JP2016039470A - 無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信装置の長さが４分の１波長以下であっても、２つ以上のアンテナを有し、アンテナの切換え制御を搭載することで、安定した通信を可能とし、消費電力を抑えた無線通信装置を提供する。【解決手段】この発明は、無線通信装置の長さが４分の１波長以下であっても、２つ以上のアンテナを有し、それらは異なる形状を有し、可能な限りアンテナ間の距離を離し、それら給電の向きを９０度ずらす構成とすることで、フェージングを抑制した、安定した通信性能を生み出す。さらに、アンテナの切換え条件を設置時と通信環境の悪化時、遮断時のみに行うことで、消費電力の低減が図れる。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスや電気、水道メーターなどの計測ユニットに取り付けられるアンテナや、ダイバーシチ方式の２つのアンテナを切り換える手段を有する無線通信装置に関する。

近年、各世帯や工場に設置されるガスメーターや電力、水道メーターにおいて、それらの使用量を検針者が設置場所に訪問することなく、無線通信によって検針値などのデータ収集を可能とした自動検針システムが普及してきている。

この自動検針システムは、無線通信装置の送信出力や受信感度、アンテナ性能により、通信可能範囲が決まってくるとともに、安定した通信確保が重要なため、高性能な無線特性が求められる。しかしながら、メーターの大きさは制限されており、また、防水、外観上の問題でアンテナの内蔵化が望まれている中で、高効率なアンテナ特性を得るのは容易でない。

一方、安定した通信性能を確保するために、２本以上のアンテナを有し、電界強度レベルの高い方のアンテナを使用する方式が求められている。

このような無線通信装置に関するアンテナとして、壁面に取り付けられる無線通信装置において、当該無線通信装置のアンテナを、波長をλとして前記壁面からλ／４の奇数倍に対応する位置に設定して取り付けるための取付部材を用いることにより、フェージングを回避して安定した通信を確保した提案がされている(例えば、特許文献１参照) 。

また、送信される電波を受けて２本以上のアンテナに誘起した電波の強さを測定して、制御部の間欠駆動周期に応じて、アンテナを切換え回路で選択し、電界強度の最も強いアンテナを使用して受信するようにした提案がされている(例えば、特許文献２参照) 。

この無線装置は複数のアンテナで電波を受信して電界強度を比較してアンテナを選択切換え動作を実行した後は、所定の通信が終了するまで選択切換えしたアンテナを維持する。

特開２００１−２７４６１３号公報 特開２００９−２７８１７２号公報

しかしながら、従来の無線通信装置は、フェージングによる通信環境悪化を抑制するためには、λ／４の長さ以上のケースや取付部材が必要であり、メーターの設置容積が大きくなるという課題があった。

また、従来の提案では、制御部の間欠駆動周期に応じて、所定の通信ごとに２本以上のアンテナを切換えしていたため、データ収集のたびにアンテナの切換え動作を行い、消費電力が大きくなるという課題があった。

さらに、メーターは設置場所を選べないため、建物などの障害物が電波を遮蔽していた
り、メーターの一部が金属から形成されているため、アンテナ性能が出にくいという問題を有していた。

上述の課題を解決するため、本発明の無線通信装置は、λ／４の長さよりも小さいメーターにおいて、２つ以上のアンテナを有し、それらは異なる形状を有し、それら給電の向きが異なる構成となっている。さらに、消費電力を抑えた複数のアンテナの切換え手段を可能とした。

本発明の無線通信装置はλ／４の長さより短いメーターであっても、複数のアンテナを異なる形状に構成し、それら給電を異なる給電方向にすることで、フェージングの影響を最小限に抑制したアンテナ性能を実現できるとともに、アンテナの切換え手段を通信開始時、通信ネットワーク遮断時、使用者が設定できる特定周期時にすることで、消費電力を抑えた無線通信が可能となる。

本発明の第１の実施の形態における無線通信装置の概観図 基板に構成されるアンテナのダイバーシチ方式の回路概略図 ２つのアンテナを逆Ｌアンテナと逆Ｆアンテナで構成した一例を示す図 本発明の第２の実施の形態におけるフロー図 通信状態の悪化、もしくは遮断された場合のネットワーク再接続を示す図

第１の発明は、無線信号を送受信する２つのアンテナと、送受信に使用する前記アンテナを片方に選択するアンテナ切換え部と、前記アンテナ特性を送受信する無線部と、前記アンテナ切換え部と前記無線部を制御する制御部と、それらを収納する一部金属が使用された筐体から構成される無線通信装置であって、ダイバーシチ方式を有しており、フェージングを抑制し、安定した通信が可能となる。

第２の発明は、第１の発明において、異なる形状を有しているものである。これによって、アンテナの指向性が異なり、より大きなダイバーシチ効果を得られ、通信性能が確保できる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、筐体が一部金属で覆われているため、この金属部をアンテナの導波素子または反射体として使用し、より効率よく電波を送受信する。

第４の発明は、第１から第３の発明において、２つのアンテナの給電方向を垂直になるように構成し、より大きなダイバーシチ効果を得、通信性能が確保できる。

第５の発明は、第１から第４の発明において、筐体の長さがλ／４以下としたものである。

第６の発明は、第１から第５の発明において、２つのアンテナが逆Ｌアンテナと逆Ｆアンテナで構成された無線通信装置であって、効率よく電波を送受信する。

第７の発明は、第１から第６の発明において、これら無線通信装置は固定して使用されるものであって、対向の無線通信装置と通信を開始する際に、２つのアンテナの片方を使用するよう選択切換え可能とした無線通信装置である。

第８の発明は、第１から第６の発明において、対向の無線通信装置との通信状態が悪化、もしくは遮断された場合のみ、使用しているアンテナとは異なるもう一方のアンテナで通信接続を試み、消費電力を抑えつつ、安定した通信を確保する。

第９の発明は、第１から第６の発明において、対向の無線通信装置と通信状態にあるときに、周期的に使用中のアンテナと、もう一方のアンテナの受信電力を比較し、受信電力が高い方のアンテナを選択して、通信性能を担保する。

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）
図１は本発明の第１の実施の形態の構成を示す無線通信装置である。

筐体１は、メーターであって、例えばガスメーターであればガスの流路となる配管パイプと接続されており、一部金属から構成されている。

基板２は、弁を開閉する弁制御部と、使用量をカウントする流量制御部と、電波の送受信を行う無線部と、それを制御する無線制御部が搭載されており、使用量などを表示するＬＣＤや無線信号を送受信するアンテナが接続されている。

ＬＣＤ３は、使用量を表示したり、異常を検知した時に表示したり、通信状態を表示させるものであり、基板２に接続されている。

アンテナ４（４ａと４ｂ）は、逆Ｌタイプや逆Ｆタイプのアンテナであって、図１のような構成を成している。ただし、本発明はモノポールアンテナやループアンテナでも良く、メーターに内蔵できるアンテナであれば何でも良い。また、アンテナは複数あっても良い。さらに、フェージングを回避し、安定した通信を求めるため、第１アンテナ４ａと第２アンテナ４ｂの２つのアンテナから構成され、ダイバーシチ方式を有している。

図２は、アンテナのダイバーシチ方式の回路概略図である。

無線信号の送受信を第１アンテナ４ａと第２アンテナ４ｂどちらで行うかを選択するアンテナ切換え部１３と、送受信を行う無線部１２と、それらを制御する無線制御部１１から構成されている。筐体１内で、２つのアンテナ給電点１４ａと１４ｂを可能な限り基板端両端に配置し２つのアンテナの距離を離すことで、より大きなダイバーシチ効果が得られる。

本実施の形態では、２つのアンテナ４ａと４ｂが異なる形状を有し、さらに、給電方向を異なるように構成することで、ダイバーシチの効果がより大きくなり、フェージングが回避でき、安定した通信が可能となるとともに、通信可能範囲の距離を長くすることができる。

さらに、一部金属から構成されている筐体１とアンテナ４の配置間隔によって、筐体１が反射素子となる。

また、筐体１の金属部を基板２のＧＮＤと同電位にするために接続すると、筐体１は導波素子となり、高効率なアンテナ特性を実現可能となる。

図３は、本実施の形態の一例として、２つのアンテナの第１アンテナ４ａと第２アンテナ４ｂはそれぞれ逆Ｌアンテナ、逆Ｆアンテナで構成されている。給電方向２１は第１アンテナ４ａの逆Ｌアンテナと、第２アンテナ４ｂの逆Ｆアンテナの給電する向きを示している。

筐体１に異なる形状のアンテナ４を可能な限り離して配置し、それら２つのアンテナの給電方向を９０度ずらすことで、２つのアンテナの指向性を全く異なるものにしている。一方、メーターは固定して設置されるため、壁面近傍や配管パイプに取り付けられことが多い。つまり、無線信号の反射波が比較的大きい環境にメーターが設置されることが多い。

これらアンテナと設置の周囲環境によりアンテナの相関係数を低く抑えることが可能となり、フェージングを抑制した、安定した通信が望める。

したがって、メーターの設置は場所が決められており、設置場所を選択できない、かつ、筐体１の長さがλ／４以下であっても、２つのアンテナの形状や給電方向を考慮して配置し、筐体１の金属部を上手く利用することで、アンテナのダイバーシチ効果を最大限発揮し、安定した通信が可能となる。さらに、設置後においても、安定した通信を保っているため、通信不具合等による設置業者による巡回やメンテナンスが大幅に減少する。

（実施の形態２）
図４は本発明の第２の実施の形態の構成を示すフロー図である。

図４は設置業者がメーターを設置し、対向する無線通信装置とネットワーク接続を開始する場合のフロー図である。

対向する無線通信装置から無線送信信号の発呼があった場合、メーターは無線制御部１１がまず第１アンテナ４ａを選択するようアンテナ切換え部１３を制御する。無線信号を無線部１２で受信し、ＲＳＳＩ値（電界強度）を一定時間測定させ、その測定値を無線制御部１１で受ける。次に無線制御部１１が第２アンテナ４ｂを選択するようアンテナ切換え部１３を制御し、同様にＲＳＳＩ値を一定時間測定させる。

無線制御部１１にはＲＳＳＩ値を比較する手段が入っており、第１アンテナ４ａ選択時に受信したＲＳＳＩ値と、第２アンテナ４ｂ選択時に受信したＲＳＳＩ値を比較する。もし、第１アンテナ４ａ選択時に受信したＲＳＳＩ値の方が高い場合は、無線制御部１１から第１アンテナ４ａを選択するようアンテナ切換え部１３を制御する。

同様に、第２アンテナ選択時に受信したＲＳＳＩ値の方が高い場合は、第２アンテナ４ｂを選択するようにアンテナ切換え部１３を制御する。その後、アンテナを一方に固定したことで、ネットワークの接続を確立し、通信を開始する。

図４は２つのアンテナで受信したＲＳＳＩ値を比較したが、一方のアンテナで受信したＲＳＳＩ値を測定し、通信可能なレベルであれば、もう一方のアンテナで受信したＲＳＳＩ値を測定することなく、ネットワークの接続を確立してもよい。その場合、アンテナ切換え部１３の制御、及びＲＳＳＩ値の測定が少なくて済むので、消費電力を減らすことが可能となる。

図５は、ネットワーク接続を確立していた状態で、通信状態の悪化、もしくは遮断され、検針値などのデータ収集が困難となった場合のネットワーク再接続を試みるフロー図である。

もし第１アンテナ４ａに固定して通信をしていた際に、周囲環境のノイズ等により通信状態が悪化、もしくは遮断された場合、第１アンテナ４ａとの通信を再度試みる。通信が可能と判断された場合は、第１アンテナ４ａと引き続きネットワーク接続を行う。第１アンテナ４ａとの通信を何回か試みても通信不可の場合、第２アンテナ４ｂを選択するようアンテナ切換え部１３を制御する。そして、第２アンテナ４ｂとネットワーク接続を確立する。これは一例であって、もし第１アンテナ４ａと通信していた際に、通信状態が悪化した場合は、すぐに第２アンテナ４ｂに切り替えてもよい。

メーターは固定して通信されるため、一度設置してしまえば比較的安定した通信が確保できることから、頻繁に２つのアンテナ４を切換えする必要はない。アンテナ４の切換えは設置時や、通信状態の悪化時、遮断時のみに行うことで、消費電力を減らすことができる。

さらに、設置業者や管理者がより安定した通信を求めている場合には、周期的に２つのアンテナ４のＲＳＳＩ値を測定し、アンテナ４をアンテナ切換え部１３を制御して選択できるようにしても問題ない。

以上のように本発明にかかる無線通信装置は、筐体の長さがλ／４以下でも２つのアンテナを異なる形状にし、可能な限り距離を離し、給電方向を９０度ずらすことで、フェージングを抑制した安定した通信が実現できるとともに、２つのアンテナを切換えする動作回数を考慮することで、消費電力の低減が図れる。

１ 筐体
２ 基板
３ ＬＣＤ
４ アンテナ
４ａ 第１アンテナ
４ｂ 第２アンテナ
１１ 無線制御部
１２ 無線部
１３ アンテナ切換え部
１４ アンテナ給電点
２１ 給電方向

Claims (9)

1. 無線信号を送受信する２つのアンテナと、
   送受信に使用する前記アンテナを片方に選択するアンテナ切換え部と、
   前記アンテナ特性を送受信する無線部と、
   前記アンテナ切換え部と前記無線部を制御する制御部と、
   前記２つのアンテナ、前記アンテナ切換え部、前記無線部および前記制御部を収納する一部金属が使用された筐体と、
   から構成される無線通信装置。
2. 前記２つのアンテナは、異なる形状を有している、請求項１記載の無線通信装置。
3. 前記筐体は一部金属で覆われており、
   前記金属をアンテナの導波素子または反射素子として使用される請求項１または請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記２つのアンテナの給電方向を垂直になるように構成した、請求項１から請求項３いずれかに記載の無線通信装置。
5. 前記筐体の長さが４分の１波長以下である、請求項１から請求項４いずれかに記載の無線通信装置。
6. 前記アンテナは逆Ｌアンテナと逆Ｆアンテナで構成された、請求項１から請求項５のいずれかに記載の無線通信装置。
7. 前記無線通信装置は固定して使用するものであって、
   対向する無線装置と通信を開始する際に、前記アンテナの片方を使用するよう選択切換え可能とした、請求項１から請求項６いずれかに記載の無線通信装置。
8. 対向する無線装置との通信状態が悪化もしくは遮断された場合に、前記アンテナとは異なるもう一方のアンテナで通信接続を試みる、請求項１から請求項６に記載の無線通信装置。
9. 請求項１から請求項６に記載の無線通信装置であって、
   前記アンテナと通信状態にあるときに、周期的に、前記アンテナの受信電力と、もう一方のアンテナの受信電力を比較し、受信電力が高い方のアンテナを選択して、通信状態を保つ無線通信装置。

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