JP3882377B2

JP3882377B2 - 通信システム

Info

Publication number: JP3882377B2
Application number: JP05515199A
Authority: JP
Inventors: 臺哲夫西
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2019-03-03
Also published as: JP2000252857A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターミナル及びワイヤレスセンサを備えた通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にセンサシステムは「センサヘッド−センサ本体−コントローラ」間が有線で結線された構成となっている。ここで有線区間（例えばセンサヘッド−センサ本体間）を無線に置き換えることで、省配線かつレイアウトフリーなセンシングが可能となる。
【０００３】
この利点を活かし、ワイヤレスセンサを複数個所に密に配置することで、例えば面分布状況をセンスすることが可能となる。一例を示すと、ワイヤレスセンサとして温度センサを用い、監視空間（室内）の各所にそのワイヤレスセンサを点在させる。そして、各ワイヤレスセンサで検出した温度情報を、無線を介してターミナルに送ることにより、そのターミナルは部屋の各所の温度情報を収集でき、温度分布状況がわかる。この温度分布状況を受けたコントローラが制御対象機器（例えばエアコン）を制御し、室内の温度分布を均一にするように制御することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のワイヤレスセンサとコントローラを用いたセンサシステムでは、以下に示す問題があった。すなわち、ワイヤレスセンサとコントローラ間での無線通信は、割り当てられた無線伝送チャネルが空いているのを確認し、その空きチャネルを使用してデータを送信する。従って、例えば同時に複数のワイヤレスセンサからターミナルに向けてデータを送信しようとすると、チャネル衝突が発生し、ターミナルでは正常にデータを受信することができなくなる。
【０００５】
そこで、係る衝突を回避するには、伝送チャネルを複数用意するか、全てのセンサを同期させる同期タイムスロット（時分割）制御が必要となる。そのため、ワイヤレスセンサ数を増やすと伝送制御処理も累乗的に増加し、回路規模も大型化し、また、制御処理の増加に伴い消費電力が増し、ワイヤレスセンサの電源となる電池寿命が悪化し、頻繁に電池の交換をする必要が出てくる。
【０００６】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、センサシステムを構築するワイヤレスセンサの設置数が増えても使用チャネル数を増加させることなく少ないチャネル数で対応でき、しかも、非同期に時分割制御を行うことで、伝送処理の簡易化並びに負荷の軽減を図ることができ、消費電力の低下から電源（電池）の長寿命化を図ることのできる通信システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る通信システムでは、ワイヤレスセンサが監視領域内に複数設置され、各ワイヤレスセンサとの間で無線通信するターミナルを有する通信システムであって、
ターミナルは、各ワイヤレスセンサに対して無線を介して検知条件を一斉同報にて送信し、各ワイヤレスセンサから応答信号を受信することによりセンシング情報をデータ収集するものであり、各ワイヤレスセンサは、無線を介してターミナルから受信した検知条件にセンシング情報が合致するか否かを判断し、合致する場合に自己のセンサＩＤと計測したセンシング情報とを含む応答信号を送信するものであり、各ワイヤレスセンサは、応答信号を送信するに際して伝送チャネルの状況を検出して使用中の場合には乱数により決定される所定時間待機し再応答の送信を試みる手段を備え、ターミナルは、いずれかのワイヤレスセンサからの応答信号の受信衝突の有無を検知する衝突検知手段と、衝突検知手段で衝突を検知した際に検知条件を絞り込む方向に修正する手段とを備え、修正手段により修正した新しい検知条件を各ワイヤレスセンサに対して送信するようにした（請求項１）。
【０００８】
また、ワイヤレスセンサは、前記再応答によっても応答信号を送信できない場合に、チャネル衝突させるための強制応答信号を出力する強制応答手段を備えるようにするとよい（請求項２）。
【０００９】
ターミナルは、管理するワイヤレスセンサに対して「検知条件」を送信する。ワイヤレスセンサは、センシングした結果、受信した検知条件を満たす場合のみターミナルに対して応答信号を送信する。よって、たとえ複数のワイヤレスセンサがあっても全てのものが送信する訳ではないので、少ないチャネルでもって送信可能となる。
【００１０】
また、検知条件が緩い場合には、多くのワイヤレスセンサが応答を試みるためレスポンスが悪化する。係る場合にワイヤレスセンサは強制応答信号を出力して強制的に衝突させる。すると、ターミナルはその衝突を検知することにより、係る事態（設定した検知条件が緩やかで、応答できずにいること）にあることがわかるので、検知条件の絞り込みを行い、検知条件を満たすセンサの数を減らし、レスポンス改善を図る。よって、非同期に時分割制御を行うことができ、伝送処理の簡易化並びに負荷の軽減を図ることができ、消費電力の低下から電源（電池）の長寿命化を図ることができる。
【００１１】
また、ワイヤレスセンサは、自己の異常状態を検知する検知手段と、その検知手段により異常を検知した際にチャネル衝突により異常通知を優先的に出力する異常通知手段を備えて構成しても良い（請求項３）。もちろん、この請求項３の構成と請求項２の構成を合わせて構成するとなお良い。このようにすると、衝突を積極的に活用することにより、センサ故障・電池容量低下等の異常事態をターミナルに知らせることができる。
【００１２】
従来衝突を回避してデータを送るようにしたのに対し、積極的に衝突を起こすことにより、センサの状態を知らせることを特徴としており、請求項１，２では回線が混雑しているという状態を知らせ、請求項３では故障等の異常状態にあることを知らせるという点で共通する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るターミナル（無線ターミナル）を親局とし、複数のワイヤレスセンサを子局とした１：ｎの通信制御形態をとったセンサシステムを空調管理に適用した例を示している。
【００１４】
同図に示すように、監視領域Ｒ内の各所に、多数のワイヤレスセンサ１０を設置している。このワイヤレスセンサ１０は、設置位置の温度を検出（センシング）し、その検出結果に応じて所定のデータを伝送チャネルを用いた無線でターミナル２０に送るようになっている。
【００１５】
ターミナル２０は、受信した温度に関する情報（位置−温度情報）をプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）２１に送る。そしてプログラマブルコントローラ２１は、制御対象機器であるエアコン２２のファン・ルーバー・ヒーター等を制御することで、風向・風量・温度を調整し、任意の面空調を行うことができるようにしている。つまり、例えば室内全体の温度分布を均一にしたり、所定の温度分布になるように制御したりすることができるようになっている。
【００１６】
そして、ターミナル２０から各ワイヤレスセンサ１０に対して送る情報は、１つの下りチャネルを用いて行う。また、各ワイヤレスセンサ１０からターミナル２０に対して送る情報も、１つの上りチャネルを用いるようにしている。つまり、伝送チャネルは上り／下りが各１本ずつの計２本で対応するようにしている。
【００１７】
このように多数のワイヤレスセンサ１０との間でデータ通信をする場合でも２本の伝送チャネルで対応するために、本形態における基本シーケンスとして、ターミナル２０はワイヤレスセンサ１０に対して「検知条件」の通知を行い、ワイヤレスセンサ１０は検出したセンスデータが検知条件に合致した時のみ応答することにより、ターミナル２０に対する送信回数を低減している。これにより、たとえ上りチャネルが１チャネルであっても、伝送チャネルが使用中で待機状態になることが少なくなる。
【００１８】
そして、仮に検知条件に合致するセンサが多いと、チャネルがビジー状態になり、各ワイヤレスセンサは待機状態になり、ターミナル１０も情報収集効率が悪化する。係る場合には、検知条件を変更（条件が厳しくなるようにする）し、検知条件に合致するセンサ数を減らすことにより、待機状態になる確率を減らし、スムーズな伝送を可能とする。
【００１９】
このとき、検知条件に合致するセンサが多くいることを知らせるため、ワイヤレスセンサから、チャネル衝突させるための強制応答信号を送信するようにしている。このように、今まで衝突しないように各種の制御・改良を行ってきたが、本発明では積極的に衝突を発生させて通信不能にすることにより、混んでいること（レスポンスの低下）をターミナルに知らせるようにしている。そして、係る処理を行うための具体的な構造は、以下のようになっている。
【００２０】
まず、ワイヤレスセンサ１０は、図２に示すようにセンサヘッド１１を備え、そのセンサヘッド１１で検出した検出値（本形態の場合には、周囲温度）をレベル変換部１２でレベル変換後、ＣＰＵ１３に送る。ＣＰＵ１３は、センサヘッド１１でセンシングして得られた検出値が、ターミナル２０から与えられる検知条件（例えば、「２５℃以上」等）に合致するか否かを判断し、合致する場合には応答信号を送信するようにしている。ここで応答信号は、自己のセンサＩＤとセンシング情報、つまり本形態では検出した温度情報としている。
【００２１】
さらにＣＰＵ１３は、応答信号を送信するに先立ち、上りチャネルの使用状況をチェックし、使用可能か否かを判断し、空きチャネルの場合にはそのまま応答信号を送信し、使用中の場合には所定時間（所定フレーム分）待機し、その待機後に再応答（リトライ）を試みるマルチアクセス機能を有している。この待機時間は、内蔵するタイマにより計時する。
【００２２】
また、待機する際の所定時間は、本形態では乱数により決定するようにしている。このように待機時間が乱数により決定されるので、仮に複数のセンサが同時に待機中に入ったとしても再応答を試みる時期がずれることが多いので、次は送信可能となる可能性が高くなる。
すなわち、この待機時間は、
送信ビット数［ｂｉｔ］／伝送速度［ｂｉｔ／ｓ］
で示される「１送信所要時間」以上に設定する。さらに待機時間を、
１送信所要時間×ＣＰＵ生成疑似乱数
とすることで、待機時間が分散し、待ち回数を低下させることが可能となる。
【００２３】
さらにまた、再応答を試みた回数を記憶するメモリも有し、その記憶された再応答回数が一定以上となった場合には、チャネル衝突させるための強制応答信号を出力する機能も持っている。つまり、通常は伝送チャネルが使用中の場合には応答信号を送信しないが、再応答回数が一定以上となった場合には、伝送チャネルの使用の有無に関わらず送信するようになっている。これにより、上りチャネルは衝突を生じ、ターミナル２０側では正常受信が不能となる。また、上記再応答の回数を記憶するメモリは、プログラム上でソフト的に処理するものでもよいし、カウンタでも良く具体的な実現手段は任意である。
【００２４】
そして、上記検知条件はアンテナ１６を介して受信部１５が受信し、ＣＰＵ１３に与え、応答信号は送信部１４からアンテナ１６を介して送信するようになっている。なおまた、本形態におけるワイヤレスセンサ１０は、内部電源として電池１７を備え、その電池１７により駆動している。
【００２５】
そして、ＣＰＵ１３の具体的な処理機能は、図３に示すようなフローチャートとなっている。すなわち、電源投入後センサを初期化し（ＳＴ１１）、その後スリープモードに入る（ＳＴ１２）。このスリープモードになっても、受信部１５を介してターミナル２０から送られてくる検知条件は受信できるようになっている。
【００２６】
そして、その検知条件を受信したならば（ＳＴ１３）、スリープモードを解除し、センシング処理をする（ＳＴ１４）。つまり、センサヘッド１１を用いて周囲温度を計測する。そして、計測して得られた温度が検知条件に満たすか否かを判断し（ＳＴ１５）、満たさない場合にはステップ１４に戻り再度センシングをする。また、検知条件を満たす場合には、再応答の回数を記憶するメモリとしての「待ちカウンタ」をクリアし（ＳＴ１６）、上りチャネルのチャネル状況の確認をする（ＳＴ１７）。
【００２７】
そして、使用中でない、つまり空きチャネルとなっている場合には、自己を示すＩＤとセンスデータ（計測した周囲温度）を対にして、ターミナル２０へ向けて送信する（ＳＴ１８，ＳＴ１９）。一方、使用中である場合には、待ちカウンタのカウンタ値をチェックし、閾値（ｎ回）以上か否かを判断する（ＳＴ２０）。
【００２８】
そして、閾値（ｎ回）未満の場合には、待ちカウンタをインクリメントした後、乱数で決定されたフレーム分だけ待機する（ＳＴ２１，ＳＴ２２）。次いで、この待機ステップ１７に戻りチャネル状況の確認を行う。一方、閾値（ｎ回）以上待っても送信できない場合には、ステップ２０の分岐判断でステップ２３に進み、強制応答信号を送信する。このとき送るデータは、通常の応答（再応答を含む）を含む。
【００２９】
なお、この強制応答信号を受けたターミナル２０は、たまたまその送信時に他のセンサから応答信号がない場合には、ＩＤとセンサデータを強制的に伝達することができる。そして、仮にチャネルが使用中の場合には、チャネルの衝突が生じ、データの伝達が不能となる。
【００３０】
ターミナル２０は、図４に示すように、アンテナ２３を備え、そのアンテナ２３に接続された送信部２４を介して検知条件を送信し、アンテナ２３で受信したワイヤレスセンサ１０からの情報（応答信号／強制応答信号）を受信部２５で受信し、ＣＰＵ２７に与えるようになっている。
【００３１】
ＣＰＵ２７は、検知条件を決定し、送信部２４，アンテナ２３を介して各ワイヤレスセンサ１０に向けて送信したり、受信した応答信号に基づいてＩＤ−位置テーブル２６を参照し、受信した応答信号の送信元のワイヤレスセンサ１０の位置情報を取得し、係る位置情報とその位置における温度情報を関連付けて上位のプログラマブルコントローラ２１へ送るようになっている。
【００３２】
そして、ＩＤ−位置テーブル２６は、図５に示すようにセンサＩＤとその存在位置を関連付けたテーブルを格納するようになっている。なお、タ−ミナルに位置テ−ブルを設けず、各センサのＩＤに位置情報を付加してもよい。この場合は各センサに位置記憶手段が必要である。
【００３３】
さらに、ＣＰＵ２７の具体的な処理は、図６に示すフローチャートのようになっている。すなわち、プログラマブルコントローラから検知温度条件の通知を受け取ると、下りチャネルを用いて各センサに対してその検知条件を一斉同報通知し（ＳＴ３１，ＳＴ３２）、その後受信待機状態になる（ＳＴ３３）。
【００３４】
そして、受信があったか否かを判断する（ＳＴ３４）。そして、受信した場合には、その衝突の有無を判断する（ＳＴ３５）。つまり、センサＩＤと温度情報などのセンス情報を正常に受信した場合には、衝突がないと判断し、受信したセンサＩＤに基づいてＩＤ−位置テーブルを参照して、そのセンサＩＤの位置情報を取得する（ＳＴ３６）。そして、テーブル参照して得られた、応答信号を発したセンサの位置と、そのセンサから送られてきた温度情報を対にしてプログラマブルコントローラ２１に送る（ＳＴ３７）。
【００３５】
一方、ステップ３５の分岐判断で衝突があると判断した場合、つまり、正常なデータを受信できずにバーストエラーを検知した場合には、検知条件を満たすセンサが多数存在し、レスポンスが悪化し、応答信号を送信することができない状態にあると判断できる。この状態を放置すると、チャネルが混雑しリアルタイム性が悪化し、センサシステムとしての応答性も悪化するため、急激な温度変化に追従できなくなる。
【００３６】
そこで、ステップ３８に飛び、検知条件の絞り込みを行い、条件を厳しく設定する（ＳＴ３８）。その後、ステップ３２に戻り、再設定した検知条件を再度各センサに通知する。これにより、検知条件を満たすセンサが少なくなり、レスポンスが向上し、スムーズに情報収集ができるようになる。
【００３７】
なお、検知条件の絞り込みとは、該当するセンサが少なくなるような条件にすることであり、例えば、当初は「２５℃以上」としていたのを「３０℃以上」のように基準値を変えたり、「２５℃〜２８℃」のように範囲を限定することなどがある。
【００３８】
図７は、本発明の第２の実施の形態の要部を示している。本実施の形態は、第１の実施の形態と比較し、ＣＰＵ２７の処理が異なる。すなわち、第１の実施の形態では、再応答する回数が所定回数以上となった場合に強制応答信号を送信するようにしたが、本実施の形態では、応答信号が送信できない時間が一定時間以上になった場合に強制応答信号を送信するようにしている。
【００３９】
すなわち、「待ちカウンタ」に替えて応答信号が送信できないでいる待ち時間を計測する「待ちタイマ」を設け、その待ちタイマのタイマ値（待ち時間）が所定値を超えると強制応答信号を送信するようにしている。
【００４０】
それに伴い、図７に示すように、センシングした結果検知条件を満たした場合（ＳＴ１５でＹｅｓ）に、まず「待ちタイマ」をクリアする（ＳＴ１６′）。そして、上りチャネルのチャネル状況を確認し（ＳＴ１７）、使用中の場合には、タイマ値が閾値（ｎ秒）以上か否かを判断し（ＳＴ２０′）、閾値以上の場合には強制応答信号を強制的に送信する（ＳＴ２３）。また、待ちタイマのタイマ値が閾値（ｎ秒）未満の場合には、疑似乱数で決定した待機時間だけ待機後（ＳＴ２２）ステップ１７に戻り再応答を試みるようになる。なお、その他の構成並びに作用効果は上記した第１の実施の形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００４１】
図８は、本発明の第３の実施の形態を示している。同図に示すように、本実施の形態では、自己診断部１８と電源電圧監視部１９を搭載している。そして、それら自己診断部１８と電源電圧監視部１９は、常時もしくは所定間隔周期で動作させ、センサ故障の有無や電圧低下などの異常が発生していないかを監視するようにしている。
【００４２】
そして、異常を検知すると、ＣＰＵ１３に対して検知信号を送る。ＣＰＵ１３は、係る検知信号を受け取ると、割り込みを起こし、送信ルーチンを起動して自ＩＤと異常内容を対にした異常通知信号を強制送信する。
【００４３】
また、この異常通知信号の送信時間は、通常の送信時間の２倍以上となるよう連続送信するようにしている。これにより、他のセンサ通信との衝突を回避した伝達が可能となる。つまり、１フレーム分で衝突していても、その他のフレームのときに衝突することなく送信可能となる。このような構成とすることで、複数個所に設置されたセンサの保守が容易となる。
【００４４】
また、仮に送信した異常通知信号が全て衝突をしたとしても、ターミナル側でそのように一定時間以上連続して衝突が発生しているような場合には、何らかの異常があったと推定できる。そこで、例えば各センサに対し、通常の送信を停止するような命令を送るようにすると、異常通知信号のみ送信されてくるので、異常のあったセンサとその内容を特定できる。
そして、本実施の形態は、上記した第１，第２の実施の形態と組み合わせて構成するとより好ましい実施の形態となる。
【００４５】
なお、上記した実施の形態では、上りチャネルと下りチャネルをそれぞれ１チャネルとしたが、本発明はこれに限る必要はなく複数チャネルとしても良い。但し、本実施の形態のように片側を１チャネルに固定すると、チャネル切替が不要であるため、回路構成がさらに簡略化され、小型化・省電力化が図れるので好ましい。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る通信システムでは、検知条件を満たすセンサのみが応答信号を送信するので、たとえ使用するチャネル数が少なくても通信が可能となり、また無用な送信を減らし、消費電流を低減することができる。
【００４７】
しかも、検知条件が緩やかで該当するセンサが多い場合には、ワイヤレスセンサは強制応答信号を送信して係る状態をターミナルに通知し、ターミナルは検知条件を再設定することから、伝送チャネルの有効利用と、レスポンス効率が向上する。しかも、非同期に時分割制御を行うことができ、伝送処理の簡易化並びに負荷の軽減を図ることができ、消費電力の低下から電源（電池）の長寿命化を図ることができる。
【００４８】
また、請求項３に記載の発明では、衝突の積極活用を図り、センサ異常・電池容量低下等の異常状態にあることをターミナルに通知することができる。よって、複数個所に設置されたセンサの保守が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る通信システムたるセンサシステムの一例を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図３】第１の実施の形態のワイヤレスセンサのＣＰＵの機能を説明するフローチャートである。
【図４】本発明に係るターミナルの好適な一実施の形態を示す図である。
【図５】ＩＤ−位置情報テーブルのデータ構造を示す図である。
【図６】ターミナルのＣＰＵの機能を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施の形態の要部であるＣＰＵの機能を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１０ワイヤレスセンサ
１１センサヘッド
１２レベル変換部
１３ＣＰＵ
１４送信部
１５受信部
１６アンテナ
１７電池
１８自己診断部
１９電源電圧監視部
２０ターミナル
２１プログラマブルコントローラ
２２エアコン
２３アンテナ
２４送信部
２５受信部
２６ＩＤ−位置テーブル
２７ＣＰＵ

Claims

ワイヤレスセンサが監視領域内に複数設置され、各ワイヤレスセンサとの間で無線通信するターミナルを有する通信システムであって、
ターミナルは、各ワイヤレスセンサに対して無線を介して検知条件を一斉同報にて送信し、各ワイヤレスセンサから応答信号を受信することによりセンシング情報をデータ収集するものであり、
各ワイヤレスセンサは、無線を介してターミナルから受信した検知条件にセンシング情報が合致するか否かを判断し、合致する場合に自己のセンサＩＤと計測したセンシング情報とを含む応答信号を送信するものであり、
各ワイヤレスセンサは、応答信号を送信するに際して伝送チャネルの状況を検出して使用中の場合には乱数により決定される所定時間待機し再応答の送信を試みる手段を備え、
ターミナルは、いずれかのワイヤレスセンサからの応答信号の受信衝突の有無を検知する衝突検知手段と、衝突検知手段で衝突を検知した際に検知条件を絞り込む方向に修正する手段とを備え、修正手段により修正した新しい検知条件を各ワイヤレスセンサに対して送信するようにした
ことを特徴とする通信システム。
前記ワイヤレスセンサは、前記再応答によっても応答信号を送信できない場合に、チャネル衝突させるための強制応答信号を出力する強制応答手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
前記ワイヤレスセンサは、自己の異常状態を検知する検知手段と、その検知手段により異常を検知した際にチャネル衝突により異常通知を優先的に出力する異常通知手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の通信システム。