JP2014081691A

JP2014081691A - センサノード及びセンサネットワーク

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Publication number: JP2014081691A
Application number: JP2012227490A
Authority: JP
Inventors: Takeo Kusano; 剛央草野
Original assignee: STELLA GREEN CORP
Current assignee: STELLA GREEN CORP
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-05-08

Abstract

【課題】センサ種別毎に、センサノードを特定するための特殊な基板を用意する必要が無く、簡易な構造でありながら、取り付けられたセンサの種類を自動で判別可能なセンサノード及び前記センサノードを有するセンサネットワークを提供する。
【解決手段】本発明のセンサノードは、物理量を測定するセンサ、前記センサの種類を特定するためのアナログ信号を出力する判別回路を備えるセンサ部と、前記センサと前記各センサ部の判別回路にそれぞれ電力を供給する電源、前記判別回路から出力された前記アナログ信号を受信する第１入力部、前記物理量のデータ信号を受信する第２入力部、および受信された前記アナログ信号に基づいて前記センサを特定し、受信した前記データ信号を前記特定されたセンサの測定データに対応付ける情報処理装置を備えた制御部とを具備する。
【選択図】図４

Description

本発明は、取り付けたセンサを自動的に判別するセンサノード及び前記センサノードを備えたセンサネットワークに関する。

測定する物理量がそれぞれ異なる各種のセンサ装置を接続して、各センサ装置から受信した計測値を組み合わせた制御を行うためのシステム或いは装置が提案されている。

特許文献１には、複数のセンサに接続可能であって、前記センサの種類を判別して該センサに対応した回路に内部回路を切り換える切換回路を有するコンピュータが開示されている。また、特許文献１には、センサ部と前記センサ部とのペア１８の組み合わせからなる設定部が開示されている。前記設定部によれば、センサを取り替えた際、センサ部及び抵抗が取り換えられ、センサ部には常に最適の電流量が流れるように構成されている。

しかし、特許文献１は、１つのセンサが他の１つのセンサに交換される場合のみを想定しており、複数個のセンサが接続されたセンサネットワークにおいて、接続された複数個のうちの１つ以上のセンサが交換された場合、交換されたセンサの種類を特定する方法を開示も示唆もしていない。そのため、特許文献１に開示された判別方法では、センサネットワークを構成する個々のセンサノードから受信される測定データの種類を特定することができないという問題がある。

また、下記の特許文献２には、第１の物理量を検出するための検出手段と、前記検出手段で検出された物理量と異なる第２の物理量を検出可能な他のセンサ装置と電気的に接続可能で、該他のセンサ装置とデータ通信を行うための通信インターフェースと、前記通信インターフェースに接続されている他のセンサ装置の有無、及び前記通信インターフェースを介して、接続される他のセンサ装置が検出する第２の物理量の種別を判定可能な種別判定手段と、を備えるセンサ装置が開示されている。

特許文献２に開示されたセンサ装置は、種別判定手段として機能する親機の制御部が、子機であるセンサ装置のセンサ部が検出する物理量を示すセンサ種別を判定するための判定信号を生成し、通信インターフェースを介して外部のあるセンサ装置が前記判定信号を使用して通信を行う。従って、特許文献２に開示された発明の場合、センサ装置側において、自身のセンサ種別をフラグに書き込んで応答信号として返信する等の機能が必要になるので、一種のセンサ装置自体が効果になり、コストが嵩みやすいという問題がある。

特許文献１に開示された湿度センサは、湿球温度計の感部を包むウィックを不要にする点で構造の簡略化が図られており、メンテナンス性に優れる。しかしながら、特許文献１に開示された湿度センサは、前記のペルチェ素子が測定対象の空間内に含まれる水分から直接的に水滴を生成するように構成されていない。このように、特許文献１に開示された湿度センサは、測定対象の空間によって、その湿度の測定が不正確になり易いという問題がある。

また、特許文献１に開示された湿度センサは、本体内部に封入された気体状の作動流体の凝集の確認、すなわち、閉空間の内部における気体の相変化を閉空間の外側から確認する必要があるため、湿度測定を迅速に行えないという問題がある。

実開平５−６１３７号公報特開２００７−３１６７７０号公報

本発明の目的は、前述の従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ種別毎に、センサノードを特定するための特殊な基板を用意する必要が無く、簡易な構造でありながら、取り付けられたセンサの種類を自動で判別可能なセンサノード及び前記センサノードを有するセンサネットワークを提供することである。

本発明の一実施形態に係るセンサノードは、物理量を測定するセンサ、前記センサの種類を特定するためのアナログ信号を出力する判別回路、前記アナログ信号を伝送する第１出力ポート、および前記センサによって測定された物理量のデータ信号を伝送する第２出力ポートとを備えるセンサ部と、前記センサと前記各センサ部の判別回路にそれぞれ電力を供給する電源、前記判別回路から出力された前記アナログ信号を受信する第１入力部、前記物理量のデータ信号を受信する第２入力部、および受信された前記アナログ信号に基づいて前記センサを特定し、受信した前記データ信号を前記特定されたセンサの測定データに対応付ける情報処理装置を備えた制御部とを含むことを特徴としている。

本発明の一実施形態に係るセンサノードは、前記構成において、前記情報処理装置が、受信された前記アナログ信号に基づいて前記センサを特定識別情報と、受信した前記データ信号を前記特定されたセンサの測定データに対応付ける情報と格納されている記憶部とを備えるように構成しても良い。

また、本発明の一実施形態に係るセンサノードは、前記構成において、前記判別回路が固定抵抗及び判別用抵抗を備え、前記判別回路への電源入力時点から所定時間経過時における前記判別用抵抗の端子間の電位差を、前記電気的なアナログ信号として特定されるように構成しても良い。

また、本発明の一実施形態に係るセンサノードは、前記構成において、前記判別回路が判別用の電流計測回路を含み、前記判別回路への電源の入力時点から所定時間経過時における前記電流計測回路に流れる電流を、前記電気的なアナログ信号として特定されるように構成しても良い。

また、本発明の一実施形態に係るセンサノードは、前記構成において、前記判別回路がコンデンサ及び抵抗を直列に接続した回路を含み、前記判別回路への電源の入力時点から所定時間経過時の前記コンデンサに印加される電圧を、前記電気的なアナログ信号として特定されるように構成しても良い。

また、本発明の一実施形態に係るセンサノードは、前記判別回路が、前記構成において、抵抗と２つ以上並列接続した複数のコンデンサとを直列に接続したＲＣ回路を含むように構成しても良い。

また、本発明の一実施形態に係るセンサノードは、複数のセンサ部をＩ２Ｃインターフェースを介して制御部に接続されたものであって、前記センサ部がスレーブとして動作し、前記制御部がホストとして動作するように構成しても良い。

また、本発明の一実施形態に係るセンサネットワークは、前記構成を有するセンサノードをネットワークを介して接続したことを特徴としている。

本発明の一実施形態に係るセンサノードは、電気的なアナログ信号を用いて、センサノード毎に前記センサノードに含まれるセンサの種類を特定する。そのため、本発明の一実施形態に係るセンサノードは、各種センサの取り付けを容易にすることができ、取り付けられたセンサの判別の設定の際、正確なディップスイッチの設定等のユーザ設定を行うためにマニュアルを逐一参照する等の煩わしさを軽減することができる。

また、本発明の一実施形態に係るセンサノードは、Ｉ２Ｃインターフェース或いはインターネット等のネットワークを介して、特に数を制限すること無く接続することができる。また、本発明の一実施形態に係るセンサネットワークにおいて、各センサの種類は自動で判別することができ、且つ取り付けられたセンサを自動的に判別してそれぞれのセンサから各種のデータを自動的に取り込むことができる。

また、前記センサの種類の判別は、電気的なアナログ信号を用いて行われるので、本発明の一実施形態に係るセンサネットワークにおいて、取り付けられたセンサの動作を起動するタイミングの最適化は容易であり、センサの消費電力を低減する効果を有する。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係るセンサノード１の構造を概略的に示したブロック図であり、（ｂ）は前記センサノード１のセンサ部１０Ｋのセンサ判別回路１０Ｋ２の構造を概略的に示したブロック図であり、（ｃ）は前記センサノード１のセンサ部１０Ｋに接続される本体部２の接続端子を説明する表である。本発明の第１実施形態に係るセンサノード１のセンサ部１０Ｋ（Ｋは、１〜Ｎまでの整数）と、情報処理装置２１と、記憶部２２のシーケンス図である。（ａ）は本発明の第１実施形態に係るセンサノード１のセンサ判別回路１０Ｋ３の電圧特性を示すグラフであり、（ｂ）は前記センサ判別回路１０Ｋ３のセンサ判別用抵抗１０Ｋ３１の抵抗値と、前記センサ判別用抵抗１０Ｋ３１に係る電圧値との関係を示す表である。本発明の第２実施形態に係るセンサノード１の構造を概略的に示したブロック図である。（ａ）は本発明の第３実施形態に係るセンサノード１の構造を概略的に示したブロック図であり、（ｂ）は本発明の第３実施形態の変形例の判別回路１０Ｋ５の回路構成図であり、（ｃ）は前記センサノード１のセンサ判別回路１０Ｋ５のコンデンサＣに流れる電流のタイミングチャートを示す図である。（ａ）は本発明の第４実施形態に係るセンサノードの概略的なブロック図であり、（ｂ）はセンサ部１〜Ｐと、各センサ部を判別するためのアナログ信号及びセンサの種類とを対応づける表である。（ａ）は本発明の第５実施形態に係るセンサネットワークの概略的なブロック図であり、（ｂ）はセンサノード１〜Ｎと、各センサノードを判別するためのアナログ信号及びセンサの種類とを対応づける表である。以下、本発明のセンサノード及びセンサネットワークを、以下の実施形態１〜４に基づいて具体的に説明するが、以下に示す実施形態は本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係るセンサノード１は、図１（ａ）に示されるように、センサ部１０Ｋと、前記センサ部１０Ｋからの測定信号を受信する制御部２とを有する。

前記センサ部１０Ｋは、センサ取付基板１０Ｋ１、物理量を測定するセンサ１０Ｋ２及び判別回路１０Ｋ３とを備えており、前記センサ取付基板１０Ｋ１には、前記センサ１０Ｋ２及び前記判別回路１０Ｋ３が搭載されている。前記センサ１０Ｋ２は、温度、湿度、風力、炭酸ガス等のガス濃度、加速度、応力、照度等の所定の物理量を測定するデバイスである。但し、本実施形態において、前記センサ部１０Ｋ２として、センサがワンチップ化されたＩＣ、すなわち、センサＩＣが用いられている。

前記判定回路１０Ｋ３は、前記センサ部１０Ｋを特定するアナログ信号として、所定の直流電圧を出力する構造を有し、固定値抵抗１０Ｋ３２及びセンサ判別用抵抗１０Ｋ３１が直列に配列された構造を有する。また、前記固定値抵抗１０Ｋ３２の一方の端子１０Ｋ３３ｂは前記制御部２のセンサ判定用電源２４に接続されており、前記抵抗１０Ｋ３２の他方の端子１０Ｋ３３ａは、制御部２の情報処理装置２１に前記アナログ信号を送信する第１出力ポート１０Ｋ２０及び前記センサ判別用抵抗１０Ｋ３１へ接続される。尚、図１（ａ）において、アース電極２５は制御部２内に設けられているが、制御部２内に設けないで外部の接地電極に接続しても良い。図３（ａ）及び（ｂ）に、前記センサ判定用電源２４として３．３Ｖの直流電圧を用い且つ前記固定値抵抗１０Ｋ３２を１０ＫΩとした際、前記センサ判別用抵抗１０Ｋ３１と及び前記第１出力ポート１０Ｋ２０から出力される直流電圧（ＡＤ値（Ｖ））との関係を示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）のグラフ上のデータである。

図３（ａ）に示されるように、前記センサ判別用抵抗１０Ｋ３１と、前記第１出力ポート１０Ｋ２０から出力される直流電圧（ＡＤ値（Ｖ））は一対一対応している。そこで、図１（ｂ）に示す構造と同様な構造の判別回路を有する複数のセンサ部を、単一の制御部２によって一元的に制御することが可能である。図１（ｃ）は、制御部２の入出力ポートの機能を説明する表である。この表から分かるように、本実施形態において、センサ１０Ｋ２の測定データ信号を送信させるためのトリガークロック信号は情報処理装置２１から生成される。また、Ｉ２Ｃインターフェースとしてのスレーブポートを前記制御部２に設けて、本実施形態のセンサノードをスレーブ側として、外部に設けられたマスタデバイスとの間で、Ｉ２Ｃ通信を行うことが可能である。

図２は、本発明の第１実施形態に係るセンサノード１のセンサ部１０Ｋと、情報処理装置２１と、記憶部２２のシーケンス図である。尚、図２に示すシーケンス制御は、前述したようにセンサ部が複数個存在する場合であっても、個々のセンサ部１０Ｋ（Ｋは、１〜Ｎまでの整数）に対して行うことができる。

まず、センサ部１０Ｋのセンサ１０Ｋ２の種類を特定するために、情報処理装置２１は、センサ判定用電源２４から３．３Ｖの直流電圧をセンサ部１０Ｋの判定回路１０Ｋ３に印加する（Ｓ１０１）。センサ部１０Ｋは、印加された前記判別用電源電圧に対して所定の電気的なアナログ信号を第１出力ポート１０Ｋ２０から出力する。制御部２は、前記アナログ信号を第１入力部ＰＮ３から受信して、情報処理装置２１に送信する（Ｓ１０２）。

前記情報処理装置２１は、センサ部１０Ｋから受信した前記アナログ信号を記憶部２２に送信し（Ｓ１０３）、前記記憶部２２は、前記センサ部１０Ｋの測定対象となる物理量とデータ信号と測定データとの対応関係を読み出す（Ｓ１０４）。

前記情報処理装置２１は、センサ部１０Ｋのセンサ部１０Ｋ２にデータ測定のための電力をセンサ駆動電源２３から供給して（Ｓ１０５）、センサ部１０Ｋのセンサ１０Ｋ２を動作させ、前記センサ１０Ｋ２から送信された測定データ信号を受信する（Ｓ１０６）。前記測定データ信号は、センサ部１０Ｋの第２出力ポート１０Ｋ３０から出力され、制御部２の第２入力部ＰＮ５にて受信され、前記情報処理装置２１へ送信される。前記情報処理装置２１が受信した測定データ信号は、前記データ信号と測定データとの対応関係に基づいて実測された測定データとして、記憶部２２に送信され（Ｓ１０７）、前記記憶部２２は、前記測定データをセンサ部１０Ｋからの測定データとして記憶する。

第１の実施形態に係るセンサノード１は、判別回路１０Ｋ３を最も簡易に構成することができる。そのため、第１の実施形態に係るセンサノード１は、対費用効果の高い、すなわち、経済的に極めて有利な構造のセンサネットワークを提供することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るセンサノード１は、図４に示されるように、センサ部１０Ｋと、前記センサ部１０Ｋからの測定信号を受信する制御部２とを有する。但し、前記センサ部１０Ｋの判定回路が電流計測回路１０Ｋ４で構成されており、センサ部１０Ｋを特定するアナログ信号が直流電流値であってアースが不要である点と、センサ判定用出力電源とセンサ駆動電源としての機能が単一の電源２６でまかなわれている点において、第１実施形態と構造が異なる。

前記したように、第２の実施形態に係るセンサノード１は、図４に示されるように、アース電極が不要であり、センサ判別用の電力供給端子ＰＮ１及びセンサ駆動用の電力供給ＰＮ６を一つの端子にまとめることができるので、第１実施形態に比べて構造を簡素化することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係るセンサノード１は、図５（ａ）に示されるように、センサ部１０Ｋと、前記センサ部１０Ｋからの測定信号を受信する制御部２とを有する。但し、前記センサ部１０Ｋの判定回路１０Ｋ５が図５（ｂ）に示されるように抵抗器Ｒ及びコンデンサＣからなるＲＣ回路で構成されており、センサ部１０Ｋを特定するアナログ信号が直流電流値であってアースが不要である点と、センサ判定用出力電源とセンサ駆動電源としての機能が単一の電源２６でまかなわれている点において、第１実施形態と構造が異なる。

前記コンデンサＣは、複数個のコンデンサＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３・・・Ｃ_Ｍ（Ｍは、２以上の整数）を並列接続することによって構成しても良い。図５（ｂ）は本実施形態の変形例のセンサノード１の判別回路１０Ｋ５の回路構成図であり、抵抗Ｒと２つ以上並列接続した複数のコンデンサＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３とを直列に接続したＲＣ回路である。

第３の実施形態において、センサ部１０Ｋを特定するアナログ信号は、電源２６からのセンサ判定用出力電源を時刻ｔ_０に投入後、所定時間経過後の時刻ｔにおけるセンサ部１０Ｋの判定回路１０Ｋ５のコンデンサＣ及び抵抗Ｒ間の電圧として定義される。第３の実施形態における、センサ部１０Ｋを特定するアナログ信号を図５（ｃ）に示す。

図５（ｃ）に示されるように、判定回路１０Ｋ５を構成するコンデンサＣの容量及び抵抗の大きさによって、抵抗器Ｒ及びコンデンサＣ間の電圧が０Ｖになる時刻はｔ_１、ｔ_２、ｔ_３・・・と変化するだけで無く、時間−電圧曲線の形状も変化する。従って、そこで、図５（ａ）或いは（ｂ）に示す構造と同様な構造の判別回路を有する複数のセンサノードを、コンデンサの１個当たりの容量或いはコンデンサの数を変えることによって、各センサノードのアナログ信号を相互に区別できるようにすることができる。このように、第３の実施形態によれば、コンデンサの１個当たりの容量或いはコンデンサの数を変えることによって、複数のセンサ部１０Ｋを単一の制御部２によって一元的に制御することを容易に行うことができる。

第３の実施形態及びその変形例に係るセンサノード１は、図５（ａ）に示されるように、アース電極が不要であるので、第１実施形態に比べて構造を簡素化することができる。また、センサノード側に電流を計測する回路等のデバイスを設ける必要が無く、単純な構造のＲＣ回路を用いてセンサ部１０Ｋを特定するアナログ信号を生成するので、構造が簡素できるだけで無く、経済的に極めて有利な構造のセンサネットワークを提供することができる。

［第４の実施形態］
図６（ａ）は、第３実施形態に係るセンサノードのセンサ部１０Ｋが複数個のセンサ部１０１、１０２、１０３で構成され、前記複数個のセンサ部をスレーブ側として、Ｉ２Ｃインターフェース３１ａ、３１ｂを介してマスタ側の制御部２に接続されている。図６（ｂ）に示されるように、前記センサ部１０１、１０２及び１０３の各センサによって測定される物理量は必ずしも同一では無くても良い。また、図６に示されたセンサ部の個数は例示であって、４つ以上のセンサ部を設けても良い。

第４の実施形態のセンサノードにおいて、制御部２は、スレーブ側の前記センサ部１０１、１０２及び１０３と、前記センサ部をそれぞれ特定するアナログ信号、前記センサ部がそれぞれ出力する測定値データとの対応関係を記憶する機能を有する。そのため、前記センサ部１０１、１０２及び１０３のうち、幾つかのセンサ部の配置を変えた場合であっても、前記センサ部１０１、１０２及び１０３の判定回路の全てのアナログ信号及び各センサ部のセンサが出力する測定値データとの対応関係を、前記制御部２に予め記憶させておくことによって、自動的に、各センサ部が測定する物理量を把握することができる。例えば、図２に示すシーケンスをＮ回行うように前記制御部２を制御することによって、前記センサ部１０１、１０２及び１０３が備える各センサの種類或いはセンサ部が送信する測定データと特定の物理量との対応関係をセンサ部毎に自動的に判別する機能を前記制御部２に与えることができる。

［第５の実施形態］
図７（ａ）は、第１乃至第３の実施形態のいずれかに係るセンサノード１０１、１０２、１０３・・・１０Ｎ（Ｎは、１以上の整数）がネットワーク４１を介して単一のサーバ４２に接続されている構成のセンサネットワークの概略構成図を示す。図７（ｂ）に示されるように、前記センサノード１０１、１０２、１０３・・・１０Ｎの各センサが測定する物理量は必ずしも同一では無くても良い。

第５の実施形態のセンサネットワークは、サーバ４２が、センサノード１０１、１０２、１０３・・・１０Ｎと、前記センサノードを特定するアナログ信号、前記センサノードが出力する測定値データとの対応関係を記憶する機能を有する。そのため、センサノード１０１、１０２、１０３・・・１０Ｎのうち、幾つかのセンサノードの配置を変えた場合であっても、センサノード１０１、１０２、１０３・・・１０Ｎの判定回路の構成を予め全て把握しておくことによって、自動的に、各センサノードが測定する物理量を把握することができる。すなわち、図２に示すシーケンスをＮ回行うようにサーバ４２を制御することによって、センサノード１０１、１０２、１０３・・・１０Ｎが備えるセンサ部の種類或いはセンサ部が送信する測定データと特定の物理量との対応関係をセンサノード毎に自動的に判別するように構成することができる。

１・・・センサノード
２・・・制御部
１０Ｋ・・・センサ部
１０Ｋ１・・・センサ取付基板
１０Ｋ２・・・センサ
１０Ｋ３，１０Ｋ４，１０Ｋ５・・・判別回路
２１・・・情報処理装置
２２・・・記憶部
２３・・・センサ駆動電源
２４・・・センサ判定用出力
２５・・・アース電極
２６・・・電源
３１ａ、３１ｂ・・・Ｉ２Ｃインターフェース
４１・・・ネットワーク
４２・・・サーバ
１０１、１０２、１０３、１０Ｎ・・・センサノード

Claims

物理量を測定するセンサ、前記センサの種類を特定するためのアナログ信号を出力する判別回路、前記アナログ信号を伝送する第１出力ポート、および前記センサによって測定された物理量のデータ信号を伝送する第２出力ポートとを備えるセンサ部と、
前記センサと前記各センサ部の判別回路にそれぞれ電力を供給する電源、前記判別回路から出力された前記アナログ信号を受信する第１入力部、前記物理量のデータ信号を受信する第２入力部、および受信された前記アナログ信号に基づいて前記センサを特定し、受信した前記データ信号を前記特定されたセンサの測定データに対応付ける情報処理装置を備えた制御部とを含むセンサノード。
前記情報処理装置は、受信された前記アナログ信号に基づいて前記センサを特定識別情報と、受信した前記データ信号を前記特定されたセンサの測定データに対応付ける情報と格納されている記憶部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のセンサノード。
前記判別回路は、固定抵抗及び判別用抵抗を備え、
前記判別回路への電源入力時点から所定時間経過時における前記判別用抵抗の端子間の電位差を、前記電気的なアナログ信号としたことを特徴とする請求項１に記載のセンサノード。
前記判別回路は、判別用の電流計測回路を含み、
前記判別回路への電源の入力時点から所定時間経過時における前記電流計測回路に流れる電流を、前記電気的なアナログ信号としたことを特徴とする請求項１に記載のセンサノード。
前記判別回路は、コンデンサ及び抵抗が直列に接続された回路を含み、
前記判別回路への電源の入力時点から所定時間経過時の前記コンデンサに印加される電圧を、前記電気的なアナログ信号としたことを特徴とする請求項１に記載のセンサノード。
前記判別回路は、２つ以上並列に結合されているコンデンサが抵抗に直列に接続された回路構造を有することを特徴とする請求項５に記載のセンサノード。
複数のセンサ部をＩ２Ｃインターフェースを介して制御部に接続され、前記センサ部がスレーブとして動作し、前記制御部がホストとして動作することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセンサノード。
請求項１〜６のいずれかに記載のセンサノードがネットワークを介して接続されたことを特徴とするセンサネットワーク。