JP2018109532A - 電流積算量計測装置、電池残量計測装置、電子機器制御システム及び電流積算量計測方法 - Google Patents

電流積算量計測装置、電池残量計測装置、電子機器制御システム及び電流積算量計測方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電流積算量の算出精度の悪化を抑制する。【解決手段】計測回路13bは、電池11から負荷12に流れる電流Iの第1の積算量(電流積算量Cm)を計測し、検出回路13cは、負荷12の動作回数Nm,Nnを検出する。算出回路13dは、動作回数Nm,Nnと、計測回路13bが動作する第1の期間(期間Tm)の第1の積算量と、に基づいて、計測回路13bが動作を停止する第2の期間(期間Tn)を含む第3の期間の電流Iの第2の積算量(合計電流積算量Ctotal)を算出する。【選択図】図1

Description

本発明は、電流積算量計測装置、電池残量計測装置、電子機器制御システム及び電流積算量計測方法に関する。
電池駆動される機器において、電池残量や電池交換時期を推定するために、電池交換(あるいは満充電)されてからどれだけ電流を消費してきたかを示す電流積算量が計測される場合がある。電流積算量の計測には、クーロンカウンタなどの計測回路が用いられる。
従来、電池から負荷に流れる電流の値が所定値よりも大きくなったことを検出し、その時間帯だけ電流積算量や電池内部状態を計測し、それ以外の時間帯は計測を停止することによって、計測に要する消費電流を抑制することが提案されている。
特開2001−118607号公報 特開2007−078443号公報
ところで、電池駆動される負荷のなかには、スタンバイ期間が比較的長い負荷がある。たとえば、電池残量の減少を抑えるために間欠的に動作して環境データを取得するセンサ装置などがある。そのような負荷が用いられる場合、スタンバイ期間の電流積算量が相対的に大きくなるため、電池から負荷に流れる電流が大きくなった時間帯だけ計測を行う手法では精度よく電流積算量を計測できない。そのため、計測回路を定期的にオンオフし、計測回路がオンしている時間と、その時間における電流積算量とから平均電流を算出し、その電流が、計測回路がオフしている期間も流れ続けているという前提で、電流積算量を算出することが考えられる。
しかし、計測回路がオフのときに負荷の動作間隔が変わるような場合(たとえば、環境状況の変化に応じてセンサ装置のデータ取得間隔が変わるような場合)、算出された平均電流と実際の平均電流とが異なるため、電流積算量の算出精度が悪化する問題がある。
1つの側面では、本発明は、電流積算量の算出精度の悪化を抑制する電流積算量計測装置、電池残量計測装置、電子機器制御システム及び電流積算量計測方法を提供することを目的とする。
1つの実施態様では、電池から負荷に流れる電流の第1の積算量を計測する計測回路と、前記負荷の動作回数を検出する検出回路と、前記動作回数と、前記計測回路が動作する第1の期間の前記第1の積算量とに基づいて、前記計測回路が動作を停止する第2の期間を含む第3の期間の前記電流の第2の積算量を算出する算出回路と、を有する電流積算量計測装置が提供される。
また、1つの実施態様では、電池から負荷に流れる電流の第1の積算量を計測する計測回路と、前記負荷の動作回数を検出する検出回路と、前記動作回数と、前記計測回路が動作する第1の期間の前記第1の積算量とに基づいて、前記計測回路が動作を停止する第2の期間を含む第3の期間の前記電流の第2の積算量を算出する第1の算出回路と、前記第2の積算量と、前記電池の電池容量とに基づいて、前記電池の残量を表す電池残量情報を算出する第2の算出回路と、を有する電池残量計測装置が提供される。
また、1つの実施態様では、通信機能を備えた負荷と、電池から前記負荷に流れる電流の第1の積算量を計測する計測回路と、前記負荷の動作回数を検出する検出回路と、前記動作回数と、前記計測回路が動作する第1の期間の前記第1の積算量とに基づいて、前記計測回路が動作を停止する第2の期間を含む第3の期間の前記電流の第2の積算量を算出する第1の算出回路と、を備え、前記第2の積算量と前記電池の電池容量とに基づいて算出される前記電池の残量を表す電池残量情報、または前記第2の積算量を前記負荷が送信する複数の電子機器と、前記複数の電子機器のそれぞれの前記負荷から送信される前記電池残量情報または前記第2の積算量を受信し、前記電池残量情報または前記第2の積算量に基づいて、前記負荷の動作間隔の変更を指示する指示信号を前記複数の電子機器に送信する管理装置と、を有する電子機器制御システムが提供される。
また、1つの実施態様では、電流積算量計測方法が提供される。
1つの側面では、電流積算量の算出精度の悪化を抑制できる。
第1の実施の形態の電子機器及び電流積算量計測装置の一例を示す図である。 電流積算量計測装置の動作の一例の流れを示すフローチャートである。 第2の実施の形態の電子機器及び電池残量計測装置の一例を示す図である。 第3の実施の形態の電子機器及び電流積算量計測装置の一例を示す図である。 クーロンカウンタの一例を示す図である。 電流積算量と平均電流の一例を示す図である。 電流変化検出回路の一例を示す図である。 電流変化検出回路の動作の一例を示す図である。 コントローラの一例を示す図である。 第3の実施の形態の電流積算量計測装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。 第4の実施の形態の電子機器及び電池残量計測装置の一例を示す図である。 電池残量計測装置のコントローラ及びメモリの一例を示す図である。 第5の実施の形態の電子機器制御システムの一例を示す図である。 管理装置のハードウェア例を示す図である。 管理装置の動作の一例の流れを示すフローチャートである。 ソートの一例を示す図である。 センサノードの動作周期の設定例を示す図である。 動作周期が設定されたセンサノードの負荷電流波形の一例を示す図である。
以下、発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態の電子機器及び電流積算量計測装置の一例を示す図である。
電子機器10は、スマートフォンやタブレット端末、1次電池(乾電池やボタン電池などの使い捨ての電池)や2次電池(充電可能な電池)で動作するIoT(Internet of Things)機器などである。
電子機器10は、電池11、負荷12、電流積算量計測装置13を有する。
電池11は、1次電池または2次電池である。
負荷12は、電池11によって供給される電圧に基づいて動作する。なお、負荷12は間欠動作するものであり、その動作間隔は変更可能である。負荷12の例として、センサ装置がある。たとえば、下水道氾濫検知システムにおいてマンホールに搭載され水位を検出するセンサ装置は、天気が晴れのときよりも雨のときの方が、動作間隔が短くなるようにしてもよい。
電流積算量計測装置13は、抵抗13a、計測回路13b、検出回路13c、算出回路13d、メモリ13eを有する。
抵抗13aは、電池11と負荷12の間に接続されている。
計測回路13bは、電池11から負荷12に流れる電流の積算量を計測する。計測回路13bは、抵抗13aの両端に接続されており、抵抗13aによる電圧降下から電流Iを求め、たとえば、電流Iを時間積分することで電流Iの積算量を出力する。計測回路13bは、常時動作するものではなく、消費電力を抑えるために、計測回路13bは間欠動作する。たとえば、計測回路13bは、1日に1時間動作し、残りの23時間は動作しない。計測回路13bとして、たとえば、クーロンカウンタが用いられる。
検出回路13cは、負荷12の動作回数を検出する。検出回路13cは、たとえば、電流Iの増加を検出し、電流Iが増加したときに、負荷12が動作したものとして動作回数をインクリメントする。また、負荷12自体が、動作した旨を示す信号を出力する場合、検出回路13cは、その信号を受信したときに動作回数の計数値をインクリメントする。
算出回路13dは、負荷12の動作回数と、計測回路13bが動作する期間の電流Iの積算量(電流積算量)と、計測回路13bが動作を停止する期間を含むある期間の電流積算量(合計電流積算量)を算出する。
メモリ13eは、算出回路13dが算出した電流積算量を記憶する。
図1には、電流積算量の算出例が示されている。
負荷12が動作するとき、電流Iが増加する。間欠的に動作する負荷12の場合、図1に示すように電流Iが変化する。ただし負荷12が動作していないとき(スタンバイ時)もスタンバイ電流が生じる。
計測回路13bは、たとえば、図1に示すように期間Tmの間動作し、期間Tmの電流積算量Cmを出力する。また、計測回路13bは、たとえば、期間Tmの間動作した後、期間Tnの間動作を停止し、その後再び期間Tmの間動作する処理を繰り返すような間欠動作を行う。
算出回路13dは、たとえば、期間Tnが終了するタイミングで合計電流積算量を算出する。合計電流積算量をCtotalとすると、Ctotalは以下の式(1)で表せる。
Ctotal=Cm(Nm+Nn)/Nm (1)
式(1)において、Nmは、期間Tmの負荷12の動作回数であり、Nnは、期間Tnの負荷12の動作回数である。
算出回路13dは、電流積算量Cmを計測回路13bから受け、動作回数Nm,Nnを検出回路13cから受け、式(1)に基づいて、合計電流積算量Ctotalを算出し、出力する。合計電流積算量Ctotalはメモリ13eに記憶される。
図2は、電流積算量計測装置の動作の一例の流れを示すフローチャートである。
計測回路13bが動作中である場合(ステップS1:YES)、計測回路13bは、電流積算量を計測する(ステップS2)。一方、検出回路13cは、計測回路13bが動作中であるか否かにかかわらず、負荷12の動作回数を検出する(ステップS3)。計測回路13bが停止中である場合(ステップS1:NO)または、ステップS2,S3の処理後、合計電流積算量Ctotalの算出タイミングである場合には(ステップS4:YES)、算出回路13dは合計電流積算量Ctotalを算出する(ステップS5)。たとえば、算出回路13dは、期間Tmと期間Tnとを加算した期間ごとに、合計電流積算量Ctotalを算出する。合計電流積算量Ctotalの算出タイミングではない場合には(ステップS4:NO)、ステップS1,S3からの処理が繰り返される。
なお、算出回路13dは、前回算出した合計電流積算量Ctotalをメモリ13eから読み出して、今回算出した合計電流積算量Ctotalに加算することで、合計電流積算量Ctotalを更新するようにしてもよい。
また、算出回路13dは、負荷12の動作1回あたりの電流積算量C1を算出し、図示しないサーバなどから指示された算出タイミングでの負荷12の動作回数と電流積算量C1との積から、その算出タイミングでの合計電流積算量Ctotalを算出してもよい。なお、負荷12の動作1回当たりの電流積算量C1は、C1=Cm/Nmと表せる。
また、算出回路13dは、期間Tmと期間Tnとを加算した期間の平均電流Iavを算出して出力し、メモリ13eは、その平均電流Iavを記憶してもよい。平均電流Iavは、Iav=Ctotal/(Tm+Tn)と表せる。
以上のような第1の実施の形態の電流積算量計測装置13によれば、間欠動作する計測回路13bで計測した電流積算量Cmと負荷12の動作回数とに基づいて、計測が停止する期間Tnを含む期間の合計電流積算量Ctotalが算出される。これにより、計測回路13bが動作を停止しているときに負荷12の動作間隔が変化しても、その変化が合計電流積算量Ctotalの算出結果に反映される。そのため、消費電流を抑えるために計測回路13bを間欠動作させても、合計電流積算量Ctotalの算出精度の悪化を抑制できる。
また、算出される合計電流積算量Ctotalには、負荷12のスタンバイ時の電流も含まれるため、スタンバイ状態が長いセンサ装置などの負荷12が適用される際にも、算出精度の悪化を抑制できる。
(第2の実施の形態)
図3は、第2の実施の形態の電子機器及び電池残量計測装置の一例を示す図である。図3において、図1に示した第1の実施の形態の電子機器10と同じ要素については同一符号が付されている。
第2の実施の形態の電子機器20は、電池残量計測装置21を有する。電池残量計測装置21は、抵抗13a、計測回路13b、検出回路13c、算出回路13d、メモリ21a、電池残量算出回路21bを有する。
メモリ21aは、算出回路13dが算出した合計電流積算量Ctotalの他に、電池11の電池容量を記憶する。また、メモリ21aは、電池残量算出回路21bが算出した電池残量を記憶する。
電池残量算出回路21bは、電池11の電池容量と合計電流積算量Ctotalとに基づいて電池残量を算出する。電池残量をCr、電池容量をCbatとすると、Cr=Cbat−Ctotalと表せる。なお、合計電流積算量Ctotalは、前回算出された合計電流積算量Ctotalに今回算出された合計電流積算量Ctotalを加算することで、更新される。
また、電池残量算出回路21bは、前回算出された電池残量Crをメモリ21aから読み出し、その電池残量Crから、今回算出された合計電流積算量Ctotalを引くことで、電池残量Crを更新してもよい。
第2の実施の形態の電池残量計測装置21の動作は、図2に示したフローチャートのステップS5の処理後に、電池残量算出回路21bが、上記の式に基づいて電池残量Crを算出すること以外は、第1の実施の形態の電流積算量計測装置13の動作と同様である。
なお、電池残量算出回路21bは、電池残比率(Rr=Cr/Cbat)や、電池枯渇時間(Te=Cr/Iav)を算出してもよい。
このような第2の実施の形態の電池残量計測装置21は、第1の実施の形態の電流積算量計測装置13と同様の効果が得られるとともに、前述の方法で算出した合計電流積算量に基づいて電池残量を算出するため、精度よく電池残量が求められる。
(第3の実施の形態)
図4は、第3の実施の形態の電子機器及び電流積算量計測装置の一例を示す図である。
電子機器30は、スマートフォンやタブレット端末、1次電池や2次電池で動作するIoT機器などである。電子機器30は、電池31、センサ装置32、DC(Direct Current)/DC変換回路33、電流積算量計測装置34を有する。
電池31は、1次電池または2次電池である。
センサ装置32は、図1に示した負荷12の例である。センサ装置32は、MCU(Micro Control Unit)32a、センサ32b、RF(Radio Filter)回路32cを有する。
MCU32aは、センサ32bやRF回路32cを制御する回路である。たとえば、MCU32aは、RF回路32cがアンテナ32dを介して受信した信号に基づいて、センサ32bの動作間隔(動作周期)を変更する。たとえば、センサ装置32が下水道氾濫検知システムにおいてマンホールに搭載され水位を検出する装置である場合、図示しないサーバが送信する天候に関する情報をRF回路32cが受信するとき、MCU32aは、その情報に基づいて、動作間隔を変更してもよい。たとえば、MCU32aは、天候が雨の場合には天候が晴れの場合よりもセンサ32bの動作間隔を短くする。
また、MCU32aは、センサ32bが計測した結果や、電流積算量計測装置34が計測した電流積算量を、RF回路32cにアンテナ32dを介して送信させる。
センサ32bは、たとえば、温度や湿度、上記のような下水道氾濫検知システムでは水位などの環境データを取得して電気信号に変換する。
RF回路32cは、アンテナ32dを介して外部と無線通信を行う。
DC/DC変換回路33は、電池31から供給される電圧を、MCU32a、センサ32b、RF回路32cのそれぞれに適した電圧に変換する。
電流積算量計測装置34は、抵抗34a、クーロンカウンタ34b、電流変化検出回路34c、タイマ34d、コントローラ34e、スイッチ34f、メモリ34gを有する。
抵抗34aは、電池31とDC/DC変換回路33の間に接続されている。
クーロンカウンタ34bは、電池31から流れる電流の積算量(電流積算量)に比例する値を出力する。クーロンカウンタ34bは、抵抗34aの両端に接続されている。クーロンカウンタ34bは、常時動作するものではなく、消費電力を抑えるためにクーロンカウンタ34bには動作する期間と動作しない期間がある。たとえば、クーロンカウンタ34bは、1日に1時間動作し、残りの23時間は動作しない。
電流変化検出回路34cは、センサ装置32に流れる電流(負荷電流)の増加を検出する。電流変化検出回路34cは、たとえば、負荷電流が増加するとき、パルス信号を出力する。
タイマ34dは、時間を表すタイマ値を出力する。
コントローラ34eは、タイマ値と、メモリ34gに記憶されているクーロンカウンタ34bが動作する期間と動作を停止する期間とに基づいて、スイッチ34fを制御する。
また、コントローラ34eは、電流変化検出回路34cが出力するパルス信号を受けるたびに、センサ装置32の動作回数の計数値をインクリメントする。第2の実施の形態の電流積算量計測装置34では、コントローラ34eと電流変化検出回路34cにより、図1の検出回路13cの機能が実現される。また、コントローラ34eは、クーロンカウンタ34bが出力する電流積算量に比例する値と、抵抗34aの抵抗値に基づいて、電流積算量を算出する。第2の実施の形態の電流積算量計測装置34では、コントローラ34eとクーロンカウンタ34bにより、図1の計測回路13bの機能が実現される。
さらに、コントローラ34eは、図1の算出回路13dの機能も有している。すなわち、コントローラ34eは、センサ装置32の動作回数と、クーロンカウンタ34bが動作する期間の電流積算量とに基づいて合計電流積算量を算出する。また、コントローラ34eは、センサ装置32との間で情報の送受信を行う機能も有している。
メモリ34gは、クーロンカウンタ34bが動作する期間と動作を停止する期間、センサ装置32の動作回数、クーロンカウンタ34bが出力する電流積算量、コントローラ34eが算出する合計電流積算量などを記憶する。メモリ34gは、複数のレジスタであってもよいし、RAM(Random Access Memory)やフラッシュメモリなどであってもよい。
スイッチ34fは、クーロンカウンタ34bと、電池31のマイナス側の電極との間に接続されており、コントローラ34eによって制御される。
以下電流積算量計測装置34の、クーロンカウンタ34b、電流変化検出回路34c、コントローラ34eの一例をそれぞれ説明する。
(クーロンカウンタ34bの一例)
図5は、クーロンカウンタの一例を示す図である。
クーロンカウンタ34bは、増幅器34b1、ADC(Analog to Digital Converter)34b2、積算回路34b3を有する。
増幅器34b1は、抵抗34aの両端における電位差を増幅する。
ADC34b2は、増幅器34b1の出力をデジタル値に変換する。
積算回路34b3は、デジタル値を時間積分した値を出力する。
抵抗34aの抵抗値をR、抵抗34aの両端における電位差をΔV、抵抗34aに流れる電流(負荷電流)をIとすると、I=ΔV/Rであるため、ΔVに対応するデジタル値を時間積分した値は、負荷電流Iの電流積算量に比例する値となる。コントローラ34eは、たとえば、積算回路34b3が出力する値を、増幅器34b1での増幅率と、抵抗値Rで割ることで電流積算量を算出する。
図6は、電流積算量と平均電流の一例を示す図である。縦軸は電流積算量、平均電流を表し、横軸は時間を表している。
波形40は、電流積算量の時間変化を表している。また、波形41は、負荷電流の時間変化を示している。また、波形42は、平均電流の時間変化を示している。
波形40で示されているように、センサ装置32が動作して負荷電流が増加するたびに、電流積算量は増加していく。また、波形42で示されているように、平均電流は、センサ装置32が同じ動作間隔で動作している場合には、一定の値に収束していく。たとえば、クーロンカウンタ34bの動作期間Tの平均電流値Iav1は、動作期間Tの電流積算量をCとすると、Iav1=C/Tとなる。
(電流変化検出回路34cの一例)
図7は、電流変化検出回路の一例を示す図である。図7では、図4に示したクーロンカウンタ34b、タイマ34d、コントローラ34e、スイッチ34f、メモリ34gについては図示が省略されている。
電流変化検出回路34cは、キャパシタ34c1、抵抗34c2、比較器34c3を有する。
キャパシタ34c1の一端は、抵抗34aの一端と、DC/DC変換回路33に接続されている。キャパシタ34c1の他端は抵抗34c2の一端と、比較器34c3の反転入力端子に接続されている。抵抗34c2の他端と比較器34c3の非反転入力端子は、電池31のマイナス側の電極に接続されている。比較器34c3の出力端子は、図4に示したコントローラ34eに接続されている。
図8は、電流変化検出回路の動作の一例を示す図である。図8には、負荷電流I、キャパシタ34c1の一端の電位sense、比較器34c3の反転入力端子の電位pass、比較器34c3の出力信号poutの一例が示されている。縦軸は電流または電圧を表し、横軸は時間を表している。
キャパシタ34c1と抵抗34c2とによる直列回路は、ハイパスフィルタとして機能する。センサ装置32が動作を開始し負荷電流Iが増加し、電位senseが急に下がると、比較器34c3の反転入力端子の電位passが下がる(タイミングt1)。このとき、比較器34c3の出力信号poutの電圧はH(High)レベルとなる。電位senseの変化が緩やかになり電位passが上昇するとき(タイミングt2)、出力信号poutの電圧はLレベルとなる。
センサ装置32がスタンバイとなり、その後、再び動作を開始した場合、負荷電流Iが増加し、上記と同様に、出力信号poutの電圧は、タイミングt3〜t4の間、Hレベルとなる。
以上のように、電流変化検出回路34cは、センサ装置32の動作を検知するとき出力信号poutとしてパルス信号を出力する。
(コントローラ34eの一例)
図9は、コントローラの一例を示す図である。
コントローラ34eは、カウンタ34e1、算出制御部34e2、算出部34e3、通信部34e4を有する。図9には、さらに、メモリ34gの一例が示されている。メモリ34gは、Nm記憶部34g1、Nn記憶部34g2、Cm記憶部34g3、Tm記憶部34g4、Tn記憶部34g5、算出結果記憶部34g6を有する。
カウンタ34e1は、電流変化検出回路34cの出力信号poutのパルス数をカウントする。そしてカウンタ34e1は、その計数値を、算出制御部34e2が出力する切替信号に応じて、期間Tmのセンサ装置32の動作回数Nmまたは、期間Tnのセンサ装置32の動作回数Nnとして出力する。期間Tmは、クーロンカウンタ34bが動作する期間であり、期間Tnは、クーロンカウンタ34bが動作を停止する期間である。
カウンタ34e1は、切替信号が動作回数Nmのカウントを指示する信号である場合には、出力信号poutのパルス数を動作回数Nmとしてカウントする。また、カウンタ34e1は、切替信号が動作回数Nnのカウントを指示する信号である場合には、出力信号poutのパルス数を動作回数Nnとしてカウントする。カウンタ34e1は、たとえば、切替信号が変わるたびに、計数値を動作回数Nmまたは動作回数Nnとして出力する。
動作回数Nmは、Nm記憶部34g1に記憶され、動作回数Nnは、Nn記憶部34g2に記憶される。
算出制御部34e2は、タイマ34dが出力するタイマ値に基づいて、Tm記憶部34g4に記憶されている期間Tmの間、スイッチ34fをオンし、Tn記憶部34g5に記憶されている期間Tnの間、スイッチ34fをオフする制御信号を出力する。また、算出制御部34e2は、期間Tmの間、動作回数Nmのカウントを指示する切替信号を出力し、期間Tnの間、動作回数Nnのカウントを指示する切替信号を出力する。
また、算出制御部34e2は、クーロンカウンタ34bが出力する電流積算量に比例する値と、抵抗34a(図4参照)の抵抗値に基づいて、電流積算量Cmを算出する。電流積算量Cmは、Cm記憶部34g3に記憶される。
さらに、算出制御部34e2は、たとえば、期間Tnの終了時に、算出部34e3に算出命令を送るとともに、通信部34e4に通信命令を送る。
算出部34e3は、算出命令を受けると、動作回数Nm,Nnと電流積算量Cmをメモリ34gから読み出し、前述の式(1)に基づいて、合計電流積算量Ctotalを算出し、出力する。算出部34e3は、さらに、期間Tm,Tnをメモリ34gから読み出し、Iav=Ctotal/(Tm+Tn)で表される平均電流Iavを算出して出力してもよい。
算出された合計電流積算量Ctotal、平均電流Iavは、算出結果記憶部34g6に記憶される。
通信部34e4は、センサ装置32との間で情報の送受信を行う。通信部34e4は、算出制御部34e2からの通信命令を受けると、合計電流積算量Ctotal、平均電流Iavをメモリ34gから読み出し、センサ装置32に計測結果として送信する。また、通信部34e4は、センサ装置32からのデータ要求(通信命令)を受信することによって、現状保持されている計測結果をセンサ装置32へ送信するようにしてもよい。
また、通信部34e4は、センサ装置32から期間Tm,Tnを受信し、Tm記憶部34g4、Tn記憶部34g5に記憶してもよい。たとえば、急激な温度変化など、センサ装置32を取り巻く環境に大きな変化がある場合、期間Tmがより長く、期間Tnがより短くなるように期間Tm,Tnを更新することで、より高精度の合計電流積算量が得られる。また、センサ装置32を取り巻く環境の変化が少ない場合、期間Tmがより短く、期間Tnがより長くなるように期間Tm,Tnを更新することで、より消費電力を抑えられる。
なお、上記のようなコントローラ34eの各部の機能は、1または複数のプロセッサ(CPU(Central Processing Unit)やDSP(Digital Signal Processor)など)を用いて実現される。また、コントローラ34eは、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)などの特定用途の電子回路を用いて実現されるようにしてもよい。
(第3の実施の形態の電流積算量計測装置34の動作例)
次に、タイミングチャートを用いて第3の実施の形態の電流積算量計測装置34の動作例を説明する。
図10は、第3の実施の形態の電流積算量計測装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
図10には、電流変化検出回路34cの出力信号pout、算出制御部34e2が出力(送信)する制御信号、切替信号、算出命令及び通信命令の一例の様子が示されている。
制御信号によりクーロンカウンタ34bの動作が停止されているとき(スイッチ34fがオフのとき)、動作回数Nnのカウントを指示する切替信号によりカウンタ34e1は、出力信号poutのパルス数を動作回数Nnとしてカウントする。このとき、算出命令により、算出部34e3による算出処理の停止が指示され、通信命令により、通信部34e4による通信処理の停止が指示されている。
制御信号によりクーロンカウンタ34bの動作が開始した場合(タイミングt10)、算出制御部34e2は、動作回数Nmのカウントを指示する切替信号を出力する。これにより、カウンタ34e1の現在の計数値がNn記憶部34g2に記憶され、動作回数Nnが更新されるとともに、カウンタ34e1は動作回数Nmのカウントを開始する。
さらに、算出制御部34e2は、算出部34e3に算出処理を行うことを指示する算出命令を送る。これにより、算出部34e3は、合計電流積算量Ctotalや平均電流Iavを算出する。そして、メモリ34gに記憶される合計電流積算量Ctotalや平均電流Iavが更新される。
算出制御部34e2は、その後、通信部34e4に通信処理を行うことを指示する通信命令を送る(タイミングt11)。これにより、通信部34e4は、メモリ34gから合計電流積算量Ctotalや平均電流Iavを読み出して、センサ装置32に送信する。センサ装置32は、受信した合計電流積算量Ctotalや平均電流Iavを、外部のサーバなどに送信する。
期間Tmが経過し、制御信号によりクーロンカウンタ34bの動作が停止した場合(タイミングt12)、算出制御部34e2は、動作回数Nnのカウントを指示する切替信号を出力する。これにより、カウンタ34e1の現在の計数値がNm記憶部34g1に記憶され、動作回数Nmが更新されるとともに、カウンタ34e1は動作回数Nnのカウントを開始する。また、このとき、算出制御部34e2は、クーロンカウンタ34bが出力する電流積算量に比例する値と、抵抗34aの抵抗値に基づいて、電流積算量Cmを算出する。これにより、メモリ34gに記憶される電流積算量Cmが更新される。
期間Tnが経過し、制御信号によりクーロンカウンタ34bの動作が開始した場合(タイミングt13)、以降はタイミングt10からの処理と同様の処理が行われる。
なお、算出部34e3は、前回算出した合計電流積算量Ctotalをメモリ34gから読み出して、今回算出した合計電流積算量Ctotalに加算することで、合計電流積算量Ctotalを更新するようにしてもよい。
また、算出制御部34e2は、前回メモリ34gに記憶した電流積算量Cmを読み出して、今回の計測で得られた電流積算量Cmに加算することで、電流積算量Cmを更新するようにしてもよい。その場合、メモリ34gに記憶される動作回数Nm,Nnも、切替信号が変化するたびに、前の値に加算して更新される。
また、通信部34e4は、センサ装置32を介し、図示しないサーバなどから合計電流積算量Ctotalを要求する信号を受信したときに、メモリ34gに記憶されている合計電流積算量Ctotalを、センサ装置32を介してサーバなどに送信してもよい。
また、算出部34e3は、センサ装置32の動作1回あたりの電流積算量C1を算出し、サーバなどから指示された算出タイミングでのセンサ装置32の動作回数と電流積算量C1との積から、その算出タイミングでの合計電流積算量Ctotalを算出してもよい。その場合、合計電流積算量Ctotalを算出するための動作回数Nm,Nnは、切替信号が変化するたびに、前の値に加算して更新される。
上記のような第3の実施の形態の電流積算量計測装置34によれば、第1の実施の形態の電流積算量計測装置13と同様の効果が得られる。クーロンカウンタ34bの消費電流は80−100μA程度であるため、消費電流が数百μAのセンサ装置32を用いた場合、合計消費電流においてクーロンカウンタ34bの消費電流が占める割合が大きい。クーロンカウンタ34bによる消費電力を下げるために、クーロンカウンタ34bを間欠動作させ、クーロンカウンタ34bが動作する期間の平均電流から電流積算量を算出することも考えられるが、動作間隔が変化する場合、精度のよい電流積算量が得られない。たとえば、図10の例では、クーロンカウンタ34bが動作を停止する期間Tnのセンサ装置32の動作間隔は、クーロンカウンタ34bが動作する期間Tmのセンサ装置32の動作間隔よりも短い。この場合、期間Tnの平均電流は、期間Tmの平均電流よりも大きくなるので、期間Tmでの平均電流を用いて電流積算量を算出した場合に誤差が大きくなる。
これに対し、電流積算量計測装置34では、センサ装置32の動作回数を捕捉しておくことで、クーロンカウンタ34bが動作を停止しているときにセンサ装置32の動作間隔が変化しても、その変化が合計電流積算量Ctotalの算出結果に反映される。そのため、消費電流を抑えるためにクーロンカウンタ34bを間欠動作させても、合計電流積算量Ctotalの算出精度の悪化を抑制できる。
なお、センサ装置32の動作回数を捕捉しておくための電流変化検出回路34cや、カウンタ34e1は、クーロンカウンタ34bと比べて消費電力が大幅に小さい回路で実現できるため、電流積算量計測装置34の消費電力を抑えられる。
また、算出される合計電流積算量Ctotalには、センサ装置32のスタンバイ時の電流も含まれるため、スタンバイ状態が長いセンサ装置32を適用したときの算出精度の悪化を抑制できる。
なお、センサ装置32のMCU32aは、センサ装置32の動作の発生を電流積算量計測装置34に知らせるパルス信号を出力するようにしてもよい。その場合、電流変化検出回路34cはなくてもよい。コントローラ34eのカウンタ34e1は、電流変化検出回路34cの出力信号poutのパルス数をカウントする代わりに、センサ装置32のMCU32aが出力するパルス信号のパルス数をカウントすればよい。
また、センサ装置32のMCU32a内に、電流積算量計測装置34の一部またはすべてが含まれていてもよい。
(第4の実施の形態)
図11は、第4の実施の形態の電子機器及び電池残量計測装置の一例を示す図である。図11において、図4に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。
第4の実施の形態の電子機器50の電池残量計測装置51は、コントローラ51aとメモリ51bが、図4に示した電流積算量計測装置13と異なっている。
図12は、電池残量計測装置のコントローラ及びメモリの一例を示す図である。図12において、図9に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。
電池残量計測装置51のコントローラ51aは、電池残量算出部51a1を有する。
電池残量算出部51a1は、算出制御部34e2による算出命令を受けると、算出部34e3が算出した合計電流積算量Ctotalと、メモリ51bの電池容量記憶部51b1に記憶されている電池容量Cbatとに基づいて、電池残量Crを算出する。算出された電池残量Crは、メモリ51bの電池残量記憶部51b2に記憶される。前述したように電池残量Crは、Cr=Cbat−Ctotalと表せる。なお、合計電流積算量Ctotalは、更新の際には、前回算出された合計電流積算量Ctotalに今回算出された合計電流積算量Ctotalを加算することで、更新される。
また、電池残量算出部51a1は、前回算出された電池残量Crをメモリ51bから読み出し、その電池残量Crから、今回算出された合計電流積算量Ctotalを引くことで、電池残量Crを更新してもよい。
なお、電池残量算出部51a1は、電池残比率(Rr=Cr/Cbat)や、電池枯渇時間(Te=Cr/Iav)を算出してもよい。
また、通信部34e4は、センサ装置32を介して、図示しないサーバなどから電池残量Crなどの電池残量情報を要求する信号を受信したときに、メモリ51bに記憶されている電池残量情報を読み出して、センサ装置32を介してサーバなどに送信してもよい。
このような第4の実施の形態の電池残量計測装置51は、前述の方法によって算出した合計電流積算量Ctotalに基づいて電池残量を算出するため、精度よく電池残量が求められる。また、第3の実施の形態の電流積算量計測装置34と同様の理由で消費電力を抑えられる。
なお、センサ装置32のMCU32a内に、電池残量計測装置51の一部またはすべてが含まれていてもよい。
(第5の実施の形態)
図13は、第5の実施の形態の電子機器制御システムの一例を示す図である。
電子機器制御システム60は、管理装置61と、ネットワーク62を介して管理装置61に接続される複数のゲートウェイ63a1〜63amと、ゲートウェイ63a1〜63amのそれぞれと無線通信する複数の電子機器を有する。たとえば、ゲートウェイ63a1は電子機器64a1〜64anと無線通信を行い、ゲートウェイ63amは電子機器64b1〜64bnと無線通信を行う。
電子機器64a1〜64an,64b1〜64bnなどの複数の電子機器は、たとえば、センサネットワークにおけるセンサノードとして機能する。複数の電子機器のそれぞれは、図1、図3、図4、図11に示した電子機器10、電子機器20、電子機器30または電子機器50である。
管理装置61は、複数の電子機器を制御するサーバとして機能する。
図14は、管理装置のハードウェア例を示す図である。
管理装置61は、CPU101、RAM102、HDD(Hard Disc Drive)103、画像信号処理部104、入力信号処理部105、媒体リーダ106及び通信インタフェース107を有する。CPU101、RAM102、HDD103、画像信号処理部104、入力信号処理部105、媒体リーダ106及び通信インタフェース107は、バス108に接続されている。
CPU101は、プログラムの命令を実行する演算回路を含むプロセッサである。CPU101は、HDD103に記憶されたプログラムやデータの少なくとも一部をRAM102にロードし、プログラムを実行する。なお、CPU101は複数のプロセッサコアを備えてもよく、管理装置61は複数のプロセッサを備えてもよく、以下で説明する処理を複数のプロセッサまたはプロセッサコアを用いて並列に実行してもよい。また、複数のプロセッサの集合(マルチプロセッサ)を「プロセッサ」と呼んでもよい。
RAM102は、CPU101が実行するプログラムやCPU101が演算に用いるデータを一時的に記憶する揮発性の半導体メモリである。なお、管理装置61は、RAM以外の種類のメモリを備えてもよく、複数個のメモリを備えてもよい。
HDD103は、OS(Operating System)やミドルウェアやアプリケーションソフトウェアなどのソフトウェアのプログラム、および、データを記憶する不揮発性の記憶装置である。プログラムには、たとえば、電子機器を制御するためのプログラムが含まれる。なお、管理装置61は、フラッシュメモリやSSD(Solid State Drive)などの他の種類の記憶装置を備えてもよく、複数の不揮発性の記憶装置を備えてもよい。
画像信号処理部104は、CPU101からの命令に従って、管理装置61に接続されたディスプレイ111に画像を出力する。ディスプレイ111としては、CRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイ、液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)、プラズマディスプレイ(PDP:Plasma Display Panel)、有機EL(OEL:Organic Electro-Luminescence)ディスプレイなどを用いることができる。
入力信号処理部105は、管理装置61に接続された入力デバイス112から入力信号を取得し、CPU101に出力する。入力デバイス112としては、マウスやタッチパネルやタッチパッドやトラックボールなどのポインティングデバイス、キーボード、リモートコントローラ、ボタンスイッチなどを用いることができる。また、管理装置61に、複数の種類の入力デバイスが接続されていてもよい。
媒体リーダ106は、記録媒体113に記録されたプログラムやデータを読み取る読み取り装置である。記録媒体113として、たとえば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク(MO:Magneto-Optical disk)、半導体メモリなどを使用できる。磁気ディスクには、フレキシブルディスク(FD:Flexible Disk)やHDDが含まれる。光ディスクには、CD(Compact Disc)やDVD(Digital Versatile Disc)が含まれる。
媒体リーダ106は、たとえば、記録媒体113から読み取ったプログラムやデータを、RAM102やHDD103などの他の記録媒体にコピーする。読み取られたプログラムは、たとえば、CPU101によって実行される。なお、記録媒体113は、可搬型記録媒体であってもよく、プログラムやデータの配布に用いられることがある。また、記録媒体113やHDD103を、コンピュータ読み取り可能な記録媒体と言うことがある。
通信インタフェース107は、ネットワーク62に接続され、ネットワーク62と図13に示したゲートウェイ63a1〜63amを介してセンサノードと通信を行うインタフェースである。通信インタフェース107は、スイッチなどの通信装置とケーブルで接続される有線通信インタフェースでもよいし、基地局と無線リンクで接続される無線通信インタフェースでもよい。
以下、管理装置61の動作の一例を説明する。なお、以下では、複数の電子機器のそれぞれをセンサノードと呼ぶ。
図15は、管理装置の動作の一例の流れを示すフローチャートである。
ステップS10:管理装置61は、各センサノードに対して、前述した合計電流積算量Ctotalまたは電池残量情報を要求する要求信号を送信する。電池残量情報は、たとえば、前述した電池残量Cr、電池残比率Rr、または電池枯渇時間Teである。要求信号をネットワーク62とゲートウェイ63a1〜63amを介して受信した各センサノードは、メモリ(図4、図11に示したメモリ34g,51bなど)に記憶されている合計電流積算量Ctotalまたは電池残量情報を送信する。管理装置61は、合計電流積算量Ctotalまたは電池残量情報を、ネットワーク62とゲートウェイ63a1〜63amを介して受信する。
ステップS11:管理装置61は、電池残量情報に基づいて、センサノードをソートする。なお、管理装置61は、あるセンサノードから合計電流積算量Ctotalを受信した場合には、そのセンサノードの電池容量Cbatに基づいて、電池残量情報を算出する。そのため、センサノードに電流残量情報を算出する機能がない場合には、管理装置61がその機能を有するとともに、センサノードの電池容量Cbat(電池枯渇時間Teを用いる際は、期間Tm,Tnの情報も)を記憶するメモリも有する。
以下では電池残量情報の1つである電池残比率Rrに基づいたソート例を説明する。
図16は、ソートの一例を示す図である。
図16では、8個のセンサノードを電池残比率Rrの小さい順にソートした例が示されている。図16の例では、センサノード名がN2のセンサノードは、電池残比率Rrが48%で、8個のセンサノードのうちで最も小さいため、先頭になるようにソートされている。また、センサノード名がN1のセンサノードは、電池残比率Rrが72%で、8個のセンサノードのうちで最も大きいため、末尾になるようにソートされている。
ステップS12:管理装置61は、ソート結果に基づいてセンサノードの動作間隔(動作周期)を変更する。たとえば、管理装置61は、図16に示したようなソート結果に基づいて、以下のようにセンサノードの動作周期を設定する。なお、センサノードの動作周期は、たとえば、図4などに示したセンサ装置32の動作周期である。
図17は、センサノードの動作周期の設定例を示す図である。
管理装置61は、ソート結果を参照して、残量順位が低い(電池残比率Rrが小さい)センサノードほど、動作周期が長く(動作間隔が大きく)なるように設定する。図17の例では、電池残比率Rrが最も小さいセンサノード名がN2のセンサノードには、8個のセンサノードのうちで最も長い動作周期、480secが設定されている。また、電池残比率Rrが最も大きいセンサノード名がN1のセンサノードには、8個のセンサノードのうちで最も短い動作周期、60secが設定されている。
なお、図17の例では、動作周期として固定値が設定されているが、電池残比率Rrに基づく関数で表される値により動作周期が設定されていてもよい。
管理装置61は、上記のように動作周期を変更するように指示する指示信号を、各センサノードに送信する。各センサノードは、ネットワーク62とゲートウェイ63a1〜63amを介して指示信号を受信し、その指示信号に基づく動作周期で動作を行う。
図18は、動作周期が設定されたセンサノードの負荷電流波形の一例を示す図である。
図18には、センサノード名がN7とN4のセンサノードの負荷電流波形の例が示されている。負荷電流が増加するタイミングが、負荷動作(たとえば、図4のセンサ装置32の動作)が生じるタイミングに相当する。図18に示すように、残量順位が6位のセンサノード名がN7のセンサノードの動作周期T1は、360secとなり、残量順位が3位のセンサノード名がN4のセンサノードの動作周期T2は、180secとなる。
以上で、管理装置61による各センサノードに対する1回の制御が終わる。管理装置61は、たとえば、上記のような制御を、所定時間ごとに繰り返してもよい。また、管理装置61は、たとえば、毎日決まった時刻に上記のような処理を行うようにしてもよい。
なお、上記の例では、管理装置61が、各センサノードに対して、合計電流積算量Ctotalまたは電池残量情報を要求する要求信号を送信するものとしたが、各センサノードが定期的に、これらの情報を管理装置61に送信してもよい。
以上のような電子機器制御システムによれば、各センサノードの電池枯渇時期を揃える方向に、各センサノードを制御できる。
たとえば、インフラにばらまかれるセンサノードの例として、下水道氾濫検知システムがある。各センサノードは乾電池によって動作しているが、電池交換は作業員の手作業になってしまうため、各センサノードの電池交換日がバラバラになってしまうと、作業員がそのたびに電池交換を行うことになり、運用面で高コスト化してしまう。上記のような電子機器制御システムによって各センサノードの電池残量情報を得られることで、たとえば各センサノードの電池交換日を同じ日に揃えるような制御を行うことができ、運用コストの低減が図れる。
なお、上記のような電子機器制御システムによる電子機器の制御処理は、管理装置61にプログラムを実行させることで実現できる。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体(たとえば、記録媒体113)に記録しておくことができる。記録媒体として、たとえば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリなどを使用できる。磁気ディスクには、FDおよびHDDが含まれる。光ディスクには、CD、CD−R(Recordable)/RW(Rewritable)、DVD及びDVD−R/RWが含まれる。プログラムは、可搬型の記録媒体に記録されて配布されることがある。その場合、可搬型の記録媒体から他の記録媒体(たとえば、HDD103)にプログラムをコピーして実行してもよい。
以上、実施の形態に基づき、本発明の電流積算量計測装置、電池残量計測装置、電子機器制御システム及び電流積算量計測方法の一観点について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。
10 電子機器
11 電池
12 負荷
13 電流積算量計測装置
13a 抵抗
13b 計測回路
13c 検出回路
13d 算出回路
13e メモリ
Cm 電流積算量
Ctotal 合計電流積算量
I 電流
Nm,Nn 動作回数
Tm,Tn 期間

Claims (8)

  1. 電池から負荷に流れる電流の第1の積算量を計測する計測回路と、
    前記負荷の動作回数を検出する検出回路と、
    前記動作回数と、前記計測回路が動作する第1の期間の前記第1の積算量とに基づいて、前記計測回路が動作を停止する第2の期間を含む第3の期間の前記電流の第2の積算量を算出する算出回路と、
    を有する電流積算量計測装置。
  2. 前記検出回路は、
    前記電流の増加を検出する電流変化検出回路と、
    前記電流の増加が検出されるたびに、前記動作回数の計数値を増加するカウンタと、
    を有する請求項1に記載の電流積算量計測装置。
  3. 前記算出回路は、前記第1の期間の前記動作回数である第1の値と、前記第2の期間の前記動作回数である第2の値と、前記第1の積算量と、に基づいて前記第2の積算量を算出する、請求項1または2に記載の電流積算量計測装置。
  4. 前記負荷は、第1の動作間隔または前記第1の動作間隔よりも短い第2の動作間隔で環境データを取得するセンサ装置である、請求項1乃至3の何れか一項に記載の電流積算量計測装置。
  5. 電池から負荷に流れる電流の第1の積算量を計測する計測回路と、
    前記負荷の動作回数を検出する検出回路と、
    前記動作回数と、前記計測回路が動作する第1の期間の前記第1の積算量とに基づいて、前記計測回路が動作を停止する第2の期間を含む第3の期間の前記電流の第2の積算量を算出する第1の算出回路と、
    前記第2の積算量と、前記電池の電池容量とに基づいて、前記電池の残量を表す電池残量情報を算出する第2の算出回路と、
    を有する電池残量計測装置。
  6. 通信機能を備えた負荷と、電池から前記負荷に流れる電流の第1の積算量を計測する計測回路と、前記負荷の動作回数を検出する検出回路と、前記動作回数と、前記計測回路が動作する第1の期間の前記第1の積算量とに基づいて、前記計測回路が動作を停止する第2の期間を含む第3の期間の前記電流の第2の積算量を算出する第1の算出回路と、を備え、前記第2の積算量と前記電池の電池容量とに基づいて算出される前記電池の残量を表す電池残量情報、または前記第2の積算量を前記負荷が送信する複数の電子機器と、
    前記複数の電子機器のそれぞれの前記負荷から送信される前記電池残量情報または前記第2の積算量を受信し、前記電池残量情報または前記第2の積算量に基づいて、前記負荷の動作間隔の変更を指示する指示信号を前記複数の電子機器に送信する管理装置と、
    を有する電子機器制御システム。
  7. 前記管理装置は、前記電池残量情報または前記第2の積算量に基づいて、前記複数の電子機器のうち、前記残量の少ない前記電池をもつ第1の電子機器の前記負荷ほど、前記動作間隔を大きくする前記指示信号を送信する、請求項6に記載の電子機器制御システム。
  8. 計測回路が、電池から負荷に流れる電流の第1の積算量を計測し、
    検出回路が、前記負荷の動作回数を検出し、
    算出回路が、前記動作回数と、前記計測回路が動作する第1の期間の前記第1の積算量とに基づいて、前記計測回路が動作を停止する第2の期間を含む第3の期間の前記電流の第2の積算量を算出する、
    電流積算量計測方法。
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