JP2019132797A - Sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、センサ装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a sensor device.
橋梁などの建造物を管理するために、劣化状況などをモニタリングする技術がある。無線通信機能を有する電池駆動のセンサ装置は、設置場所の自由度が高いため、橋梁などの建造物の劣化状況をモニタリングするために用いられることがある。たとえば、橋梁における車両の通過に伴う振動を計測するため、電池駆動のセンサ装置は、橋梁の支間中央部などに設置されることがある。 In order to manage buildings such as bridges, there is a technology to monitor the deterioration status. A battery-driven sensor device having a wireless communication function is often used for monitoring the deterioration state of a building such as a bridge because the degree of freedom of installation location is high. For example, a battery-powered sensor device may be installed at the center of a span between bridges in order to measure vibration associated with the passage of a vehicle on a bridge.
しかしながら、電池駆動のセンサ装置は、稼働時間が制限され、電力を補充するには電池交換などの手間がかかるという問題点がある。橋梁などの建造物に設置するセンサ装置は、劣化状況などをモニタリングするためには数年に及ぶ計測期間が必要となる。このような長期運用を電池駆動のセンサ装置で実現するのは難しいという問題がある。 However, the battery-driven sensor device has a problem that the operation time is limited, and it takes time and effort to replace the battery to replenish the power. A sensor device installed in a building such as a bridge requires a measurement period of several years in order to monitor the deterioration state. There is a problem that it is difficult to realize such a long-term operation with a battery-driven sensor device.
本発明は、上記した課題を解決するために、消費電力を低減でき、電池駆動による長期間の計測を可能にするセンサ装置を提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a sensor device that can reduce power consumption and enables long-term measurement by battery driving.
実施形態によれば、センサ装置は、計測センサと、メモリと、ＲＦＩＤタグと、プロセッサとを有する。計測センサは、電池からの電力供給により動作する。メモリは、前記計測センサによって計測したデータを記憶する。ＲＦＩＤタグは、リーダ装置からの信号に応じて割り込み信号を出力する。プロセッサは、前記割り込み信号を受信してから遅延時間が経過した後に前記電池から前記計測センサへの電力供給を開始し、前記計測センサへの電力供給を開始してから計測時間が経過した後に前記計測センサへの電力供給を停止する。 According to the embodiment, the sensor device includes a measurement sensor, a memory, an RFID tag, and a processor. The measurement sensor operates by supplying power from the battery. The memory stores data measured by the measurement sensor. The RFID tag outputs an interrupt signal according to a signal from the reader device. The processor starts supplying power from the battery to the measurement sensor after a delay time has elapsed since receiving the interrupt signal, and after measuring time has elapsed since starting power supply to the measurement sensor Stop supplying power to the measurement sensor.
以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。
図１は、実施形態に係るセンサ装置を含む計測システムの構成例を示す模式図である。
図１に示す計測システムは、センサ装置１１とリーダ装置１２とを有する。センサ装置１１は、計測する対象となる計測対象物となる構造物に設置される。本実施形態において、センサ装置１１は、計測対象物が橋梁であるものとして説明する。計測対象物が橋梁である場合、センサ装置１１は、たとえば、橋梁の床版、橋桁または橋脚などに設置する。図１に示す例では、センサ装置１１は、橋梁における支間の中央部付近の床版または橋桁に設置する。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a measurement system including a sensor device according to an embodiment.
The measurement system shown in FIG. 1 includes a sensor device 11 and a reader device 12. The sensor device 11 is installed in a structure that is a measurement target that is a target to be measured. In the present embodiment, the sensor device 11 will be described assuming that the measurement target is a bridge. When the measurement object is a bridge, the sensor device 11 is installed on, for example, a bridge floor slab, a bridge girder, or a pier. In the example shown in FIG. 1, the sensor device 11 is installed on a floor slab or a bridge girder in the vicinity of the center portion between the branches in the bridge.
リーダ装置１２は、計測対象物に対する加振源となる物体に設置する。本実施形態では、計測対象物が橋梁に対する加振源が橋梁を通行する車両（大型車両）であるとし、リーダ装置１２は、加振源となる橋梁を通行する車両に搭載するものとする。車両の搭載するリーダ装置１２は、所定の範囲内にあるセンサ装置１１に対してトリガを与える。図１に示す例において、リーダ装置１２を搭載した車両が橋梁における支間の中央付近を通過するときに、リーダ装置１２がセンサ装置１１へ計測動作の開始のトリガを与える。これにより、センサ装置１１は、リーダ装置１２からのトリガに応じて電池駆動による計測動作を制御する。 The reader device 12 is installed on an object serving as an excitation source for the measurement object. In the present embodiment, it is assumed that the measurement target is a vehicle (large vehicle) in which the excitation source for the bridge passes through the bridge, and the reader device 12 is mounted on a vehicle that passes through the bridge serving as the excitation source. The reader device 12 mounted on the vehicle gives a trigger to the sensor device 11 within a predetermined range. In the example shown in FIG. 1, when the vehicle on which the reader device 12 is mounted passes near the center between the branches in the bridge, the reader device 12 gives the sensor device 11 a trigger for starting the measurement operation. Thereby, the sensor device 11 controls the measurement operation by battery driving in accordance with the trigger from the reader device 12.
図２は、実施形態に係るセンサ装置１１の構成例を示すブロック図である。
センサ装置１１は、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグ２１、ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｕｎｉｔ）２２、ＰＣＩバス２３、電源制御回路２４、電池２５、加速度センサ２６、メモリ２７および通信モジュール２８などを有する。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of the sensor device 11 according to the embodiment.
The sensor device 11 includes an RFID (Radio Frequency Identification) tag 21, an MCU (Micro Controller Unit) 22, a PCI bus 23, a power supply control circuit 24, a battery 25, an acceleration sensor 26, a memory 27, a communication module 28, and the like.
ＲＦＩＤタグ２１は、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術を用いたパッシヴ型のデバイスである。ＲＦＩＤタグ２１は、たとえば、ＥＰＣｇｌｏｂａｌ Ｃ１Ｇｅｎ２やＩＳＯ １８０００−６ Ｔｙｐｅ Ｃなどの規格に準じたものを適用する。ＲＦＩＤタグ２１は、リーダ装置１２から受信する電波を動作用の電源に変換して起動し、リーダ装置１２へＩＤ等の情報を応答する。 The RFID tag 21 is a passive device that uses RFID (Radio Frequency Identification) technology. As the RFID tag 21, for example, a tag conforming to a standard such as EPCglobal C1Gen2 or ISO 18000-6 Type C is applied. The RFID tag 21 is activated by converting a radio wave received from the reader device 12 into an operating power source, and returns information such as an ID to the reader device 12.
ＲＦＩＤタグ２１は、リーダ装置１２からの電波によって起動したときに割り込み信号を出力するインターフェースを有する。ＲＦＩＤタグ２１のインターフェースは、ＭＣＵ２２に接続される。ＲＦＩＤタグ２１は、リーダ装置１２からの電波によって起動したとき、ＭＣＵ２２に割り込み信号を与える。ＲＦＩＤタグ２１がＭＣＵ２２に対して出力する割り込み信号は、加速度センサ２６による計測を開始するためのトリガとなる。 The RFID tag 21 has an interface that outputs an interrupt signal when activated by radio waves from the reader device 12. The interface of the RFID tag 21 is connected to the MCU 22. The RFID tag 21 gives an interrupt signal to the MCU 22 when activated by a radio wave from the reader device 12. The interrupt signal output from the RFID tag 21 to the MCU 22 serves as a trigger for starting measurement by the acceleration sensor 26.
ＭＣＵ２２は、各部の制御およびデータ処理を行うマイクロコンピュータである。図２に示す構成例において、ＭＣＵ２２は、ＰＣＩバス２３を介してセンサ装置１１内の加速度センサ２６、メモリ２７および通信モジュール２８に接続する。ＭＣＵ２２は、ＰＣＩバス２３を介して接続する各部との内部通信を行う。 The MCU 22 is a microcomputer that controls each unit and performs data processing. In the configuration example illustrated in FIG. 2, the MCU 22 is connected to the acceleration sensor 26, the memory 27, and the communication module 28 in the sensor device 11 via the PCI bus 23. The MCU 22 performs internal communication with each unit connected via the PCI bus 23.
ＭＣＵ２２は、プログラムに基づいて動作するプロセッサを含む。たとえば、ＭＣＵ２２は、プロセッサ、プログラムメモリ、ワークメモリおよび各種のインターフェースなどで構成する。ＭＣＵ２２は、プロセッサがメモリに記憶したプログラムを実行することにより各種の制御を実現する。また、ＭＣＵ２２は、時間を計時するクロックを有する。たとえば、ＭＣＵ２２は、動作クロックに基づいて経過時間を計時するようにしても良い。 The MCU 22 includes a processor that operates based on a program. For example, the MCU 22 includes a processor, a program memory, a work memory, various interfaces, and the like. The MCU 22 implements various controls by executing a program stored in the memory by the processor. The MCU 22 has a clock for measuring time. For example, the MCU 22 may measure the elapsed time based on the operation clock.
ＭＣＵ２２は、動作モードとしてスリープモードを有する。スリープモードは、ＭＣＵ２２が低消費電力で待機する動作モードである。たとえば、ＭＣＵ２２は、スリープモードにおいてクロック周波数を低くして消費電力を低くする。また、ＭＣＵ２２は、スリープモードにおいて割り込み信号を受付ける。スリープモードのＭＣＵ２２は、割り込み信号を受けるとスリープモードから復帰する。 The MCU 22 has a sleep mode as an operation mode. The sleep mode is an operation mode in which the MCU 22 stands by with low power consumption. For example, the MCU 22 lowers the power consumption by lowering the clock frequency in the sleep mode. Further, the MCU 22 receives an interrupt signal in the sleep mode. The MCU 22 in the sleep mode returns from the sleep mode when receiving the interrupt signal.
ＭＣＵ２２は、パッシヴ型のデバイスとしてのＲＦＩＤタグ２１に直接接続する。また、ＭＣＵ２２は、電源制御回路２４にも接続する。ＭＣＵ２２は、ＲＦＩＤタグ２１と接続することにより、ＲＦＩＤタグ２１からの割り込み信号を受信する。ＭＣＵ２２は、ＲＦＩＤタグ２１からの割り込み信号に応じてスリープモードから復帰する。たとえば、ＭＣＵ２２は、ＲＦＩＤタグ２１からの割り込み信号に応じてスリープモードから復帰した後、電池２５から各部への電力供給を制御する。 The MCU 22 is directly connected to the RFID tag 21 as a passive device. The MCU 22 is also connected to the power supply control circuit 24. The MCU 22 receives an interrupt signal from the RFID tag 21 by connecting to the RFID tag 21. The MCU 22 returns from the sleep mode in response to the interrupt signal from the RFID tag 21. For example, the MCU 22 controls power supply from the battery 25 to each unit after returning from the sleep mode in response to an interrupt signal from the RFID tag 21.
電源制御回路２４は、電池２５から各部（ＭＣＵ２２、加速度センサ２６、メモリ２７および通信モジュール２８）への動作用の電力を供給する回路を含む。電池２５は、各部へ供給する電力を保持する。電源制御回路２４は、ＭＣＵ２２からの制御に基づいて電池２５から各部への電源供給を制御する。 The power supply control circuit 24 includes a circuit that supplies power for operation from the battery 25 to each unit (MCU 22, acceleration sensor 26, memory 27, and communication module 28). The battery 25 holds the power supplied to each part. The power control circuit 24 controls the power supply from the battery 25 to each unit based on the control from the MCU 22.
加速度センサ２６は、計測センサである。加速度センサ２６は、橋梁の振動を表す加速度を計測する。たとえば、加速度センサ２６は、電池２５からの電力によって駆動可能なＭＥＭＳ型の３軸加速度センサ素子を含む。また、加速度センサ２６は、ＡＤコンバータおよびＰＣＩインターフェースなどを備える。たとえば、加速度センサ２６は、ＰＣＩバス２３を介してＭＣＵ２２と通信する。 The acceleration sensor 26 is a measurement sensor. The acceleration sensor 26 measures an acceleration representing the vibration of the bridge. For example, the acceleration sensor 26 includes a MEMS triaxial acceleration sensor element that can be driven by electric power from the battery 25. The acceleration sensor 26 includes an AD converter and a PCI interface. For example, the acceleration sensor 26 communicates with the MCU 22 via the PCI bus 23.
メモリ２７は、データを保存するメモリである。たとえば、メモリ２７は、メモリスロットとメモリスロットに着脱可能なメモリカードで構成する。メモリ２７は、データの書込みが可能な不揮発性のメモリであれば良い。たとえば、ＭＣＵ２２は、ＭＣＵ２２の制御によって加速度センサ２６が計測したデータを含む計測データをメモリ２７に保存する。また、ＭＣＵ２２は、メモリ２７が保存する計測データを通信モジュール２８を介して外部装置へ送出する。 The memory 27 is a memory for storing data. For example, the memory 27 includes a memory slot and a memory card that can be attached to and detached from the memory slot. The memory 27 may be a non-volatile memory capable of writing data. For example, the MCU 22 stores measurement data including data measured by the acceleration sensor 26 under the control of the MCU 22 in the memory 27. In addition, the MCU 22 sends measurement data stored in the memory 27 to an external device via the communication module 28.
通信モジュール２８は、データ転送用のインターフェースである。たとえば、通信モジュール２８は、メモリ２７に保存した計測データなどのデータを無線通信で外部装置へ伝送する。たとえば、通信モジュール２８は、一定期間ごとにメモリ２７に蓄積したデータを外部装置へ無線伝送するようにしても良い。なお、通信モジュール２８は、センサ装置１１を設置する現場の通信インフラ環境に応じた通信規格の無線通信を行うものとして良い。たとえば、通信モジュール２８は、無線ＬＡＮ、広域のモバイル通信（たとえばＬＴＥ（登録商標））、ＬＰＷＡ（Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ ，Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ）などの規格に適合した通信方式の無線通信のインターフェースが適用できる。 The communication module 28 is an interface for data transfer. For example, the communication module 28 transmits data such as measurement data stored in the memory 27 to an external device by wireless communication. For example, the communication module 28 may wirelessly transmit data stored in the memory 27 at regular intervals to an external device. The communication module 28 may perform wireless communication of a communication standard corresponding to the communication infrastructure environment at the site where the sensor device 11 is installed. For example, the communication module 28 can be applied to a wireless communication interface of a communication system conforming to standards such as a wireless LAN, wide area mobile communication (for example, LTE (registered trademark)), LPWA (Low Power, Wide Area).
次に、上記のような計測システムに用いるセンサ装置１１の設置について説明する。
図１に示すように、センサ装置１１は、計測対象物としての橋梁の床版または橋桁に設置する。センサ装置１１は、加速度センサ２６を用いて、橋梁における劣化等を診断するための振動を計測する。このため、センサ装置１１は、橋梁における車両（大型車両）の通過に伴う振動を計測できる位置に設置する。橋梁における支間の中央部付近では、他の部位に比べて振動の振幅が大きく、加速度を計測する場合にＳＮ比が大きくなる。このため、図１に示す例において、センサ装置１１は、橋梁における支間の中央部付近の床版または橋桁に設置するものとしている。
Next, installation of the sensor device 11 used in the above measurement system will be described.
As shown in FIG. 1, the sensor device 11 is installed on a bridge slab or bridge girder as a measurement object. The sensor device 11 uses the acceleration sensor 26 to measure vibration for diagnosing deterioration or the like in the bridge. For this reason, the sensor apparatus 11 is installed in the position which can measure the vibration accompanying the passage of the vehicle (large vehicle) in a bridge. In the vicinity of the center portion of the span between the bridges, the amplitude of vibration is larger than that of other parts, and the SN ratio is increased when measuring acceleration. For this reason, in the example shown in FIG. 1, the sensor apparatus 11 shall be installed in the floor slab or bridge girder near the center part between the branches in a bridge.
センサ装置１１は、車両が橋梁における支間の中央部付近の走行するときに、当該車両に搭載したリーダ装置１２からの電波をＲＦＩＤタグ２１が受信するように設置する。たとえば、電波の送信電力が５００ｍＷ ｅ．ｉ．ｒ．ｐであるリーダ装置１２は、ＲＦＩＤタグ２１と通信可能な距離が２ｍ程度以内となる。通信可能な距離が２ｍ程度以内である場合、ＲＦＩＤタグ２１は、センサ装置１１のほぼ直上付近を通過する車両に搭載されたリーダ装置１２との通信が成立する。 The sensor device 11 is installed so that the RFID tag 21 receives radio waves from the reader device 12 mounted on the vehicle when the vehicle travels in the vicinity of the center portion of the span between the bridges. For example, the radio wave transmission power is 500 mW e. i. r. The reader device 12 that is p has a communication distance with the RFID tag 21 within about 2 m. When the communicable distance is about 2 m or less, the RFID tag 21 establishes communication with the reader device 12 mounted on the vehicle that passes almost directly above the sensor device 11.
リーダ装置１２との通信が成立（リーダ装置からの電波によって起動）したＲＦＩＤタグ２１は、ＭＣＵ２に対して割り込み信号を出力する。割り込み信号は、加速度センサ２６による計測を開始するためのトリガとなる信号である。センサ装置１１のＭＣＵ２２は、ＲＦＩＤタグ２１からの割り込み信号を基準として加速度センサ２６を用いた計測開始のタイミングを制御する。ＭＣＵ２２は、計測開始のタイミングで電池２５から各部へ電力を供給するように電源制御回路２４を制御する。 The RFID tag 21 that has established communication with the reader device 12 (activated by radio waves from the reader device) outputs an interrupt signal to the MCU 2. The interrupt signal is a signal that serves as a trigger for starting measurement by the acceleration sensor 26. The MCU 22 of the sensor device 11 controls the timing of measurement start using the acceleration sensor 26 based on the interrupt signal from the RFID tag 21. The MCU 22 controls the power supply control circuit 24 so as to supply power from the battery 25 to each unit at the measurement start timing.
次に、橋梁における車両の通行に伴う振動とセンサ装置１１による計測開始のタイミングとについて説明する。
図３は、橋梁における車両の通行に伴う振動波形の例を示す図である。図３において、縦軸は振動加速度（ｍｍ／ｓ２）であり、横軸は時間（秒）を表す。また、図３に示すトリガは、加振源となる車両がセンサ装置１１の設置位置（支間の中央付近）を通過したときに発生する。
Next, the vibration accompanying the passage of the vehicle on the bridge and the timing of the start of measurement by the sensor device 11 will be described.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a vibration waveform associated with the passage of a vehicle on a bridge. In FIG. 3, the vertical axis represents vibration acceleration (mm / s 2 ), and the horizontal axis represents time (seconds). Further, the trigger shown in FIG. 3 is generated when the vehicle as the excitation source passes the installation position of the sensor device 11 (near the center of the branch).
図３に示すように、車両（大型車両）の通過に伴う振動は、強制振動と自由振動とに分類される。強制振動は、車両が通行する際に、通行する車両が直接的に橋梁に与える振動である。強制振動は、車両の通行に応じて時間の経過とともに収束する。自由振動は、強制振動が収束した後に生じる振動である。自由振動は、橋梁の固有振動成分を含む。橋梁の固有振動成分は、個々の橋梁に固有な振動成分であり、劣化状況を含めた現在の橋梁の構造的な特性を示す情報となり得る。本実施形態における計測システムでは、橋梁の固有振動を取得するため、センサ装置１１は自由振動を計測するものとする。 As shown in FIG. 3, the vibration accompanying the passage of the vehicle (large vehicle) is classified into forced vibration and free vibration. The forced vibration is vibration that is directly applied to the bridge by the passing vehicle when the vehicle passes. The forced vibration converges with time as the vehicle passes. Free vibration is vibration that occurs after forced vibration converges. Free vibration includes the natural vibration component of the bridge. The natural vibration component of the bridge is a vibration component specific to each bridge, and can be information indicating the structural characteristics of the current bridge including the deterioration state. In the measurement system in the present embodiment, the sensor device 11 measures free vibration in order to acquire the natural vibration of the bridge.
図３に示す例において、強制振動は、車両がセンサ装置１１の真上（支間の中央部）付近を通過したときからｔ秒が経過するまでの間に収束する。また、自由振動は、強制振動が収束した後に表れる。このため、自由振動は、車両がセンサ装置１１の真上付近を通過した時点からｔ秒が経過した後に計測できると考えられる。つまり、図３に示す振動波形であれば、センサ装置１１は、トリガを受信したときからｔ秒が経過した後に自由振動を計測できる。 In the example shown in FIG. 3, the forced vibration converges after t seconds have elapsed since the vehicle passed near the sensor device 11 (the central portion between the branches). Free vibration appears after forced vibration converges. For this reason, it is considered that the free vibration can be measured after t seconds have elapsed from the time when the vehicle passes near the sensor device 11. That is, with the vibration waveform shown in FIG. 3, the sensor device 11 can measure free vibration after t seconds have elapsed since the trigger was received.
上述したように、センサ装置１１は、橋梁の固有振動成分を取得するため、強制振動後の橋梁の固有振動成分を含む自由振動を計測する。このため、センサ装置１１は、ＲＦＩＤタグ２１からの割り込み信号（トリガ）を受信した直後から計測を開始するのではなく、強制振動後の自由振動を計測するように計測を開始する。すなわち、センサ装置１１は、車両がセンサ装置１１の真上を通過した時点（トリガを受信した時点）から強制振動が収束するｔ秒間を経過した時点（ｔ秒間遅延して）から計測を開始する。 As described above, the sensor device 11 measures the free vibration including the natural vibration component of the bridge after forced vibration in order to acquire the natural vibration component of the bridge. For this reason, the sensor device 11 does not start measurement immediately after receiving the interrupt signal (trigger) from the RFID tag 21, but starts measurement so as to measure free vibration after forced vibration. That is, the sensor device 11 starts measurement from the time point when t seconds when the forced vibration converges (delayed by t seconds) from the time point when the vehicle passes right above the sensor device 11 (when the trigger is received). .
本実施形態において、センサ装置１１は、自由振動を計測するため、車両が通過した時（トリガを受信した時）からｔ秒間の遅延時間が経過した後に計測を開始する。ここで、遅延時間ｔは、あらかじめセンサ装置１１のＭＣＵ２２に設定しておくものとする。加振源としての車両の通行に伴う強制振動は当該車両が橋梁の支間を通行する場合に強く表れる。このため、橋梁に設置するセンサ装置１１は、遅延時間を設置する橋梁における支間長に基づいて設定しても良い。たとえば、センサ装置１１を橋梁の支間中央付近に設置するとすれば、遅延時間は、当該橋梁の支間長の長さと加振源となる車両の移動速度とに応じて設定しても良い。 In this embodiment, in order to measure free vibration, the sensor device 11 starts measurement after a delay time of t seconds elapses from when the vehicle passes (when a trigger is received). Here, the delay time t is set in advance in the MCU 22 of the sensor device 11. The forced vibration accompanying the passage of the vehicle as the excitation source appears strongly when the vehicle passes between the bridge branches. For this reason, you may set the sensor apparatus 11 installed in a bridge based on the span length in the bridge which installs delay time. For example, if the sensor device 11 is installed in the vicinity of the center of the span of the bridge, the delay time may be set according to the length of the span of the bridge and the moving speed of the vehicle serving as the excitation source.
具体例として、遅延時間ｔは、以下の計算に基づいて設定される。
図３に示すトリガが発生する時点では、加振源としての車両は、センサ装置１１の真上（支間の中央付近）にあると想定される。図１に示す例では、センサ装置１１の橋梁における支間の中央付近に設置する。従って、センサ装置１１の真上の位置から前方の橋脚までの距離は、支間長Ｌの半分（０．５Ｌ）である。０．５Ｌを車速Ｖｍ／ｈで走行するのに要する時間は、０．５Ｌ／Ｖ（秒）となる。
As a specific example, the delay time t is set based on the following calculation.
When the trigger shown in FIG. 3 occurs, the vehicle as the excitation source is assumed to be directly above the sensor device 11 (near the center of the branch). In the example shown in FIG. 1, the sensor device 11 is installed in the vicinity of the center between the branches in the bridge. Therefore, the distance from the position directly above the sensor device 11 to the front pier is half of the span length L (0.5 L). The time required to travel 0.5 L at a vehicle speed Vm / h is 0.5 L / V (seconds).
車両が支間を通過する間は強制振動が生じると考えられるから、強制振動が収束する時刻は、トリガが発生した時点から少なくとも０．５Ｌ／Ｖ（秒）経過した後と考えられる。この場合、遅延時間ｔとしては、ｔ＝０．５Ｌ／Ｖ（秒）とすることが考えられる。但し、強制振動は車両が橋脚を通過するととき完全に収束するものではないため、強制振動が十分収束するまでの時間マージンを考慮して遅延時間を設定しても良い。たとえば、遅延時間ｔは、上記０．５Ｌ／Ｖ（秒）の２倍として、ｔ＝Ｌ／Ｖ（秒）としても良い。 Since the forced vibration is considered to occur while the vehicle passes through the span, the time at which the forced vibration converges is considered to be after at least 0.5 L / V (seconds) has elapsed since the trigger was generated. In this case, the delay time t may be t = 0.5 L / V (seconds). However, since the forced vibration does not completely converge when the vehicle passes the pier, the delay time may be set in consideration of a time margin until the forced vibration sufficiently converges. For example, the delay time t may be twice as long as 0.5 L / V (seconds), and t = L / V (seconds).
また、センサ装置１１は、加速度センサ２６を用いて計測を実施する場合、加速度センサ２６などの各デバイスを電池２５から供給される電力によって駆動させる。つまり、センサ装置１１は、トリガを受信してから遅延時間を経過したときに、加速度センサ２６などの各デバイスをオンする。 Further, when the sensor device 11 performs measurement using the acceleration sensor 26, each device such as the acceleration sensor 26 is driven by electric power supplied from the battery 25. That is, the sensor device 11 turns on each device such as the acceleration sensor 26 when a delay time elapses after receiving the trigger.
さらに、計測を開始したセンサ装置１１は、加速度センサ２６を用いた計測を所定の計測期間において実施する。計測の開始から計測期間が経過すると、センサ装置１１は、電池２５から各デバイスへの電力供給を停止することにより計測を終了する。図３に示す例では、計測期間を１０秒間としている。計測期間は、橋梁における劣化などを推定するためのデータを収集できる期間であれば良い。計測期間は、少なくともＦＦＴ後の周波数スペクトルが所望の周波数分解能を満たす必要最小限のデータ量の計測データを収集できる期間であれば良い。たとえば、計測期間は、橋梁における支間の長さＬから推定する固有振動周波数と、ＦＦＴに必要なデータ数（２のべき乗）と、加速度計測のサンプリング周期とから算出しても良い。 Furthermore, the sensor device 11 that has started measurement performs measurement using the acceleration sensor 26 in a predetermined measurement period. When the measurement period elapses from the start of measurement, the sensor device 11 ends the measurement by stopping the power supply from the battery 25 to each device. In the example shown in FIG. 3, the measurement period is 10 seconds. The measurement period may be a period in which data for estimating deterioration in the bridge can be collected. The measurement period may be a period in which at least the measurement data with the minimum necessary amount of data satisfying the desired frequency resolution can be collected in the frequency spectrum after the FFT. For example, the measurement period may be calculated from the natural vibration frequency estimated from the length L of the branch in the bridge, the number of data necessary for FFT (power of 2), and the sampling period of acceleration measurement.
次に、実施形態に係るセンサ装置１１による計測制御の動作について説明する。
図４は、実施形態に係るセンサ装置１１による計測制御の動作を説明するためのフローチャートである。
計測を実施していない待機状態において、センサ装置１１のＭＣＵ２２は、割り込み信号を応じて起動するのに必要な最小限の動作だけで待機する。たとえば、待機状態において、ＭＣＵ２２は、クロック周波数が低いスリープモードで動作する。センサ装置１１内の加速度センサ２６などの各デバイスは電源制御回路２４によって電池２５からの電力供給が停止（電源がオフ）される。この結果、待機状態において、センサ装置１１全体としては極めて低い消費電力で動作（待機）する。
Next, the measurement control operation by the sensor device 11 according to the embodiment will be described.
FIG. 4 is a flowchart for explaining an operation of measurement control by the sensor device 11 according to the embodiment.
In a standby state in which measurement is not performed, the MCU 22 of the sensor device 11 waits with only a minimum operation necessary to start in response to an interrupt signal. For example, in the standby state, the MCU 22 operates in a sleep mode with a low clock frequency. The power supply control circuit 24 stops the power supply from the battery 25 (power is turned off) to each device such as the acceleration sensor 26 in the sensor device 11. As a result, in the standby state, the entire sensor device 11 operates (standby) with extremely low power consumption.
リーダ装置１２を搭載した車両がセンサ装置１１の設置位置である支間の中央付近を通過するとき、パッシヴＲＦＩＤタグ２１は、リーダ装置１２からの電波を受信する。リーダ装置１２からの電波を受信すると、ＲＦＩＤタグ２１は、受信した電波によって起動し、リーダ装置１２つの通信を成立させる。リーダ装置１２から受信した電波によって起動したＲＦＩＤタグ２１は、割り込み信号をＭＣＵ２２へ送出する（ＡＣＴ１１）。 When the vehicle on which the reader device 12 is mounted passes near the center of the branch where the sensor device 11 is installed, the passive RFID tag 21 receives radio waves from the reader device 12. When the radio wave from the reader device 12 is received, the RFID tag 21 is activated by the received radio wave and establishes communication with the reader device 12. The RFID tag 21 activated by the radio wave received from the reader device 12 sends an interrupt signal to the MCU 22 (ACT 11).
ＭＣＵ２２は、ＲＦＩＤタグ２１からの割り込み信号に応じてスリープモードを解除する（ＡＣＴ１２）。スリープモードを解除すると、ＭＣＵ２２は、割り込み信号を受けてからの経過時間を計時する。ＭＣＵ２２は、経過時間が所定の遅延時間となったかを監視する（ＡＣＴ１３）。遅延時間は、強制振動が収束する時間に応じて設定される。ここで、ＭＣＵ２２は、強制振動が収束する時間を想定した遅延時間が計測を開始する時間の設定値として予め設定されるものとする。 The MCU 22 cancels the sleep mode in response to the interrupt signal from the RFID tag 21 (ACT 12). When the sleep mode is canceled, the MCU 22 measures the elapsed time after receiving the interrupt signal. The MCU 22 monitors whether the elapsed time has reached a predetermined delay time (ACT 13). The delay time is set according to the time for which the forced vibration converges. Here, it is assumed that the MCU 22 is set in advance as a set value of a time at which the delay time assuming the time at which the forced vibration converges is started.
割り込み信号を受信してから遅延時間が経過すると（ＡＣＴ１３、ＹＥＳ）、ＭＣＵ２２は、電源制御回路２４を制御して加速度センサ２６を含む各デバイスへ電池２５からの電力を供給する（ＡＣＴ１４）。各デバイスへの電力を供給（各デバイスをオン）すると、ＭＣＵ２２は、所定の計測期間（たとえば、１０秒間）において計測を実施する（ＡＣＴ１５）。ＭＣＵ２２は、既定のサンプリング周期に従って加速度センサ２６が計測する加速度を示すデータと時刻情報とを関連付けた計測データとしてメモリ２７に保存する。 When the delay time elapses after receiving the interrupt signal (ACT 13, YES), the MCU 22 controls the power supply control circuit 24 to supply power from the battery 25 to each device including the acceleration sensor 26 (ACT 14). When power is supplied to each device (each device is turned on), the MCU 22 performs measurement in a predetermined measurement period (for example, 10 seconds) (ACT 15). The MCU 22 stores the data indicating the acceleration measured by the acceleration sensor 26 in accordance with a predetermined sampling period in the memory 27 as measurement data in association with time information.
たとえば、ＭＣＵ２２は、加速度センサ２６を用いて、数１００Ｈｚのサンプリング周波数で計測期間（数秒から数十秒間）における計測を実施する。また、ＭＣＵ２２は、所望の分解能を得るために１２ビット以上の量子化ビット数で構成したデータとして計測データをメモリ２７に保存する。これにより、メモリ２７には、車両の通過に伴う強制振動後の固有振動成分を含む自由振動を計測した計測データが保存される。 For example, the MCU 22 uses the acceleration sensor 26 to perform measurement in a measurement period (several seconds to several tens of seconds) at a sampling frequency of several hundred Hz. Further, the MCU 22 stores the measurement data in the memory 27 as data configured with a quantization bit number of 12 bits or more in order to obtain a desired resolution. As a result, the memory 27 stores measurement data obtained by measuring free vibration including a natural vibration component after forced vibration accompanying the passage of the vehicle.
計測時間が経過すると（ＡＣＴ１６、ＹＥＳ）、ＭＣＵ２２は、計測を終了し、電源制御回路２４を制御して加速度センサ２６を含む各デバイスへの電力の供給を停止する（ＡＣＴ１７）。各デバイスへの電力の供給を停止（各デバイスをオフ）した後、ＭＣＵ２２は、動作モードをスリーブモードに設定し（ＡＣＴ１８）、待機状態となる。 When the measurement time elapses (ACT 16, YES), the MCU 22 ends the measurement, and controls the power supply control circuit 24 to stop supplying power to each device including the acceleration sensor 26 (ACT 17). After stopping the supply of power to each device (each device is turned off), the MCU 22 sets the operation mode to the sleeve mode (ACT 18) and enters a standby state.
次に、センサ装置１１のメモリ２７に保存されたデータを外部に送出するデータ送出処理について説明する。
上述した計測動作によってメモリ２７に保存される計測データは、データ量が多い。たとえば、数１００Ｈｚのサンプリング周波数で数十秒間計測したデータは、低消費電力な無線デバイスで送出するには数十秒間ほどの時間を要することが予測される。このため、通信モジュール２８を用いてメモリ２７に保存したデータを転送する処理においても、電池２５の消費電力を抑える必要がある。本実施形態に係るセンサ装置１１は、電池の消費電力を抑えるために、予め設定した時間帯にＭＣＵ２２の制御によって間欠的に外部装置と通信するものとする。
Next, data transmission processing for transmitting data stored in the memory 27 of the sensor device 11 to the outside will be described.
The measurement data stored in the memory 27 by the measurement operation described above has a large amount of data. For example, data measured for several tens of seconds at a sampling frequency of several hundreds of Hz is expected to take several tens of seconds to be transmitted by a low power consumption wireless device. For this reason, it is necessary to suppress the power consumption of the battery 25 even in the process of transferring the data stored in the memory 27 using the communication module 28. The sensor device 11 according to the present embodiment intermittently communicates with an external device under the control of the MCU 22 in a preset time zone in order to suppress battery power consumption.
具体的な例としては、特定日時に１時間（例えば毎月１時間）だけ、１０分間ごとに３０秒間だけ電源をオンして外部装置と通信可能な状態になるようにする。通信可能な状態となる時間帯に無線収集端末（たとえば橋梁付近に設置した外部装置）からデータ要求信号を送信する。このデータ要求信号を電源オンした通信モジュール２８で受信すると、センサ装置１１は、メモリ２７に保存したデータを無線収集端末へ送出する処理を行う。データの送出後、センサ装置１１は、再び通信モジュール等への電源をオフして待機状態になる。 As a specific example, the power is turned on only for 1 hour (for example, 1 hour every month) at a specific date and time for 30 seconds every 10 minutes so that communication with an external device is possible. A data request signal is transmitted from a wireless collection terminal (for example, an external device installed in the vicinity of a bridge) in a time zone in which communication is possible. When the data request signal is received by the communication module 28 that is powered on, the sensor device 11 performs processing for sending the data stored in the memory 27 to the wireless collection terminal. After the data is sent out, the sensor device 11 turns off the power to the communication module again and enters a standby state.
図５は、実施形態に係るセンサ装置１１によるデータ送出処理の例を説明するためのフローチャートである。
ＭＣＵ２２は、予め設定したデータ送出期間において、外部装置からの要求に応じたデータ送信処理を実行する。データ送出期間は、予め設定した時間帯で良い。たとえば、データ送出期間は、毎月１時間程度の時間帯を設定しても良い。
FIG. 5 is a flowchart for explaining an example of data transmission processing by the sensor device 11 according to the embodiment.
The MCU 22 executes data transmission processing in response to a request from an external device during a preset data transmission period. The data transmission period may be a preset time zone. For example, the data transmission period may be set to a time zone of about 1 hour every month.
データ送出期間である場合（ＡＣＴ２１、ＹＥＳ）、ＭＣＵ２２は、通信可能な状態とする期間（通信オン期間）であるかを判定する（ＡＣＴ２２）。センサ装置１１は、電池の消耗を低減するため、データ送出期間中であっても、常に電源をオンするのではなく、間欠的に外部装置からの信号を受信するように制御する。すなわち、センサ装置１１は、データ送出期間中において、実際に外部装置からの信号を受信できる期間）を設定する。通信オン期間は、データ送信期間中の期間であれば良く、特定周期の短時間であっても良い。たとえば、ＭＣＵ２２は、毎月１時間のデータ送信期間中において、１０分ごとに３０秒間だけ通信可能な状態とする通信オン期間を設定する。 When it is a data transmission period (ACT21, YES), the MCU 22 determines whether it is a period during which communication is possible (communication on period) (ACT22). In order to reduce battery consumption, the sensor device 11 does not always turn on the power even during the data transmission period, but controls to intermittently receive a signal from the external device. That is, the sensor device 11 sets a period during which a signal from an external device can actually be received during the data transmission period. The communication on period may be a period during the data transmission period, and may be a short period of a specific cycle. For example, the MCU 22 sets a communication on period in which communication is possible for 30 seconds every 10 minutes during a data transmission period of 1 hour every month.
データ送出期間中の通信オン期間であると判定した場合（ＡＣＴ２２、ＹＥＳ）、ＭＣＵ２２は、待機状態から復帰し、外部装置（無線収集端末）からのデータ要求信号が受信可能な状態とする（ＡＣＴ２３）。たとえば、ＭＣＵ２２は、通信モジュール２８がデータ要求信号を受信できるように、電源制御回路２４を制御して電池２５から通信モジュール２８へ電力を供給する。 When it is determined that the communication is on during the data transmission period (ACT22, YES), the MCU 22 returns from the standby state and is ready to receive a data request signal from the external device (wireless collection terminal) (ACT23). ). For example, the MCU 22 supplies power from the battery 25 to the communication module 28 by controlling the power supply control circuit 24 so that the communication module 28 can receive the data request signal.
通信オン期間において、ＭＣＵ２２は、通信オン状態として、通信モジュール２８によりデータ送出要求を受信したかを監視する（ＡＣＴ２４）。データ送出要求を受信しない場合（ＡＣＴ２４、ＮＯ）、ＭＣＵ２２は、通信オン期間が終了したかを監視する（ＡＣＴ２５）。データ送出要求を受信すること無く通信オン期間が終了すると（ＡＣＴ２５、ＹＥＳ）、ＭＣＵ２２は、電池２５から各部への電力供給を停止し（ＡＣＴ２７）、ＡＣＴ２１へ戻る。これにより、ＭＣＵ２２は、データ送出期間中の通信オン期間において、外部装置からのデータ送出要求を受信できる。 In the communication on period, the MCU 22 sets the communication on state and monitors whether the data transmission request is received by the communication module 28 (ACT 24). When the data transmission request is not received (ACT 24, NO), the MCU 22 monitors whether the communication on period has ended (ACT 25). When the communication on period ends without receiving a data transmission request (ACT 25, YES), the MCU 22 stops the power supply from the battery 25 to each part (ACT 27) and returns to ACT 21. Thereby, the MCU 22 can receive a data transmission request from the external device in the communication ON period during the data transmission period.
通信オン期間においてデータ送出要求を受信した場合（ＡＣＴ２４、ＹＥＳ）、ＭＣＵ２２は、受信したデータ送出要求に応じたデータ送出処理を行う（ＡＣＴ２６）。たとえば、データ要求信号を受信した場合、ＭＣＵ２２は、データ要求信号の発信元の外部装置と通信モジュール２８を介した無線通信を確立する。外部装置との通信が確立すると、ＭＣＵ２２は、通信モジュール２８を介して、メモリ２７に保存した計測データを外部装置へ無線通信によって送出する。データ送出処理が終了すると、ＭＣＵ２２は、電池２５から各部への電力供給を停止する（ＡＣＴ２７）。このようなデータ送出処理によって、センサ装置１１は、消費出力を低減しつつ、メモリ２７に蓄積した計測データを無線通信で外部装置へ送出できる。 When a data transmission request is received during the communication ON period (ACT 24, YES), the MCU 22 performs a data transmission process corresponding to the received data transmission request (ACT 26). For example, when receiving the data request signal, the MCU 22 establishes wireless communication via the communication module 28 with the external device that has transmitted the data request signal. When communication with the external device is established, the MCU 22 transmits the measurement data stored in the memory 27 to the external device via the communication module 28 by wireless communication. When the data transmission process is completed, the MCU 22 stops the power supply from the battery 25 to each unit (ACT 27). By such data transmission processing, the sensor device 11 can transmit measurement data stored in the memory 27 to an external device by wireless communication while reducing consumption output.
以上のように、実施形態に係るセンサ装置は、電池、電源制御回路、加速度センサ、メモリ、ＲＦＩＤタグおよびプロセッサなどを有する。ＲＦＩＤタグは、リーダ装置からの電波の受信に応じて起動してトリガとしての割り込み信号を出力する。プロセッサは、割り込み信号を受けてから遅延時間が経過した時点から計測期間が経過するまでの間、電池から各部へ電力を供給して計測を実施する。 As described above, the sensor device according to the embodiment includes the battery, the power supply control circuit, the acceleration sensor, the memory, the RFID tag, the processor, and the like. The RFID tag is activated in response to reception of radio waves from the reader device, and outputs an interrupt signal as a trigger. The processor performs measurement by supplying power from the battery to each unit from the time when the delay time has elapsed since the interrupt signal was received until the measurement period elapses.
これにより、実施形態に係るセンサ装置は、待機状態において、電力を消費しないパッシヴ型のＲＦＩＤタグをトリガとして用いているので、待機状態での電池の消耗を低減できる。更に、実施形態に係るセンサ装置は、トリガが発生した時点から遅延時間分を遅らせてから計測を実施でき、所望の計測データが得られる時間帯にだけ計測を実施できる。この結果、実施形態に係るセンサ装置は、電池駆動であっても、電力消費を抑えることができ、長期間のモニタリングが実現できる。 Thereby, the sensor device according to the embodiment uses a passive RFID tag that does not consume power in the standby state as a trigger, and therefore can reduce battery consumption in the standby state. Furthermore, the sensor device according to the embodiment can perform the measurement after delaying the delay time from the time when the trigger is generated, and can perform the measurement only in a time zone in which desired measurement data is obtained. As a result, the sensor device according to the embodiment can suppress power consumption even when the battery is driven, and can realize long-term monitoring.
また、実施形態に係るセンサ装置は、加振源としての車両が通過するときにＲＦＩＤタグが割り込み信号を発生するように構造物としての橋梁に設置する。実施形態に係るセンサ装置に設定する遅延時間は、加振源による構造物の強制振動が収束して自由振動が支配的になる時点までの時間より長くなるように設定する。 The sensor device according to the embodiment is installed on a bridge as a structure so that the RFID tag generates an interrupt signal when a vehicle as an excitation source passes. The delay time set in the sensor device according to the embodiment is set to be longer than the time until the forced vibration of the structure by the excitation source converges and the free vibration becomes dominant.
これにより、実施形態に係るセンサ装置は、強制振動が生じている割り込み信号が発生した時点ではなく、強制振動が収束して計測対象である固有振動成分を含む自由振動が生じる時間帯だけ計測を行える。言換えると、実施形態に係るセンサ装置は、トリガとしての割り込み信号を受けた場合も多くの電力を消費する加速度センサの動作時間を最小限にすることができる。従って、実施形態に係るセンサ装置は、待機時及び計測時の両方の消費電力を削減でき、電池駆動での長期のモニタリング運用が可能なセンサ装置を提供できる。 Thereby, the sensor device according to the embodiment does not measure at the time when the forced vibration converges and the free vibration including the natural vibration component to be measured occurs, not at the time when the interrupt signal in which the forced vibration occurs is generated. Yes. In other words, the sensor device according to the embodiment can minimize the operation time of the acceleration sensor that consumes much power even when receiving an interrupt signal as a trigger. Therefore, the sensor device according to the embodiment can reduce power consumption during both standby and measurement, and can provide a sensor device capable of long-term monitoring operation with battery drive.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１１…センサ装置、１２…リーダ装置、２１…ＲＦＩＤタグ、２２…ＭＣＵ（マイクロコンピュータ、プロセッサ）、２４…電源制御回路、２５…電池、２６…加速度センサ（計測センサ）、２７…メモリ、２８…通信モジュール。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Sensor apparatus, 12 ... Reader apparatus, 21 ... RFID tag, 22 ... MCU (microcomputer, processor), 24 ... Power supply control circuit, 25 ... Battery, 26 ... Acceleration sensor (measurement sensor), 27 ... Memory, 28 ... Communication module.
Claims (5)
前記マイクロコンピュータは、前記割り込み信号の発生から加速度の計測開始までの間に予め設定した遅延時間を設ける、ことを特徴とするセンサ装置。 A passive RFID tag having an external interface, a microcomputer that returns from a standby state by an interrupt signal from the RFID tag, an acceleration sensor, a memory that stores measurement values of the acceleration sensor, a battery, and the micro A power control circuit that switches a power supply amount from the battery to each circuit in the apparatus under computer control,
The sensor device according to claim 1, wherein the microcomputer provides a preset delay time from the generation of the interrupt signal to the start of acceleration measurement.
電池からの電力供給により動作する計測センサと、
前記計測センサによって計測したデータを記憶するメモリと、
リーダ装置からの信号に応じて割り込み信号を出力するＲＦＩＤタグと、
前記割り込み信号を受信してから遅延時間が経過した後に前記電池から前記計測センサへの電力供給を開始し、前記計測センサへの電力供給を開始してから計測時間が経過した後に前記計測センサへの電力供給を停止するプロセッサと、
を有するセンサ装置。 A sensor device installed in a structure,
A measurement sensor that operates by supplying power from the battery;
A memory for storing data measured by the measurement sensor;
An RFID tag that outputs an interrupt signal in response to a signal from the reader device;
After a delay time has elapsed since receiving the interrupt signal, power supply from the battery to the measurement sensor is started, and after measurement time has elapsed since power supply to the measurement sensor has started, to the measurement sensor A processor for stopping the power supply of
A sensor device.
請求項２に記載のセンサ装置。 The RFID tag outputs the interrupt signal according to a radio wave from a reader device mounted on a vehicle passing through a bridge as the structure,
The sensor device according to claim 2.
請求項３に記載のセンサ装置。 The delay time is set according to the span length in the bridge,
The sensor device according to claim 3.
電池からの電力供給により動作する計測センサと、
前記計測センサによって計測したデータを記憶するメモリと、
前記橋梁における車両の通行に応じた割り込み信号を受信してから遅延時間が経過した後に前記電池から前記計測センサへの電力供給を開始し、前記計測センサへの電力供給を開始してから計測時間が経過した後に前記計測センサへの電力供給を停止するプロセッサと、
を有するセンサ装置。 A sensor device installed on a bridge,
A measurement sensor that operates by supplying power from the battery;
A memory for storing data measured by the measurement sensor;
Measurement time after starting power supply from the battery to the measurement sensor after a delay time has elapsed since receiving an interrupt signal corresponding to vehicle traffic on the bridge, and after starting power supply to the measurement sensor A processor for stopping power supply to the measurement sensor after elapse of time,
A sensor device.
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