JP2019054376A - 通信装置、システム、および通信制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電装置から供給される電圧が不安定な状況でも、良好な通信を行う。【解決手段】通信装置は、再生可能エネルギによる発電を行う発電装置と、前記発電装置に接続され、第１通信方式、および前記第１通信方式よりもピーク消費電力の小さい第２通信方式による無線通信が可能な通信装置と、前記発電装置によって発電された電力によって動作する負荷装置と、を備えたシステムに用いられる。前記通信装置は、前記発電装置によって発電された電力を測定する測定器と、前記発電装置によって発電された電力によって動作する通信回路であって、測定された前記電力に応じて、前記第１通信方式および前記第２通信方式の一方を選択して通信を行う通信回路とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、通信装置、システム、および通信制御方法に関する。

通信規格の異なる複数の無線通信システムに接続可能な通信装置が、例えば特開平１１−２５２００６号公報および特開２００８−１１４５２号公報に開示されている。

特開平１１−２５２００６号公報は、電池の残量に応じて、接続する通信システムを切り替える携帯電話機の例を開示している。この携帯電話機は、電池の電圧値が所定値以下に低減すると、接続する通信システムをＰＤＣからＰＨＳに自動的に切り替える。

特開２００８−１１４５２号公報は、動作状態に応じて最適な通信システムを選択することで低消費電力化を可能とする通信端末装置を開示している。この装置は、Ｗ−ＣＤＭＡ、ＧＳＭ（登録商標）、ＰＤＣなどの無線通信規格毎の平均消費電力を、ＲＦ受信部、ベースバンド信号処理部、および呼制御部といった機能ブロック毎に管理する電力値管理テーブルを備える。電力値管理テーブルを参照することで、接続可能な無線ネットワークの中から最も低い消費電力で接続可能な無線ネットワークを選択することが開示されている。

特開平１１−２５２００６号公報 特開２００８−１１４５２号公報

本開示の実施形態は、再生可能エネルギによる発電を行う発電装置から供給される電圧が不安定な状況でも、良好な通信を行うことを可能にする通信技術を提供する。

本開示の例示的な実施形態における通信装置は、再生可能エネルギによる発電を行う発電装置と、前記発電装置に接続され、第１通信方式、および前記第１通信方式よりもピーク消費電力の小さい第２通信方式による無線通信が可能な通信装置と、前記発電装置によって発電された電力によって動作する負荷装置と、を備えたシステムに用いられる。前記通信装置は、前記発電装置によって発電された電力を測定する測定器と、前記発電装置によって発電された電力によって動作する通信回路であって、測定された前記電力に応じて、前記第１通信方式および前記第２通信方式の一方を選択して通信を行う通信回路とを備える。

本開示の通信装置の実施形態によれば、再生可能エネルギによる発電を行う発電装置から供給される電圧が不安定な状況でも、良好な通信を行うことができる。

図１は、本開示の例示的な実施形態におけるシステム構成を概略的に示すブロック図である。 図２は、通信装置２００の動作の例を示すフローチャートである。 図３は、本開示における通信制御を行わないシステムの動作の例（比較例）を示すフローチャートである。 図４は、本開示の例示的な実施形態における通信制御の例を示すフローチャートである。 図５は、発電電力と、利用可能な通信方式、３Ｇ通信の送信電力、２Ｇ通信の送信電力、および２Ｇ通信の送信時間比との関係の例を示す図である。 図６は、図４に示す動作を実現するためのシステム構成の例を示すブロック図である。 図７は、例示的な実施形態におけるポンプシステムの概略的な構成を示すブロック図である。 図８は、例示的な実施形態におけるポンプシステムの構成例を模式的に示す図である。 図９は、コントロールユニット２００Ａの構成例を示す図である。 図１０は、インバータ回路３０Ａの構成例を示す図である。

＜本開示の基礎となった知見＞
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

本発明者は、再生可能エネルギによる発電を行う発電装置と、発電装置が生成した電力によって動作する負荷装置とを備えるシステムの開発を進めている。そのようなシステムの一例は、発電装置として太陽光発電装置を備え、負荷装置として液体を汲みあげるポンプを備えたポンプシステムであり得る。そのようなシステムは、電力インフラが整備されていない場所においても利用することができるという利点を有する。

上記のようなシステムでは、負荷装置または発電装置の動作状況に関する種々のデータを、サーバコンピュータなどの外部装置に蓄積し、種々の目的に活用することが考えられる。例えば、前述のポンプシステムにおいては、ポンプによって汲みあげられた液体の量、動作時間、発電量その他の種々のデータを活用することで、システムのより円滑な管理が可能となり得る。

このようなシステムを構築するにあたり、設置場所における無線通信環境を考慮することが好ましい。一般に、無線通信環境は地域によって異なる。例えば、第３世代無線通信規格に準拠した通信（３Ｇ通信）および第２世代無線通信規格に準拠した通信（２Ｇ通信）の両方が可能な地域がある。一方で、２Ｇ通信のみが可能な地域もある。さらには、第４世代無線通信規格に準拠した通信（４Ｇ通信）が可能な地域、および第５世代無線通信規格に準拠した通信（５Ｇ通信）が可能な地域もある。

このように、利用できる通信システムまたは通信方式は、地域によって異なる。様々な地域に対応できるように、複数の通信方式による通信が可能なシステムを構築することが好ましい。

通信に要する電力は、利用する通信方式によって異なる。例えば、２Ｇ通信の消費電力（ピーク消費電力および／または平均消費電力）は、一般に３Ｇ通信の消費電力よりも高い。２Ｇ通信では、送信出力が３Ｇ通信と比較して約１０ｄＢほど高いため、消費電力が数倍から５倍程度高くなる傾向にある。また、４Ｇ通信の消費電力は、３Ｇ通信の消費電力よりも一般に高い。

他方、太陽光エネルギなどの再生可能エネルギによる発電を行う発電装置の出力電圧は、一般的な電池と比較して不安定である。例えば太陽光発電装置の発電量は、日照条件に依存するため、時間帯および天候によって大きく変動する。したがって、このような発電装置を電源とするシステムでは、発電量の変動に応じて最適な通信方式を選択することが望まれる。

複数の通信システム（例えば２Ｇ通信システムおよび３Ｇ通信システム）を切り替えることができる従来の通信機器の多くは、基地局からの受信信号強度（電界強度）が高い通信システムを選択するように設計される。そのような従来の通信機器では、通信機器のセルラモジュールに印加される電源状態に関わらず、受信信号強度が高い方の通信方式が選択される。しかし、２Ｇ通信の消費電力は３Ｇ通信の消費電力よりも１０倍以上高くなることもあるため、電源状態によっては電源供給が不可能になるケースがある。その場合、通信不良が発生する。

そこで、本開示の実施形態では、通信装置は、電源である発電装置の状態を監視することにより、発電状況に応じて、利用する通信方式を選択する。例えば、２Ｇ通信方式および３Ｇ通信方式による通信が可能な通信装置の実施形態では、通信回路モジュールに供給される電力または電圧に基づいて、２Ｇを選択しないか、２Ｇを選択しても送信出力および送受信間隔の少なくとも一方をコントロールすることによって安定動作を実現する。このような動作により、電源電圧が不安定な状況でも、通信不良の発生を回避することができる。

＜基本構成例＞
図１は、本開示の例示的な実施形態におけるシステム構成を概略的に示すブロック図である。このシステムは、発電装置１００と、通信装置２００と、負荷装置３００とを備える。

発電装置１００は、例えば太陽光、水力、風力などの再生可能エネルギによる発電を行い、生成した電力を負荷装置３００に供給する。以下の説明では、主に、発電装置１００が太陽光発電装置である場合の例を挙げる。以降の説明は、矛盾がない限り、発電装置１００が太陽光エネルギ以外の再生可能エネルギによる発電を行う装置である場合にも同様に適用できる。

負荷装置３００は、発電装置１００から供給された電力によって動作する。負荷装置３００は、例えば、液体を汲みあげるポンプと、前記ポンプを動作させるモータとを備えたポンプユニットであり得る。そのようなポンプユニットは、例えば灌漑に利用するために井戸の水を汲みあげる用途に利用され得る。負荷装置３００は、ポンプユニット以外の装置であってもよい。

通信装置２００は、外部装置との間で無線による通信を行う。外部装置は、例えば、本システムが設置される場所から離れた場所に設置されたサーバコンピュータなどの装置であり得る。通信装置２００は、例えば発電装置１００による発電状況、または負荷装置３００の稼働状況に関する種々のデータを外部装置に送信する。

通信装置２００は、発電装置１００に接続される。通信装置２００は、第１通信方式、および第１通信方式よりもピーク消費電力の小さい第２通信方式による無線通信が可能である。通信装置２００は、発電装置１００によって発電された電力を測定する測定器２１０と、発電装置１００によって発電された電力によって動作する通信回路２２０とを備える。通信回路２２０は、測定された電力に応じて、第１通信方式および第２通信方式の一方を選択して通信を行う。

第１通信方式は、例えば第２世代（２Ｇ）無線通信技術を用いた方式であり得る。第２通信方式は、例えば第３世代（３Ｇ）無線通信技術を用いた方式であり得る。一般に、２Ｇ通信方式の消費電力は、３Ｇ通信方式の消費電力よりも高い。そこで、通信回路２２０は、発電量（または発電電圧）に応じて適切な通信方式を選択して通信を行う。第１通信方式および第２通信方式は、他の方式であってもよい。例えば、第１通信方式が第４世代（４Ｇ）無線通信技術を用いた方式であり、第２通信方式が第３世代（３Ｇ）無線通信技術を用いた方式であってもよい。

図２は、通信装置２００の動作の例を示すフローチャートである。この例では、まず、測定器２１０が発電装置１００の発電量を測定する（ステップＳ１０）。次に、通信回路２２０は、測定された電力に基づいて、第１通信方式による通信が可能かを判定する（ステップＳ１１）。この判定は、例えば発電装置１００の出力電圧が所定の閾値を超えているか否かに基づいて行われ得る。

第１通信方式による通信が可能と判定した場合、通信回路２２０は、第１通信方式と第２通信方式とで、受信信号強度（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ：ＲＳＳＩ）およびビットエラー率（Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ：ＢＥＲ）の少なくとも一方を比較する（ステップＳ１２）。ＲＳＳＩは、それぞれの通信システムの基地局から受信される信号の強度（電界強度）である。ＢＥＲは、ある時間内に受信された信号の総ビット数に対して誤りが発生したビット数の比率である。

通信回路２２０は、ステップＳ１２の比較結果に基づき、第１通信方式および第２通信方式のいずれが良好かを判定する（ステップＳ１３）。第１通信方式の方が良好であると判定すると、通信回路２２０は、第１通信方式を選択して通信を行う（ステップＳ１４）。他方、第２通信方式の方が良好であると判定すると、通信回路２２０は、第２通信方式を選択して通信を行う（ステップＳ２２）。ＲＳＳＩの値のみに基づいて良好な通信方式を決定する場合は、ＲＳＳＩの値が高い方式が選択される。ＢＥＲの値のみに基づいて良好な通信方式を決定する場合は、ＢＥＲの値が低い方式が選択される。ＲＳＳＩおよびＢＥＲの両方の値に基づいて良好な通信方式を決定する場合、例えばＲＳＳＩの値が優先され得る。

ステップＳ１１において、第１通信方式による通信ができないと判定すると、通信回路２２０は、第２通信方式による通信が可能かを判定する（ステップＳ２１）。この判定は、例えば、測定された発電量、第２通信方式によるＲＳＳＩまたはＢＥＲなどの値に基づいて行われ得る。この判定がＹＥＳの場合、通信回路２２０は、第２通信方式による通信を行う（ステップＳ２２）。この判定がＮＯの場合、通信回路２２０は通信を停止する。

このように、図２の例では、通信回路２２０は、まず発電量に基づいて消費電力が相対的に高い第１通信方式による通信が可能かを判定する。そして、第１通信方式と第２通信方式とで、ＲＳＳＩおよびＢＥＲの少なくとも一方を比較する。通信回路２２０は、比較結果に基づいて、第１通信方式および第２通信方式の一方を選択する。

通信回路２２０は、第１通信方式および第２通信方式の少なくとも一方による通信を行う際、測定された電力に応じて、送信出力および送受信間隔の少なくとも一方を調整してもよい。そのような調整を行うことにより、発電電力が低下した場合でも、通信を継続することができる。

＜動作の具体例＞
以下、第１通信方式が２Ｇ通信方式であり、第２通信方式が３Ｇ通信方式である場合における通信装置２００の動作のより詳細な例を説明する。

まず、図３を参照しながら、本実施形態における通信制御を行わないシステム（比較例）における動作の例を説明する。その後、図４を参照しながら、本実施形態における通信制御の例を比較例と対比して説明する。

図３は、本実施形態における通信制御を行わないシステムにおける動作の例を示すフローチャートである。この比較例では、通信装置は以下の動作を行う。

ステップＳ１０１：２Ｇ通信方式および３Ｇ通信方式のそれぞれについて、ＲＳＳＩおよびＢＥＲを測定する。

ステップＳ１０２：２Ｇ通信方式と３Ｇ通信方式とで、ＲＳＳＩおよびＢＥＲのそれぞれの値を比較し、いずれの方式の通信品質が良好かを判定する。３Ｇの方が良好と判定した場合、ステップＳ１１２に進む。２Ｇの方が良好と判定した場合、ステップＳ１２２に進む。ステップＳ１０２の判定は、例えば以下の方法によって行われ得る。まず、２Ｇ通信方式によるＲＳＳＩ（ｄＢｍ）の値をＸ１、３Ｇ通信方式によるＲＳＳＩの値をＸ２、２Ｇ通信方式によるＢＥＲ（％）の値をＹ１、３Ｇ通信方式によるＢＥＲの値をＹ２とする。２Ｇ、３Ｇのいずれが選択されるかは、以下の表１のように決定される。

この例では、２Ｇ、３Ｇのうち、ＲＳＳＩ値の大きい方が選択される。ＲＳＳＩ値が同じ場合は、ＢＥＲ値の小さい方が選択される。

ステップＳ１１２：３Ｇ通信によるＲＳＳＩの測定値が閾値（例えば−１０６ｄＢｍ）よりも大きいか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、ステップＳ１１３に進む。この判定がＮＯの場合、通信を停止する。

ステップＳ１１３：３Ｇ通信による送信出力を決定する。例えば、ＲＳＳＩの測定値が小さいほど、送信信号のパワーを大きくする。これは、ＲＳＳＩが小さいほど基地局までの距離が長いと推定されるためである。

ステップＳ１１４：３Ｇ通信を確立し、通信を開始する。

ステップＳ１２２：２Ｇ通信によるＲＳＳＩの測定値が他の閾値（例えば−１０２ｄＢｍ）よりも大きいか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、ステップＳ１２３に進む。この判定がＮＯの場合、通信を停止する。

ステップＳ１２３：２Ｇ通信による送信出力を決定する。例えば、ＲＳＳＩの測定値が小さいほど、送信信号のパワーを大きくする。

ステップＳ１２４：２Ｇ通信による送受信間隔を決定する。この例における２Ｇ通信は、ＴＤＤ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）方式で行われる。そのため、比較的低い消費電力で通信できるように、送受信間隔（または送信オン周期）を適切な値に設定する。

ステップＳ１２５：２Ｇ通信を確立し、通信を開始する。

以上の動作により、受信信号強度（ＲＳＳＩ）およびビットエラー率（ＢＥＲ）に基づく２Ｇ／３Ｇ通信方式の選択が実現される。しかし、この比較例では、発電量の時間変動を考慮せずに、主にＲＳＳＩの値が大きい方式が選択される。このため、電源電圧が低下した場合でも２Ｇが選択される場合があり、通信停止を招くおそれがある。

この課題は、例えば図４に示す動作を適用することによって解決される。

図４は、本実施形態における通信制御の例を示すフローチャートである。この例では、通信装置２００は以下の動作を行う。

ステップＳ２０１：測定器２１０は、電源状態を監視（測定）する。例えば発電装置１００から出力される電力を測定する。この測定値をＷ１とする。電力に代えて電圧を監視してもよい。

ステップＳ２０２：通信回路２２０は、２Ｇ通信を行うための電源供給能力があるかを判定する。この判定は、測定された電力値Ｗ１が第１の閾値以上であるか否かによって行われ得る。例えば、第１の閾値が５wattの場合、５watt≦Ｗ１であれば、ＹＥＳと判定される。判定がＹＥＳの場合、ステップＳ２０３に進む。判定がＮＯの場合、ステップＳ２０５に進む。

ステップＳ２０３：通信回路２２０は、２Ｇ通信方式および３Ｇ通信方式のそれぞれについて、ＲＳＳＩおよびＢＥＲを測定する。

ステップＳ２０４：通信回路２２０は、２Ｇ通信方式と３Ｇ通信方式とで、ＲＳＳＩおよびＢＥＲのそれぞれの値を比較し、いずれの方式の通信品質が良好かを判定する。３Ｇの方が良好と判定した場合、ステップＳ２１２に進む。２Ｇの方が良好と判定した場合、ステップＳ２２２に進む。ステップＳ２０４の判定方法は、図３におけるステップＳ１０２における判定方法（表１参照）と同じである。つまり、２Ｇ、３Ｇのうち、ＲＳＳＩ値の大きい方が選択される。ＲＳＳＩ値が同じ場合は、ＢＥＲ値の小さい方が選択される。

ステップＳ２０５：通信回路２２０は、２Ｇ電源能力がないと判定した場合、３Ｇ電源供給能力があるか否かを判定する。この判定は、測定された電力値Ｗ１が第１の閾値よりも低い第２の閾値以上であるか否かによって行われ得る。例えば第２の閾値が３wattの場合、３watt≦Ｗ１であれば、３Ｇ電源供給能力があると判定される。ステップＳ２０５の判定がＹＥＳの場合、ステップＳ２０６に進み、判定がＮＯの場合、通信を停止する。

ステップＳ２０６：通信回路２０６は、３Ｇ通信方式について、ＲＳＳＩおよびＢＥＲを測定する。その後、ステップＳ２１２に進む。

ステップＳ２１２：通信回路２２０は、３Ｇ通信によるＲＳＳＩの測定値が閾値（例えば−１０６ｄＢｍ）よりも大きいか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、ステップＳ２１３に進む。この判定がＮＯの場合、通信を停止する。

ステップＳ２１３：測定器２１０は、電源状態を再度監視（測定）する。このときの発電装置１００の出力電力をＷ２とする。なお、ステップＳ２０１の測定結果をそのまま利用する場合は、ステップＳ２１３を省略してもよい。その場合、前述の電力の測定値Ｗ１をＷ２として用いればよい。

ステップＳ２１４：通信回路２２０は、３Ｇ通信による送信出力を、電力Ｗ２およびＲＳＳＩの値に基づいて決定する。例えば、ＲＳＳＩの測定値が小さいほど、また、電力Ｗ２が大きいほど、送信電力を大きくする。例えば、通信回路２２０は、Ｗ２が第３の閾値（例えば５watt）未満の場合は３Ｇ通信の送信電力を第１の値（例えば２７ｄＢｍ）未満にし、Ｗ２が第３の閾値以上の場合は３Ｇ通信の送信電力を第１の値以上かつ最大送信電力未満まで大きくすることができる。

ステップＳ２１５：３Ｇ通信を確立し、通信を開始する。

ステップＳ２２２：２Ｇ通信によるＲＳＳＩの測定値が他の閾値（例えば−１０２ｄＢｍ）よりも大きいか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、ステップＳ２２３に進む。この判定がＮＯの場合、通信を停止する。

ステップＳ２２３：測定器２１０は、電源状態を再度監視（測定）する。このときの発電装置１００の出力電力の測定値をＷ３とする。なお、ステップＳ２０１の測定結果をそのまま利用する場合は、ステップＳ２２３を省略してもよい。その場合、前述の電力の測定値Ｗ１をＷ３として用いればよい。

ステップＳ２２４：通信回路２２０は、２Ｇ通信による送信出力を、電力Ｗ３およびＲＳＳＩの値に基づいて決定する。例えば、ＲＳＳＩの測定値が小さいほど、また、電力Ｗ３が大きいほど、送信電力を大きくする。例えば、通信回路２２０は、Ｗ３が第４の閾値（例えば７watt）未満の場合は２Ｇ通信の送信電力を第２の値（例えば３３ｄＢｍ）未満にし、Ｗ３が第４の閾値以上の場合は２Ｇ通信の送信電力を第２の値以上かつ最大送信電力未満まで大きくできる。

ステップＳ２２５：測定器２１０は、電源状態を再度監視（測定）する。このときの発電装置１００の出力電力の測定値をＷ４とする。なお、ステップＳ２０１の測定結果をそのまま利用する場合は、ステップＳ２２５を省略してもよい。その場合、前述の電力の測定値Ｗ１をＷ４として用いればよい。

ステップＳ２２６：通信回路２２０は、２Ｇ通信による送受信間隔（または送信オン周期）を、電力Ｗ４に基づいて決定する。ＴＤＤ方式の２Ｇ通信では、送信が行われる期間と受信が行われる期間とが交互に現れる。ある送信期間が開始してから次の送信期間が開始するまでの時間を、本明細書では「送受信間隔」または「送信オン周期」と称する。送受信間隔の調整は、送信期間および受信期間の全体に対する送信期間の割合（以下、「送信時間比」と称する）の調整によって実現され得る。１回の受信時間が一定である場合、１回の送信時間を短くするほど、すなわち送信時間比を小さくするほど、送受信間隔は短くなり、消費電力は抑えられる。したがって、通信回路２２０は、例えば電力Ｗ４が小さいほど送信時間比を小さくして送受信間隔を短くする。これにより、電力Ｗ４に応じた適切な消費電力で通信を行うことができる。例えば、通信回路２２０は、Ｗ４が第５の閾値（例えば１０watt）未満である場合には２Ｇ通信の送信時間比を第１の比（例えば５％）未満にし、Ｗ４が第５の閾値以上である場合には２Ｇ通信の送信時間比を第１の比以上の第２の比（例えば１０％）以上かつ最大許容値（例えば５０％）以下にしてもよい。

ステップＳ２２７：２Ｇ通信を確立し、通信を開始する。

以上の動作は、例えば周期的に繰り返し実行される。繰り返しの周期は、例えば数十秒毎、１分毎、５分毎、１０分毎、３０分毎、１時間毎といった周期であり得る。このような動作により、発電装置１００の発電量に応じて最適な通信方式が選択される。このため、比較例とは異なり、発電量の低下に伴って通信ができなくなるという事態に陥ることを回避できる。

図５は、本実施形態における発電電力、利用可能な通信方式、３Ｇ通信の送信電力、２Ｇ通信の送信電力、および２Ｇ通信の送信時間比の関係の例を示す図である。図５に示すように、発電電力の大きさに応じて、通信方式（２Ｇ／３Ｇ）、送信電力、および２Ｇ通信の送信時間比が適切に設定される。発電量に応じて通信方式を選択するだけでなく、送信電力および送信時間比を調整することにより、より良好な通信が可能となる。なお、図５に示す閾値３watt、５watt、７watt、１０watt、電力値２７ｄＢｍ、３３ｄＢｍ、および送信時間比５％、１０％の各値は例示であり、実際の使用環境に応じて適切な値に設定される。

本実施形態における第２通信方式である３Ｇ通信は、ＦＤＤ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）方式で行われる。つまり、送信と受信とが異なる周波数帯で行われる。このため、３Ｇ通信に関しては送信時間比が常に１００％である。しかし、ＴＤＤによる通信が行われる方式を第２通信方式とする場合には、第２通信方式についてもステップＳ２２６のような送信時間比の制御を適用してもよい。逆に、第１通信方式が送信時間比が固定の場合もあり得る。

＜構成の具体例＞
図６は、図４に示す動作を実現するためのシステム構成の例を示すブロック図である。図６の例では、発電装置１００はソーラパネルを含む太陽光発電装置である。発電装置１００と負荷装置３００との間にはレギュレータ３１０が設けられている。レギュレータ３１０は負荷装置３００に印加される電圧を一定値に保つ。この例における測定器２１０は、電流を監視する電流測定器２１０ａと、発電された総電力を測定する電力測定器２１０ｂとを含む。通信回路２２０は、図６に示す複数の機能ブロックを含む。これらの機能ブロックの各々は、個別のハードウェアによって実現されていてもよいし、いくつかの機能ブロックが１つのハードウェアによって実現されていてもよい。一部のブロックはソフトウェアによって実現されていてもよい。

＜ソーラ電力水中ポンプシステムの実施形態＞
次に、本開示のシステムの一例として、ソーラ電力水中ポンプシステムの実施形態を説明する。

図７は、本実施形態におけるポンプシステム１０００の概略的な構成を示すブロック図である。ポンプシステム１０００は、発電装置１００と、ポンプユニット３００Ａと、コントロールユニット２００Ａとを備える。発電装置１００は、太陽光発電装置である。ポンプユニット３００Ａは、発電装置１００によって発電された電力によって動作する負荷装置の一例である。コントロールユニット２００Ａは、ポンプユニット３００Ａを制御する装置である。コントロールユニット２００Ａは、前述の通信装置としても機能する。コントロールユニット２００Ａは、ピーク消費電力が互いに異なる第１通信方式および第２通信方式による無線通信が可能である。以下、第１通信方式が２Ｇ通信方式であり、第２通信方式が３Ｇ通信方式であるとして説明する。

ポンプユニット３００Ａは、液体を汲みあげるポンプ１０と、ポンプ１０を動作させるモータ２０とを有する。本実施形態におけるポンプ１０は、例えば水中に浸かった状態で使用される水中ポンプであり得る。ポンプシステム１０００は、深井戸の水の汲みあげに好適に用いられ得る。汲みあげの対象は水に限定されず、湯、石油、その他の液体であってもよい。ポンプ１０は、図７には記載されていない揚水管を用いて液体を汲みあげることができる。

モータ２０は、例えば永久磁石同期モータなどの電気モータである。永久磁石同期モータの典型例は、ブラシレスＤＣモータである。モータ２０は、水中での動作が可能な構成を備える。モータ２０は、ホール素子またはロータリエンコーダなどの回転位置検出センサを有していてもよいし、位置検出センサを有していない「センサレス型」であってもよい。

コントロールユニット２００Ａは、地上に設置されて使用される。コントロールユニット２００Ａは、モータ２０に電力を供給してモータ２０を駆動するモータ駆動回路３０と、発電装置１００によって発電された電力およびモータ２０に供給される電力をモニタする測定器２１０とを備える。

モータ駆動回路３０は、ケーブル５０によってモータ２０に電気的に接続される。簡単のため、ケーブル５０は１本の線で図示されているが、現実のケーブル５０は、例えばＵ、Ｖ、Ｗ相の電流がそれぞれ流れる複数の配線の束であり得る。ケーブル５０は、不図示の水位計に接続される配線を含んでいてもよい。モータ駆動回路３０は、典型的にはインバータ回路を含む。インバータ回路は、複数のスイッチング素子が相互に接続されたブリッジ回路を含み、直流電源から複数相の交流電力を生成することができる。モータ駆動回路３０は、インバータ回路における各スイッング素子のゲートを駆動するゲートドライバ回路を含み得る。ゲートドライバ回路は、制御回路７０に含まれていてもよい。

測定器２１０は、発電装置１００に電気的に接続している。測定器２１０は、発電装置１００によって発電された電力を定期的に測定する回路である。測定器２１０はまた、モータ２０およびモータ駆動回路３０の少なくとも一方に電気的に接続している。測定器２１０は、モータ駆動回路３０からモータ２０に供給される電力、すなわちモータの消費電力を定期的に測定する。発電電力は、発電装置１００から出力される電圧と電流とから求めることができる。モータの消費電力は、モータ２０に印加される電圧とモータ２０を流れる電流とから求めることができる。測定器２１０は、電圧を測定する回路と電流を測定する回路とに分離されていてもよい。

コントロールユニット２００Ａは、さらに記憶装置６０、制御回路７０、および通信回路２２０を備える。記憶装置６０の典型例は半導体メモリであるが、記憶装置６０は、他の記憶媒体であってもよい。図７において、記憶装置６０は１個のブロックとして記載されているが、記憶装置６０は複数のメモリデバイスを含んでいてもよい。記憶装置６０を構成する複数のメモリデバイスは、異なる種類の記憶媒体、例えば、ＥＥＰＲＯＭ、ソリッドステートドライブ、ハードディスクドライブなどの不揮発性メモリデバイス、およびＲＡＭなどの揮発性メモリデバイスを含み得る。複数のメモリデバイスの一部が着脱可能なメモリデバイスであってもよい。

制御回路７０の典型例は、１個または複数の半導体集積回路チップから構成された半導体装置である。本実施形態における制御回路７０の主要部は、市販のマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）から実現され得る。制御回路７０と記憶装置６０とが別々の電子部品である必要はない。記憶装置６０の少なくとも一部が、制御回路７０を構成する半導体チップとともに１個の半導体パッケージ内に搭載されていてもよい。制御回路７０は、バスラインまたは他の配線などにより、発電装置１００、モータ駆動回路３０、測定器２１０、および記憶装置６０に接続される。

通信回路２２０は、制御回路７０に接続される。通信回路２２０は、無線により、インターネットその他のネットワークに接続され得る。通信回路２２０を介してポンプシステム１０００と通信する外部の装置の例は、スマートフォンなどの携帯端末、およびクラウドサーバとして機能し得るコンピュータなどを含み得る。

通信回路２２０の典型例は、１個または複数の半導体集積回路チップから構成された半導体装置である。通信回路２２０は、例えば市販の通信回路モジュール、ＭＣＵ、およびアンテナを組み合わせて構成され得る。

通信回路２２０は、ピーク消費電力の異なる第１通信方式および第２通信方式の両方による通信を行うことができる。本実施形態では、第１通信方式は第３世代（３Ｇ）無線通信技術を用いた方式であり、第２通信方式は第２世代（２Ｇ）無線通信技術を用いた方式である。２Ｇ通信技術には、例えばＰＤＣ、ＧＳＭ（登録商標）、ｃｄｍａＯｎｅ、ｉＤＥＮ、Ｄ−ＡＭＰＳ、ＰＨＳなどの規格に準拠した技術が含まれる。３Ｇ通信技術には、例えばＷ−ＣＤＭＡ、ＣＤＭＡ２０００、ＴＤ−ＳＣＤＭＡ、ＵＴＲＡ−ＴＤＤ、ＨＳＰＡなどの各種の規格に準拠した技術が含まれる。

通信回路２２０は、制御回路７０からの指示に従い、使用する通信方式（通信システム）の選択、および外部装置へのデータ送信を行う。通信回路２２０は、例えば図６に示す構成を備える。通信回路２２０は、図４に示す動作を定期的に実行することにより、発電量に応じた通信制御を行う。

通信回路２２０によって送信されるデータは、例えばポンプ１０の稼働状況を示す情報を含み得る。ポンプ１０の稼働状況を示す情報は、例えば水の汲みあげ量、消費電力、電源のＯＮ／ＯＦＦなどの推移を示す情報であり得る。

通信回路２２０は、例えば１日に少なくとも１回、モータ２０の回転数の測定値または推定値、発電された電力のモニタ値、ポンプ１０による単位時間あたりの吐出し量の推定値などの情報を外部装置に送信する。単位時間あたりの吐出し量は、例えば１日あたりの吐出し量、１時間あたりの吐出し量、数分ごとの吐出し量であり得る。通信回路２２０は、これらのデータを周期的に、または外部からの要求に応答して送信する。このような情報は、モータ２０の消費電力または回転数などに関するモータ情報を含んでいてよい。このように本実施形態のポンプシステム１０００によれば、通信回路２２０を用いることにより、遠隔からでもポンプの吐出し量（流量）などをモニタすることが可能である。流量は、不図示の測定器によって測定され得る。あるいは、モータ２０Ａの負荷状態に基づいて流量を推定してもよい。

制御回路７０は、発電装置１００にも接続される。制御回路７０は、発電装置１００の動作を制御するようにプログラムされていてもよい。発電装置１００は、通信回路２２０、制御回路７０、およびモータ駆動回路３０に電力を供給する。発電装置１００の例は、太陽電池（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃｅｌｌｓ）パネルを含む太陽光発電装置であり、直流電力をモータ駆動回路３０に供給する。太陽光発電装置１００の代わりに他の再生可能エネルギによる発電装置がモータ駆動回路３０に接続されていてもよい。

制御回路７０は、モータ制御および発電制御に必要な動作を行う。制御回路７０は、モータ駆動回路３０を制御する信号を生成し、この信号をモータ駆動回路３０に送出する。また、制御回路７０は、発電装置１００における太陽電池パネルの発電量に応じて、モータ駆動装置を制御する信号を生成する。

図８は、本実施形態のポンプシステムの構成例を模式的に示す図である。本実施形態では、発電装置１００における太陽電池パネルがポンプシステム１０００の発電機能を担う。

この例におけるポンプシステム１０００は、井戸４００の底近くに位置するポンプ１０およびモータ２０を含むポンプユニット３００Ａと、ポンプユニット３００Ａに接続された揚水管１３と、地上に位置するコントロールユニット２００Ａと、ポンプユニット３００Ａに供給する電力を生成する太陽電池パネルを有する発電装置１００とを備える。揚水管１３の長さは、例えば１０メートル以上１００メートル以下であり得る。

ポンプ１０は、揚水管１３を介して、第１レベルＬ１にある水を第１レベルＬ１よりも高い第２レベルＬ２に汲みあげることができる。第１レベルＬ１から地面Ｇまでの距離をＨ１、地面Ｇから第２レベルＬ２までの距離をＨ２とすると、揚程Ｈは、Ｈ１＋Ｈ２で示される。

井戸４００の上部は蓋１５で閉じられている。揚水管１３の一端はポンプユニット３００Ａに接続され、他端は吐出管１４に接続される。吐出管１４の先は、水を貯えるタンク、または灌漑用水路などに水を吐きだすように配置される。ケーブル５０は、蓋１５の開口孔を通ってポンプユニット３００Ａ内のモータ２０と地上のコントロールユニット２００Ａとを電気的に接続する。

発電装置１００における太陽電池パネルは、地面Ｇに固定された台６２の支柱６４によって支持される。太陽電池パネルを含む発電装置１００は、コントロールユニット２００Ａに電気的に接続される。図８に示す例では、コントロールユニット２００Ａも支柱６４によって支持される。図８に記載される地面Ｇは平坦であるが、地面Ｇは傾斜していたり、起伏を有していたりしてもよい。

コントロールユニット２００Ａは、図７を参照して説明したように、モータ駆動回路３０と、測定器２１０と、記憶装置６０と、制御回路７０と、通信回路２２０とを備える。通信回路２２０の回路部分は、コントロールユニット２００Ａの筐体内に設けられており、通信回路２２０のアンテナは図示されていない。発電装置１００が図８に示されるような太陽電池パネルを含む場合、太陽電池パネルが生成する電力を制御するための公知の発電制御回路（不図示）がコントロールユニット２００Ａに付加され得る。発電制御回路は、降圧回路または昇圧回路などのコンバータを含み得る。好ましい実施形態において、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ：最大電力点追従）制御が行われる。ＭＰＰＴ制御に必要な演算の一部または全部は、図７に示す制御回路７０が実行してもよい。ＭＰＰＴ制御に必要な演算は他のマイクロコントローラ（不図示）が行ってもよい。

太陽電池パネルの発電量は太陽高度および天候に応じて変化する。このため、本実施形態における制御回路７０は、太陽電池パネルの発電量に応じてモータ駆動回路３０を制御する信号を生成する。晴天で太陽高度が高く、太陽電池パネルの発電量が多いほど、モータ２０は、その消費電力が大きくなるようにモータ駆動回路３０によって駆動される。

図９を参照して、本実施形態におけるコントロールユニット２００Ａの構成例を説明する。図９に示される例において、コントロールユニット２００Ａは、モータ駆動回路３０として機能するインバータ回路３０Ａと、測定器２１０として機能する電流測定器２１０Ａおよび電圧測定器２１０Ｂと、半導体集積回路７２とを有する。半導体集積回路７２は、制御回路７０として機能するマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）７０Ａと、通信回路２２０と、メモリ４６と、Ａ／Ｄ変換回路４２、４４とをさらに有する。

インバータ回路３０Ａは、ステータ２０Ｓおよびロータ２０Ｒを有するブラシレスＤＣモータ２０Ａに電気的に接続される。より詳細には、ステータ２０ＳはＵ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線を有しており、それぞれ、インバータ回路３０ＡのＵ相出力、Ｖ相出力、およびＷ相出力に電気的に接続される。

図１０は、インバータ回路３０Ａの構成例を示す図である。インバータ回路３０Ａは、モータ２０Ａの３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）の巻線に電気的に接続される。図１０に例示されるインバータ回路３０Ａは、フルブリッジインバータを備える汎用的なインバータ回路であり、一般的には、直流電源５００に接続されて使用され得る。前述した発電装置１００が直流電源５００として機能する。ＭＰＰＴ制御を行うため、直流電源５００が出力する電圧は、太陽電池パネルの発電量に応じて変化し得る。

図１０のインバータ回路３０Ａは、スイッチング素子ＨＳ_１、ＨＳ_２、ＨＳ_３、ＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３を備える。スイッチング素子ＨＳ_１、ＨＳ_２、ＨＳ_３、ＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３は、それぞれ、例えば還流ダイオードを内蔵したＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、または、還流ダイオード素子が並列的に接続されたＭＯＳＦＥＴであり得る。ＭＯＳＦＥＴの代わりに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられてもよい。これらのスイッチング素子ＨＳ_１、ＨＳ_２、ＨＳ_３、ＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３は、３相のフルブリッジ回路を構成する。スイッチング素子ＨＳ_１、ＨＳ_２、ＨＳ_３、ＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３のそれぞれのゲート電極（ゲート端子）は、図１０に示すＭＣＵ７０Ａに接続される。

より詳細には、スイッチング素子ＨＳ_１およびＬＳ_１は、直流電源５００の正側に接続されたハイサイドラインＰＬと、負側に接続されたローサイドラインＮＬとの間で第１の接続点Ｎ１を介して直列に接続される。第１の接続点Ｎ１は、ステータ２０ＳにおけるＵ相巻線の一端に接続される。スイッチング素子ＨＳ_２およびＬＳ_２は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第２の接続点Ｎ２を介して直列に接続される。第２の接続点Ｎ２は、ステータ２０ＳにおけるＶ相巻線の一端に接続される。スイッチング素子ＨＳ_３およびＬＳ_３は、ハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間で第３の接続点Ｎ３を介して直列に接続される。第３の接続点Ｎ３は、ステータ２０ＳにおけるＷ相巻線の一端に接続される。

この例において、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の巻線は、Ｙ結線またはデルタ結線によって接続される。このため、例えばＵ相巻線に電流を流すとき、その電流は、Ｖ相巻線およびＷ相巻線の少なくとも一方を通って帰還する必要がある。

インバータ回路３０Ａにおけるスイッチング素子ＨＳ_１、ＨＳ_２、ＨＳ_３、ＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３の開閉は、典型的には、ＭＣＵ７０Ａが形成するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号に応じて制御され得る。ＰＷＭ信号のデューティを周期的に変化させることにより、擬似的正弦波の波形を持つ交流電圧をＵ相、Ｖ相、およびＷ相巻線に印加することができる。

ロータ２０Ｒは複数の永久磁石（不図示）を有する。インバータ回路３０Ａからステータ２０ＳのＵ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線のそれぞれに交流電圧が印加されることにより、ロータ２０Ｒが回転する。ロータ２０Ｒの回転速度、すなわち単位時間あたりの回転数は、ステータ２０ＳのＵ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線のそれぞれに印加される交流電圧の周波数によって可変に制御され得る。

ステータ２０ＳのＵ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線のそれぞれを流れる電流の大きさは電流測定器２１０Ａによって測定される。電流測定器２１０Ａの測定結果は、半導体集積回路７２のＡ／Ｄ変換回路４２に入力される。電流測定器２１０Ａの構成および接続は、図示される例に限定されず、任意である。

モータ２０Ａに印加される電圧の大きさは、インバータ回路３０Ａに与えられる電圧、すなわちハイサイドラインＰＬとローサイドラインＮＬとの間の電圧の大きさによって規定される。この電圧は、電圧測定器２１０Ｂによって測定される。電圧測定器２１０Ｂの測定結果は、半導体集積回路７２のＡ／Ｄ変換回路４４に入力される。電圧測定器２１０Ｂの構成および接続は、図示される例に限定されず、任意である。電圧測定器２１０Ｂは、電圧保護回路の機能も果たし得る。

再び図９を参照する。ＭＣＵ７０Ａは、Ａ／Ｄ変換回路４２、４４の出力を受け取る。ＭＣＵ７０Ａは、メモリ４６に記録されているプログラムに従って種々のアルゴリズムを実行する。これらのアルゴリズムは、モータ２０Ａの制御アルゴリズムを含む。モータ制御アルゴリズムの典型例は、ベクトル制御アルゴリズムである。センサレス・ベクトル制御アルゴリズムによれば、モータの動作状態をモニタするため、モータの電流値、電圧値、および回転数などを例えば５０マイクロ秒ごとにセンシングする。具体的には、電流測定器２１０Ａによって検出される電流の大きさに基づいて、ロータ２０Ｒの回転位置および回転速度を高い正確度で推定することができる。このようにして、本実施形態のＭＣＵ７０Ａは、ロータ２０Ｒの回転速度の推定値、言い換えると、単位時間あたりのモータ回転数の推定値を取得する。この回転数の推定値は、モータ２０Ａの制御のためだけではなく、ＭＣＵ７０Ａによる揚程の推定にも利用され得る。

ＭＣＵ７０Ａは、Ａ／Ｄ変換回路４２、４４の出力に基づいてモータ２０Ａの消費電力の値を取得することができる。この消費電力の値は、例えば揚程の推定、および吐出し量の推定に用いられ得る。

上記の包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体によって実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム、および記録媒体の任意の組み合わせによって実現されてもよい。

本開示の通信装置は、例えば太陽光エネルギなどの再生可能エネルギによって動作するシステムに利用可能である。例えば、井戸から水を汲みあげて灌漑または飲用に供する用途に利用されるポンプシステムに利用可能である。ポンプシステムは、井戸水の汲みあげに限定されず、液体を汲みあげることが求められる種々の装置またはシステムに利用され得る。

１０ ポンプ
１３ 揚水管
１４ 吐出管
１５ 井戸の蓋
２０ モータ
３０ モータ駆動装置
３０Ａ インバータ回路
５０ ケーブル
６０ 記憶装置
７０ 制御回路
７２ 半導体集積回路
１００ 発電装置
２００ 通信装置
２００Ａ コントロールユニット
２１０ 測定器
２２０ 通信回路
３００ 負荷装置
３００Ａ ポンプユニット
３１０ レギュレータ
４００ 井戸
５００ 直流電源
１０００ ポンプシステム

Claims (9)

1. 再生可能エネルギによる発電を行う発電装置と、
   前記発電装置に接続され、第１通信方式、および前記第１通信方式よりもピーク消費電力の小さい第２通信方式による無線通信が可能な通信装置と、
   前記発電装置によって発電された電力によって動作する負荷装置と、
   を備えたシステムに用いられる通信装置であって、
   前記発電装置によって発電された電力を測定する測定器と、
   前記発電装置によって発電された電力によって動作する通信回路であって、測定された前記電力に応じて、前記第１通信方式および前記第２通信方式の一方を選択して通信を行う通信回路と、
   を備える通信装置。
2. 前記通信回路は、
   測定された前記電力に基づいて、前記第１通信方式による通信が可能かを判定し、
   前記第１通信方式による通信が可能と判定した場合、前記第１通信方式と前記第２通信方式とで、受信信号強度およびビットエラー率の少なくとも一方を比較し、比較結果に基づいて、前記第１通信方式および前記第２通信方式の一方を選択する、
   請求項１に記載の通信装置。
3. 前記通信回路は、前記第１通信方式および前記第２通信方式の少なくとも一方による通信を行う際、測定された前記電力に応じて、送信出力を調整する、請求項１または２に記載の通信装置。
4. 前記通信回路は、前記第１通信方式および前記第２通信方式の少なくとも一方による通信を行う際、測定された前記電力に応じて、送受信間隔を調整する、請求項１から３のいずれかに記載の通信装置。
5. 前記第１通信方式は、第２世代（２Ｇ）無線通信技術を用いた方式であり、
   前記第２通信方式は、第３世代（３Ｇ）無線通信技術を用いた方式である、
   請求項１から４のいずれかに記載の通信装置。
6. 再生可能エネルギによる発電を行う発電装置と、
   請求項１から５のいずれかに記載の通信装置と、
   前記発電装置によって発電された電力によって動作する負荷装置と、
   を備えるシステム。
7. 前記負荷装置は、
   液体を汲みあげるポンプと、
   前記ポンプを動作させるモータと、
   を備え、
   前記通信装置における前記通信回路は、前記ポンプの稼働状況を示す情報を送信する、
   請求項６に記載のシステム。
8. 前記発電装置は、太陽光発電装置である、請求項６または７に記載のシステム。
9. 再生可能エネルギによる発電を行う発電装置と、
   前記発電装置に接続され、第１通信方式、および前記第１通信方式よりもピーク消費電力の小さい第２通信方式による無線通信が可能な通信装置と、
   前記発電装置によって発電された電力によって動作する負荷装置と、
   を備えたシステムにおいて用いられる通信装置によって実行される通信制御方法であって、
   前記発電装置によって発電された電力を測定することと、
   測定された前記電力に応じて、前記第１通信方式および前記第２通信方式の一方を選択して通信を行うことと、
   を含む通信制御方法。

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