JP2015026874A - 無線通信システム、親無線装置、及び子無線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】子機がデータ送信直後にのみ親機からのデータを受信するというピギーバック方式では、子機の通信間隔が例えば１日１回という様な場合には、親機からの要求や指示を伝えるタイミングが１日１回しかないために、遅延時間が最大１日掛かるということになってしまうためリアルタイム性が悪いという課題がある。
【解決手段】親無線装置は、前記第１の所定期間内において、通信データを認識できない子無線装置があった場合には、通信データ受信をできなかった子無線装置に対して、前記第２の所定期間内において、前記第１の所定期間および前記第２の所定期間とは異なる第３の所定期間に前記子無線装置から前記親無線装置へのデータ通信を要求するためのデータ通信要求を送信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信を用いた無線通信システムに関するものである。

近年、地球環境の温暖化をはじめする様々な環境問題への対策としてＣＯ２排出量の削減など省エネルギー対策が様々な分野で注目を集めている。この中で、エネルギーの代表例としてガス、電力、水道といった生活インフラとして我々の生活に欠かせない物が数多く存在する。この様な生活インフラとして利用されるエネルギーにおいては、エネルギー使用量を効率良く把握し管理することが求められている。例えば、日本ではガス使用量を計測する方法として、月毎のガス消費量を把握する手段として、各家庭に備え付けられているガスメータの検針を検針作業員が毎月各家庭を訪問するという人手を用いた方法と通信機能を付加したガスメータを利用して自動で検針を行う自動検針という方法が普及している。一方でヨーロッパ諸国では、日本のように毎月検針が行われておらず、例えば半年に１回、ハガキによる自己申告で検針が実施されている。ヨーロッパ諸国では、エネルギーマネジメントの観点から毎月１回、或いは１日に１回や１時間に１回という具合にリアルタイムにガス消費量を遠隔にて把握しようという動きがある。

このような遠隔検針や遠隔管理システムを実現するために、通信機能を持つメータ或いは、既存のメータに通信機器を取り付けて実現するというスマートメータリングシステムにおいて、ガスメータや水道メータといったメータは通信を行うための電力供給をバッテリによって実現しなければならない。例えばこの通信機能を無線によって実現する場合には電池の消費電力が非常に重要な課題となる。なぜなら、メータは重要な生活インフラであるため、メンテナンスなしで１０年から２０年といった電池寿命が要求されるためである。

加えて、このような無線通信を実現する際に単純な自動検針機能だけではなく、遠隔管理システムを実現しようとすると、無線による双方向通信が必要となる。このような無線による双方向通信において、長期間の稼動に耐え得る電池駆動によるガスメータや水道メータにおける遠隔管理システムを実現するためには、無線通信を行う際の通信プロトコルが非常に重要な要素となる。

例えば、双方向通信を実現する通信プロトコルの１つとして、ピギーバック方式というものがある。これは、メータ側からデータを送信して、このデータ送信直後にのみデータ受信を行うことで双方向通信を行うものである（例えば、特許文献１等）。

欧州特許第１４０１１５９号明細書

しかしながら、特許文献１には以下に示す課題及び制約条件があった。
遠隔管理システム全体を統括するサーバやメータの無線通信の相手となる親機は、メータ側がデータ送信を実施した直後のみ、そのメータに対して応答や指示を出すことになる。

子機がデータ送信直後にのみ親機からのデータを受信するというピギーバック方式では、子機の通信間隔が例えば１日１回という様な場合には、親機からの要求や指示を伝える
タイミングが１日１回しかないために、遅延時間が最大１日掛かるということになってしまうためリアルタイム性が悪いという課題がある。

本発明はピギーバック方式を用いた、リアルタイム性の向上とインタラクティブ性のある柔軟なシステム提案を行うことを目的とする。

上記従来の課題を解決するために本願発明は、親無線装置と子無線装置とから構成される無線通信システムにおいて、親無線装置と子無線装置とは第１の所定期間内においてピギーバック方式の通信を行い、第１の所定期間とは異なる第２の所定期間内においてブロードキャスティング方式、マルチキャスティング方式もしくはユニキャスティング方式の通信を行うものとし、親無線装置は、第１の所定期間内において、通信データを認識できない子無線装置があった場合には、通信データ受信をできなかった子無線装置に対して、第２の所定期間内において、第１の所定期間および第２の所定期間とは異なる第３の所定期間に子無線装置から親無線装置へのデータ通信を要求するためのデータ通信要求を送信するように構成したものである。

本発明の無線通信システムを用いることにより、簡易な構成によりピギーバックシステムを基本とするシステムにおいても、子機からの定期データ送信直後以外に親機やサーバからの指示を子機に伝えることが可能になるとともに、遅延時間を極力短くしてリアルタイム性のあるシステムが構築可能となる。さらに、所定時間を指定して動作することが可能なため、不要なウェイクアップが不要となり、低消費電力なシステムにすることができるものである。

本発明の第一の実施の形態における無線システムの構成図 本発明の第一の実施の形態における親無線装置の機能ブロック図 本発明の第一の実施の形態における子無線装置の機能ブロック図 本発明の第一の実施の形態における親無線装置の信号フォーマットを示す図 本発明の第一の実施の形態における子無線装置の信号フォーマットを示す図 本発明の第一の実施の形態における通信フローを示す図 本発明の第二の実施の形態における通信フローを示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の無線通信システムの概要を示す一例である。親無線装置１に対して、複数の子無線装置２ａ〜２ｄが組みつけられるものであって、１対ｎの構成を有することを前提としている。

図２は、親無線装置１の機能ブロック図を示したものである。図２に示すように、親無線装置１は、子無線装置と無線通信を行う無線通信部３７と、無線通信のためのアンテナ３８と、通信のタイミングを計るために用いられる計時部３５と、子無線装置からのデータを記憶する記憶部３６と、通信全般を制御するための制御部３２と、電源を供給するた
めのＡＣ電源部３３とから構成される。

図３は、子無線装置２ａ〜２ｄの機能ブロック図を示したものである。図３に示すように、子無線装置は、親無線装置と無線通信を行う無線通信部４７と、無線通信のためのアンテナ４８と、データを積算する積算部４４と、通信のタイミングを計るために用いられる計時部４５とを備えている。またさらに、ガス流量計等の被計測体からのパルスが入力されるパルス入力部４０と、パルス入力部からのパルスを計測するパルス計測部４１と、パルス計測部４１からのデータを記憶する記憶部３６と、機器に何らかの異常が発生したことを検知するための異常検知部４９と、通信全般を制御するための制御部４２と、電源を供給するための電源部４３とから構成される。

図４は、親無線装置１の信号フォーマットを示した図である。図４に示すように親無線装置１から子無線装置２に送信される信号フォーマットは、ビット同期信号５８、フレーム同期信号５９、ヘッダ６０、データ６１から構成される。ヘッダ６０にはデータ種別や属性が組み込まれる。そして、このヘッダ６０の情報に基づいて、ブロードキャスト（不特定多数の子機が受信する場合、全ての子機が受信する場合など）か、マルチキャスト（特定多数の子機が受信する場合、複数の子機を指定する場合）か、ユニキャスト（特定の一台の子機が受信する場合）か、が判別される。なお、データ６１には時計を合わせるための時刻同期情報、検針データのリクエスト、ステータスのリクエスト、アラームのリクエスト等のいずれかが含まれる。

図５は、子無線装置２の信号フォーマットを示した図である。図５に示すように、子無線装置２から親無線装置１に送信される信号フォーマットは、ビット同期信号７８、フレーム同期信号７９、ヘッダ８０、データ８１から構成される。ヘッダ８０にはデータ種別や属性が組み込まれる。そして、このヘッダ８０の情報を見て、後続のデータ部にどの様なデータが入っているかが、判別される。ここで、子無線装置２からのデータ８１の場合には、検針値、タイムスタンプ（検針した時間情報）、ステータス情報などが含まれる。また、アラーム発生時にはどのようなアラーム情報であるのかという情報が組み込まれる。

図６は、本実施の形態における親無線装置１と子無線装置２との通信フローを示す図である。図６に示すように、親無線装置１と子無線装置２とは第１の所定期間内（Ｔ１）においては、スリープ状態からウェイクアップ状態になった特定の一台の子機と通信をするユニキャスト通信であるピギーバック方式の通信を行い、第１の所定期間とは異なる第２の所定期間内（Ｔ２）においては、一律にウェイクアップ状態になった不特定多数の子無線装置が親無線装置からデータを受信するブロードキャスティング方式の通信を行うものとしている。すなわち、定期検針（例えば１日１回）を実施する基本動作と、親無線装置２からの要求や指示を子無線装置２がデータ送信直後以外に受信する仕組みを設けている。

なお、ここでスリープ状態とは、子無線装置２が省電力な状態であることを意味している。スリープ状態では、無線通信部４７に対して電源部４３からの電力は供給されないため、無線通信の送信や受信をできない状態であり、制御部４２も省電力な状態となっており、子無線装置２の消費電流を最小限に抑えるための状態である。なお、スリープ状態からウェイクアップ状態へ状態が遷移するのは、例えばパルス入力部４０や計時部４５ならびに異常検知部４９といった部位からの制御部４２に対する入力信号によって制御部はウェイクアップ状態となる。なお、ウェイクアップ状態であっても無線通信をする必要性がないと制御部４２が判断した場合には、無線通信部４７には省電力のために電源が供給されない。そして、ウェイクアップ状態でかつ制御部４２が無線通信が必要と判断した場合には無線通信部４７に対して電源が供給され無線通信が実施されるものである。すなわち
、ウェイクアップ状態のときに、全ての機能が動作可能になるものである。このようにして、電源部４３がＡＣ電源ではない電池のようなものであっても、システムとして長期間の稼動を実現するものである。

このようにして、親無線装置１は、第１の所定期間内（Ｔ１）において、子無線装置２とそれぞれ個別にピギーバック通信を行うことによって、第１の所定期間内（Ｔ１）において、特に問題がなければ、順番に被計測物の流量等の情報を受信することができる。

ここで問題があった場合、例えば、一時的な通信環境の悪化などのよって通信データを認識できない子無線装置２があった場合には、第２の所定期間内（Ｔ２）のブロードキャスティング通信により、通信データ受信をできなかった子無線装置に対して、第３の所定期間（Ｔ３）に親無線装置１へのデータ通信を要求するためのデータ通信要求を送信する。

データ通信要求を受けた子無線装置は、第３の所定期間内（Ｔ３）において、ピギーバック通信を行うようにして、第１の所定期間内（Ｔ１）において通信に失敗した内容を第３の所定期間内（Ｔ３）で再送信をするようにする。

このようにすることで、従来のピギーバックシステムでは、一度の通信の機会で失敗をすると、次のタイミングの機会（１日１回の通信であれば翌日）まで待たなければならなかったが、本実施の形態により、第２の所定期間内（Ｔ２）で親無線装置１から通信に失敗した子無線装置に対して通信要求を出せることになる。

このように、ピギーバック通信もしくはブロードキャスト通信かの通信形態を前提とする所定期間で区切り、ピギーバック通信とブロードキャスト通信とを組み合わせて行うことによって、複雑な構成を備えることなく、ピギーバックシステムを基本とするシステムにおいても、子機からの定期データ送信直後以外に親機やサーバからの指示を子機に伝えることが可能になるとともに、遅延時間を極力短くしてリアルタイム性のあるシステムが構築可能となる。

さらに、子無線装置は、所定時間を指定して動作することが可能なため、不要なウェイクアップが不要となり、低消費電力なシステムにすることができるものである。すなわち、子無線装置２は、所定の期間内（Ｔ１）で定期検針のためにウェイクアップ状態になることでデータの送受信を行い、所定の期間内（Ｔ２）で親機からのメッセージを確認するためのウェイクアップ状態になる。そして、上記のウェイクアップ状態以外はスリープ状態になっている。このように、メッセージ確認後、自分に必要のあるメッセージであればそのメッセージに従って送受信、もしくは設定変更などを実施し、その後、すぐに省電力化のためにスリープ状態になる。また、メッセージ確認後、自分に必要のないデータであればすぐにスリープ状態になる。こうして、あらかじめ、所定の期間内（Ｔ２）に合わせてウェイクアップ状態になるため、頻繁にウェイクアップ状態になって親機のデータの存在確認を実施する必要がなく、子無線装置２は低消費電力となる。

さらに、所定の期間内（Ｔ２）にしたがって、ウェイクアップ状態になることから、ウェイクアップ状態後に無線部に電源供給する時間を最適に短くすることができるため、不要な電力を消費せずに、データを確実に受信することが可能となる。このようにして、省電力かつ信頼性のあるシステムを実現しているものであるが、特に、バッテリ駆動で長距離通信のために高い無線出力が必要な場合に有用である。

なお、本実施の形態では、第２の所定の期間内（Ｔ２）において、ブロードキャスト通信を用いて受信できなかった子無線装置に対して、再送信するように要求をする例を示し
たが、ブロードキャスト通信の用途はこれに限られず、時刻同期や設定変更など様々な使い方ができるのはいうまでもない。

また、本実施の形態では、子無線装置が一律にウェイクアップするブロードキャスト通信の例を示したが、状況に応じて、特定の子無線装置だけウェイクアップ状態で通信を行うマルチキャスト通信や特定の子無線装置を１台だけ指定したユニキャスト通信を実現することも可能である。

例えば、マルチキャスト通信（特定多数との通信）は次のような場合には、特に有用である。通常、定期検針によって１日に１回、子無線装置２から検針データが親無線装置１に対して送られるが、何らかの電波障害が発生した場合には、この定期検針のデータが親無線装置１に届かないことが想定される。この場合、親無線装置１に対して定期検針のデータが届かなかった子無線装置２が複数台存在した場合には、この複数台をまとめて指定することにより、すなわちユニキャスト通信を行うことで、検針データの再取得を試みることが可能である。例えば定期検針において、親無線装置１は子無線装置２ａ〜２ｃの検針データを取得できなかった場合、第２の所定の期間内（Ｔ２）において、親無線装置１が子無線装置２ａ〜２ｃを指定して検針データの要求メッセージを送信する。この要求メッセージを受信した子無線装置２ａ〜２ｃは、この要求メッセージが自分宛のものであることを判断し、第３の所定期間（Ｔ３）において、この要求に従って検針データを送信するものである。このように、マルチキャスト通信を実現することによって、親無線装置１は１度の要求メッセージの送信によって、効率良く子無線装置２に対して指示を与えることができる。

また、ユニキャスト通信（特定１台との通信）の場合においても、特定１台の子無線装置２を指定して通信するため、例えば子無線装置２ａにのみ、特別な設定や検針要求などをしたい場合に利用することができる。振る舞いとしては、マルチキャスト通信の時と同様に、第２の所定の期間内（Ｔ２）において、親無線装置１が子無線装置２ａを指定して検針データあるいは設定変更などの要求メッセージを送信する。この要求メッセージを受信した子無線装置２ａは要求メッセージが自分宛であることを確認し、その要求メッセージにしたがって、第３の所定期間（Ｔ３）において対応する動作を実施するものである。対応する動作とは、例えば検針データの送信、あるいは設定の変更などである。例えば、他の子無線装置２ｂ〜２ｄは子無線装置２ａ宛の要求メッセージを受信しても、自分宛のメッセージでない場合は応答など何もしない。これはマルチキャスト通信においても同様である。

また、ブロードキャスト通信を行う第２の所定期間（Ｔ２）は必ずしも１つである必要はなく、例えば、毎時００分には子無線装置２ａ〜２ｄは必ずデータ受信を試みるように設定しておくことも可能である。またこのタイミングに合わせて、親無線装置１にも同じ時刻設定をしておき、毎時００分に子機に対して、ブロードキャスト通信を行うことで、親機は配下にいる全ての子機に対して要求や指示を伝えることが可能になる。このように、上記の毎時００分という時間設定を、複数個あるいはもっと短い時間間隔（例えば３０分毎など）にすることによって、リアルタイム性の高い柔軟なシステムが実現できる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態について、実施の形態１と異なる点について説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

図７は、本実施の形態における通信フローを示す図である。実施の形態１と異なる点は、子機２について緊急性の高い信号を発した場合のフローを示している点である。ここで、緊急性の高い信号とは、検針の対象であるガスの流量が異常値を示した場合や、子無線
装置自体にいたずらをされた場合に発せられるアラーム信号のことである。このアラーム信号は異常検知部４９によって検出される異常を示す情報や、パルス入力部４０から入力された情報や記憶部４６に記憶された情報に基づいて制御部４２にて作成される。

異常検知部４９や制御部４２によって作成された緊急性の高い信号が無線通信部４７を介して親無線装置に送信された場合には、この信号を受信した親無線装置は制御部にて当該信号の内容を分析するとともに、すぐさまこの信号を発した子無線装置に対して送信（ピギーバック通信）を行うようにする。

ここで、図で示しているのは、第３の所定期間（Ｔ３）であるが、緊急性の高い信号を受信した場合には、第１の所定期間（Ｔ１）か第２の所定期間（Ｔ２）か第３の所定期間（Ｔ３）かに関わらず、何れの場合においてもピギーバック通信をするようにしている。

上記の構成とすることによって、子無線装置の緊急事態をリアルタイムで把握するとともに、上記緊急事態に対する対応策を講じることができるため、信頼性と安全性とを適切に確保することができる。

なお、上述のように第１の所定期間（Ｔ１）か第２の所定期間（Ｔ２）か第３の所定期間（Ｔ３）かに関わらず、何れの場合においてもピギーバック通信をするようにする旨の説明をしたが、仮に、緊急信号を第１の所定期間（Ｔ１）に発した場合には、当該子無線装置は第１の所定期間（Ｔ１）において、通常時における親無線装置１に対して送信すべきデータを送信できなくなるが、この場合であっても親無線装置１は、第２の所定期間（Ｔ２）において、ブロードキャスト通信を通して再送信指示ができることになるので問題にはならない。また、緊急信号を第２の所定期間（Ｔ２）もしくは第３の所定期間（Ｔ３）に発した場合であっても、すでに第１の所定期間（Ｔ１）ですでに検針データは親無線装置１に対して送信が完了しているため問題とならない。

このように、いずれの場合において緊急信号を優先させたとしても、期間を区切ってピギーバック通信とブロードキャスト通信とを併用させているため、使い勝手を損なうことなく通信信頼性および安全性を高めることができるものである。

以上のように本発明にかかる無線通信システムおよび装置は通信信頼性を損なうことなく長寿命の無線通信システムを構築できる。

３２ 制御部
３３ ＡＣ電源部
３５ 計時部
３６ 記憶部
３７ 無線通信部
３８ アンテナ
４０ パルス入力部
４１ パルス計測部
４２ 制御部
４３ 電源部
４４ 積算部
４５ 計時部
４６ 記憶部
４７ 無線通信部
４８ アンテナ
４９ 異常検知部

Claims (8)

1. 親無線装置と子無線装置とから構成される無線通信システムにおいて、
   前記親無線装置と前記子無線装置とは第１の所定期間内においてピギーバック方式の通信を行い、前記第１の所定期間とは異なる第２の所定期間内においてブロードキャスティング方式、マルチキャスティング方式もしくはユニキャスティング方式の通信を行うものとし、
   前記親無線装置は、前記第１の所定期間内において、通信データを認識できない子無線装置があった場合には、通信データ受信をできなかった子無線装置に対して、前記第２の所定期間内において、前記第１の所定期間および前記第２の所定期間とは異なる第３の所定期間に前記子無線装置から前記親無線装置へのデータ通信を要求するためのデータ通信要求を送信することを特徴とする無線通信システム。
2. 前記子無線装置が緊急信号を発した場合には、第１の所定期間、第２の所定期間または第３の所定期間の何れかの期間かに関わらず、前記親無線装置と前記子無線装置とはピギーバック方式の通信を行うことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 子無線装置と通信を行うための無線通信部と、前記無線通信部による無線通信の時間を計測するための計測部と、子無線装置との無線通信を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記計測部によって第１の所定期間と第２の所定期間とを計測するものとし、前記第１の所定期間においては子無線装置から発呼があった場合には、発呼があった前記子無線装置に対して個別送信を行うことでピギーバック方式の送信を行い、前記第２の所定期間においては接続される全ての子無線装置に対して同報送信を行うことでブロードキャスティング方式、マルチキャスティング方式もしくはユニキャスティング方式の通信を行うことを特徴とする親無線装置。
4. 前記制御部は、緊急信号を受信した場合には、第１の所定期間、第２の所定期間の何れかの期間かに関わらず、緊急信号を発した子無線装置とピギーバック方式で通信を行うように制御することを特徴とする請求項３に記載の親無線装置。
5. 前記制御部は、前記第１の所定期間内において、通信データを認識できない子無線装置があった場合には、通信データ受信をできなかった子無線装置に対して、前記第２の所定期間内において、前記第１の所定期間および前記第２の所定期間とは異なる第３の所定期間に前記子無線装置から前記親無線装置へのデータ送信を要求するためのデータ通信要求を送信するように制御することを特徴とする請求項３または４に記載の親無線装置。
6. 親無線装置と通信を行うための無線通信部と、前記無線通信部による無線通信の時間を計測するための計測部と、親無線装置との無線通信を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記計測部によって第１の所定期間と第２の所定期間を計測するようにし、前記第１の所定期間においては前記親無線装置に対してピギーバック方式で通信を行うために発呼し、前記第２の所定期間においては前記親無線装置とブロードキャスティング方式、マルチキャスティング方式もしくはユニキャスティング方式の通信を行うために受信状態になるように制御することを特徴とする子無線装置。
7. 前記制御部は、緊急信号を送信する場合には、第１の所定期間、第２の所定期間の何れかの期間かに関わらず、前記親無線装置に対してピギーバック方式で通信を行うために発呼するように制御することを特徴とする請求項６に記載の子無線装置。
8. 前記制御部は、前記第２の所定期間内において、前記親無線装置からデータ通信要求を受信した場合には、前記第１の所定期間および前記第２の所定期間とは異なる第３の所定期
   間に前記親無線装置へデータを送信するように制御することを特徴とする請求項６または７に記載の親無線装置。