JP2018518693A - 情報処理機能を有する物質モニタリングシステムおよび物質モニタリング方法 - Google Patents

Abstract

物質の性状に応じた電気特性に関するクラウドデータベースと、同物質の電気特性を測定するモニタリング装置とにより同物質の性状をモニタリングするシステム。ワインやその他のアルコール類の熟成と発酵のプロセスがモニタリング可能である。食品の状態や劣化をモニタリングすることもでき、容器内で化学反応の進行状態をモニタリングすることもできる。水道管内の水質をモニタリングすることもできる。これらの物質の性状は、モニタリング装置に表示され、外部コンピュータ装置に送信される。

Description

本出願は、2015年6月12日に出願された米国特許出願第62／174,918号の優先権を主張するもので、その全内容は本出願に記載されている。

本発明は、物質（マテリアル）モニタリングに関するものであり、特に、対象となる物質の性状を電気特性を介してモニタリングするシステムとその方法に関するものである。

今日、多くの製品が市場で販売されているが、それらは時間の経過とともに変化する性質を持っていたり、消費期限が過ぎてしまったり、あるいは汚染されてしまう物質を含んでいる場合がある。一般的に、消費者はこのような製品が購入される前と後、あるいは配達される前と後における状態、および性質をモニタリングする確たる方法を持っていない。このような製品には、飲料、特に時間の経過によってその性質が変化するワイン類が知られている。また別の製品としては、食品があげられる。飲料および食品に共通する問題としては、腐敗・劣化、消費期限、熟成期、あるいは風味の一番良い時期を看過してしまうことがあげられる。また別の製品としては、給水やボトルで配達される水があげられる。このような水の問題としては汚染が考えられ、水の風味が損なわれたり、時には健康に影響を及ぼすことも考えられる。

飲料や食品に関しては、製造業者によっては、消費期限を設定し、あるいはその製品の製造日を表示して、その製品が劣化する日や理想とされる消費期限に関しておおよその基準を示しているところもある。しかしながら、一般消費者は、パッケージ内の製品が消費可能な状態であり、製造業者が開示する製品の性質がそれに一致すると信じるしかないのが現状である。

また、時間の経過とともに性質が変化する別の物質としては、化学製品がある。化学製品に関する物質の変化は、環境的な要因により誘発されたり、偶発的に引き起こされたりする場合がある。それらには、蒸発のような物理的プロセスの変化により起こるものの他、イオン交換やその他の反応のように、進行する化学反応プロセスによって引き起こされるものもある。購入者にとって、化学物質は、特定の性質がある特定範囲に保たれている場合においてのみ有用である。

飲料、食品などの物質をモニタリングする従来の解決策としては、これらの製品を侵襲的に検査する方法（直接接触して検査する方法）、あるいは製品から放出されるガス・蒸気を測定する方法が用いられる。これらの方法を行う際、通常、容器は開けられた状態である必要があるため、製品の状態が変化し、多くの場合、劣化プロセスを加速させてしまう場合がある。さらに、製品から放出されるガス・蒸気を基準にする方法は間接的であり、正確性に欠け、必要な性状を調べることができない場合も考えられる。

本発明の目的は、物質の性状をモニタリングする新規システムとその方法を提供することであり、先行技術のデメリットを少なくとも一つは未然に防ぎ、あるいは軽減することを目的とする。

そのために、本願発明は、対象となる物質を非侵襲的に（直接接触しない方法で）測定し、これらの測定データを外部コンピュータ装置に送信することにより、物質の性状を記憶、計算、モニタリング、および判定するという、物質モニタリングシステムとその方法を提供しようとするものである。

本発明では、物質の性状をモニタリングするシステムを提供する。すなわち、本発明のシステムは、物質の性状をモニタリングするシステムであって、
モニタリング対象となる物質を収容するための収容部と、この収容部に連通する開口部とを有する容器と、

前記容器の開口部に設けられるストッパであって、前記収容部の外側に外端を有し、前記収容部の内側に内端を有しており、加えて、
前記ストッパの内端に設けられ、前記物質の電気特性を計測するための入力電極と出力電極を有するセンサ装置と、
前記物質の電気特性に応じた測定データを送信する通信装置と、
前記センサ装置および前記通信装置に接続された電気回路と、
前記センサ装置、前記通信装置および前記電気回路に電力供給するための電源と、
前記記センサ装置、前記通信装置および前記電気回路が収納され、前記容器から前記物質が漏出するのを防ぐように形成されたストッパ本体と、を備えた前記ストッパと、

前記容器から隔離された場所にあり、前記ストッパの前記通信装置との間でデータ通信可能な外部コンピュータ装置であって、前記物質の性状に応じた少なくとも一つ以上の電気特性に関するライブラリデータを含むデータベースを格納するように構成された外部コンピュータ装置と、
を備える。

本発明では、物質の性状をモニタリングする他のシステムを提供する。すなわち、本発明の他のシステムは、
物質の性状をモニタリングするシステムであって、
前記物質の少なくとも一つ以上の電気特性を測定するために前記物質に接触するように構成された入力電極と出力電極とを備えたセンサ装置と、
前記物質の電気特性に応じた測定データを送信する通信装置と、
前記センサ装置および前記通信装置に接続された電気回路と、
前記センサ装置、前記通信装置および前記電気回路に電力供給するための電源と、
内端および外端を有する本体であって、前記記センサ装置、前記通信装置および前記電気回路が収納され、前記内端に前記センサ装置が配置される本体と、
を備える。

本発明では、物質の性状をモニタリングする方法を提供する。すなわち、本発明の方法は、
物質の性状をモニタリングする方法であって、
一対の電極を使用することにより、前記物質の電気特性を測定する工程と、
前記外部コンピュータ装置に、前記物質の電気特性に応じた前記一対の電極の測定データを送信する工程と、
前記測定データと、前記外部コンピュータ装置に格納されたライブラリデータであって、前記物質の性状に応じた少なくとも一つ以上の電気特性に関するライブラリデータとを比較する工程と、
前記測定データと前記ライブラリデータとの比較結果に基づいて、前記物質の性状を判定する工程と、
を備える。

本発明のその他の構成および効果については下記に説明する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、下記図面の構成は、本発明の範囲を限定するものではない。

図１は物質の性状をモニタリングするシステムの概略図である（本発明を限定するものではない。）

図２は物質の性状をモニタリングするための装置を示す斜視図である（本発明を限定するものではない。）。

図３は同装置を示す他の斜視図である。

図４は同装置の機能を説明するためのブロック図である。

図５は物質の性状を判定する手順を示すフローチャートである（本発明を限定するものではない。）。

図６は物質の性状をモニタリングする装置を初期化する手順を示したフローチャートである（本発明を限定するものではない。）。

図７は物質の性状をモニタリングするシステムの概略図である（本発明を限定するものではない。）

本発明は、物質の電気特性を介してその物質の性状をモニタリングするシステムと方法に関するものである。このシステムには、物質の電気測定を行うモニタリング装置と、物質の電気特性（電気的測定値）および物質の性状に関するライブラリデータのデータベースを備えた外部クラウドコンピュータ装置とが含まれる。例えば、ワインの電気的インピーダンス値は、ワインの熟成プロセスにおける状態に関連していると推測される。

モニタリング装置は、ワインの入ったワインボトルのように、物質の入った小さな容器内で直接測定を行い、あるいは、水道が流れる水道メータのような、物質が移動する小さな導管に沿って直接測定を行うことができるように、十分に小型化されている。
さらに、このモニタリング装置は、モニタリングする物質に直接接触可能な電極を具備し、同物質を通電させた状態で電気的な測定を正確に行う。その測定の間、容器を開放状態にする必要がないため、同物質に支障をきたすことがない。
さらに、このモニタリング装置は、最小限のストレージ（記憶媒体）と処理装置で構成されており、そのストレージと処理装置は外部クラウドコンピュータ装置により遠隔操作される。これにより、同モニタリング装置の消費電力を節約することができる。

物質の電気特性と性状に関するライブラリデータ用いて同物質の性状を判定するためのモデルは、機械学習法よってその能力を向上させることができる。この方法では、ライブラリデータの補正（変更、追加、削除など）に測定データが寄与するようになっており、それにより、機械学習モデルを向上させて、物質の電気特性と性状との関係を認識する。例えば、機械学習法のアプリケーションによって、ワインの電気的インピーダンス値は、熟成プロセスを通して、ワインの状態と関係していることを認識させることができる。

図１は、本発明の実施形態を限定するものではないが、物質１０５をモニタリングするためのシステム１００を示す。
このシステム１００は、容器開口部１１５を有する容器１１０と、モニタリング装置２００と、ワイヤレス装置１３０と、ネットワーク１５０と、データベース１７０を搭載した一つ以上のコンピュータ装置１６０を備える。
容器１１０には、モニタリングの対象となる物質が入れられる。データベース１７０には、測定データ１７２とライブラリデータ１７４が保存されている。モニタリング装置２００は、ワイヤレス装置１３０と通信を行い、続いて、同ワイヤレス装置１３０は、ワイヤレスセルラーデータネットワーク、Ｗｉ−Ｆｉネットワーク、ローカルエリアネットワーク、広域ネットワーク（ＷＡＮ：wide-area network）、ブルートゥース（登録商標）ペアリングまたは接続、インターネット、仮想プライベート・ネットワーク、あるいはそれらに類似するものまたはこれらの組み合わせを含むネットワーク１５０に示される一つ以上のコンピュータネットワークを介して、コンピュータ装置１６０と通信を行う。

ここで、本実施形態において、物質１０５とはワインを意味し、容器１１０はワインボトルを意味する。ワインボトル中のワインは、一つの例に過ぎず、物質が流動体（液体）、気体、固体、飲料、食品、化学品であるか否かにかかわらず、本発明は、特定の物質をモニタリングすることに限定されない。また、本発明における容器は、特定の容器に限定されず、例えば、容器１１０に代えて、カートン、パッケージ、樽、送水管、水ボトル（例：オフィス用冷水器）のような異なったタイプの容器、および流動用コンジット（樋などの流体経路）も使用することができる。

本実施形態において、モニタリング装置２００は、下記に詳述するように、一つ以上のセンサ装置および通信装置を収納するワインボトル用コルク栓を備えている。つまり、モニタリング装置２００は、ワインの電気特性をセンサ装置により測定し、その測定データを選択的に得た他の補助データとともに、通信装置によりワイヤレス装置１３０に送信する。なお、本実施形態のシステム１００は、複数の物質１０５をモニタリングする複数のモニタリング装置２００を備えてもよい。このようにワインボトル用コルク栓内にモニタリング装置２００を収納することにより、ワインボトルを開放することなく、ワインの性状を検査することができる。

ワイヤレス装置１３０は、データベース１７０を格納するコンピュータ装置１６０と通信する。測定データは、モニタリング装置２００によりワイヤレス装置１３０に定期的に送信され、さらにコンピュータ装置１６０に同測定データが送信され、測定データ１７２として表示される。
ライブラリデータ１７４は、物質１０５の一つ以上の電気特性と、物質１０５の性状（ワインの性状）に関する既知のデータを保有している。なお、本発明の他の実施形態によるシステム１００では、複数のワイヤレス装置１３０を備えており、それぞれが一つ以上のモニタリング装置２００と通信を行うようにしてもよい。

コンピュータ装置１６０は、物質１０５の電気特性について、測定データとライブラリデータとを比較することにより、物質１０５の性状を処理し、相互に関連付け、判定作業を行うよう構成されている。コンピュータ装置１６０は、この性状の表示（度数）、あるいは性状自体を、ワイヤレス装置１３０等を通して、ネットワーク１５０における消費者、所有者、小売業者、または製造業者のような当事者に対して送信する。性状が閾値に到達したという表示は、アラート（警告）としてワイヤレス装置１３０に送信される。なお、本発明の他の実施形態において、同システム１００では、複数のワイヤレス装置１３０に対し、クラウドコンピュータネットワーク上の複数のコンピュータ装置１６０が通信を行うように構成してもよい。

モニタリング装置２００は、長期のモニタリング時間の全体を通して、同物質１０５の測定を行う。ワインの性状をモニタリングする本実施形態において、同システム１００は、ワインが消費の適切な期間にあるか、あるいはそれを過ぎてしまっているかをモニタリングするために使用される。

他の実施形態としては、樽の中で発酵過程にあるワインに対して、モニタリング装置２００を樽栓の中や、あるいはその他の適切な場所に埋め込むことにより、その発酵サイクル完了のレベルを示すことができるようにモニタリングを行ってもよい。さらに、ワイヤレス装置１３０に対してアラート（警告）を発して、ワインの熟成プロセスが完了し出荷可能であるということを通知することで、ワインの熟成プロセスをモニタリングすることも可能である。
ワインの性状に関しては、ボトル詰めした状態、あるいは樽の中で熟成させる場合にかかわらず、甘味、酸味、タンニン（渋味）、果実味、ボディ（味わい）、芳香等の通常ワインの性状として測定されるその他の性状についてもモニタリングが可能である。これらの性状は、直接測定されないが、ワインの電気特性と通常知られているワインの性状に関係する測定データ１７２とライブラリデータ１７４とを比較することにより推定することが可能である。

本実施形態のワイヤレス装置１３０は、例えば、Ａｎｄｒｏｉｄ（登録商標）、ｉＯＳ（登録商標）、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）モバイル、ＢＢ１その他のオペレーティングシステムを実行するスマートフォーンであってもよい。この場合、ワイヤレス装置１３０は、モニタリング対象となる物質の性状に関して、コンピュータ装置１６０からアラート（警告）と表示内容を受信し、物質をモニタリングするためのエンドユーザー装置として機能する。

他の実施形態のワイヤレス装置１３０としては、タブレット型コンピュータ、個人用デジタル補助装置（ＰＤＡ）、パーソナルコンピュータ、その他のモニタリング装置２００と通信可能な装置を使用してもよい。この場合も、ワイヤレス装置１３０は、物質をモニタリングするためのエンドユーザー装置として同様に機能する。

さらにその他の実施形態のワイヤレス装置１３０としては、無線アクセスポイント、無線ルーター、または同様の機能をもつネットワーク装置を使用してもよい。この場合、コンピュータ装置１６０が、物質をモニタリングするためのエンドユーザー装置として機能することになる。また、その他の実施形態として、コンピュータ装置１６０は、物質をモニタリングするためのエンドユーザー装置として機能する第２のコンピュータ装置１６０と通信するものであってもよい。

本実施形態において、コンピュータ装置１６０は、ストレージ、通信および処理装置を備えたサーバーアプリケーションを駆動させるコンピュータ装置であってもよい。

この分野の技術者であれば、本発明の内容から、ワイヤレス装置１３０およびコンピュータ装置１６０は、それぞれ外部コンピュータ装置を意味することがわかり、また、本発明の実施形態によっては、各外部コンピュータ装置の機能には互換性があることがわかる。
本実施形態では、測定データ１７２は、モニタリング装置２００から送信されており、同データは、ワイヤレス装置１３０に一時的に保管されており、ライブラリデータ１７４に基づいて物質の性状を処理および判定するために、データベース上の永久記憶媒体用のコンピュータ装置１６０に送信される。
本実施形態において、モニタリング装置２００の製造コスト、サイズおよび消費電力は、ストレージと処理装置を同モニタリング装置２００から隔離することにより軽減される。つまり、モニタリング装置２００は、中間データ伝送装置として作動するワイヤレス装置１３０とともに、対象となる物質の測定と、その測定データの送信のみを行うように構成される。

その他の実施形態において、本発明の各機能を、モニタリング装置２００、ワイヤレス装置１３０、およびコンピュータ装置１６０に任意に配備するようにしてもよい。例えば、ライブラリデータ１７４を備えたデータベース１７０を、単一のワイヤレス装置１３０に格納し、あるいは複数のワイヤレス装置１３０に配備することにより、コンピュータ装置１６０の必要性が軽減される。
また別の方法としては、単体、あるいは複数のモニタリング装置２００が、単体、あるいは複数のコンピュータ装置１６０と直接通信することにより、ワイヤレス装置１３０の必要性が軽減される。
さらに、この分野の技術者であれば、本発明の内容から、記憶、計算、データの比較および機械学習については、それぞれ単体または複数のモニタリング装置２００、ワイヤレス装置１３０、またはコンピュータ装置１６０において直接実行可能であることがわかる。
さらにその他の実施形態では、複数のモニタリング装置２００は、ライブラリデータを格納した各種データベースをホストすることができる十分なストレージおよび通信能力を備え、さらに物質の性状を判定し、そのような性状のアラート（警告）を送信するのに十分な処理能力を備えている。

その他の実施形態では、ワイン以外の物質がモニタリングされる。例えば、モニタリング対象となる物質１０５には、流動体、液体、気体、固体、プラズマ、飲料、その他のアルコール類、食品、化学物質、化学反応中の化学物質、その他の電気的なモニタリングが可能な物質が含まれると理解される。
その他の例としては、医療用のワクチンのモニタリング、投薬モニタリング、または投薬の確認・証明が含まれる。さらに、容器１１０には、ワインボトル、ワイン樽、ビン、その他のアルコール類のビンや樽、桶等のモニタリング装置２００に適合した飲料用容器が含まれる。
図２は、本発明を限定する実施形態ではないが、内端側から見たモニタリング装置２００の斜視図である。モニタリング装置２００は、内端２０２、外端２０４、本体２０６およびセンサ装置２１０を備え、さらには出力電極２１２と入力電極２１４とを備える。図１の実施形態では、モニタリング装置２００は、ワインボトルのコルク栓であって、その内端２０２にセンサ装置２１０が設けられている。

ワインボトル内のワインの性状をモニタリングするシステムの実施形態において、同モニタリング装置２００は、ワインボトルの開口部に設置される。この場合、モニタリング装置２００の内端２０２は、ワインの方向に延びており、同内端２０２から突出し、同ワインボトル内のワインに達する位置まで延びた出力電極２１２と入力電極２１４を備える。

しかしながら、ワインその他の液体をモニタリングするための他の実施形態では、出力電極２１２と入力電極２１４が、液体の中まで延びている必要はない。このような構成に代えて、同液体の上部空間における気体・水蒸気を測定することにより同液体の性状を推測し、あるいは、容器内にある気体を直接測定する構成とすることもできる。

ワインボトル内のワインの性状をモニタリングするためのシステムである本実施形態において、出力電極２１２は、ワインに電気的刺激を付加するために使用される一方、入力電極２１２は、同電気的刺激に対する同物質（ワイン）の反応を測定するために使用される。出力電極２１２および入力電極２１４は、金、金メッキメタル、プラチナ、プラチナメッキメタル、カーボン、グラフェン、銀、塩化銀、シリコン、ゲルマニウム、スズ、鉄、銅、真鍮その他電気伝導性に適した金属を含む。

本体２０６は、 容器１１０の開口部１１５に差し込み可能なサイズになっている。ワインボトル内のワインをモニタリングするための本実施形態において、本体２０６は、ワインボトルの開口部１１５に嵌合できるサイズのコルク栓等である。
その他の実施形態としては、本体２０６は、モニタリング対象となる物質１０５に接触するセンサ装置２１０とともにモニタリング装置２００に収納される他の手段、他例えば樽の注ぎ口、キャップ、蓋、容器側にはめ込まれたアタッチメンント等を備えてもよい。本体２０６の材料は、適用性を考慮して選択することが望ましく、ワインボトルの場合、プラスチック、天然コルク、合成コルク、凝集コルクまたはワックスが挙げられる。

図３は、外端２０４側から見たモニタリング装置２００の斜視図である。モニタリング装置２００は、モニタリング対象となる物質１０５の状態や性状に関する情報を表示するため、外端２０４に外部インジケータ２１６を備える。

外部インジケータ２１６は、下記に詳述するように、単色の発光ダイオード（ＬＥＤ）、多色ＬＥＤ、可動コイル検流計、電圧流速計、圧電交換器、スピーカ、ブザー、サイレン、リレースイッチ、光学棒グラフ、数値カウンタ（その他適切なカウンタ類）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、モニタリング装置２００の電気回路と連動するその他の適切なインジケータ装置のうち少なくとも一つを備える。

ワインボトル内のワインをモニタリングするための本願実施形態においては、外部インジケータ２１６は、３色のＬＥＤを備えており、赤色のＬＥＤは、ワインが消費（賞味）の最適期間を過ぎていることを示し、黄色のＬＥＤは、最適期間の終わりに近づいていることを示し、緑色のＬＥＤは、最適期間内にあることを示している。

モニタリング装置２００には様々な種類の実施形態があげられる。実施形態の一例として、センサ装置２１０に第３の電極を設けてもよい。この実施形態の３個の電極は、作用電極、基準電極（参照電極）および対電極として使用されることにより、別の電気的分析法を可能にする。例えば、センサ装置２１０に、酸化還元反応その他の反応を測定するポテンショスタット（電気化学測定）システムを設けてもよい。

その他の実施形態として、センサ装置２１０の電極を一つだけにしてもよい。このような実施形態では、センサ装置２１０には出力電極が設けられず、単体の入力電極のみを設けて入力測定を行う。

センサ装置２１０に２つの電極が設けられる場合には、一方の電極は電気的刺激を与える電極であり、他方の電極は、帰還電極となる。それらが電気的に接続されることにより、モニタリング物質から帰還電気信号が戻るようにする。

さらに、実施形態のセンサ装置２１０には、モニタリング物質に刺激を与え、あるいは測定を行うために複数の電極を設けてもよい。

さらに、その他の実施形態のセンサ装置２１０には、モニタリングの物質を測定し、同物質に刺激を与え、あるいはその物質の反応を測定するために単一の電極を設けてもよい。

モニタリング装置２００の変形例として、外部インジケータ２１６を省略してもよい。この変形例の場合、物質１０５の状態または性状は、ワイヤレス装置１３０、あるいはクラウドコンピュータネットワーク上のコンピュータ装置１６０に伝達・表示される。

図４は、本発明を限定する実施形態ではないが、モニタリング装置２００の機能を説明するためのブロック図である。ここでは、モニタリング装置２００は、出力電極２１２と入力電極２１４とを備えたセンサ装置２１０を備える。さらに、同モニタリング装置２００は、外部インジケータ２１６と、通信装置２３０と、電源２２２と、回路２２０とを備える。

通信装置２３０は、物質１０５の電気特性値に応じた測定データをワイヤレス装置１３０および／またはクラウドコンピュータ装置１６０に送信可能になっている。通信装置２３０は、通信アンテナその他の適切な通信手段を備えており、ワイヤレス装置１３０に直接通信できるように構成される。

電源２２２は、モニタリング装置２００の各構成部品に電力を供給する。本実施形態では、電源２２２は、環境発電回路を備えている。同環境発電回路は、その通信回線その他適切な手段を使って電力を収集する。他の実施形態では、電源２２２は、蓄電池、ソーラー電池、または直流または交流接続のような外部電力供給電源を備える。本実施形態では、電源２２２は、モニタリング装置２００の本体２０６内に収納されるよう図示されているが、他の実施形態では、同電源は、本体２０６の外部に配置することも可能である。

回路２２０は、センサ装置２１０、通信装置２３０、電源２２２、および外部インジケータ２１６の間で電気的に接続された電気回路を備える。各種実施形態において、回路２２０は、センサ装置２１０の一部を構成する。さらに、これらの実施形態において、回路２２０は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、あるいはそれらの組み合わせによって、物質の性状をモニタリングする方法（下記参照）が実行可能になるように、プロセッサ、マイクロコントローラ、ステートマシン（状態機械）、ロジック・ゲートアレイ、特定用途向け集積回路（ASIC：application specific integrated circuit）、システムオンチップ（system-on-a-chip）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA：field-programmable gate array）等のうち一つ以上を備えてもよい。
本実施形態における回路２２０は、システムオンチップ（ＳＯＣ）を実装している。他の実施形態としては、回路２２０にメモリを搭載してもよい。これにより、測定データ１７２が、ワイヤレス装置１３０またはクラウド上のコンピュータ装置１６０に送信される前に、あるいは送信されるのに加えてモニタリング装置２００に保存される。

各種の実施形態において、回路２２０は、それぞれ個別の電子部品によって構成されている電気回路（電子回路）である。実施形態としての回路２２０には、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＳＯＣ、あるいはそれらの組み合わせを搭載してもよい。回路２２０の実施形態には、個別の電子部品の組み合わせることができ、かつ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、および／またはＳＯＣを搭載してもよい。各種の実施形態において、ロジカルステートマシン（状態機械）である回路２２０の部分は、プロセッサまたはマイクロコントローラ上で作動するソフトウェアおよび／またはファームウェアとして実装されている。さらに、各種実施形態において、回路２２０は、電気的刺激や電気的測定を行う電極に特有な回路素子を含む電極界面部を備えてもよい。このような回路素子は、センサ装置２１０の一部に含まれることがある。

モニタリング装置２００は、物質１０５の電気特性を測定するために構成される。本実施形態では、モニタリング装置２００は、物質１０５を電気的に刺激し、同物質１０５を測定するための誘電分光法として知られるインピーダンス分光法を行う。
他の実施形態としては、その他の電気的分析測定法を行ってもよい。例えば、電位差測定、電量分析、ボルタンメトリー、矩形波ボルタンメトリー、階段波形ボルタンメトリー、サイクリックボルタンメトリー、交流ボルタンメトリー、アンペロメトリー、パルスアンペロメトリー、電流測定、ポーラログラフィーその他の電気的な分析測定法があげられる。各種実施形態においては、上記分析法がいくつか組み合わせて使用されることもある。

その他の実施形態において、モニタリング装置２００は、物質の加速度、位置、温度、圧力、色、光強度、光の位相、密度、表面張力、粘度、抵抗力、インピーダンス、電圧、電流、容量、力の量と方向、量子力学に関する特性等の特性を付加的に測定できるセンサを備えるようにしてもよい。さらに他の実施形態として、センサにジャイロスコープまたは磁気計を使用してもよい。

その他の実施形態において、モニタリング装置２００は、上記の測定を行うように設計されたデジタルインターフェースを持ったセンサを備えてもよい。その場合、同センサは、２線式インターフェース（ＴＷＩまたはＩ２Ｃ適合）、ＳＰＩインターフェース、マイクロワイヤ、１−Ｗｉｒｅ（登録商標）、単線式プロトコル（ＳＷＰ）、またはデジタル・アナログ通信に適した方法により回路２２０と連動するセンサであってもよい。

回路２２０は、モニタリング装置２００を制御することが可能で、具体的には、必要なスタートアップ・パラメータで回路２２０を初期化し、センサ装置２１０の測定を起動・記録し、同測定データ１７２をデータパケットにパケット化し、データ、コマンド、および補助的情報を送受信し、さらには、すべてのファームウェアまたはソフトウェアの更新と、その他送受信可能な情報をやりとりする通信装置２３０の制御を行う。

図５は、本発明の実施形態を限定するものではないが、物質の性状を判定する手順３００のフローチャートである。
手順３００は、物質の性状をモニタリングする手順の一例であるが、手順３００のブロックは、必ずしも図示通り正確に行われる必要はない。手順３００は、ここで説明するシステムと装置によって行われるが、それに限定するものではなく、別の手順によってその他のシステムおよび／または装置により行われてもよい。
ブロック３１０では、電気的刺激は出力電極２１２により物質１０５に送信される。

ブロック３２０では、電気的刺激に対する物質１０５の反応が、入力電極２１４により測定される。

ブロック３３０では、測定データ１７２が、外部コンピュータ装置に送信されるようにパケット化される。回路２２０がメモリを備えている実施形態では、上記測定データ１７２は送信前にメモリに記憶される。

ブロック３４０では、物質１０５の電気特性に応じた測定データ１７２（電気的測定値に相当するデータ）が通信装置２３０によりワイヤレス装置１３０に送信され、その後、ワイヤレス装置１３０により同測定データ１７２がコンピュータ装置１６０に送信される。この結果、同測定データ１７２がデータベース１７０に保存される。

本実施形態において、ブロック３５０では、ブロック３４０で送信された測定データ１７２は、データベース１７０のライブラリデータ１７４の補正（変更、追加、削除など）に寄与するが、測定データ１７２が同ライブラリデータ１７４の補正に寄与しない他の実施形態においては、同ブロックを省略することができる。

ブロック３６０では、測定データ１７２がライブラリデータ１７４と比較される。

ブロック３７０では、物質１０５の性状は、測定データ１７２とライブラリデータ１７４との比較に基づき判定される。

手順３００を適用することにより、モニタリング対象となる物質１０５の性状は、物質１０５の電気特性とライブラリデータ１７４に照らし合わせて判定される。このような性状は、直接測定はできないが、物質の電気特性と公知の物質の性状とに関係する測定データ１７２とライブラリデータ１７４とを比較して推測する。さらに、手順３００を適用することにより、電気特性データと物質性状データとに関係するライブラリが作成されることになる。

各種の実施形態においては、機械学習法が適用される。そのような実施形態の一つに、中立的ネットワークを挙げることができ、これは、ベイジアン・アルゴリズム（Bayesian algorithm）と決定木解析（decision tree analysis）とを採用し、測定データ１７２を分類し、その分類された結果をレポートして、その結果、物質１０５の性状を分類する。

他の実施形態としては、正準相関（canonical correlation）を測定データ１７２に適用することにより、物質１０５の状態をレポートする。この場合、ワインの性状をモニタリングする実施形態では、ワインが最高の熟成期にあるのか、その時期に近づきつつあるのか、あるいはワインの消費期限までにあとどのくらいの時間的猶予があるかをモニタリングする。

他の実施形態では、多項式回帰（polynomial regression）を測定データ１７２に適用することにより、同物質１０５の状態をレポートし、またその性状を分類する。

他の実施形態では、主成分分析（ＰＣＡ）を測定データ１７２に適用することにより、同物質１０５の状態をレポートし、またその性状を分類する。

他の実施形態では、主成分回帰（ＰＣＲ）を測定データ１７２に適用することにより、同物質１０５の状態をレポートし、またその性状を分類する。

その他の実施形態では、各形態に適したデータ分析が使用される。例として、クラスタリング分析、相関分析、中立ネットワーク機械学習アルゴリズム、サポートベクターマシンアルゴリズム（support vector machine algorithms）、ランダムフォレストアルゴリズム（random forest algorithms）、その他適切なアルゴリズムが挙げられる。

本発明の実施形態としては、適切な測定を行うためにアプリケーションが遅延時間を要求し、そのような環境で、モニタリング装置２００が一定の間隔で測定を行うように構成することもできる。
このような実施形態では、ワイヤレス装置１３０がモニタリング装置２００に指示を送り、定期的測定を行う。また、そのような実施形態の別のパターンでは、コンピュータ装置１６０がモニタリング装置２００に指示を送り、定期的に測定を行う。

他の実施形態として、モニタリング装置２００が単体の電極を備える場合には、ブロック３１０と３２０は、単なる測定工程のブロックと置き換えることができる。
モニタリング装置２００が一つ以上の電極を備える場合、他の測定をすることが必要であれば、手順３００に対して変更を加えることが可能である。

図６は、本発明を限定する実施形態ではないが、モニタリング装置２００を初期化するための手順４００のフローチャートである。
手順４００は、物質の性状をモニタリング可能にする手順の一例であるが、手順４００のブロックは、必ずしも図示通り正確に行われる必要はない。手順４００は、ここで説明するシステムと装置によって行われるが、それに限定するものではなく、別の手順によってその他のシステムおよび／または装置により行われてもよい。

本実施形態において、モニタリング装置２００は、測定と測定の間、エネルギー消費（電力消費）を低くしてアイドリング状態になる。測定を行うよう指示を受けると、モニタリング装置２００は、初期化のプロセスに入り、測定を行う準備をする。測定が行われると、モニタリング装置２００は、アイドリング状態に戻る。

ブロック４１０では、通信装置２３０が、ワイヤレス装置１３０またはコンピュータ装置１６０のような外部コンピュータ装置から送信された測定実行の指示を受け取る。

ブロック４２０では、モニタリング装置２００が測定を行うのに十分な電力を持っているかどうかを判断する。十分な電力がある場合、ブロック４３０が実行される。十分な電力がない場合、ブロック４３０は実行されない。十分な電力があるかどうかは、十分な電力が外部の電源とつながっているか、バッテリが十分に残っているか、あるいは、環境発電回路が処理に十分な電力を保持しているかどうかによって判断される。

ブロック４３０では、回路パラメータが初期化される。例えば、初期化には、プロセッサまたはシステムクロック周波数、アナログ回路利得、アナログ回路起動電流（analog circuit drive strength）、アナログ回線終端インピーダンス、刺激値、遅延値、フィルター設定値などのプログラム可能なパラメータから一つ以上の初期化が含まれる。なお、上記のパラメータのリストは、これらに限定されるものではなく、他のパラメータを選択することもできる。

ブロック４４０では、上記の図５の手順３００に基づき測定を行い、比較することにより、物質の性状を判定する。

ブロック４４５では、センサの再生が必要かどうかを判定する。センサの再生が必要である場合、ブロック４５０によりセンサの再生が実行される。必要でない場合は、ブロック４５０は実行されない。
当業者であれば明白であるが、センサ装置２１０には特別な再生サイクルを必要なものと、そうでないものがある。例えば、非常に敏感な電極を使用する３極ポテンショスタット（電気気化学測定）システムでは、測定サイクルの間、電極に集まるイオンを同電極から取り除くために、再生サイクルが必要になる場合がある。

ブロック４６０では、モニタリング装置２００は、エネルギー消費（電力消費）を低く抑えたアイドリング状態にある。電力供給２２２が環境発電回路である本実施形態では、モニタリング装置２００は、測定実行のために十分な電力が保持できるまで待機する。

当業者であれば明白であるが、どのような測定アルゴリズムの実行にも、必要であれば、ブロックを付加、あるいは省略することが可能である。

図７は、本発明を限定する実施形態ではないが、本発明の応用例であって、物質の性状をモニタリングするためのシステム７００の回路図である。
システム７００では、導管７１０の方向１０２に物質１０５が通過するようになっており、この物質１０５が、導管７１０に装着可能なモニタリング装置２００によりモニタリングされる。同システム７００は、前述したようなシステム１００の他の構成部分、例えば、ワイヤレス装置１３０、ネットワーク１５０、データベース１７０、測定データ１７２とライブラリデータ１７４を備えている。

本実施形態では、モニタリング対象となる物質には、水道管または水道の蛇口のような導管を通過する水道水が含まれる。モニタリング装置２００は、水道管や蛇口の導管開口部７１５に設置される。

その他の実施形態では、物質１０５は、ビール、蒸留酒、その他の飲料、化学品、あるいはその他の流動体であってもよく、そのような実施形態の導管７１０は、パイプ、チューブ、ホース、噴射管、あるいはその他の流体移動に適した導管であってもよい。

その他の実施形態では、物質１０５は、導管を通過することができ、電極から電気的測定が可能な、例えばグラニュー糖のような固形食品であってもよいし、トマトペーストのような半固形食品であってもよい。
このような実施形態の導管７１０には、気流、流動気体、コンベア、樋、その他の固形食品または半固形食品を移動させるのに適したメカニズムを使用することができる。このような食品は、導管を通過し、上記に開示される一つ以上の電気的測定を行う一対の電極を通して押し出されることになる。

その他の実施形態としては、電源２２２に物質１０５の運動エネルギーを供給可能な動的環境発電回路を設けてもよい。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、低電力かつ小型であり、しかも、容器または導管内に直接あるいは非接触的に設置可能なモニタリング装置によって、物質の性状をモニタリングすることができる。
また、本発明の実施形態によれば、モニタリング装置が、機械学習法に基づいた進化型モデルにより物質の性状を判定するライブラリデータと通信することにより、物質の電気特性を介して物質の性状をモニタリングすることができる。、
本出願の請求の範囲は、上記の実施形態に限定されず、本出願の全体的な開示内容に即して最大限に解釈される。

１００ システム（物質モニタリングシステム）
１１０ 容器
１１５ 容器開口部
１３０ ワイヤレス装置（外部コンピュータ装置）
１５０ ネットワーク
１６０ コンピュータ装置（外部コンピュータ装置）
１７０ データベース
１７２ 測定データ
１７４ ライブラリデータ
２００ モニタリング装置
２１０ センサ装置

Claims (20)

1. 物質の性状をモニタリングするシステムであって、
   モニタリング対象となる物質を収容するための収容部と、この収容部に連通する開口部とを有する容器と、
   
   前記容器の開口部に設けられるストッパであって、前記収容部の外側に外端を有し、前記収容部の内側に内端を有しており、加えて、
   前記ストッパの内端に設けられ、前記物質の電気特性を計測するための入力電極と出力電極を有するセンサ装置と、
   前記物質の電気特性に応じた測定データを送信する通信装置と、
   前記センサ装置および前記通信装置に接続された電気回路と、
   前記センサ装置、前記通信装置および前記電気回路に電力供給するための電源と、
   前記記センサ装置、前記通信装置および前記電気回路が収納され、前記容器から前記物質が漏出するのを防ぐように形成されたストッパ本体と、を備えた前記ストッパと、
   
   前記容器から隔離された場所にあり、前記ストッパの前記通信装置との間でデータ通信可能な外部コンピュータ装置であって、前記物質の性状に応じた少なくとも一つ以上の電気特性に関するライブラリデータを含むデータベースを格納するように構成された外部コンピュータ装置と、
   を備えたことを特徴とする物質モニタリングシステム。
2. 請求項１記載のシステムであって、前記出力電極は、前記物質に対して電気的刺激を与えるように構成されており、前記入力電極は、前記物質に与えられた電気的刺激に対する反応を測定するように構成される、物質モニタリングシステム。
3. 請求項２記載のシステムであって、前記物質は流動体であり、かつ、前記入力電極および前記出力電極は同流動体に達する位置まで延びている、物質モニタリングシステム。
4. 上記請求項３記載のシステムであって、前記容器はワインボトルであり、かつ、前記ストッパ本体は同ワインボトルのコルク栓である、物質モニタリングシステム。
5. 請求項４記載のシステムであって、前記電気回路は、特定用途向け集積回路（ASIC：application specific integrated circuit）、プロセッサ、ステートマシン、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA：field-programmable gate array）、またはマイクロコントローラを備える、物質モニタリングシステム。
6. 請求項５記載のシステムであって、前記センサ装置、前記電気回路および前記外部コンピュータ装置は、電位差測定、電量分析、ボルタンメトリー、インピーダンス分光法、矩形波ボルタンメトリー、階段波形ボルタンメトリー、サイクリックボルタンメトリー、交流ボルタンメトリー、アンペロメトリー、パルスアンペロメトリー、電流測定、およびポーラログラフィーからなる群より選ばれる分析測定法を行うように構成されている、物質モニタリングシステム。
7. 請求項６記載のシステムであって、前記物質の性状に応じたライブラリデータは、最適賞味期限（optimal tasting window）、経過年数、熟成度（発酵状況）、風味、酸度、タンニン（渋味）、果実味、ボディ（ワインの味わい）、芳香、および化学反応過程からなる群より選ばれる特性を示すものである、物質モニタリングシステム。
8. 請求項７記載のシステムであって、前記電源は、環境発電回路（power harvesting circuit）、蓄電池、太陽セル、および交流電力アダプタからなる群より選ばれる電源である、物質モニタリングシステム。
9. 物質の性状をモニタリングするシステムであって、
   前記物質の少なくとも一つ以上の電気特性を測定するために前記物質に接触するように構成された入力電極と出力電極とを備えたセンサ装置と、
   前記物質の電気特性に応じた測定データを送信する通信装置と、
   前記センサ装置および前記通信装置に接続された電気回路と、
   前記センサ装置、前記通信装置および前記電気回路に電力供給するための電源と、
   内端および外端を有する本体であって、前記記センサ装置、前記通信装置および前記電気回路が収納され、前記内端に前記センサ装置が配置される本体と、
   を備えたことを特徴とする物質モニタリングシステム。
10. 請求項９記載のシステムであって、前記物質は流動体であり、かつ、前記入力電極および前記出力電極は同流動体に達する位置まで延びている、物質モニタリングシステム。
11. 請求項１０記載のシステムであって、前記電気回路は、特定用途向け集積回路（ASIC：application specific integrated circuit）、システムオンチップ（system-on-a-chip）、プロセッサ、ステートマシン、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA：field-programmable gate array）、およびマイクロコントローラのうち少なくとも一つ以上を備える、物質モニタリングシステム。
12. 請求項１１記載のシステムであって、
    前記物質を内側に通して移送するための導管と、
    前記導管から隔離された場所にあり、前記本体に収納された前記通信装置との間でデータ通信可能な外部コンピュータ装置であって、前記物質の性状に応じた少なくとも一つ以上の電気特性に関するライブラリデータを含むデータベースを格納するように構成された外部コンピュータ装置と、
    前記導管に着脱可能に取り付けられる前記本体であって、前記本体の内端が前記導管の内側に向けて配置されるとともに、前記センサ装置の入力電極および出力電極が前記導管の内側に延びるように設けられる前記本体と、
    を備える、物質モニタリングシステム。
13. 請求項１１記載のシステムであって、
    前記物質を収容するための収容部と、この収容部に連通する開口部とを有する容器と、 前記容器の開口部に設けられるストッパであって、前記収容部の外側に外端を有し、前記収容部の内側に内端を有し、かつ、前記記センサ装置、前記通信装置および前記電気回路が収納される前記本体を有する前記ストッパと、
    前記容器から隔離された場所にあり、前記ストッパの前記通信装置との間でデータ通信可能な外部コンピュータ装置であって、前記物質の性状に応じた少なくとも一つ以上の電気特性に関するライブラリデータを含むデータベースを格納するように構成された外部コンピュータ装置と、
    を備える、物質モニタリングシステム。
14. 請求項１２記載のシステムであって、
    前記記センサ装置、前記通信装置および前記電気回路が収納される前記本体は、前記導管内に収まるサイズである、物質モニタリングシステム。
15. 請求項１４記載のシステムであって、
    前記記センサ装置、前記通信装置および前記電気回路が収納される前記本体は、ワインボトルのコルク栓からなる前記ストッパ内に収まるサイズである、物質モニタリングシステム。
16. 請求項１４記載のシステムであって、
    前記電気回路および前記外部コンピュータ装置は、電位差測定、電量分析、ボルタンメトリー、インピーダンス分光法、矩形波ボルタンメトリー、階段波形ボルタンメトリー、サイクリックボルタンメトリー、交流ボルタンメトリー、アンペロメトリー、パルスアンペロメトリー、電流測定、およびポーラログラフィーからなる群より選ばれる分析測定法を行うように構成されている、物質モニタリングシステム。
17. 請求項１５記載のシステムであって、
    前記電気回路および前記外部コンピュータ装置は、電位差測定、電量分析、ボルタンメトリー、インピーダンス分光法、矩形波ボルタンメトリー、階段波形ボルタンメトリー、サイクリックボルタンメトリー、交流ボルタンメトリー、アンペロメトリー、パルスアンペロメトリー、電流測定、およびポーラログラフィーからなる群より選ばれる分析測定法を行うように構成されている、物質モニタリングシステム。
18. 物質の性状をモニタリングする方法であって、
    一対の電極を使用することにより、前記物質の電気特性を測定する工程と、
    前記外部コンピュータ装置に、前記物質の電気特性に応じた前記一対の電極の測定データを送信する工程と、
    前記測定データと、前記外部コンピュータ装置に格納されたライブラリデータであって、前記物質の性状に応じた少なくとも一つ以上の電気特性に関するライブラリデータとを比較する工程と、
    前記測定データと前記ライブラリデータとの比較結果に基づいて、前記物質の性状を判定する工程と、
    を備えたことを特徴とする物質モニタリング方法。
19. 請求項１８記載の方法であって、
    前記物質に対して電気的刺激を与える前記一対の電極と、
    前記物質に与えられた電気的刺激に対する反応を測定する前記一対の電極と、
    を使用することにより、前記物質の電気特性を測定する、物質モニタリング方法。
20. 請求項１９記載の方法であって、
    前記外部コンピュータ装置のライブラリデータは、前記物質の電気特性および前記物質の既知の性状に基づいて得られたものである、物質モニタリング方法。

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