ここではＷＬ中継ユニット２−３を最終段とする。

起動したＷＬ中継ユニット２−３は、後段側（実際には存在しない）へ向けてワイヤレス給電を開始し（Ｓ３１２）、一定期間（たとえば１分）、応答信号またはセンサ情報の受信を待つ。そして、一定期間待っても、応答信号またはセンサ情報の受信をしなければ、後段側にワイヤレス受電するユニットは存在しない、即ち、自ＷＬ中継ユニット２−３が最終段であると判定する。

なお、図示しないが、各段においてワイヤレス受電を開始した場合に、センサ情報中継部２００は、前段へワイヤレス受電を開始した旨の応答信号として、一定期間（例えば、１００ｍｓ）可変負荷２０４の負荷値を特定パターンで変動させるようにしてもよい。

次に、センサ情報の流れについて説明する。自ユニットが最終段であると判定したＷＬ中継ユニット２−３は、センサ機器３−３から入力した（Ｓ３２３）センサ情報を、ＷＬ中継ユニット２−２へ送る（Ｓ３３０）。

ＷＬ中継ユニット２−２は、後段のＷＬ中継ユニット２−３から受信したセンサ情報と、予めセンサ機器３−２から入力しておいた（Ｓ３２１）センサ情報を、ＷＬ中継ユニット２−１へ送る（Ｓ３３１）。

ＷＬ中継ユニット２−１は、後段のＷＬ中継ユニット２−２から受信したセンサ情報と、予めセンサ機器３−１から入力しておいた（Ｓ３２０）センサ情報をセンサ情報収集装置１へ送る（Ｓ３３２）。

そして、センサ情報収集装置１は、ＷＬ中継ユニット２−１から受信したセンサ情報を情報処理装置４へ送る（Ｓ３４０）。

なお、各段において、前段へのセンサ情報の送信は、可変負荷２０４の負荷値をセンサ情報に応じて変動させる。すると、前段のＷＬ中継ユニットの電流変動検出部２１１は、その負荷値変動に連動した電流値変動を検出、後段センサ情報受信部は、その変動パターンを解析して、電流値変動に含まれているセンサ情報を受信する。この変動パターンとしては、例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ）やパルス符号化変調（ＰＣＭ）等に対応した変動パターンとすればよい。

以上の動作により、最終段のＷＬ中継ユニット２−３→ＷＬ中継ユニット２−２→ＷＬ中継ユニット２−１→センサ情報収集装置１→情報処理装置４の流れでセンサ情報が収集される。なお、途中段に、センサ機器３が接続されていないＷＬ中継ユニット２が介在してもよい。その場合、そのセンサ機器３が接続されていないＷＬ中継ユニット２は、後段からのセンサ情報を中継するだけとなる。

そして、センサ情報収集装置１は、ＷＬ中継ユニット２−１へのワイヤレス給電を停止する（Ｓ３５０）。すると、自動的に各ＷＬ中継ユニット２におけるワイヤレス受電も停止する（Ｓ３５１，Ｓ３５２，３５３）。

図４は、本発明によるＷＬ中継ユニット２の動作フローチャートである。以下、図１，図２を併用して、ＷＬ中継ユニット２の動作フローを説明する。

本フローは、ＷＬ中継ユニット２が、センサ情報収集装置１または隣接のＷＬ中継ユニット２との接続環境が構築された状態でスタートする（Ｓ４００）。

Ｓ４０１において、センサ情報中継部２００は、前段からのワイヤレス給電を待つ。前段からのワイヤレス給電があると（Ｓ４０１，ＹＥＳ）、受電デバイス２０１およびマッチング回路部２０２を介して、前段から受電したワイヤレス給電による高周波電力を電力変換部２０３に入力する。

この段階で電力変換部２０３が起動し、起動した電力変換部２０３は、前段から入力してくる高周波電力を直流電圧に変換し、所定の直流電圧を各部へ供給してセンサ情報中継部２００等を起動する。電圧変換トランス２１０は、入力してくる高周波電力を高電圧の高周波電力に変換し、電流変動検出部２１１，給電デバイス２１２を介して、後段のＷＬ中継ユニット２にワイヤレス給電する（Ｓ４１０）。

起動したセンサ情報中継部２００は、センサ機器接続部２２１に接続されたセンサ機器３から入力したセンサ情報を入力する（Ｓ４１１）。

次に、自ＷＬ中継ユニット２が最終段であるか否かをと判定し、最終段であれば（Ｓ４０２，ＹＥＳ）、Ｓ４１１で入力したセンサ情報に応じて可変負荷２０４の負荷値を変動させて、前段のＷＬ中継ユニット２へセンサ情報を送る（Ｓ４２１）。

自ＷＬ中継ユニット２が最終段の端末でなければ（Ｓ４２０，ＮＯ）、後段のＷＬ中継ユニット２からのセンサ情報の受信を待ち（Ｓ４３０，Ｓ４３１）、タイムアウト（例えば１０秒）した場合（Ｓ４３１，ＹＥＳ）、Ｓ４２１へ進む。

後段のＷＬ中継ユニット２からセンサ情報を受信すると（Ｓ４３０，ＹＥＳ）、センサ情報中継部２００は、前段のＷＬ中継ユニット２から受け取ったセンサ情報と、自ＷＬ中継ユニット２が入力したセンサ情報に応じて可変負荷２０４の負荷値を変動させて、前段のＷＬ中継ユニット２へセンサ情報を送る（Ｓ４４０）。

そして、前段からのＷＬ中継ユニット２へのワイヤレス給電が停止されてないならば（Ｓ４５０，ＮＯ）、Ｓ４１１へ戻り、ワイヤレス給電が停止されたならば（Ｓ４５０，ＹＥＳ）、本フローは終了する（Ｓ４６０）。

以上、本発明の実施形態の一例を説明した。本発明によれば、電源ケーブルの敷設や電池が不要なワイヤレス給電対応マルチホップ型センサシステムを提供できる。

なお、説明した実施形態において、各ＷＬ中継ユニット２は独自に自ユニットが最終段か否かを判定しているので、ＷＬ中継ユニット２の増設や減設が容易である。この判定に必要となる、後段からの応答信号またはセンサ情報の受信の有無を判定するのに要する時間を削減する必要がある場合は、最終段か否かを設定する設定スイッチを設定すればよい。

さらに、説明した実施形態において、ワイヤレス給電の方式として、磁界共鳴方式を例に説明したが、変動する磁場もしくは変動する電場により電力を非接触で給電する電磁結合型や電界結合型等の各種ワイヤレス給電技術の一般が適用可能である。

ところで、最終段のＷＬ中継ユニット３−３まで、センサ情報収集装置１が直接ワイヤレス給電する場合に比べ、本発明のように高周波電力をマルチホップ式に多段中継する方式は、中継回数の分だけ電力の伝達効率が低下するのは避けられない。

しかしながら、各種ワイヤレス給電方式において、その伝達効率には指向性があるのが一般的である。従って、センサ情報収集装置１から多数の各ＷＬ中継ユニット２へ直接ワイヤレス給電した場合、指向性の範囲から外れたＷＬ中継ユニット２への伝達効率は非常に小さくなってしまうので、各ＷＬ中継ユニット２の配置には大きな制限がある。

これに対して、本発明のように電力をマルチホップ式に多段中継する場合、中継するＷＬ中継ユニット２毎に後段へのワイヤレス給電の方向を調整することが容易であり、システム全体としての電力伝達の向上が可能であると共に、電磁波の遮蔽物等を迂回してワイヤレス給電することも可能である。

１・・・センサ情報収集装置
２・・・ＷＬ中継ユニット
３・・・センサ機器
４・・・情報処理装置
２００・・・センサ情報中継部
２０１・・・受電デバイス
２０２・・・マッチング回路部
２０３・・・電力変換部
２０４・・・可変負荷
２１０・・・電圧変換トランス
２１１・・・電流変動検出部
２１２・・・給電デバイス
２２０・・・後段センサ情報受信部
２２１・・・センサ機器接続部

Claims

マルチホップ式にセンサ情報を中継する２以上の中継ユニットとセンサ情報を収集するセンサ情報収集装置を含むセンサシステムであって、
前記中継ユニットは、前段から変動する磁場もしくは変動する電場によりワイヤレス受電するワイヤレス受電手段と、後段へ変動する磁場もしくは変動する電場によりワイヤレス給電するワイヤレス給電手段と、後段からセンサ情報を受信するセンサ情報受信手段と、前段へセンサ情報を送信するセンサ情報送信手段と、自中継ユニットとローカル接続されたセンサ機器からセンサ情報を入力するセンサ情報入力手段と、前記ワイヤレス受電手段がワイヤレス受電している電力を印加する負荷の負荷値を電子的に変動させる負荷値変動手段と、を有し、前記ワイヤレス受電手段がワイヤレス受電を開始した場合に、自中継ユニットは前記ワイヤレス受電した電力で動作し、前記ワイヤレス給電手段は後段へワイヤレス給電し、前記センサ情報入力手段は自中継ユニットとローカル接続されたセンサ機器からセンサ情報を入力し、前記センサ情報受信手段は前記ワイヤレス給電手段がワイヤレス給電している電力の出力電流の電流値変動を検出し前記電流値変動に含まれている後段からのセンサ情報を受信し、前記センサ情報送信手段は、前記センサ情報受信手段が受信したセンサ情報および前記センサ情報入力手段が入力したセンサ情報に応じて前記負荷値変動手段を制御して負荷値を変動し、前段が備える前記ワイヤレス給電手段が自中継ユニットへ給電している電力の出力電流に前記センサ情報に応じた電流値変動を発生させて前段へ前記センサ情報を送信し、
前記センサ情報収集装置は、初段の中継ユニットへ変動する磁場もしくは変動する電場によりワイヤレス給電する装置側ワイヤレス給電手段と、初段の中継ユニットからセンサ情報を受信する装置側センサ情報受信手段と、を有し、前記装置側ワイヤレス給電手段は、定期的または非定期に初段の中継ユニットへワイヤレス給電し、前記装置側センサ情報受信手段は、前記装置側ワイヤレス給電手段が給電している電力の出力電流の電流値変動を検出し、前記電流値変動に含まれている初段の中継ユニットからのセンサ情報を受信することを特徴とするワイヤレス給電対応マルチホップ型センサシステム。
請求項１に記載のセンサシステムであって、
前記中継ユニットは、前記ワイヤレス給電手段がワイヤレス給電を開始した後、予め定められた時間が経過しても、前記センサ情報受信手段が後段からのセンサ情報または応答信号を受信しない場合に、前記センサ情報送信手段は自中継ユニットのセンサ情報入力手段が入力したセンサ情報を前段へ送信することを特徴とする、ワイヤレス給電対応マルチホップ型センサシステム。