JP2018038023A - 無線送受信システム - Google Patents

Abstract

【課題】親機と複数子機からなる無線システムの装置省電力化方法を提供する。
【解決手段】親機は第１時間間隔で、子機宛に同期要求信号を送信し、子機は該第１時間間隔の整数倍の時間間隔で該同期要求信号を受信し、定期的に親機と同期確立する。子機は、同期後は第１時間間隔を基にした第２時間間隔で親機宛に制御データまたは収集データを送信し、送信後は第２時間間隔後の次データの送信まで低消費電力モードで動作する。親機は該データを受信後、第１時間間隔後の次の同期要求信号送信まで低消費電力モードで動作する。子機は同期要求信号を親機から受信する以外は該データ送信のみ行う。子機は、送信後直ちに低消費電力モードに移行し、省電力化を図る。親機は子機からの該データ受信に合わせて低消費電力モードから起動することにより受信動作の短縮を図り、該データを受信後に直ちに低消費電力モードに移行することにより省電力化を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線親機と複数の無線子機からなる無線送受信システムにおける無線親機と無線子機の低消費電力化方法に関する。

従来、無線親機と複数の無線子機からなる無線送受信システムにおいて、親機と子機の両方の低消費電力を実現するためには、両者共に、無線送受信の動作時以外は低消費電力モードで動作させる必要があり、そのため、親機と各子機間で送受信の同期合わせが必要になってくる。

例えば、特許文献１では、無線親機が同期して通信するための同期データを複数の無線子機に送信して同期を確立した上で、親機と各子機間で必要とするデータの送受信を行う方法が提案されている。

特開２０１１−６１６９０号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、親機と各子機との間での同期の確立後においても、必要とするデータ送受信の際には、親機と各子機の両者共に送信動作と受信動作の両方の動作を行う必要があるので、両者共に低消費電力化を図るには一定の限界があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、親機と各子機の両者共に低消費電力化を実現するものである。

本発明では、親機は第１の一定時間毎に、各子機あてに同期要求信号を送信し、各子機は前記第１の一定時間の整数倍のインターバルでその同期要求信号を受信することにより、定期的に親機との同期を確立する。

各子機は同期確立後、前記第１の一定時間を基にした第２の一定時間毎に親機あてに、データの送信を行い、送信終了後から前記第２の一定時間経過による次の送信開始までの間は低消費電力モードで動作する。親機は各子機からデータを受信後、前記第１の一定時間経過による次の同期要求信号を送信開始するまでの間は低消費電力モードで動作する。

すなわち、本発明では、親機と各子機間の同期が確立後は、親機は送信動作と受信動作の両動作を行うが、各子機は送信動作に限定して、子機の低消費電力化を実現する。

また、親機が各子機からのデータを受信する際には、各子機の送信のタイミングの前に、親機は受信態勢を整えておく必要があり、受信態勢を整えるためには、低消費電力モードで動作していた場合は、そのモードより起き上がって、通常モードで動作させておく必要がある。

ここで、低消費電力モードとはＣＰＵと無線回路の動作において、いわゆるスリープ動作等、ＣＰＵがプログラムの動作を停止し、低速クロックで必要最小限の動作のみを行い、無線送受信動作も不可能となる代わりに最大限に消費電力を低減するモードであり、通常モードとはＣＰＵと無線回路の動作において、高速クロックで動作して、無線送受信動作が可能となる代わりに消費電力も大きくなるモードのことを言う。

また、本発明では親機が低消費電力モードから起き上がって通常モードでの動作に入ってから、各子機からの送信データを受信するまで時間を必要最小限に短くすることを狙いとしている。

具体的には親機は低消費電力モードから通常モードでの動作に移行してから、各子機からの送信データを受信するまで時間を計測し、その計測データに基づく、親機と各子機との間の送受信タイミングのずれを検出して、そのずれに基づく情報を各子機へ通知し、各子機はその通知された情報に基づき、送信タイミングを補正する。

送信タイミングの補正動作は親機からの同期要求信号に対する受信インターバルの変更、または各子機におけるデータの送信時に待ち時間を設けた上で、その待ち時間を変更、または前記受信インターバルの変更と前記待ち時間の変更との組み合わせに基づく動作によって行う。

ここで、親機からの同期要求信号に対する受信インターバルの変更ということについて説明する。親機は低消費電力モードから通常モードに起き上がる毎に、常に、前記同期要求信号を送信しているが、各子機は通常はデータを送信するのみで、受信動作を行わないため（言い換えれば、親機の前記同期要求信号の送信タイミング時には、各子機は低消費電力モードであるため、受信動作ができない）、親機からの前記同期要求信号を受信できない。前記同期要求信号を受信するためには、子機は通常より早く、低消費電力モードから通常モードに起き上がって、受信動作に入る必要がある。

受信インターバルの変更とはこの通常より早く起き上がって受信動作に入るインターバルを変更することを言っている。例えば、２．１秒毎に子機がデータ送信すると考えた場合は、子機は２．１秒×６０回＝１２６秒毎に親機からの前記同期要求信号を受信していたのを、親機と子機間のずれが大きくなってきたので、２．１秒×３０回＝６３秒毎に親機からの前記同期要求信号を受信するように変更するということである。

また、各子機におけるデータの送信時に待ち時間を設けた上で、その待ち時間を変更するということについて説明する。待ち時間とは親機と各子機間の動作基準クロックの差を考慮して、親機の受信タイミング前に、子機がデータ送信をすることがないように子機の送信タイミングに設けるもので、親機と子機間のずれが大きくなってきたので、この待ち時間の値を小さな値に変更するということである。

これらの送信タイミングの補正動作により、親機が低消費電力モードから起き上がって通常モードでの動作に入ってから、各子機からの送信データを受信するまで時間が短くなり、親機の低消費電力化を更に推進することになる。

また、親機は常に、送信と受信の両方の動作を行うが、このうち受信は前述の動作である。送信は各子機との同期を確立するための同期要求信号を各子機に送信するものであり、各子機が受信しようとしまいと常に送信することにより、親機と子機の同期がいったん外れてしまっても、子機は前記の同期要求信号を受信することにより、再度、同期を復活して確立することができる。

前記同期要求信号に対する各子機の受信動作は以下の通りである。各子機は自分自身で設定したインターバルの前記同期要求信号を受信するタイミングのみ、通常のデータの送信動作のみを行うタイミングと異なり、早めに、低消費電力モードから通常モードに起き上がるので、前記同期要求信号を受信できるが、通常のデータの送信動作のみを行うタイミングでは、親機が前記同期要求信号を送信後に各子機が低消費電力モードから通常モードに起き上がるので、前記同期要求信号を受信できない。

各子機は自分自身で設定したインターバルでの前記同期要求信号受信タイミングで、親機からの前記同期要求信号を一定時間待ち、その間に、前記同期要求信号を受信できない時は、その設定したインターバル経過後の次の受信タイミングで再度、前記同期要求信号の受信を試みることになる。

本発明によれば、無線親機と複数の無線子機からなる無線送受信システムにおいて、親機と各子機との同期確立後は、子機は送信動作のみ行い、親機はその受信動作開始タイミングが調整されることにより、親機と子機の両者共に低消費電力が実現できる。

前記親機の受信動作開始タイミングは、親機と各子機間の動作基準クロックの差に起因して徐々に親機と各子機間で初期値よりずれてくる。従って、このずれの値は親機と各子機間での送受信を繰り返す毎に大きくなってくるが、親機と各子機で定期的に同期要求信号を送受信することにより、初期値に戻すことができる。

親機は前記ずれの値を計測して、子機にこのずれに関する情報を通知し、この情報に基づき、各子機が親機から常に送信される前記同期要求信号に対する受信インターバルを調整することによって、または、各子機が親機と各子機間の動作基準クロックの差を考慮してあらかじめ設けていた待ち時間の長さを調整することによって、親機の通常モードでの動作時間を短くし、低消費電力モードでの動作時間を最大限長くして、親機の低消費電力動作を実現することができる。

また、各子機が受信しようとしまいと親機は常に、前記同期要求信号を送信しているので、子機と親機との同期がいったん外れても、子機は前記同期要求信号を受信することにより、自動的に子機と親機との同期を復活させることができる。

図１は本発明における無線親機と無線子機１、子機２、子機３からなる無線送受信システムにおける各信号の送受信タイミング図である。 図２は図１における子機１と子機３が親機からの同期要求信号を受信するタイミングになった時における各信号の送受信タイミング図である。 図３は本発明の無線送受信システムにおける無線親機と無線子機のブロック図である。

図１に基づいて、本発明における無線親機と３台の無線子機からなる無線送受信システムにおける各信号の送受信タイミングを示し、親機と子機の両者が低消費電力で動作する手順を以下に説明する。

（１）親機は一定のインターバルＴＭ、例えば７００ｍｓ毎に、子機１、子機２、子機３、子機１、子機２、―、―、―の順に各子機あてに同期要求信号ＷＰ１〜ＷＰ３を送信する。

（２）各子機は自分あての同期要求信号であればデータ信号ＳＩＧ１〜ＳＩＧ３を親機に返信する。各子機が親機に前期データ信号を返信することによって親機と各子機の間で同期が確立する。

（３）同期が確立した後も親機は各子機あてに同期要求信号ＷＰ１〜ＷＰ３の送信と各子機からのデータ信号の受信を繰り返すが、各子機は前期同期確立後、一定のインターバルＴＳ１〜ＴＳ３でデータ信号ＳＩＧ１〜ＳＩＧ３を送信するのみで、親機からの同期要求信号ＷＰ１〜ＷＰ３を受信しない。

（４）親機は同期要求信号ＷＰ１〜ＷＰ３の送信後、各子機からのデータ信号ＳＩＧ１〜ＳＩＧ３を受信すると低消費電力モードに移行する。一定のインターバルＴＭの経過後、通常モードに起き上って、同期要求信号ＷＰ１〜ＷＰ３を送信するという動作を繰り返す。動作時間は、例えば、ＴＭ＝７００ｍｓ、通常動作モードの動作時間＝ＴＭ−Ａ＝１０ｍｓで、低消費電力モードの動作時間＝Ａ＝６９０ｍｓである。

（５）各子機は一定のインターバルＴＳ１〜ＴＳ３経過後、通常モードに起き上って、データ信号ＳＩＧ１〜ＳＩＧ３を送信し、送信後低消費電力モードに移行するという動作を繰り返す。

（６）同期確立時は、各子機は親機からの同期要求信号ＷＰ１〜ＷＰ３を受信するが、同期確立後は、親機の同期要求信号ＷＰ１〜ＷＰ３送信時には各子機は低消費電力モード中であるので、この同期要求信号を受信できない。動作時間は、例えば、ＴＳ１〜ＴＳ３＝ＴＭ×３＝２１００ｍｓ、通常動作モードの動作時間＝ＴＳ１−Ｓ１＝２ｍｓで、低消費電力モードの動作時間＝Ｓ１＝２０９８ｍｓである。

（７）親機と各子機間の動作基準クロックには差があるので、親機と各子機間で前期の送受信を繰り返しているとやがて、親機と各子機間での送受信タイミングのずれが大きくなって、親機が子機のデータ信号ＳＩＧ１〜ＳＩＧ３を受信することができなくなったり、（親機のＴＭ×３のインターバル＞子機のＴＳ１、ＴＳ２、またはＴＳ３のインターバルによりずれが徐々に大きくる場合で、ずれが大きくなって親機が低消費電力モードから通常動作モードに立ち上がって受信可能となった時点で既に子機が送信を終えている場合）、親機が子機のデータ信号ＳＩＧ１〜ＳＩＧ３を待つ時間が長くなって（親機のＴＭ×３のインターバル＜子機のＴＳ１、ＴＳ２、またはＴＳ３のインターバルによりずれが徐々に大きくなる場合）、親機の通常モードの動作時間が長くなって、親機の消費電力が大きくなってくる。

（８）この対応として、各子機はＴＳ１〜ＴＳ３（＝ＴＭ×３）の整数倍のインターバルで、親機からの同期要求信号ＷＰ１〜ＷＰ３を受信して、同期の再確立を行う。そのため、各子機は親機からの同期要求信号ＷＰ１〜ＷＰ３を受信するタイミングでは、通常の場合の低消費電力モードの動作時間Ｓ１が経過するより早めに、起き上って、通常動作モードに移行し、親機からの同期要求信号ＷＰ１〜ＷＰ３を受信する。この時の低消費電力モードの動作時間はＴＳ１−Ｐであり、例えばＴＳ１−Ｐ＝２１００ｍｓ−５０ｍｓ＝２０５０ｍｓとなる。

（９）また、前記の親機のＴＭ×３のインターバル＞子機のＴＳ１、ＴＳ２、またはＴＳ３のインターバルにより、ずれが徐々に大きくなって、親機の受信タイミング前に、子機がデータ送信をすることが起こらないようにするため、ＴＳ１〜ＴＳ３＝ＴＭ×３＋α（α＝待ち時間）としてもよい。

（１０）ここで、αは親機と各子機の動作基準クロックの差を考慮して決める。差が４０ｐｐｍであれば、例えばＴＭ＝７００ｍｓの場合はＴＭ×３×４０ｐｐｍ＝８４ｕｓとなる。この場合、各子機の通常モードでの動作時間は、例えば、ＴＳ１−Ｓ１＝２ｍｓ、ＴＳ２−Ｓ２＝２ｍｓ、ＴＳ３−Ｓ３＝２ｍｓでほぼ固定であるので、親機と各子機で送受信を繰り返す毎にＴＭ−Ａ、ＴＭ−Ｂ、ＴＭ−Ｃの値が徐々に大きくなってくる。親機はＴＭ−Ａ、ＴＭ−Ｂ、ＴＭ−Ｃの値を計測し、これらの値に関する情報を各同期要求信号の中に含めて、各子機に通知する。

（１１）各子機は通知された情報を基づき、補正動作を行うようにすればよい。補正動作としては以下の方法が考えられる。一つ目は、ＴＭ−Ａ、ＴＭ−Ｂ、ＴＭ−Ｃの値が一定の値を超えると、上記待ち時間αを小さくする（例えば８４ｕｓから０ｕｓに変更する）方法であり、もう一つは子機が親機からの同期要求信号を受信するインターバルを小さくする（「２．１秒×６０＝１２６秒毎に受信する」から「２．１秒×３０＝６３秒毎に受信する」に変更する）方法である。両者を組み合わせてもよい。これらの方法を用いて、親機と各子機で送受信を繰り返す毎にＴＭ−Ａ、ＴＭ−Ｂ、ＴＭ−Ｃの値が徐々に大きくなってきた場合、各子機は補正動作を行う。

図３は本発明に基づく、無線親機、と無線子機１、子機２、子機３のシステムブロック図である。無線親機４０と無線子機１ １０、無線子機２ ２０、無線子機３ ３０との間の通信を２．４ＧＨｚの周波数で行っている。無線親機、無線子機は、共に、ボタン電池で駆動する。

無線子機１ １０はボタン電池１１より約３Ｖの電源が供給され、この電源で、ＣＰＵ１４と無線送受信回路１６が動作する。ＣＰＵ１４は高速クロック発振器１２（１６ＭＨｚ）と低速クロック発振器１３（３２．７６８ｋＨｚ）の２つの発振器をもち、２つの基準クロックで動作する。

高速クロック発振器１２は、ＣＰＵ１４のプログラムの動作クロック及び無線信号２．４ＧＨｚの基準クロックとして高速クロック１６ＭＨｚを生成する。無線信号の２．４ＧＨｚは高速クロック１６ＭＨｚをＰＬＬにより逓倍して生成される。低速クロック発振器１３は低速クロック３２．７６８ｋＨｚを生成し、ＣＰＵ１４の通常モード動作時における各種基準タイマーと低消費電力モードにおいてもカウントアップ動作を続け、低消費電力モードから通常モードへ起き上がるためのタイマーとして使用される。

子機１１０の通常モードにおいては、ＣＰＵ１４の高速クロック１６ＭＨｚと低速クロック３２．７６８ｋＨｚは共に動作している。
低消費電力モードにおいては、ＣＰＵ１４の高速クロック１６ＭＨｚは停止し、したがってＣＰＵ１４のプログラムの動作も停止し、いわゆるスリープ状態に入る。低消費電力モードにおいても低速クロック３２．７６８ｋＨｚによるタイマーカウント動作を継続しており、スリープ状態に入った後、この低速クロック３２．７６８ｋＨｚに基づいた一定時間経過後、ＣＰＵ１４はスリープ状態から起き上がって、通常モードに移行し、プログラムの動作を再開する。

本発明の実施例では図１のタイミング図を参照して、ＣＰＵ１４はデータ信号を無線親機４０に送信後、直ちにスリープに入るが、スリープ状態に入った後、スリープ状態から起き上がる周期は２．１秒（ＴＳ１〜ＴＳ３）である。

ＳＷ１５は無線親機４０に対する制御を行うためのスイッチであり、そのＯＮ／ＯＦＦ状態がＣＰＵ１４に入力される。無線子機２２０、無線子機３３０の動作も無線子機１１０と同じ動作である。

無線親機４０は、ボタン電池４１より約３Ｖの電源が供給され、この電源で、ＣＰＵ４４と無線送受信回路４６が動作する。ＣＰＵ４４は高速クロック発振器４２（１６ＭＨｚ）と低速クロック発振器４３（３２．７６８ｋＨｚ）をもち、２つの基準クロックで動作する。

高速クロック発振器４２は、ＣＰＵ４４のプログラムの動作クロック及び無線信号２．４ＧＨｚの基準クロックとして１６ＭＨｚを生成する。無線信号の２．４ＧＨｚは高速クロック１６ＭＨｚをＰＬＬにより逓倍して生成される。低速クロック発振器４３は低速クロック３２．７６８ｋＨｚを生成し、ＣＰＵ４４の通常モード動作時における各種基準タイマーと低消費電力モードにおいてもカウントアップ動作を続け、低消費電力モードから通常モードへ起き上がるためのタイマーとして使用される。

無線親機４０の通常モードにおいては、ＣＰＵ４４の高速クロック１６ＭＨｚと低速クロック３２．７６８ｋＨｚは共に動作している。低消費電力モードにおいては、ＣＰＵ４４の高速クロック１６ＭＨｚは停止し、したがってＣＰＵ４４のプログラムの動作も停止し、いわゆるスリープ状態に入る。低消費電力モードにおいても低速クロック３２．７６８ｋＨｚによるタイマーカウント動作を継続しており、スリープ状態に入った後、この低速クロック３２．７６８ｋＨｚに基づいた一定時間経過後、ＣＰＵ４４はスリープ状態から起き上がって、通常モードに移行し、プログラムの動作を再開する。

本発明の実施例では図１のタイミング図を参照して、ＣＰＵ４４は同期要求信号を各無線子機１０、２０、３０に送信後、各無線子機からのデータ信号を待ち、データ信号を受信後にスリープに入るが、スリープ状態に入った後、スリープ状態から起き上がる周期は０．７秒（ＴＭ）である。

無線親機４０は各無線子機１０、２０、３０からのＳＷ ＯＮ／ＯＦＦによる制御に基づき、無線親機４０はＬＥＤ１４７、ＬＥＤ２４８、ＬＥＤ３４９をＯＮ／ＯＦＦ表示させて、その被制御状態を表示している。ＬＥＤ１４７、ＬＥＤ２４８、ＬＥＤ３４９のＯＮ／ＯＦＦ表示はそれぞれ無線子機１１０、無線子機２２０、無線子機３ ３０のＳＷ１５、ＳＷ２５、ＳＷ３５のＯＮ／ＯＦＦ入力に対応している。

本発明は無線親機と複数の無線子機からなる無線送受信システムにおいて、無線子機と無線親機共に携帯型である等の制約により、無線子機だけでなく、無線親機の低消費電力が要求されるシステムに利用される。

１０ 無線子機１
１１ ボタン電池
１２ 高速クロック発振器（１６ＭＨｚ）
１３ 低速クロック発振器（３２．７６８ｋＨｚ）
１４ ＣＰＵ
１５ ＳＷ
１６ 無線送受信回路
２０ 無線子機２
２５ ＳＷ
３０ 無線子機３
３５ ＳＷ
４０ 無線親機
４１ ボタン電池
４２ 高速クロック発振器（１６ＭＨｚ）
４３ 低速クロック発振器（３２．７６８ｋＨｚ）
４４ ＣＰＵ
４６ 無線送受信回路
４７ ＬＥＤ１
４８ ＬＥＤ２
４９ ＬＥＤ３
ＴＭ 親機の低消費電力モードから通常モードへ起き上がるインターバルタイマー
Ａ 子機１より受信後の親機の低消費電力モードの動作時間
Ｂ 子機２より受信後の親機の低消費電力モードの動作時間
Ｃ 子機３より受信後の親機の低消費電力モードの動作時間
ＷＰ１ 親機からの子機１に対する同期要求信号
ＷＰ２ 親機からの子機２に対する同期要求信号
ＷＰ３ 親機からの子機３に対する同期要求信号
ＳＩＧ１ 子機１から親機へ送信されるデータ信号
ＳＩＧ２ 子機２から親機へ送信されるデータ信号
ＳＩＧ３ 子機３から親機へ送信されるデータ信号
ＴＳ１ 子機１の低消費電力モードから通常モードへ起き上がるインターバルタイマー
ＴＳ２ 子機２の低消費電力モードから通常モードへ起き上がるインターバルタイマー
ＴＳ３ 子機３の低消費電力モードから通常モードへ起き上がるインターバルタイマー
Ｓ１ 子機１の低消費電力モードの動作時間
Ｓ２ 子機２の低消費電力モードの動作時間
Ｓ３ 子機３の低消費電力モードの動作時間
Ｐ 親機からの同期要求信号を受信する時に、通常より、低消費電力モードからの 起き上がりを早める時間

Claims (4)

1. 制御データまたは収集データを無線送信するための複数の無線子機と前記複数の無線子機からの前記制御データまたは収集データを受信するための無線親機を備え、前記親機は第１の一定時間毎に、前記各子機あてに同期要求信号を送信し、前記各子機は前記第１の一定時間の整数倍のインターバルでその同期要求信号を受信することにより、定期的に前記親機との同期が確立し、同期確立後は前記第１の一定時間を基にした第２の一定時間毎に前記親機あてに、前記制御データまたは収集データの送信を行い、送信終了後から第２の一定時間経過による次の送信開始までの間は低消費電力モードで動作し、前記親機は前記各子機から前記制御データまたは収集データを受信後、第１の一定時間経過による次の同期要求信号を送信開始するまでの間は低消費電力モードで動作する無線送受信システム。
2. 前記親機は前記各子機あての同期要求信号を送信後、各子機からの前記制御データまたは収集データの受信完了までの時間を計測することにより、前記親機と各子機との間の送受信タイミングのずれを検出し、前記親機は検出した前記各子機との送受信タイミングのずれに基づく情報を前記各子機に通知し、前記各子機は通知された情報に基づき、前記ずれを縮小させる方向に、補正のための動作を行う請求項１記載の無線送受信システム。
3. 前記各子機は前記補正のための動作として、前記親機からの同期要求信号を受信する受信インターバルの変更、または各前記子機における前記制御データまたは収集データの送信時に待ち時間を設けた上でその待ち時間を変更、または前記インターバルの変更と前記待ち時間の変更との組み合わせに基づく動作を行う請求項２記載の無線送受信システム。
4. 前記各子機は、前記親機との同期がいったん外れても、前記第１の一定時間の整数倍のインターバルで前記親機からの同期要求信号を受信することにより、再度親機との同期を再確立することが可能となる請求項１記載の無線送受信システム。

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