JP2018113055A - ワイヤレス・センシング・デバイスおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械振動を検出し、機械振動に応答して電気信号を生成するように構成されている振動センサを備えたワイヤレス・センシング・デバイスを提供する。
【解決手段】デバイスは、ワイヤレス・センシング・デバイスとリモート・デバイスとの間にワイヤレス接続を確立するのに適しているトランシーバを備えている。トランシーバは、電気信号の少なくとも一部を振動センサから受け取り、電気信号の一部の強度に応じて、オンに切り換わり、無線信号をリモート・デバイスに送信するように構成されている。無線信号は、リモート・デバイスにおいて、結果的な作用をトリガするのに適している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス・センサ・ネットワークの分野に関する。特に、本発明は、ワイヤレス・センサ・ネットワークのためのワイヤレス・センシング・デバイスと、そのようなデバイスを動作させるための方法と、そのようなデバイスを備えているワイヤレス・センサ・ネットワークとに関する。

知られているように、ワイヤレス・センサ・ネットワーク（簡単には、ＷＳＮ）は、複数の空間的に分散されたワイヤレス・センシング・デバイスを備えており、それぞれのデバイスには、１つまたは複数のセンサと、ノードがＷＳＮの他のノードと通信することを可能にする（例えば、ブルートゥース・トランシーバなどの）１つまたは複数の短距離ワイヤレス・トランシーバとが設けられている。

ＷＳＮのワイヤレス・センシング・デバイスにおいて提供されているセンサは、ＷＳＮの応用のタイプに応じて、振動、温度、圧力、光、雑音、汚染物、エネルギなどの物理的または環境的条件をモニタするのに適している。ＷＳＮの最も一般的な応用には、交通モニタリング、家庭内モニタリング、工業プロセスまたは工業プラントのモニタリング、インフラストラクチャまたは建築物の構造モニタリングなどが含まれる。

ＷＳＮにおいては、それぞれのワイヤレス・センシング・デバイスは、それ自体の（１つまたは複数の）センサによって検出される物理的または環境的条件に関係するデータを提供する。そして、それぞれのデバイスは、それ自体のデータを、（それらのデバイスが配列されているトポロジに応じて）おそらくは他のデバイスを経由して、中央ステーションに送信し得る。デバイスは、そのデータを中央ステーションに自発的に送信することがあり得るし、あるいは、その代わりにデバイスによるデータ送信が、中央ステーションによって生成されるクエリによってトリガされることもあり得る。中央ステーションでは、様々なワイヤレス・センシング・デバイスによって提供される情報が収集され、集中化された方法で処理される。

それぞれのワイヤレス・センシング・デバイスは、典型的には、必要とされる電力を、電力幹線から、または、バッテリなどの局所的な電源から引き出す。ワイヤレス・センシング・デバイスの電力消費は、主に、その（１つまたは複数の）センサとその（１つまたは複数の）ワイヤレス・トランシーバとによって消費される電力に起因する。

米国特許出願公開第２０１１／００７４１６２号

本発明の発明者たちは、ＷＳＮのプロバイダがそのデバイスを電力幹線に接続するためには電力を分配している地方当局に承認を求める必要があるという点で、電力幹線によるワイヤレス・センシング・デバイスへの給電は不都合であることに気が付いた。しかし、そのような承認を得るのは、非常に高コストで時間も要する作業になり得るのである。

他方で、ワイヤレス・センシング・デバイスへの給電にバッテリを用いるのは、バッテリは放電し、従って寿命に限度があるという点で、不都合である。デバイスに給電しているバッテリが放電すると、交換される必要が生じる。しかし、この作業には非常に時間を要し（特に、ＷＳＮが広い地域にわたって拡がっている複数のデバイスで構成されている場合）、従って、ＷＳＮの維持コストを上昇させる。更に、そのバッテリを交換するためにワイヤレス・センシング・デバイスにアクセスするのは、デバイスの場所が遠方であるおよび／またはほとんどアクセス不可能な場合には、不便であり得るし、または、不可能であることさえあり得る。更に、バッテリは、環境を汚染する可能性がある化学物質を含む。

以上を鑑みて、本発明の発明者たちは、上述の欠点を克服するワイヤレス・センシング・デバイス（特に、ワイヤレス振動センシング・デバイス）を提供するという課題に直面した。

特に、長い時間的期間にわたって充電または交換することを必要とせず、潜在的に無制限の電力量を供給することが可能で、環境フレンドリな、自律的電源を備えたワイヤレス・センシング・デバイス（特に、ワイヤレス振動センシング・デバイス）を提供することが望まれている。

本明細書において「機械振動」という用語を用いる場合には、ワイヤレス・センシング・デバイスの外部にある物理現象の存在または発生によって生じる振動を意味するものと理解されるべきである。従って、現実のデバイスにおいてデバイス自体の動作そのものによって生じ得る内在的な振動は、無視し得るものと考え、この明細書の文脈における「機械振動」という用語の意味には含まれないものとする。

第１の態様によると、ワイヤレス・センシング・デバイスであって、
機械振動を検出し、機械振動に応答して電気信号を生成するように構成されている振動センサと、
ワイヤレス・センシング・デバイスとリモート・デバイスとの間にワイヤレス接続を確立するのに適しているトランシーバと、を備えており、
トランシーバは、電気信号の少なくとも一部を受け取り、電気信号の少なくとも一部の強度に応じて、オンに切り換わり、無線信号をリモート・デバイスに送信するように構成されている、ワイヤレス・センシング・デバイスが提供される。

好適実施形態によると、振動センサは、振動エネルギ・ハーベスタを備えている。

更に好ましくは、振動エネルギ・ハーベスタは、ハウジングと、ハウジングの内部に配列された第１の質量要素および第２の質量要素と、第２の質量要素に結合されたエネルギ・トランスジューサとを備えており、エネルギ・トランスジューサは、ハウジングと第２の質量要素との間の相対運動によって起動されるように配列されており、相対運動は、第１の質量要素から第２の質量要素に衝突により移転される運動エネルギの少なくとも一部によって励起される。

第１の実施形態によると、センサは、電気信号の少なくとも一部をトランシーバに自動的に供給するように構成されている。

好ましくは、トランシーバは、オンに切り換えられると、無線信号をリモート・デバイスに自動的に送信するように、更に構成されている。

第２の実施形態によると、ワイヤレス・センシング・デバイスは、振動センサとトランシーバとの間に挿入された制御モジュールを更に備えており、制御モジュールは、電気信号が１つまたは複数の所定の要件を充足するかどうかをチェックし、１つまたは複数の所定の要件が充足されている場合には、電気信号の少なくとも一部をトランシーバに供給するように構成されている。

好ましくは、制御モジュールは、無線信号をリモート・デバイスに送信するようにトランシーバに命令するように更に構成されている。

オプションであるが、トランシーバは、電気信号と関係する情報を無線信号に含むように更に構成されている。

第２の態様によると、ワイヤレス・センシング・デバイスを動作させるための方法であって、ワイヤレス・センシング・デバイスは、振動センサと、ワイヤレス・センシング・デバイスとリモート・デバイスとの間にワイヤレス接続を確立するのに適しているトランシーバとを備えており、
ａ）振動センサにおいて、機械振動を検出し、機械振動に応答して電気信号を生成するステップと、
ｂ）トランシーバにおいて、電気信号の少なくとも一部を受け取り、電気信号の少なくとも一部の強度に応じて、オンに切り換わり、無線信号をリモート・デバイスに送信するステップと、
を振動センサにおいて含む方法が提供される。

第１の実施形態によると、ステップｂ）は、振動センサが電気信号を生成すると、トランシーバへの電気信号の少なくとも一部を自動的に受け取るステップを含む。

好ましくは、ステップｂ）は、トランシーバにおいて、トランシーバがオンに切り換わると、無線信号をリモート・デバイスに自動的に送信するステップを更に含む。

第２の実施形態によると、ステップｂ）は、トランシーバにおいて電気信号の少なくとも一部を受け取る前に、電気信号が１つまたは複数の所定の要件を充足するかどうかをチェックするステップと、１つまたは複数の所定の要件が充足されている場合には、トランシーバにおいて、電気信号の少なくとも一部を受け取るステップとを更に含む。

好ましくは、ステップｂ）は、無線信号をリモート・デバイスに送信するようにトランシーバに命令するステップを更に含む。

好ましくは、ステップｂ）は、電気信号と関係する情報を無線信号に含むステップを更に含む。

第３の態様によると、上述した少なくとも１つのワイヤレス・センシング・デバイスを備えているワイヤレス・センサ・ネットワークが提供される。

本発明は、次の添付の図面を参照して読むべき限定ではなく例示によって与えられている詳細な説明を読むことによって、より明確になるであろう。

本発明の第１の実施形態によるワイヤレス・センシング・デバイスの概略図である。 図１のデバイスの動作の流れ図である。 本発明の第２の実施形態によるワイヤレス・センシング・デバイスの概略図である。 図３のデバイスの動作の流れ図である。 本発明の第１または第２の実施形態による複数のワイヤレス・センシング・デバイスを備えたワイヤレス・センサ・ネットワークの概略図である。 図１のデバイスの例示的な応用に関する図である。 図１のデバイスの例示的な応用に関する図である。 図３のデバイスの例示的な応用に関する図である。 図３のデバイスの例示的な応用に関する図である。

図１は、本発明の第１の実施形態によるワイヤレス・センシング・デバイスＷＳＤを示している。

ワイヤレス・センシング・デバイスＷＳＤは、好ましくは、１つまたは複数の振動センサと１つまたは複数のワイヤレス・トランシーバとを備えている。非限定的な例示であるが、図１に示されているデバイスＷＳＤは、１つの振動センサＳと１つの短距離ワイヤレス・トランシーバＴＲＸとを備えている。

振動センサＳは、１自由度ベースの振動検出器および／または複数自由度ベースの振動検出器を用いて振動を検出するように構成されたセンサを備えている。特に好適な実施形態によると、振動センサＳは、機械振動Ｖを電気信号Ｉに、すなわち、電流または電圧に変換するように構成された振動エネルギ・ハーベスタを備えている。振動センサＳは、それを経由して電気信号Ｉを生じる出力ＯＵＴを有する。

より好ましくは、振動センサＳは、参照により本明細書に組み入れられる米国特許出願公開第２０１１／００７４１６２号に記載されている振動エネルギ・ハーベスタを備えている。そのような振動エネルギ・ハーベスタは、より大きな質量の第１の質量要素とより小さな質量の第２の質量要素とを備えており、これらの質量要素は、低摩擦誘導ロッドによってこれらの質量要素が拘束されている直線状経路に沿って弾道的に（ｂａｌｌｉｓｔｉｃａｌｌｙ）移動する（「弾性的に」とは、質量要素の運動が、それら自体の運動量、重力、擬似重力（ｐｓｅｕｄｏ−ｇｒａｖｉｔｙ）によって支配されるが、摩擦および印加された力によっては支配されないことを意味する）。質量要素と誘導ロッドとは、誘導ロッドが固定されているハウジングの内部に含まれている。質量要素間およびそれぞれの質量要素とハウジングとの間の衝突における非弾性的なエネルギ損失を防止するために、バネ要素が提供されている。エネルギの変換は、質量要素の変位軸と同心円的なソレノイド・コイルによって提供される。第２の質量要素は、永久磁石で構成されている。第２の質量要素が運動を開始すると、電磁誘導により、出力電圧が生成される。動作の間、ハウジングは、機械的擾乱（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）の外部ソースと接触している。ハウジングが機械的撹拌状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｇｉｔａｔｉｏｎ）にあるときには、運動エネルギが、速度乗算原理（ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ）に従って、第１の質量から第２の質量に衝突により移転される。コイルはハウジングに対して固定されているので、第２の質量要素とハウジングとの間の相対運動は、第２の質量要素とコイルとの間の相対運動と等価である。この相対運動によって、出力電圧が誘導されるのである。このような振動エネルギ・ハーベスタは、広範囲の動作周波数帯域幅を提供し、従って、機械振動が広い範囲の周波数にわたって存在し得る現実的な応用に特に適するという点で、特に優れている。

短距離ワイヤレス・トランシーバＴＲＸは、例えば、更なるワイヤレス・センシング・デバイスや、デバイスＷＳＤから受信された情報に基づいて動作するように構成されているリモート中央局など、好ましくは、ワイヤレス・センシング・デバイスＷＳＤとリモート・デバイスとの間のワイヤレス接続を実装するように構成されている。トランシーバＴＲＸは、例えば、ブルートゥース・トランシーバまたはＷｉ−Ｆｉトランシーバを備え得る。トランシーバＴＲＸは、好ましくは、振動センサＳの出力ＯＵＴに接続されている入力ＩＮを備えており、本明細書で詳細に後述されるように、この入力ＩＮを通して、振動センサＳによって放出される電気信号Ｉが供給される。

デバイスＷＳＤは他のコンポーネントを備えていることがあり得るが、それらは本発明と関連しないため、図１には示されていない。更に、図面に示されていない実施形態によると、デバイスＷＳＤは、センサＳの出力ＯＵＴとトランシーバＴＲＸの入力ＩＮとの間に挿入された電圧アクチュエータ（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ）を備えていることがあり得るが、この電圧アクチュエータは、トランシーバＴＲＸに供給するのに適するように電気信号Ｉを処理するのに適している。

ここで、デバイスＷＳＤの動作について、図２の流れ図を参照しながら、詳細に説明される。

デバイスＷＳＤの周囲の環境に機械振動が存在しないのであれば、振動センサＳは、どのような機械振動を受けることもなく、従って、いかなる電気信号も生成しない（ステップ２１）。トランシーバＴＲＸには、従って、いかなる電力も供給されず、結果的にオフに切り換えられたままである（ステップ２２）。

デバイスＷＳＤの周囲の環境で機械振動Ｖが生じると、振動センサＳがその機械振動Ｖを電気信号Ｉに変換する、すなわち、換言するならば、機械振動Ｖに応答して電気信号Ｉを生成する（ステップ２３）。振動センサＳは、次に、電気信号ＩをトランシーバＴＲＸに供給する。電気信号Ｉの強度がトランシーバＴＲＸに給電するのに十分である場合には、トランシーバＴＲＸはオンに切り換わる（ステップ２４）。電気信号Ｉの強度がトランシーバＴＲＸに給電するのには十分でない場合には、トランシーバＴＲＸはオフに切り換えられたままである（このステップは図示されていない）。

いったんオンに切り換えられると、トランシーバＴＲＸは、好ましくは、無線信号ＲＳを、上述されたリモート・デバイスに自動的に送信する（ステップ２５）。無線信号ＲＳは、機械的信号Ｖの存在を示しており、好ましくは、リモート・デバイスにおいて適切な反応をトリガするのに適している。無線信号ＲＳのコンテンツとリモート・デバイスの結果的な反応とは、本明細書において詳細に後述されるように、ワイヤレス・センサ・デバイスＷＳＤのアプリケーションに左右される。例えば、無線信号ＲＳは、リモート・デバイスにおいて受信されると、リモート・デバイスをアラート状態に導く、覚醒状態に導く、またはその機能を変更させるアラーム・メッセージを含み得る。

従って、デバイスＷＳＤにおいては、振動センサＳは、デバイスそれ自体のための、および、特にトランシーバＴＲＸのための局所的な電源として作用する。機械振動が存在しない場合には、振動センサＳは、いかなる電力を生成することもなく、従って、デバイスＷＳＤはオフに切り換えられたままの状態にある。機械振動が存在する場合には、振動センサＳは、その振動を、トランシーバＴＲＸに給電し得る電力に変換することにより、そのオンへの切り換えと無線信号ＲＳの送信とをトリガする。

電力の局所的ソースとして振動センサＳを用いることは、振動センサは、バッテリとは異なり、充電や交換をまったく必要とせずに潜在的に無制限の量の電力を供給し得るという点で、優れている。バッテリの充電や交換に起因するメンテナンス費用は、従って、好都合なことに回避される。ここで用いられている「無制限」という用語は、例えばバッテリの場合のように電源の充電や交換が要求されず、必要なときにはいつでも電力供給が可能であることを意味する。

更に、振動センサＳは、環境を汚染する可能性があるいかなる化学物質も含まないため、環境フレンドリなエネルギ源である。

更に、デバイスＷＳＤは、必要とされるときにだけ、すなわち、リモート・デバイスに報告されなければならないイベントが発生するとき（すなわち、機械振動Ｖが発生するとき）にだけ、オンに切り換えられるのであるから、デバイスＷＳＤの電力消費は好都合に最小化される。それ以外の場合には、デバイスＷＳＤはオフに切り換えられたままの状態であり、従って、電力をまったく消費しない。その上に、デバイスＷＳＤは、本明細書において更に詳細に後述されるように、必要とされるときにだけオンへの切り換えすなわちスリープ・モードから動作モードへの切り換えをトリガするのであるから、リモート・デバイスの電力消費もまた好都合に最小化される。

センシング機能と給電機能とが同一のコンポーネントに一体化されている、すなわち、機械振動Ｖを検出すると共にそれをトランシーバＴＲＸに供給される電力に同時に変換する振動センサＳに一体化されているのであるから、デバイスＷＳＤもまた優れて効率的である。

図３は、本発明の第２の実施形態によるワイヤレス・センシング・デバイスＷＳＤ’を示している。

図１のワイヤレス・センシング・デバイスＷＳＤと同様に、ワイヤレス・センシング・デバイスＷＳＤ’は、好ましくは、１つまたは複数の振動センサと１つまたは複数のワイヤレス・トランシーバとを備えている。非限定的な例示であるが、図３のデバイスＷＳＤ’もまた、１つの振動センサＳ’と１つの短距離ワイヤレス・トランシーバＴＲＸ’とを備えている。

振動センサＳ’と短距離ワイヤレス・トランシーバＴＲＸ’とは、図１の振動センサＳとワイヤレス・トランシーバＴＲＸとに実質的に類似している。よって、詳細な説明は、繰り返さない。振動センサＳ’は機械振動Ｖ’を電気信号Ｉ’に変換しその出力ＯＵＴ’を通じてそれを生じるように構成されている、ということだけが述べられる。特に、振動センサＳ’は、好ましくは、１自由度または複数自由度の振動エネルギ・ハーベスタに基づく振動エネルギ・バーベスタを、更に好ましくは、米国特許出願公開第２０１１／００７４１６２号に記載されている振動エネルギ・ハーベスタを備えている。他方で、トランシーバＴＲＸ’は、入力ＩＮ’を備えている。本明細書で詳細に後述されるように、この入力ＩＮ’を通過して、振動センサＳ’によって生じた電気信号Ｉ’の一部が、特定の条件の下で供給され得る。

振動センサＳ’とトランシーバＴＲＸ’とに加え、デバイスＷＳＤ’は、また、制御モジュールＣＭ’も備えている。制御モジュールＣＭ’は、好ましくは、振動センサＳ’とトランシーバＴＲＸ’との間に置かれており、すなわち、振動センサＳ’の出力ＯＵＴ’に接続された入力と、トランシーバＴＲＸ’の入力ＩＮ’に接続された出力とを有する。制御モジュールＣＭ’とトランシーバＴＲＸ’とは、また、データ・リンクＤＬ’によって相互に接続されている。

制御モジュールＣＭ’は、１つまたは複数のハードウェア・コンポーネントと、更に１つまたは複数のソフトウェア・コンポーネントとを備え得るのであるが、ハードウェア・コンポーネントは、適当なソフトウェア・コンポーネントと協働してソフトウェアを実行することができる。制御モジュールＣＭ’は、１つまたは複数の専用プロセッサを備えていることがあり得る。更に、制御モジュールＣＭ’は、これらに限定されることはないが、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェアと、ネットワーク・プロセッサと、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）と、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）と、ソフトウェアを記憶するためのリード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）と、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）と、不揮発性ストレージ・デバイスとを備え得る。

次に、デバイスＷＳＤ’の動作について、図４の流れ図を参照しながら詳細に説明される。

デバイスＷＳＤ’の周囲の環境において機械振動が存在しない場合には、振動センサＳ’は、いかなる機械振動も受け取ることがなく、従って、いかなる電気信号も生成しない（ステップ２１’）。制御モジュールＣＭ’とトランシーバＴＲＸ’とには、従って、いかなる電力も供給されず、結果的に、オフに切り換えられたままの状態である（ステップ２２’）。

デバイスＷＳＤ’の周囲の環境で機械振動Ｖ’が生じると、振動センサＳ’がその機械振動Ｖ’を電気信号Ｉ’に変換する、すなわち、換言するならば、機械振動Ｖ’に応答して電気信号Ｉ’を生成する（ステップ２３’）。次に、振動センサＳ’は、電気信号Ｉ’を制御モジュールＣＭ’に供給し、それに従い制御モジュールＣＭ’はオンに切り換わる（ステップ２３ａ’）。

そして、制御モジュールＣＭ’は、好ましくは、トランシーバＴＲＸ’のオンへの切り換えと無線信号の送信とをトリガするための１つまたは複数の所定の要件を電気信号Ｉ’が満たすかどうかをチェックする（ステップ２３ｂ’）。

この所定の要件は、本明細書において詳細に後述されるように、アプリケーションのタイプに左右される。例えば、制御モジュールＣＭ’は、機械振動Ｖ’の振幅を示す電気信号Ｉ’の強度が所定のスレショルドを上回るかどうかをチェックすることがあり得る。あるいは、制御モジュールＣＭ’は、機械振動Ｖ’の周波数スペクトルを示す電気信号Ｉ’の周波数スペクトルがある形状要件を満たすかどうかをチェックすることがあり得る。

ステップ２３ｂ’でチェックされた１つまたは複数の所定の要件が満足されると、制御モジュールＣＭ’は、好ましくは、（制御モジュールＣＭ’に供給するのに用いられない）電気信号Ｉ’の一部Ｉ１’を、トランシーバＴＲＸ’に供給する。電気信号の一部Ｉ１’の強度が十分である場合には、トランシーバＴＲＸ’がオンに切り換わる（ステップ２４’）。そうでない場合には、トランシーバＴＲＸ’は、（例えば、振動強度の上昇に起因して）電気信号の一部Ｉ１’の強度がそれに給電するのに十分となるまで、オフに切り換えられた状態のままに留まる。

トランシーバＴＲＸ’がオンに切り換わると、制御モジュールＣＭ’は、好ましくは、無線信号ＲＳ’を上述したリモート・デバイスに送信するように、トランシーバＴＲＸ’に命令する（ステップ２５’）。好ましくは、ステップ２５’は、制御モジュールＣＭ’からデータ・リンクＤＬ’を経由してトランシーバＴＲＸ’まで適切なコマンド信号ＣＳ’を送ることを含む。

無線信号ＲＳ’は、電気信号Ｉ’に関する所定の要件が充足されているという事実を示し、好ましくは、リモート・デバイスにおいて適切な反応をトリガするのに適している。無線信号ＲＳ’のコンテンツとリモート・デバイスの結果的な反応とは、本明細書において詳細に後述されるように、ワイヤレス・センサ・デバイスＷＳＤ’のアプリケーションに左右される。

例えば、無線信号ＲＳ’は、リモート・デバイスにおいて受信されると、リモート・デバイスをアラート状態に導く、覚醒状態に導く、またはその機能を変更させるアラーム・メッセージを含み得る。あるいは、または、それに加えて、無線信号ＲＳ’は、電気信号Ｉ’と関係する情報（例えば、周波数スペクトルおよび／または振幅）を含み得る。電気信号の一部Ｉ’に関係するそのような情報は、ステップ２３ｂ’において実行される処理の結果として、制御モジュールＣＭ’によって提供され得る。更に、そのような情報は、トランシーバＴＲＸ’がオンに切り換えられることを制御モジュールＣＭ’が判断するまで、デバイスＷＳＤ’に含まれているメモリに記憶され得る。そして、それらは、好ましくは、制御モジュールＣＭ’からトランシーバＴＲＸ’に送信されるコマンド信号ＣＳ’に含まれている。

ステップ２３ｂ’においてチェックされた１つまたは複数の所定の要件が充足されていない場合には、制御モジュールＣＭ’は、好ましくは、どの他の作用も実行しない。トランシーバＴＲＸ’には、どのような電流も供給されず、従って、オフに切り換えられたままの状態に留まる。

従って、本発明の第２の実施形態によると、振動センサＳ’は、デバイスＷＳＤ’それ自体のための、および、特に制御モジュールＣＭ’とトランシーバＴＲＸ’とのための局所的な電源として作用する。機械振動が存在しない場合には、振動センサＳ’は、いかなる電力を生成することもなく、従って、デバイスＷＳＤ’はオフに切り換えられたままの状態にある。機械振動が存在する場合には、振動センサＳ’は、その振動を、制御モジュールＣＭ’に供給する電力に変換する。すると、制御モジュールＣＭ’は、（１つまたは複数の）所定の要件が充足されているかどうかをチェックし、充足されている場合にはトランシーバＴＲＸ’に供給されることにより、そのオンへの切り換えと無線信号ＲＳ’の送信とをトリガする。

よって、第１の実施形態によると、トランシーバＴＲＸは、（電気信号Ｉの強度がそれに給電するのに十分であると仮定して）どのようなものであっても振動Ｖが検出されると自動的に給電されるのであるが、第２の実施形態によると、ワイヤレス・センシング・デバイスＷＳＤ’は、検出された振動Ｖ’に関係する情報を自律的に処理し、その処理の結果に基づいてトランシーバＴＲＸ’に給電すべきかどうかを判断する能力を有する。

この第２の実施形態によるデバイスＷＳＤ’は、デバイスＷＳＤと同じ長所を提供するのである。すなわち、振動センサによって提供されるグリーン電力の量が潜在的に無制限であること、デバイスＷＳＤ’それ自体とリモート・デバイスとの電力消費が最小化されていること（制御モジュールとトランシーバとは必要なときにだけオンに切り替えられる）、およびデバイス効率（センシング機能と給電機能とが同一のコンポーネントの中に一体化されている）が提供される。

上述されたワイヤレス・センシング・デバイスＷＳＤおよびＷＳＤ’は、有利であることに、様々な応用のためにワイヤレス・センサ・ネットワークに含まれ得る。

図５は、複数（非限定的な例示として４とする）のワイヤレス・センサ・デバイスＷＳＤ１、ＷＳＤ２、ＷＳＤ３、ＷＳＤ４を備えたワイヤレス・センサ・ネットワークＷＳＮを示している。ワイヤレス・センサ・デバイスＷＳＤ１、ＷＳＤ２、ＷＳＤ３、ＷＳＤ４は、応用のタイプに応じて、図１のデバイスＷＳＤまたは図３のデバイスＷＳＤ’に、類似し得る。デバイスＷＳＤ１、ＷＳＤ２、ＷＳＤ３、ＷＳＤ４は、好ましくは、ルートがデバイスＷＤ１であるツリー・トポロジに従って、ワイヤレス・リンク経由で、互いに相互接続されている。デバイスＷＳＤ１、ＷＳＤ２、ＷＳＤ３、ＷＳＤ４は、どのような既知のネットワーク・トポロジ（スター、メッシュ、バスなど）に従っても接続され得るのであるから、これは単なる例示である。

ワイヤレス・センサ・ネットワークＷＳＮは、また、デバイスＷＳＤ１に（好ましくは、ワイヤード・リンクを経由して）接続されたネットワーク管理システムＮＭＳを備えている。

デバイスＷＳＤ１は、好ましくは、コンセントレータまたはゲートウェイとして作用するのであるが、これは、他のデバイスＷＳＤ２、ＷＳＤ３、ＷＤＳ４から情報を収集し、オプションであるが、収集された情報の処理を実行して、それらをネットワーク管理システムＮＭＳに送る。ネットワーク管理システムＮＭＳは、好ましくは、デバイスＷＳＤ１から情報を受け取り、それらを処理して、例えばアラームを送るなどの結果的に生じる管理作用を実行する。

ここで、本発明の第１の実施形態によるデバイスＷＳＤの例示的な応用が、図６ａおよび図６ｂを参照して説明される。

図６ａは、道路の片側に配置され、その道路に関係する（例えば、道路混雑または移動時間など）リアルタイムの交通情報を提供するように構成されている交通モニタリング・デバイス２００を示している。交通モニタリング・デバイス２００は、好ましくは、モニタリング対象の道路に沿って通過する車両から情報を受け取るように構成されている（ブルートゥース・トランシーバなどの）ワイヤレス・トランシーバと、その情報を処理するように構成されている処理モジュールとを備えている。

本発明の第１の実施形態によるワイヤレス振動センシング・デバイスＷＳＤは、好ましくは、交通モニタリング・デバイス２００の近傍の道路脇に配置される。特に、デバイスＷＳＤは、（図６ａでは矢印２０１によって示されている）車両の進行方向に沿った方向の交通モニタリング・デバイス２００よりも前方に、配置されている。デバイスＷＳＤは、同じ道路に沿って分布する異なる地点に関するまたは別の道路に関するデータを収集するように構成されているワイヤレス・センシング・ネットワークに含まれ得る。

デバイスＷＳＤは、地面の振動を検出するように構成されている。

特に、図６ｂに示されているように、デバイスＷＳＤに近接する道路に沿って車両が通過しないときには、デバイスＷＳＤに含まれている振動センサＳによって提供される電気信号Ｉ（ｔ）は、上側の時間ダイアグラム（ａ）に示されているように、実質的にゼロである。デバイスＷＳＤのトランシーバＴＲＸは、従って、オフに切り換えられたままの状態にある。

デバイスＷＳＤに近接する道路に沿って自動車２０２が通過するときには、振動センサＳによって提供される電気信号Ｉ（ｔ）は、下側の時間ダイアグラム（ｂ）に示されているように、時間変動する振動振幅と関係する時間変動する強度を有する。電気信号Ｉ（ｉ）は、デバイスＷＳＤのトランシーバＴＲＸに供給され、トランシーバＴＲＸは、それに従ってオンに切り換わり、自動的に、無線信号ＲＳを交通モニタリング・デバイス２００に送信する。

道路に沿って車両が通過しないときには、好ましくは、交通モニタリング・デバイス２００は、スリープ・モードにある。スリープ・モードでは、そのワイヤレス・トランシーバだけがアクティブであり、他方で、その処理モジュールと可能性のある他のコンポーネントとは、オフに切り換えられたままの状態にある。車両が道路に沿って通過すると、交通モニタリング・デバイス２００は、そのワイヤレス・トランシーバを経由して、デバイスＷＳＤによって送信された無線信号ＲＳを受信するのであるが、その無線信号を受信すると、スリープ・モードから覚醒モードに切り換わる。覚醒モードでは、（処理モジュールを含む）デバイス２００のすべてのコンポーネントがオンに切り換わり、車両２０２から受信された情報を処理する。

このようにして、ワイヤレス振動センシング・デバイスＷＳＤにより、好都合であることに、必要であるとき以外、すなわち、情報が収集されるべき自動車が通過するとき以外は、交通モニタリング・デバイス２００をスリープ・モードに維持しておくことが可能になる。これにより、特に車両の通行がそれほど頻繁でない道路では、またオフピークの時間においては、デバイス２００の電力消費を減少させることが可能になる。

交通モニタリング・デバイス２００をスリープ・モードから覚醒モードに切り換えるという上述した機能に加えて、または、それとは別に、デバイスＷＳＤは、通過する車両の台数を推定することや、速度カメラをスリープ・モードから覚醒モードに切り換えることなどにも用いられ得る。デバイスＷＳＤの代わりに、第２の実施形態によるデバイスＷＳＤ’が設けられることがあり得るが、このデバイスＷＳＤ’は、（自動車、バス、トラックなど）車両のタイプを判断することや、車両の重量がある所与のスレショルドを超えるかどうかを判断することなど、より高度な機能を実行し得る。

デバイスＷＳＤまたはＷＳＤ’と類似する更に別のワイヤレス振動センシング・デバイスが、車両２０２上に配置されることもあり得る。車両の振動が検出されると、そのようなデバイスＷＳＤのトランシーバは、オンに切り換わり、（例えば、識別子など）その車両に関する情報を含む無線信号ＲＳを、交通モニタリング・デバイス２００に送信し得る。複数のデバイス２００が道路に沿って分布されている場合には、様々なデバイス２００によって収集された車両に関する情報により、例えば平均速度など、その車両に関する詳細な情報を提供することが可能になる。それに加えて、または、あるいは、そのようなデバイスＷＳＤは、（例えば、ホイール・バランス／圧力などの）車両の動作条件を検出し得る。

次に、本発明の第２の実施形態によるデバイスＷＳＤ’の例示的な応用が、図７ａおよび図７ｂを参照して、説明される。

図７ａは、２つのタービン・ブレード１０１、１０２を備えたウインド・タービン１００を示している。ウインド・タービン１００は、更に、本発明の第２の実施形態による振動ワイヤレス・センシング・デバイスＷＳＤ’を備えている。デバイスＷＳＤ’は、好ましくは、タービン・ブレードの一方１０１の端部に配置されている。デバイスＷＳＤ’は、リモート・コントロール・ステーション（図７ａには示されていない）とワイヤレスで通信するように構成されている。デバイスＷＳＤ’は、いくつかのウインド・タービンと関係するデータを収集するように構成されているワイヤレス・センシング・ネットワークに含まれることがあり得る。

デバイスＷＳＤ’は、タービン・ブレード１０１によって経験される機械振動Ｖ’を連続的に検出する。

図７ｂに示されているように、タービン・ブレード１０１が適切に動作しているときには、デバイスＷＳＤ’に含まれている振動センサＳ’によって提供される電気信号Ｉ’（ｔ）は、既知の所定の形状を有しており、これは、上側の時間ダイアグラム（ａ）に示されている。ブレード１０１が損傷を受けると、振動センサＳ’によって提供される電気信号Ｉ’（ｔ）は、下側の時間ダイアグラム（ｂ）に示されているように、上側のダイアグラム（ａ）の既知の形状と比較すると、変形を生じる。

デバイスＷＳＤ’に含まれている制御モジュールＣＭ’が、好ましくは、ダイアグラム（ａ）の既知の所定の形状との比較における変形の存在を判断する（図４における流れ図のステップ２３ｂ’）。変形が存在しなければ、デバイスＷＳＤ’のトランシーバＴＲＸ’には電力は供給されず、従って、トランシーバＴＲＸ’はオフに切り換えられた状態のままである。変形が生じると、デバイスＷＳＤ’の制御モジュールＣＭ’はトランシーバＴＲＸ’に給電し、それに従い、トランシーバＴＲＸ’はオンに切り換わり（図４における流れ図のステップ２４’）、無線信号ＲＳ’をリモート・コントロール・ステーションに送信する（図４における流れ図のステップ２５’）。リモート・コントロール・ステーションは、これにより、タービン・ブレード１０１が損傷を受けたという事実を、告知される。この情報が、タービン１００の将来の故障を予測するのに、有利に用いられ得る。

この例示的な応用におけるデバイスＷＳＤ’の使用は特に有利なのであるが、その理由は、ウインド・タービンは遠隔地にある辺鄙な地域に配置されることが多く、そのような地域では、電気幹線が利用可能でないまたは信頼性が低いことがあり得るからである。振動センサＳ’によって提供される電力Ｉ’がデバイスＷＳＤ’の電力需要を超える場合には、超える分の電力は、ウインド・タービン１００によって発電される電力と有利に合流させられ得る。

ワイヤレス・センシング・デバイスＷＳＤおよびＷＳＤ’は、いくつかの他の応用に用いられ得る。例えば、それらは、作業員がさらされる振動の強度が関連の規則に従っているかどうかを判断するのに用いられ得る。

あるいは、ワイヤレス・センシング・デバイスＷＳＤまたはＷＳＤ’は、歴史的建造物、スポーツ施設、スタジアムなどを振動に起因する損傷から保護するためにも用いられ得る。そのような場合には、振動が生じるまたは所与のスレショルドを超えるときには、デバイスＷＳＤまたはＷＳＤ’のトランシーバが、緊急コールをトリガする無線信号を、リモート・コントロール・ステーションに送信する。

また、デバイスＷＳＤは、ドア・ノッカとして、有利に用いられ得る。だれかがドアをノックすると、デバイスＷＳＤが、ドアの振動を、そのワイヤレス・トランシーバに供給される電力に変換し、そのワイヤレス・トランシーバがオンに切り換わり、起動信号を、アパートに配置されているリモート・ベルに自動的に送信する。

すべてのこのような応用において、デバイスＷＳＤまたはＷＳＤ’は以下の長所を提供するのである。すなわち、振動センサによって提供されるグリーン電力の量が潜在的に無制限であること、電力消費が最小化されていること（制御モジュールとトランシーバとは必要なときにだけオンに切り替えられる）、およびデバイス効率（センシング機能と給電機能とが同一のコンポーネントの中に一体化されている）が提供される。

Claims (17)

1. ワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ，ＷＳＤ’）であって、
   機械振動（Ｖ，Ｖ’）を検出し、前記機械振動（Ｖ，Ｖ’）に応答して電気信号（Ｉ，Ｉ’）を生成するように構成されている振動センサ（Ｓ，Ｓ’）と、
   前記ワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ，ＷＳＤ’）とリモート・デバイスとの間にワイヤレス接続を確立するのに適しているトランシーバ（ＴＲＸ，ＴＲＸ’）と、を備えており、
   前記トランシーバ（ＴＲＸ，ＴＲＸ’）は、前記電気信号（Ｉ，Ｉ’）の少なくとも一部（Ｉ，Ｉ１’）を受け取り、前記電気信号（Ｉ，Ｉ’）の前記少なくとも一部（Ｉ，Ｉ１’）の強度に応じて、オンに切り換わり、無線信号（ＲＳ）を前記リモート・デバイスに送信する、ワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ，ＷＳＤ’）。
2. 前記振動センサ（Ｓ，Ｓ’）は振動エネルギ・ハーベスタを備えている、請求項１に記載のワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ，ＷＳＤ’）。
3. 前記振動エネルギ・ハーベスタは、ハウジングと、前記ハウジングの内部に配列された第１の質量要素および第２の質量要素と、前記第２の質量要素に結合されたエネルギ・トランスジューサとを備えており、前記エネルギ・トランスジューサは、前記ハウジングと前記第２の質量要素との間の相対運動によって起動されるように配列されており、前記相対運動は、前記第１の質量要素から前記第２の質量要素に衝突により移転される運動エネルギの少なくとも一部によって励起される、請求項２に記載のワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ，ＷＳＤ’）。
4. 前記振動センサ（Ｓ）は、前記電気信号（Ｉ）の前記少なくとも一部（Ｉ）を前記トランシーバ（ＴＲＸ）に自動的に供給するように構成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ）。
5. 前記トランシーバ（ＴＲＸ）は、オンに切り換えられると、前記無線信号（ＲＳ）を前記リモート・デバイスに自動的に送信するように更に構成されている、請求項４に記載のワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ）。
6. 前記振動センサ（Ｓ’）と前記トランシーバ（ＴＲＸ’）との間に挿入された制御モジュール（ＣＭ’）を更に備えており、前記制御モジュール（ＣＭ’）は、前記電気信号（Ｉ’）が１つまたは複数の所定の要件を充足するかどうかをチェックし、前記１つまたは複数の所定の要件が充足されている場合には、前記電気信号（Ｉ’）の前記少なくとも一部（Ｉ１’）を前記トランシーバ（ＴＲＸ’）に供給するように構成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ’）。
7. 前記制御モジュール（ＣＭ’）は、前記無線信号（ＲＳ’）を前記リモート・デバイスに送信するように前記トランシーバ（ＴＲＸ’）に命令するように更に構成されている、請求項６に記載のワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ’）。
8. 前記トランシーバ（ＴＲＸ’）は、前記電気信号（Ｉ’）と関係する情報を前記無線信号（ＲＳ’）に含むように更に構成されている、請求項７に記載のワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ’）。
9. 前記振動センサ（Ｓ）は、前記機械振動を電力に変換することによって前記デバイス（ＷＤＳ，ＷＤＤ’）のための局所的な電源として作用するように構成されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のワイヤレス・センシング・デバイス。
10. 前記振動センサ（Ｓ，Ｓ’）は複数自由度ベースの機械振動を検出するように構成されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のワイヤレス・センシング・デバイス。
11. ワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ，ＷＳＤ’）を動作させるための方法であって、前記ワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ，ＷＳＤ’）は、振動センサ（Ｓ，Ｓ’）と、前記ワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ，ＷＳＤ’）とリモート・デバイスとの間にワイヤレス接続を確立するのに適しているトランシーバ（ＴＲＸ，ＴＲＸ’）とを備えており、前記方法は、
    ａ）前記振動センサ（Ｓ，Ｓ’）において、機械振動（Ｖ，Ｖ’）を検出し、前記機械振動（Ｖ，Ｖ’）に応答して電気信号（Ｉ，Ｉ’）を生成するステップと、
    ｂ）前記トランシーバ（ＴＲＸ，ＴＲＸ’）において、前記電気信号（Ｉ，Ｉ’）の少なくとも一部（Ｉ，Ｉ１’）を受け取り、前記電気信号（Ｉ，Ｉ’）の前記少なくとも一部（Ｉ，Ｉ１’）の強度に応じて、オンに切り換わり、無線信号（ＲＳ）を前記リモート・デバイスに送信するステップと、
    を含む方法。
12. 前記ステップｂ）は、前記トランシーバ（ＴＲＸ’）において前記電気信号（Ｉ’）の前記少なくとも一部（Ｉ１’）を受け取る前に、前記電気信号（Ｉ’）が１つまたは複数の所定の要件を充足するかどうかをチェックするステップと、前記１つまたは複数の所定の要件が充足されている場合には、前記トランシーバ（ＴＲＸ’）において、前記電気信号（Ｉ’）の前記少なくとも一部（Ｉ１’）を受け取るステップとを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ステップｂ）は、前記無線信号（ＲＳ’）を前記リモート・デバイスに送信するように前記トランシーバ（ＴＲＸ’）に命令するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ステップａ）は、前記電気信号（Ｉ’）と関係する情報を前記無線信号（ＲＳ’）に含ませるステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記振動センサ（Ｓ）は、前記機械振動を電力に変換することによって前記デバイス（ＷＤＳ，ＷＤＳ’）のための局所的な電源として作用する、請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記振動センサ（Ｓ，Ｓ’）は複数自由度ベースの機械振動を検出するように構成されている、請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の少なくとも１つのワイヤレス・センシング・デバイス（ＷＳＤ１，ＷＳＤ２，ＷＳＤ３，ＷＳＤ４）を備えているワイヤレス・センサ・ネットワーク（ＷＳＮ）。