JP2018085572A - 電池駆動型無線通信システムおよび通信方法 - Google Patents

電池駆動型無線通信システムおよび通信方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 親機と子機間でスリープサイクルの同期を取ることで双方向通信を可能にし、かつ子機の電池寿命を改善する無線通信システムを提供する。【解決手段】 無線通信センサシステム1は、親機10と、電池で駆動される子機20とを含む。親機は、スリープ時間に関する情報を含むクエリを全子機に送信する。子機20の各々は、クエリを受信し、クエリに含まれるスリープ時間に関する情報に基づきスリープ時間を算出し、算出したスリープ時間をタイマに設定し、スリープ時間の間、低消費電力で動作し、スリープ時間を経過したとき通常の動作状態で動作する。【選択図】 図1

Description

本発明は、親機と複数の子機との間で無線による通信を行う無線通信システムに関し、特に、電池で駆動される子機の消費電力の低減および親機と子機間の同期方法に関する。
親機と複数の子機とから構成される無線通信システムにおいて、子機の電源として電池を使用する場合、可能な限り消費電力を抑えて、電池寿命を長くすることが望まれる。電池寿命は、1回の充電で使用可能な時間を指す。例えば、1回の充電による電池寿命が1年以上であることが市場で求められており、また、電池はできるだけ小さいもの(例えば、単三電池)が求められている。
例えば、特許文献1の無線通信装置の制御システムでは、親機が有効最小な受信強度範囲内の強度で受信できるように、子機の無線の無線出力レベルを切り換え可能にすることで、子機の送信電力を抑え電池の長寿命化を図っている。また、特許文献2の無線通信システムでは、電池の残量を監視し、電池の残量が所定値以上であれば、消費電力が相対的に大きい第1の通信部(例えば、無線LAN通信部)を動作させ、電池の残量が所定値より小さければ、第1の通信部の動作を停止して消費電力が相対的に小さい第2の通信部(例えば、Blootooth通信部)を動作させることで、電池駆動による無線通信機の長時間動作を可能にしている。
特開2012−256982号公報 特開2016−167683号公報
子機の電力消費を抑えるため、親機と子機との通信を間欠的に行う方式がある。間欠無線通信では、子機が送信専用、親機が受信専用の一方通行の通信が一般的である。送信側の子機は、ある一定時間毎(例えば、1秒間隔)または、イベントが発生した時に親機に状態を通知し、それ以外の時間、またはイベントが発生しない期間は低消費電力状態(スリープ状態)に入る。このような間欠通信方式により、常時、通信を行う子機と比べて、消費電力を格段に抑えることができる。なお、低消費電力状態は、スリープと呼ばれる眠った状態であり、例えば、クロック速度を低速化したり、マイクロプロセッサやセンシング部の動作を停止させたり、通常の動作を行うことができない状態である。子機がスリープ状態であるとき、子機は、親機からの情報も受信することもできない。以降、低消費電力状態をスリープ状態と呼ぶ。
従来の間欠通信方式では、常時通信する子機に比べて消費電力を抑えることができる一方で、子機が送信専用、親機が受信専用の一方通行の通信であり、親機は、子機がスリ−プ状態であるか否かを判定することができず、親機は、子機に対して送信することができない。従って、例えば、子機が何らかの検出を行うセンサである場合、親機から子機に対してセンサの閾値の設定及び変更、子機の初期化等の指示等をすることができなかった。子機の設定及び変更を行う場合は、対象の子機をシステムから切離してオフラインで作業しなければならず、非常に煩雑であった。
一方で、親機から子機への送信を可能とするために、親機と子機の間で両機器が情報の送受信を行う双方向通信を用いることも可能であるが、現状の双方向通信システムでは、子機は、常に動作状態(ウェークアップ状態ともいう)となっている。これは、親機と複数の子機との間でスリープサイクルと動作サイクルの同期を取ることができず、親機は、子機がスリープ状態にあることを認識することができないためである。それ故、子機の電池の寿命が短くなってしまう。1つの例として、双方向通信での子機の電池寿命は、72時間程度である。
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、親機と子機間でスリープサイクルの同期を取ることで双方向通信を可能にし、かつ子機の電池寿命を改善する無線通信システムおよび無線通信方法を提供することを目的とする。
本発明に係る無線通信システムは、電池により駆動される複数の子機と、複数の子機と無線通信を行う親機とを備えたものであって、親機は、スリープ時間に関する情報を含むクエリを複数の子機の各々に送信する送信手段と、全子機からクエリに対する応答メッセージを受信する受信手段とを含み、複数の子機の各々は、前記クエリを受信する受信手段と、受信されたクエリに含まれるスリープ時間に関する情報に基づきスリープ時間を算出する算出手段と、クエリに対する応答メッセージを親機に返信する返信手段とを有し、子機は、スリープ時間の間、低消費電力で動作し、スリープ時間を経過したとき、通常状態で動作する。
本発明に係る無線通信方法は、電池により駆動される複数の子機と、複数の子機と無線通信を行う親機とを備えた無線通信システムにおけるものであって、スリープ時間に関する情報を含むクエリを親機から複数の子機の各々に送信するステップと、子機側において、親機から受信されたクエリに含まれるスリープ時間に関する情報に基づきスリープ時間を子機側で算出するステップと、子機側において、スリープ時間を監視し、スリープ時間を経過したとき、低消費電力状態からウェークアップさせるステップと、子機がウェークアップされたタイミングに同期して、親機から子機にクエリを送信するステップとを有する。
本発明によれば、親機からスリープ時間に関する情報を複数の子機に送信し、子機それぞれがスリープ時間に関する情報に基づいてスリープ状態のオン/オフを切り替えるようにしたので、必要な時間帯だけスリープ状態が解除され、その他の状態についてはスリープ状態となるため、消費電力の節約が見込まれる。また、親機は、子機のスリープ状態が解除された時間に同期してクエリを送信することができる。
本発明の実施例に係る無線通信センサシステムの全体構成を示す図である。 本発明の実施例に係る親機の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係るポーリングプログラムの機能的な構成例を示す図である。 クエリ情報および子機からの応答メッセージ情報のフォーマットを例示する図である。 スリープ時間に関するファンクションコードの機能を示す図である。 本発明の実施例に係る子機の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る応答プログラムの機能的な構成例を示す図である。 本発明の実施例に係るホストの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る無線通信センサシステムの全体の動作フローを説明するタイミングチャートである。 本発明の実施例に係る無線通信センサシステムの全体の動作フローを説明するタイミングチャートである。 本発明の実施例に係る子機の動作を説明するタイミングチャート図である。 本発明の実施例に係る子機の動作フローを示す図である。 本発明の実施例に係る子機の動作フローを示す図である。 本発明の実施例に係る親機の動作フローを示す図である。 本発明の実施例の変形例に係る無線通信センサシステムの全体構成を示す図である。
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。本発明に係る無線通信システムは、電池により駆動される複数の子機と、複数の子機と双方向の無線通信を行う親機と、親機に接続された制御装置(ホスト装置)とを含んで構成される。本発明の無線通信システムは、好ましくは、複数の子機によって検出された情報を監視する監視システムであることができる。子機は、遠隔地に配置され、遠隔地の種々の情報を検出することが可能である。例えば、子機は、温度センサ、湿度センサ、水位センサ、土壌水分センサ、雨量計、圧力センサ、気圧センサ等を含むことができる。親機は、複数の子機と双方向の無線通信を行い、複数の子機に情報を送信し、あるいは複数の子機から情報を受信する。親機はさらに、無線通信システムの全体を制御する制御装置に接続され、制御装置からの命令等に応じて複数の子機に指示を送信することができる。
図1は、本発明の実施例に係る無線通信センサシステムの全体構成を示す図である。本実施例に係る無線通信センサシステム1は、親機10と、複数の子機20a、20b、20c、…20n(nは、2以上の整数)と、ホスト装置30とを含んで構成される。なお、子機20a〜20nの全体を総称するときは、子機20という。
親機10は、複数の子機20の各々との間で無線(例えば、920MHzの周波数帯)による双方向通信を行う。親機10が子機20aに対してクエリ(問い合わせ)Qaを送信すると、子機20aは、クエリQaに対する応答メッセージRaを返信する。同様に、親機10が子機20bに対してクエリQbを送信すると、子機20bは、クエリQbに対する応答メッセージRbを返信する。本実施例のシステムでは、親機10が子機20をアクセスする場合には、予め決められた数nの子機20に対して、予め決められた順序(例えば、アドレスの若い順)で全ての子機20a、20b、20c、…20nにクエリQa、Qb、Qc、…Qnを送信し、各子機から応答メッセージを受信する。子機20は、親機からのアクセスがある期間に同期してウェークアップし、極力、電池が消耗されることを抑制する。また、仮に一部の子機が切断された場合であっても、親機10は、切断された子機をスキップすることなく、予め決められた数nの子機20をアクセスすることで、親機と子機との間の同期が失われないようにする。
子機20は、親機10からクエリQを受信すると、それに対する応答メッセージRを作成し、これを親機10に送信する。子機20は、電池(バッテリー)により動作され、必要最低限の動作のみを行うスリープ状態(低消費電力状態)と、スリープ状態からウェークアップされた通常の動作状態とを有する。通常の動作状態では、子機に含まれる全ての機能が完全に動作することが可能であり、低消費電力情報では、子機に含まれる一部の機能が動作可能になる。
ホスト装置30は、親機10に対して有線または無線により接続される。ホスト装置30は、コンピュータ装置、ノートパソコン、携帯型通信端末、タブレット型通信端末等であることができる。ホスト装置30は、システム全体を監視し、または制御するため、親機10に対して必要な指示を与え、また親機10から子機20の情報を収集する。ホスト装置30は、例えば、インターネットまたはイントラネット等のネットワークを介して親機10に接続されてもよい。
図2は、本実施例に係る親機の構成の一例を示すブロック図である。親機10は、入力部100(例えば、親機10に取り付けられた各種スイッチ類やボタン、タッチパネル入力、電源のオン/オフスイッチ等)、無線通信部110、外部接続部120、記憶部130、表示部140および制御部150を含んで構成される。なお、この構成は例示であり、親機は、他の構成を含むものであっても良い。
無線通信部110は、子機20との間で双方向の無線通信を行うための無線モジュール(以下、WMと呼ぶことがある)を含む。親機10と子機20の間の無線通信は、親機10から複数の子機20に対してアクセス可能なプロトコルで行われ、例えば、Modbus(登録商標)プロトコルの通信方式が採用される。この通信方式では、親機10だけがクエリ(問い合わせ)を発行することができ、親機10は、アドレス指定された子機にクエリを発行するユニキャスト通信を行う。子機の各々は、親機からのクエリに対して応答メッセージを作成し、これを親機10に送信する。
外部接続部120は、ホスト装置30との有線または無線の接続を確立したり、その他のネットワーク等との接続を確立する。親機10とホスト装置30との接続は、子機20との無線通信と非同期で行われる。有線接続は、例えば、RS232Cケーブル、USBケーブル、有線LANであることができ、無線接続は、WiFi(登録商標)、WiMAX、無線LAN、Bluetooth(登録商標)であることができる。
記憶部130は、制御部150が実行するプログラム、子機20へのクエリ、子機20からの応答メッセージ、ホスト装置30からの命令等などの種々のデータを格納することができる。表示部140は、親機10に取り付けられた液晶ディスプレイ等の表示媒体であり、親機10の状態を表す警告メッセージ、子機20から応答メッセージ、外部機器との接続情報等を表示することができる。
制御部150は、好ましい態様では、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサ(MPU)等から構成され、制御部150は、親機10と子機20との双方向の無線通信を制御する通信制御プログラムまたはシーケンスを実行する。
図3は、制御部150が実行する通信制御プログラムまたはシーケンスの機能的な構成を示す図である。通信制御プログラム(または通信制御シーケンス)200は、クエリ作成部210、スリープ情報設定部220、クエリ送信部230、応答メッセージ受信部240、子機情報提供部250を含む。
クエリ作成部210は、子機20の各々に発行するクエリを作成する。図4(A)に、クエリの伝送フォーマットを示す。クエリには、同図に示すように、デバイスアドレスと、ファンクションコードと、クエリデータと、エラーチェックとが含まれる。
デバイスアドレスは、子機20の各々に割り当てられた固有の識別情報であり、親機は、子機20をアクセスするとき、子機のデバイスアドレスを指定する。例えば、図1の子機20aにクエリを送信する場合には、子機20aのデバイスアドレスを指定し、子機20bにクエリを送信する場合には、子機20bのデバイスアドレスを指定する。
ファンクションコードは、例えば、Modbus規格による種々のコマンド等が含まれる。例えば、子機の出力のオン/オフ状態を読み出すコマンド、子機の入力のオン/オフ状態を読み出すコマンド、子機のレジスタが保持する内容を読み出すコマンド、子機のレジスタの内容を変更するコマンド等がある。さらに本実施例では、図5に示すように独自のファンクションコードFnを備えている。ファンクションコードFnは、子機にスリープ時間の設定指示とポーリングを行うコマンドである。このファンクションコードFnは、親機10が子機20にアクセスする場合には、常に含まれる。
クエリデータには、種々の情報を含めることができ、例えば、子機のセンサのしきい値の設定や変更に加え、ファンクションコードFnのためのスリープ時間を設定するために必要なスリープ情報が含まれる。エラーチェックは、伝送データのエラーの検出・訂正を行うための情報が含まれる。
スリープ情報設定部220は、子機20がスリープ時間を設定するために必要なスリープ情報を設定する。1つの好ましい例では、スリープ情報は、親機が全ての子機20をアクセスする周期T(以後、状態通知間隔ともいう)である。子機20の数がnであるとき、親機10は、T/nの時間間隔で1つの子機をアクセスすることになる。状態通知間隔Tは、ホスト装置30から親機10に指示されるが、親機10は、この指示がない場合、デフォルト値を状態通知間隔Tとすることができる。
クエリ送信部230は、無線通信部110を介して、例えば、子機のアドレスの若い順(例えば、図1の子機20a、20b、20c、…20nの順)に作成したクエリを全ての子機20に対して送信する。
応答メッセージ受信部240は、クエリに対して子機20から送信された応答メッセージを受信する。応答メッセージの伝送フォーマットを図4(B)に示す。確認用デバイスアドレスは、応答メッセージを作成した子機のアドレスであり、確認用ファンクションコードは、子機が実行したファンクションコードであり、応答データは、クエリに対する応答内容を含む情報である。子機情報提供部250は、応答メッセージ受信部240で受信した応答データをホスト装置30に提供する。
次に、本実施例の子機20について説明する。図6は、子機20の機能的な構成を示すブロック図である。子機20は、概ね、センサモジュール300、無線通信モジュール310、電源モジュール320および制御モジュール330を含む。センサモジュール300は、子機20が設置された位置において必要な情報を検出するためのセンサ回路、センサ回路により検出された情報を保持する記憶回路等を含む。無線通信モジュール310は、親機10との間で双方向の無線通信を行うための通信回路等を含む。電源モジュール320は、電池から供給される電力を各部へ搬送制御する回路等を含む。制御モジュール330は、子機20の全体を制御する回路等を含む。
図7は、子機20の要部の回路構成を示す図である。図中において、破線は、電源ライン、実線は、信号ラインを示す。また、ここにはセンサモジュール300の詳細は示されていない。
子機20は、充電可能な二次電池400を含み、電池400は、電圧VB(例えば、3.6〜3.7V)を各部へ供給する。すなわち、電池400からの電圧VBは、DC/DCコンバータ402、404、リセット回路410、412、およびスリープタイマ420に供給される。
リセット回路410は、電池400の電圧VBが印加されると、これに応答してパワーオンリセットのためのリセット信号RESET1を電源ロード制御回路440に出力する。電源ロード制御回路440は、リセット信号RESET1を受け取ると、パワーオンリセットされ、DC/DCコンバータ402にイネーブル信号ENを出力し、DC/DCコンバータ402を動作させる。DC/DCコンバータ402は、電池400の電圧VBを所望の電圧V1に変換し、変換された電圧V1は、制御部430およびリセット回路412に供給される。リセット回路412は、DC/DCコンバータ402からの電圧V1を受け取ると、これに応答してパワーオンリセットのためのリセット信号RESET2を制御部430に出力する。制御部430は、DC/DCコンバータ402からの電圧V1を入力し、かつリセット回路410からのリセット信号RESET2を受け取ると、パワーオンリセットされ、内部を初期化する。制御部430はさらに無線モジュール470を初期化し、かつパワーオンするためのリセット信号RESET3およびパワーオン信号PWRONを無線モジュール470へ出力する。
一方、DC/DCコンバータ404は、電池400からの電圧VBにより動作され、変換された所望の電圧V2を無線モジュール470に出力する。無線モジュール470は、電圧V2が入力されただけでは、パワーダウンモードであるが、上記したように制御部430からのパワーオン信号PWRONが入力されると、パワーオンモードになる。無線モジュール470がパワーオンモードであるとき、無線モジュール470は、親機10からのクエリを受信することが可能である。無線モジュール470はさらに、制御部430からのコマンドを受け取ることが可能であり、当該コマンドによりパワーオンモードからスリープ状態、スリープ状態からパワーオンモードに移行することができる。無線モジュール470がスリープ状態のとき、無線モジュール470のRF回路の電源がオフし、低消費電力状態となる。スリープ状態のとき、無線モジュール470は、親機10からのクエリを受信することはできない。
スリープタイマ420は、電池400からの電圧Vbにより動作可能になる。スリープタイマ420は、子機20のスリープ時間をカウントすることにより制御部430のスリープ時間を監視する。スリープタイマ420のスリープ時間は、制御部430によって設定される。好ましい例では、制御部430は、親機10のクエリに含まれるアクセス周期Tに基づきスリープ時間を算出し、算出されたスリープ時間Tslpをスリープタイマ420に設定し、スリープタイマ420のカウントを始動させる。
制御部430は、親機へ応答メッセージを送信後、電源ロード制御回路440に対してDC/DCコンバータ402の動作を停止させるための制御信号STPを出力する。電源ロード制御回路440は、制御信号STPを受け取ると、DC/DCコンバータ402にディスエーブル信号を出力し、DC/DCコンバータ402の動作が停止される。これにより、制御部430には電圧V1が供給されなくなり、制御部430は、事実上、電源オフ状態となる。また、スリープタイマ420は、スリープ時間の経過をカウントすると、タイムオーバー信号TMOを電源ロード制御回路440に出力する。電源ロード制御回路440は、タイムオーバー信号TMOを受け取ると、DC/DCコンバータ402に再びイネーブル信号ENを出力し、DC/DCコンバータ402を動作させる。これにより、制御部430が電源オン状態になる。
アドレス保持部450は、子機のアドレスを保持し、当該アドレス情報を制御部430へ提供する。このアドレス情報は、例えば、クエリに対する応答メッセージを作成するときに参照される。また、アドレス保持部450へのアドレスの設定方法は任意であるが、例えば、ディップスイッチなどよりアドレスの設定または変更を行うことができる。
割込み制御部460は、無線モジュール470が自局宛てのクエリを受信したとき、制御部430に割り込み信号INTを出力し、スリープ状態の制御部430をウェークアップさせる。
次に、制御部430の主な機能について説明する。制御部430は、図8に示すように、クリエ受信部500、ファンクション実行部510、スリープ時間算出部520、スリープ時間設定部530、スリープ/起動実行部540、応答メッセージ作成部550および応答メッセージ送信部560等を含む。これらの機能は、ソフトウエア(プログラム)、ハードウエア、あるいはソフトウエアとハードウエアの組合せのいずれによって実行されてもよい。制御部430が、例えば、ROM、RAMを含むマイクロプロセッサMPUを含むとき、ROMまたはRAM内のプログラムを実行することにより、上記の主な機能を動作させることができる。
クエリ受信部500は、無線モジュール470を介して自局宛てのクエリを受信する。1つの例では、制御部430はプログラムコマンド(スリープコマンド)を実行することによりスリープ状態となり、制御部430がスリープ状態のとき、無線モジュール470が親機10から自局宛てのクエリを受信すると、無線モジュール470は、割込み制御部460に割込み信号INTを出力させる。制御部430は、割込み信号INTを受け取ると、スリープ状態からウェークアップする。無線モジュール470は、クエリに含まれるデバイスアドレスを抽出し、自局宛てのクエリか否かを判定する。
ファンクション実行部510は、クエリ受信部500によりクエリが受信されると、クエリに含まれるファンクションコードを実行する。例えば、ここには図示しないが、子機に含まれるセンサのしきい値を設定したり、センサにより検出された値をレジスタから読出す等の動作を行う。また、クエリには、常に、図5に示すファンクションコードFnが含まれているため、ファンクション実行部510は、スリープ時間算出部520にスリープ時間の算出等をさせる。
スリープ時間算出部520は、クエリに含まれるアクセス周期T(状態通知間隔T)に基づきスリープ時間Tslpを算出する。スリープ時間Tslpは、以下の数式により算出される。ここで、Trstは子機内部のリセット時間、Tiniは子機内部の初期化時間、Trcvは親機の送信時間+子機の受信時間、Tstはスリープタイマ設定とタイマスタートまでの時間である。Trst、Tini、Trcv、Tstの時間は、例えば、デフォルト値として予めレジスタ等に保持される。但し、親機は、所望のファンクションコードにより、レジスタに記憶されたTrst、Tini、Trcv、Tstの時間を変更することも可能である。
Figure 2018085572
スリープ時間設定部530は、信号線SLTを介して算出されたスリープ時間Tslpをスリープタイマ420に設定する。スリープタイマ420は、スリープ時間が設定されると、そのカウントを開始し、カウント終了時にタイムオーバー信号TMOを電源ロード制御回路440に出力する。
スリープ/起動実行部540は、予め決められた動作シーケンスに従い、制御部430をスリープ状態にする。1つの例では、スリープ/起動実行部540は、プログラムのスリープコマンドを実行することでスリープ状態になる。制御部430がスリープ状態になると、制御部430に含まれる、例えば、カウンタやクロックなどがオフにされ、制御部430が低消費電力状態になる。また、スリープ/起動実行部540は、割込み制御部460から割込み信号INTが入力されたとき、ウェークアップコマンドを実行し、制御部430をスリープ状態から起動する。
応答メッセージ作成部550は、クエリに対する応答メッセージを作成する。例えば、クエリがセンサの検出値の要求であれば、応答メッセージ作成部550は、センサの検出値を含む応答メッセージを作成する。応答メッセージ送信部560は、作成された応答メッセージを親機に返信する。なお、応答メッセージの伝送フォーマットは、図4(B)に示した通りである。
ホスト装置30は、親機10に対して子機20のセンサのしきい値の設定や変更を指示したり、状態通知間隔Tを通知したり、あるいは親機10から提供された子機20の応答メッセージの内容を受信する。なお、ここでは親機10とホスト装置30とを別個に構成しているが、両者を1つの装置として構成してもよい。
次に、本発明の実施例に係る無線通信センサシステム1の動作について説明する。図9Aおよび図9Bは、親機10と4つの子機#1、#2、#3、#4とが無線通信するときの親機から子機の動作タイミングを示す図である。図中、MPUは、制御部430を表し、W/Mは、無線モジュール470を表す。また、TM1、TM2、TM3、TM4は、子機#1、#2、#3、#4をアクセスするタイミングであり、TM1=TM2=TM3=TM4である(これらを総称するときTMという)。図10は、システム立上げ時と通常動作時の子機の動作を示すタイミングチャートである。図中、P1は初期化動作、P2は受信動作、P3はスリープ時間セット動作、P4は応答送信動作を表し、t1、t2、t3、t4は、P1、P2、P3、P4の動作に要する時間を表す。また、図11A、11Bは、子機の詳細な動作フローを示し、図12は、親機の詳細な動作フローを示す。
無線通信センサシステムの立上げ時
1.ホスト装置30は、親機10に対して、親機が全子機をアクセスする周期、すなわち状態通知間隔Tを設定するように指示する。親機は、ホスト装置30からの指示がない場合、デフォルト値を状態通知間隔Tとする。この設定は、システムの立上げ時に限らず随時行うことができる。
2.全ての子機のMPUは、電源が投入(Power On)されると自身の初期化を行い、WMのみを動作状態にして、自分自身はスリープ状態に入る。
図11Aに示すように、電池400からの電圧VBがリセット回路410に供給されると、リセット回路410がリセット信号RESET1を電源ロード制御回路440に出力し(ステップS1)、電源ロード制御回路440が起動される。電源ロード制御回路440からのイネーブル信号ENによりDC/DCコンバータ402が起動され(ステップS2)、これによりリセット回路412からリセット信号RESET2が制御部430に出力され、制御部430の内部初期化が行われる(ステップS3)。制御部430は、無線モジュール470にパワーオン信号PWRONを出力し、無線モジュール470は、パワーオン信号PWRONに応答してパワーオンモードになる。さらに制御部430は、無線時モジュール470に対してリセット信号RESET3を出力し、無線モジュール470は、このリセット信号RESET3に応答して内部初期化をおこなう。次に、制御部430は、内部タイマにより一定時間をカウントし(例えば、62msをカウントし)、その時間が経過すると(ステップS4)、無線モジュール470に対してレジスタ初期化のコマンドを出力し、無線モジュール470は、このコマンドに応答してレジスタを初期化する。無線モジュール470は、レジスタの初期化が終了すると、その旨を制御部430に送信し、制御部430は、受信監視タイマ動作を開始し(ステップS6)、その開始に伴い制御部430は、スリープ状態に入る(ステップS7)。他方、無線モジュール470は、レジスタの初期化を終了した段階で、親機からのクエリの受信待ちとなる。
これらの様子は、図9Aにも示されている。すなわち、子機#1、#2、#3、#4では、電源がオンされると、MPUが、パワーオン(Power on)、ウェークアップ(wake up)、スリープ(sleep)と遷移し、W/Mがウェークアップ(wake up)する。
また、図10には、子機#1と、子機#2、#3、#4との間で電源投入の時間が異なる例が示されている。子機#1、#2、#3、#4において電源が投入されると、それぞれ初期化動作P1が行われる。
3.親機10は、ホスト装置30から受信した状態通知間隔T、またはデフォルト値を子機のスリープ時間情報としてクエリのメッセージの中に付加して子機に送信する。子機へのアクセスは、常に子機のアドレスの若い順に行う。
図12に示すように、親機10は、電源がオンされると(ステップQ1)、親機のMPUの内部を初期化し(ステップQ2)、親機の無線モジュールを初期化し(Q3)、最初の子機へのクエリの準備を行う(Q4)。親機10は、自身の内部タイマにより子機をアクセスする時間TMを管理し、時間TMの間隔で子機にクエリ(パケット)を送信する(ステップQ5、Q6、Q7、Q8)。
これらの様子が図10にも示されている。ここでは、親機10が、子機#1の初期化動作P1の終了時点から内部タイマを起動させるものとする。親機10は、子機#1の初期化動作P1の終了時点でクエリを子機#1に送信し、子機#1は、受信動作P2でクエリを受信する。親機10は、子機#1へのクエリの送信から時間TM1を経過したとき、子機#2にクエリを送信し、子機#2へのクエリの送信から時間TM2を経過したとき、子機#3にクエリを送信し、子機#3へのクエリの送信から時間TM3を経過したとき、子機#4にクエリを送信し、子機#4へのクエリの送信から時間TM4を経過したとき、子機#1にクエリを送信する。
4.全子機の無線モジュール470は、受信待ち状態にあり、受信した宛先アドレスが自局なら、受信動作を継続すると同時に制御部430に割込みを発生する。
5.子機の制御部430は、割込み信号INTに応答してスリープ状態からウェークアップして動作状態となり、無線モジュール470からクエリの受信を開始する。
図11Aにおいて、制御部430は、割込み信号INTによりスリープ状態から起動される(ステップS8)。無線モジュール470は、クエリのアドレスから自局宛てのクエリか否かを判定し、自局宛てのクエリであれば、クエリを受信し、受信したクエリのパケットデータを制御部430へ送信する。こうして、制御部430による受信が開始される(ステップS9)。
図10に示すように、子機#1〜#4は、それぞれ親機からクエリを受信するが、その受信動作P2は、子機#2〜#4では、初期化動作P1から一定期間だけ経過したときに行われる。また、図9Aにおいて、クエリが受信されると、MPUがウェークアップすることが示されている。
6.子機の制御部430は、受信完了後、パワーオン信号PWRONをディスエーブルし無線モジュール470をスリープ状態にする。
7.子機の制御部430は、受信した状態通知間隔Tを基にスリープ時間Tslpを算出し、スリープ時間をスリープタイマ420に設定し、タイマをスタートさせる。
8.子機の制御部430は、スリープ時間をタイムアウトすると、ウェークアップされる。そして、親機10から、例えば、センサの情報の出力を要求するコマンドを含むクエリを受信すると、無線モジュール470をウェークアップさせて送信状態にする。
図11Aにおいて、制御部430は、無線モジュール470がクエリを受信すると、そこに含まれるアクセス周期Tに基づきスリープ時間Tslpを算出し(ステップS10)、スリープ時間Tslpをスリープタイマ420にセットし(ステップS11)、無線モジュール470をスリープ状態にするためのコマンドROFを無線モジュール470に出力する(ステップS12)。無線モジュール470は、コマンドROFにより、スリープ状態に移行し、例えば、無線モジュールのRF回路の電源がオフされ、低消費電力状態になる。スリープ状態であるとき、無線モジュール470は、クエリを受信することはできない。なお、ステップS12と、ステップS10、11は、いずれが先に行われても良く、あるいは同時に行われても良い。
この様子が図10に示されている。子機#1〜#4は、スリープ時間セット動作P3でスリープ時間をスリープタイマ420に設定し、スリープタイマ420は、その設定時からスリープ時間Tslpのカウントを開始する。
9.子機の制御部430は、周辺電源をオンにしてセンサ値、入力情報、子機タイプ等の情報を収集して親機に送信する。
10.子機の制御部430は、周辺電源をオフする。
11.子機の制御部430は、無線モジュール470をパワーダウンモード(低消費電力)にして、自分自身の電源をオフする。
図11Bにおいて、制御部430は、クエリのファンクションを実行するべく、図示しない周辺部電源ロードを起動させ(ステップS13)、センサ等の情報を収集し(ステップS14)、収集を終了した後、周辺部電源ロードをオフする(ステップS15)。制御部430はまた、収集した情報を親機10に送信するため応答メッセージを作成する。次に、制御部は、無線モジュール470に対してRF回路の電源をオンするためのコマンドRONを送信し(ステップS16)、これにより、無線モジュール470はウェークアップされ、送信可能な状態になる。次に、制御部430は、作成された応答メッセージのパケットデータを無線モジュール470に送信し、無線モジュール470が応答メッセージを親機10に送信する(ステップS17)。制御部430は、無線モジュール470から応答メッセージの送信終了の通知を受け取ると、無線モジュール470をパワーダウンモードにするためパワーオン信号PWRONをオフにする(ステップS18)。無線モジュール470は、制御部430によりパワーオン信号PWRONがオンされるまで(ステップS3)、パワーダウンモードを継続する。制御部430は、上記の一連の動作をするや否や、電源ロード制御回路410にDC/DCコンバータ402を停止させるための信号STPを送信し、これにより、DC/DCコンバータ402の動作が停止され(ステップS19)、制御部430は、電源遮断状態となる(ステップS20)。制御部430は、スリープタイマ420に設定されたスリープ時間Tslpの間、電源遮断状態であり、スリープタイマ420がスリープ時間をカウントすると、タイムオーバー信号TMOが電源ロード制御回路440に出力され、これに応答して電源ロード制御回路440は、DC/DCコンバータ402にイネーブル信号ENを出力し、制御部430にリセット信号RESET2が入力されて内部初期化が開始され(ステップS3)、無線モジュール470がパワーオンモードになる。
図9Aにおいて、子機20は、スリープタイマを起動し、かつ応答メッセージを送信すると、その後、電源オフとなり、スリープ時間Tslpが経過したとき、MPUが電源オンし、無線モジュールがウェークアップされることが示されている。また、図10において、子機は、スリープ時間セット動作P3が終了するや否や、スリープ時間Tslpのタイマが起動され、応答送信動作P4の終了後に、子機の電源がオフされ、スリープ時間Tslpがタイムアウトしたとき、子機の電源がオンされることが示されている。
12.親機10は、子機から受信した情報をホスト装置30に送信する。親機10は、(TMx=T/子機台数n、本例では、TM1=TM2=TM3=TM4)を子機1台の処理時間として、上記3〜11の処理を全子機に対して行う。
13.親機は、全ての子機へのアクセスが完了した時点で、ホスト装置30にスリープ時間に関する設定があるか否かを問合せする。あればスリープ時間の設定内容を変更する。具体的には、アクセス周期Tを変更する。
それぞれの子機のスリープ時間Tslpは、同じであるが、各子機間においてスリープ時間がTMだけずれる。子機は、電源投入後に限り、親機からアクセスがあるまで、受信状態が続く。
通常時
1.子機は、スリープタイマ420だけが動作している状態である。
2.子機のスリープタイマ420は、スリープ時間Tslpがタイムアウトになった時点で、割込みを発生させ子機のMPUの電源をオンにする。
図7に示すように、スリープタイマ420は、タイムアウトになった時点で、タイムオーバー信号TMOを電源ロード制御回路440に出力し、これに応答して電源ロード制御回路440がDC/DCコンバータ402を起動させ、制御部430への電源がオンされる。1つの好ましい例では、子機は、親機がアクセスする時点よりも一定時間Tp前(例えば、100ms)に電源オンされる。上記したように、スリープ時間Tslpは、
Tslp=T−Trst−Tini−Trcv−Tst
で算出される。
親機がアクセスする周期Tよりも前に子機が電源オンされる時間Tpは、
Tp=Trst+Tini+Trcv+Tst
となる。
3.子機のMPUは、電源が投入(Power On)されると自身の初期化を行い、無線モジュール470のみを動作状態にして自分自身はスリープ状態に入る。
4.親機は、ホストから受信した状態通知間隔T、またはデフォルト値を子機のスリープ時間としてクエリのメッセージの中に付加して子機に送信する。子機のアクセスは、常に子機のアドレスの若い順に行う。
5.子機の無線モジュール470は、受信待ち状態にあり、受信した宛先アドレスが自局なら、受信動作を継続すると同時にMPUに割込みを発生する。
6.子機のMPUは、前記割込みでスリープ状態からウェークアップして動作状態となり、WMからの受信を開始する。
7.子機のMPUは、受信完了後、無線モジュール470のRF回路の電源をオフにしスリープ状態にする。
8.子機のMPUは、受信した状態通知間隔Tを基づきスリープ時間Tslpを算出し、算出したスリープ時間Tslpをスリープタイマ420に設定し、タイマをスタートさせる。
9.子機のMPUは、無線モジュール470のRF回路の電源をオンにしてウェークアップし送信状態にする。
10.子機のMPUは、周辺電源をオンにしてセンサ値、入力情報、子機タイプ等の情報を収集して親機に送信する。
11.子機のMPUは、周辺電源をオフする。
12.子機のMPUは、無線モジュール470をパワーダウンモードにして、自分自身の電源をオフする。
13.親機は、子機から受信した情報をホストに送信する。
14.親機は、(TMx=T/子機台数n)を子機1台の処理時間として上記3〜11の処理を全子機に対して行う。
15.親機は、全ての子機へのアクセスが完了した時点で、ホストにスリープ時間等の設定があるか否かを問合せする。あればスリープ時間等の設定内容を変更する。
また、親機は、子機に対して電池残量を問い合わせるクエリを発行することができ、親機は、子機から受信した電池残量が閾値未満のものが1台でもあれば、子機の状態通知周期Tを延長する。それぞれの子機のスリープ時間Tslpは、同じ値であるが、それぞれの子機間においてスリープ時間は、TM時間だけずれる。
図11A、図11Bは、子機のMPU(制御部430)とWM(無線モジュール470)の動作を説明する遷移図である。
S1.MPU側;バッテリーのパワーオンで、リセット回路410が信号RESET1を出力
WM側;信号PWRONにより電源オン
S2.MPU側;電源ロード制御回路440に信号RESET1が入力され、DC/DCコンバータ402が起動し、リセット回路412が信号RESET2を出力
WM側;パワーダウン状態(低消費電力)
S3.MPU側;MPUに信号RESET2が入力され、MPUの内部が初期化され、WMの信号PWRONをオンにし、信号RESET3をWMに入力
WM側;パワーダウンモードからパワーオンモードに移行
S4.MPU側;62ms待ち
WM側;ハード的な内部初期化(外部からのアクセス不可;60ms)
S5.MPU側;WMの内部レジスタの初期化
WM側;MPUからのデータを各レジスタに設定、完了通知
S6.MPU側;受信監視タイマをスタート
WM側;親機からの受信待ち状態
S7.MPU側;スリープ状態に移行
WM側;親機からの受信待ち状態で、受信時、MPUに割込み発生(外部割込み)
S8.MPU側;WMからの割込みでスリープ状態からウェークアップ
WM側;受信動作
S9.MPU側;受信動作
WM側;受信動作及び完了通知
S10.MPU側;受信した状態通知期間Tからスリープ時間Tslpを算出
WM側;動作状態
S11.MPU側;スリープ時間Tslpをスリープタイマ420に設定して、タイマをスタート
WM側;動作状態
S12.MPU側;前記完了通知でWMをスリープ状態にする
WM側;スリープ状態
S13.MPU側;周辺回路電源ロード(電源ロード制御回路)
WM側;スリープ状態
S14.MPU側;センサ等の情報収集
WM側;スリープ状態
S15.MPU側;周辺回路電源ノーロード
WM側;スリープ状態
S16.MPU側;WMをウェークアップ
WM側;ウェークアップして、動作状態に移行
S17.MPU側;親機に応答パケット送信
WM側;親機に送信及びMPUに完了通知
S18.MPU側;前記完了通知確認し、WMの信号PWRONをオフにしてパワーダウンモードにする
WM側;パワーダウンモードに移行
S19.MPU側;ディスイネーブル信号DISによりDC/DCコンバータをオフ
WM側;パワーダウン状態
20.MPU側;パワーダウン状態
WM側;パワーダウン状態
スリープタイマ420がスリープ時間Tslpをタイムアウトした時点で、信号TMOが電源ロード制御回路420へ出力され、DC/DCコンバータ402がオンし、S3へ。
図12は、親機のMPU(制御部)とWM(無線モジュール)の動作を説明する遷移図である。
Q1.電源オン
Q2.MPU内部初期化
Q3.MPUからのWMの内部レジスタの初期化
Q4.最初の子機(アドレス;#01)へのパケット準備
Q5.TMの値でリアルタイマスタート
TM=T/子機台数n(子機1台当たりの処理時間)
Q6.子機にパケット送信
Q7.送信完了後、子機からの受信待ち
受信完了⇒Q9へ(正常受信)
TM=タイムアウトしたとき、ステップS8(子機から応答なし)
Q8.次の子機のパケットを準備
⇒ステップS5へ
Q9.子機からの受信パケットをホストに送信
最終子機以外で完了⇒ステップS10へ
最終子機で完了⇒ステップQ11へ
Q10.次の子機のパケット準備
⇒ステップQ12へ
Q11.ホストに情報要求
ホストから情報を受信
⇒ステップQ10へ
Q12.TMのタイムアウト待ち
タイムアウト⇒ステップQ5へ
ここで留意すべきは、子機の接続台数がnであるとき、1つまたは複数の子機が歯抜け状態(非接続状態)になったとしても、親機は、予め決められた順序(例えば、アドレスが若い順)で全てのn個の子機をアクセスする。仮に、歯抜けとなった子機が存在しても、その子機からの応答がないだけであり、全ての子機をアクセスする周期Tは変わらないため、親機がアクセスする周期と子機がウェークアップする周期との同期は維持される。
図13は、本発明の実施例に係る無線通信センサシステムの全体構成を示す図である。図1に示す無線通信センサシステム1は、親機10と子機20を直接無線接続しているが、図13に示すように、親機10と子機20の間に、無線通信を媒介する中継機40を含む構成であっても良い。これにより、図1に示す無線通信センサシステム1と機能面では変わらないものの、親機10と子機20が直接無線通信できないほど離れている場合であっても、システムを構成することが可能となる。
なお、上記実施例では、子機が親機からアクセス周期Tを受け取り、子機自身がスリープ時間Tslpを算出し、これをタイマに設定させたが、これに限らず、親機が全ての子機に対してスリープ時間Tslpを送信し、子機がスリープ時間Tslpを設定することも可能である。
本発明の実施例に係る無線通信センサシステムによれば、次のような効果を奏する。
・親機と子機間の双方向通信での電池駆動を実現できる。
・親機と子機間の双方向通信が可能なので、子機への情報の設定および変更をシステムのオンライン中に行うことができる。
・親機は、クエリの発行を全ての子機一周するたびに、子機のスリープ時間を算出して、それを子機に送り、子機がそれをスリープタイマとするので、タイマの精度が保証される。
・親機から子機へのクエリは、毎回、全子機に行うので、途中でシステムに参加する子機にもスリープ時間を設定することができる。また、子機の電源を落として、一時的にシステムから切離して、再度、電源を投入してシステムに参加する場合も同様である。
・全体の通信プロトコルに子機のタイプを設けて、そのタイプを予めシステムに登録しておくことにより、子機のプラグ・アンド・プレイも可能となる。
・本実施例による方式は、親機と子機の間に中継機があっても親機からのアクセスが中継機の処理時間分遅れるだけなので、影響を受けない。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
1:無線通信センサシステム 10:親機
20(20a〜20n):子機 30:ホスト装置
200:通信制御プログラム 210:クエリ作成部
220:スリープ時間情報設定部 230:クエリ送信部
240:応答メッセージ受信部 250:子機情報提供部
400:電池 402、404:DC/DC変換器
410、412:リセット回路 420:スリープタイマ
430:制御部(MPU) 440:電源ロード制御回路
450:アドレス保持部 460:割込み制御部
470:無線モジュール

Claims (9)

  1. 電池により駆動される複数の子機と、複数の子機と無線通信を行う親機とを備えた無線通信システムであって、
    親機は、子機のスリープ時間に関するスリープ時間情報を含むクエリを決められたアクセス周期TMで全ての子機に送信する送信手段と、
    前記クエリに対する応答メッセージを受信する受信手段とを有し、
    複数の子機の各々は、
    親機からのクエリを受信する受信手段と、
    受信したクエリに含まれるスリープ時間情報に基づきスリープ時間を設定し、スリープ時間を計測するスリープ設定手段と、
    スリープ時間を設定するときに主要回路の電源をオフにし、スリープ時間が経過したときに主要回路の電源をオンにする電力制御手段と、
    親機からのクエリに対する応答メッセージを送信する送信手段とを有し、
    親機が複数の子機の各々をアクセスする時間と子機のスリープ時間が同期される、無線通信システム。
  2. 子機は、親機がアクセスする一定時間前に電源オンされる、請求項1に記載の無線通信システム。
  3. 前記スリープ時間設定手段は、前記スリープ時間情報に基づきスリープ時間を算出する算出手段を含み、前記算出手段は、スリープ時間情報Tに基づき、以下の数式に従いスリープ時間Tslpを算出する、請求項1に記載の無線通信システム。
    Figure 2018085572
  4. 親機がアクセスする時間よりも前に子機が電源オンされる時間Tpは、
    Tp=Trst+Tini+Trcv+Tstである、請求項3に記載の無線通信システム。
  5. 前記スリープ時間情報は、親機が全ての子機をアクセスする周期である、請求項3に記載の無線通信システム。
  6. 前記電力制御手段は、前記主要回路をスリープ状態にし、前記受信手段からクエリが受信されたとき前記主要回路をスリープ状態から起動する、請求項1に記載の無線通信システム。
  7. 前記電力制御手段は、前記主要回路がクエリに対する処理を実行する間、前記受信手段をスリープ状態にする、請求項1または6に記載の無線通信システム。
  8. 電池により駆動される複数の子機と、複数の子機と無線通信を行う親機とを備えた無線通信システムにおける無線通信方法であって、
    親機は、子機のスリープ時間に関するスリープ時間情報を含むクエリを決められたアクセス周期TMで全ての子機に送信するステップと、
    複数の子機の各々は、親機から送信されたクエリを受信するステップと、
    受信したクエリに含まれるスリープ時間情報に基づきスリープタイマにスリープ時間を設定しかつスリープタイマを起動させるステップと、
    クエリに対する応答メッセージを送信するステップと、
    応答メッセージの送信後、スリープ時間の間、主要回路の電源をオフにし、スリープ時間が経過したときに主要回路の電源をオンにするステップとを有し、
    親機が複数の子機の各々をアクセスする時間と子機のスリープ時間が同期される、無線通信方法。
  9. スリープ時間Tslpは、スリープ時間情報Tに基づき、以下の数式により算出される、請求項8に記載の無線通信方法。
    Figure 2018085572
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