JP3945714B2 - ガス漏洩検知機能付き無線端末及びそれを用いたガス漏洩検知システム及びガス漏洩通報方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス漏洩を検知する無線端末及びそれを用いたシステム及びガス漏洩通報方法に関するものであり、特に、高圧の水素ガスを自動車に供給する水素ステーションを安全かつ低コストで運営するための無線端末及びそれを用いたシステム及びガス漏洩通報方法に関する。

近年、化石燃料に代わるクリーンな燃料として水素エネルギーが注目されている。例えば、自動車を例にとると、水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させて発電する燃料電池を搭載し、発電した電力により自動車を駆動する燃料電池方式の電気自動車がある。水素は、ガス状態で高圧容器に貯蔵されて自動車に搭載される。また、高圧容器に貯蔵された水素ガスを燃焼させる内燃機関を備えた水素ガス自動車も開発されつつある。

水素は無色無臭で爆発性の気体である。水素をより安全に利用するために、車に水素ガスを補給する水素ステーションには、ガス漏洩を素早く検知して、危険を管理者に通報したり、ガスの元栓を遮断したりして、爆発事故を未然に防止する各種機能を備える必要がある。

従来の水素ステーションでは、水素ガスを検知するセンサを１つの水素ステーションにつき数個程度設置していた。

一方、特許文献１には、一般家庭のガスまたは電気または水道の漏れを検知して無線で送信する無線警報システムが開示されている。
また、特許文献２には、都市ガスを対象としたガス漏れ警報装置が開示されている。この特許文献２には、迂回路を設けて通信のバンド幅を確保する技術、すなわち、無線通信路が特定のセンサに占有されていて使用できない場合、空いている基地局に対して通信を試みる装置が記載されている。

特開平１０-３２０６７５号公報 特開平１１-３０６４６３号公報

水素は無色無臭で爆発性の気体であるため、実用化に向けて解決すべき課題が多々ある。例えば、水素ステーションを市街地の各所に設け、自動車の利用者が簡単に水素ガスの補給を受けられるようにするためには、高い安全性を確保する必要がある。そのため、水素ステーションあたり数十個程度のセンサを設置して水素の漏洩を高い精度で検知することが考えられる。

一般的には、多数の水素センサを設置する場合、配線の敷設に伴う設置コストが問題となる。特許文献１に記載されているように、センサ（警報手段）と基地局（網制御手段）を無線通信化することで、そのコスト削減できる。

しかし、無線通信は有線通信と比較して、バンド幅が狭く、かつ、通信の高信頼化を確保するのが難しい。水素ステーションを市街地に設置する場合、数十個のセンサが必要になることから、全てのセンサが同時に通信を行っても、無線通信回線がパンクしないほどのバンド幅をあらかじめ確保しておく必要があり、かなりのコストを要すると考えられる。

また、水素ガス特有の問題として、ガスの拡散速度が他のガスに比べて大きいことが挙げられる。多数のセンサが設置されて無線接続された水素ステーションにおいて、仮に水素漏洩が発生した場合、漏洩箇所周辺のセンサは、一斉に基地局へ異常を送信し始めると考えられる。特に水素は分子量が最も小さい気体であるため、他の気体に比べ拡散速度が速く、またたく間に拡散して、周辺一体のセンサを作動させてしまう。

その結果、より多くのセンサからアクセスが集中して無線回線がパンクしてしまい、センサは水素の漏洩を検知するが警告が基地局まで伝わらず、遮断弁が遮断されないという最悪の事態を招くことが予想される。
解決策として、全てのセンサが同時に通信しても耐えられるだけのバンド幅をあらかじめ用意しておく方法がある。

特許文献２に記載のような、通信の飽和に備えて、迂回路のための基地局を設けておく方式の採用も考えられる。しかし、ガス漏洩時、ほぼ全てのセンサが同時に送信を始める水素ステーションのようなシステムでは、迂回路のために多くの基地局が必要になってしまい、システムが大変高価になってしまう。

本発明の目的は、センサの設置数を増やして水素ステーションの安全性を確保したいという要求と、センサの設置や通信路の確保に伴うシステムコストを抑止したいという要求を両立させた、ガス漏洩検知機能付き無線端末及びそれを用いたガス漏洩検知システム及びガス漏洩通報方法を提供することにある。

本発明により開示される本発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記のとおりである。

本発明の無線端末は、センサとマイコンと無線機を搭載し、前記センサで検知したガス濃度を前記無線機により外部に送信する送信機能を備えた無線端末であって、前記無線機により通信回線を介して行う前記ガス濃度の送信方法を、自身で検知した前記ガス濃度の高低に応じて制御する送信制御機能を有する。ガス濃度送信に閾値を設定することで、閾値に満たないセンサは、自身の通報を抑止するので、結果的により濃度の高いセンサ情報を基地局に送信することが可能になる。

さらに、本発明の無線端末は、前記無線機を使用して前記ガス濃度を送信する際、前記ガス濃度の高低と自身が送信を行う通信回線の使用率とに応じて、前記ガス濃度の送信方法を制御する。すなわち、ガス濃度送信の閾値を通信回線の使用率に応じて動的に変化させることで、回線を飽和させることなく、より濃度の高いセンサの情報を優先して基地局に送信することが可能になる。

本発明によれば、多数の無線通信方式のセンサ、例えば水素センサ、が設置されていても、回線状況に応じて送信を行うセンサ数を動的に制御可能になるため、ガスの漏洩を高い精度で確実に検知できるようになる。従って、市街地のような高い安全性が求められる場所にも、水素ステーションのようなガスの供給施設を設置可能になる。

また、低コストで多数のセンサ、例えば水素センサを水素ステーション等に設置することが可能になる。論理的には、無限個のセンサを一つの水素ステーションに収容可能になる。

本発明は、センサが検出したガス濃度や無線回線の込み具合の状態に応じて、センサの送信制御を行う。本発明を水素ステーションに適用した実施例を以下に述べる。
なお、本発明の水素ステーションで供給される高圧のガスは、水素ガスのみならず、天然ガス（ＣＮＧ：Compressed Natural Gas）等の可燃性ガスも含まれる。以下では、説明を簡単にするために、ガスは単に水素ガスとして述べる。
本発明の水素ステーションでは、ガス漏洩が発生した場合、漏洩箇所付近に位置するセンサからは高濃度のガスが検出され、漏洩箇所から遠ざかるにつれて徐々にセンサから検出されるガス濃度は小さくなる。
ガス漏洩箇所の推定は、ガス濃度のより高いセンサからの情報をもとに行なわれるので、通信の回線容量に余裕がない場合、ガス濃度のより低いセンサからの送信を制限すれば、結果的に高いセンサからの情報が基地局に届きやすくなる。

すなわち、ガス濃度に閾値を設定して、閾値に満たないセンサは、自身の通報を抑止することで、結果的により濃度の高いセンサ情報を基地局に送信することが可能になる。さらに、その閾値を通信回線の使用率に応じて動的に変化させることで、回線を飽和させることなく、より濃度の高いセンサの情報を優先して基地局に送信することが可能になる。

通信の具体的な構成としては、複数のガスセンサと基地局は２種類の回線、上り回線と下り回線で相互に接続されている。上り回線は、主にセンサから基地局へ異常を通報するために使用され、下り回線は、基地局がセンサを制御するために使用される回線となっている。次にシステムの制御フローを示す。
基地局は上り回線の込み具合を常時監視しており、一定周期毎に上り回線の使用率を下り回線側へブロードキャストする。ガス漏洩を検知した個々のセンサは、通報に先立ち、下り回線にブロードキャストされる上り回線の使用率を受信する。

上り回線の使用率とセンサの閾値は正比例の関係にあり、回線使用率が大きいと閾値は大きく設定され、回線使用率が小さいと閾値は小さく設定される。例えば、回線がパンク寸前の場合、回線使用率は大きくなるため、閾値はより大きな値に設定される。多くのセンサはその閾値に達せず送信は抑止され、その結果、回線使用率は低下し、回線のパンクは自動的に回避される。

このように個々のセンサが上記制御フローに従い動作することで、システム全体の通信量が常に最適値に制御され、回線を飽和させることなく、濃度の高いセンサの情報だけが基地局に送信されることになる。

以下に述べる本発明の実施例は、多数のセンサを設置して水素ステーションの安全性を確保したいという要求と、センサの設置や通信路の確保に伴うコストを抑止したいという、相反する要求を矛盾なく実現する最良の形態である。
以下、具体例を実施例１、実施例２に記す。

図１は、本発明に係わる水素ステーションの一実施形態を示す概念図である。水素ステーション１０は、燃料電池自動車３に水素を供給する施設であり、市街地や郊外の道路に面した位置に適宜設けられ、ガス漏洩検知機能付き無線端末１００を備えている。複数の水素ステーション１０が、消防署や警備会社などに設けられた監視センターの端末１の監視下に置かれている。

各水素ステーション１０の水素ガス貯蔵庫６に蓄積された水素ガスは、配管７、水素ディスペンサ４を経て、水素ガスを燃料とする燃料電池自動車３の高圧容器へ供給される。水素ガスは、例えば３５Mパスカルあるいはそれ以上の高圧状態で水素ガス貯蔵庫６に蓄積され、その圧力差で自動車の高圧容器に充填される。自動車３に搭載された燃料電池は、高圧容器から供給された水素と、外気から抽出した空気中の酸素の電気化学反応を利用して発電し、車両走行用の電動機を回転させるのに用いられる。

各水素ステーション１０には、万が一のガス漏洩に備えて、配管７の分岐部や接合部、あるいは、水素ガスディスペンサ４の周辺部等に、ガスの漏洩を検知するガス漏洩検知機能付き無線端末(以下単にノード)１００が多数設置されている。例えば、１つの水素ステーションにセンサを内蔵した数十個程度のノードが設置される。また、各水素ステーション１０には、制御プログラムを備えた一つの基地局２００が設置されている。より高い安全性を確保するために、各水素ステーション１０に複数の基地局２００を設置しても良い。

水素ステーション１０の配管７には、遮断弁５が至る所に設置されている。遮断弁５の制御は、基地局２００内の制御プログラムによって通常自動的に行われる。

各ノード１００は、無線通信機を備えており、ガス漏洩が発生した場合、その無線機を使って、基地局２００へ異常の通報を行う。各ノード１００から異常の通報を受信した基地局２００はその異常を内部の大容量記録装置に蓄積するとともに、ブロードバンドルータ２を経由して接続されるインターネット網１２を介して監視センターの端末１に通報する機能を有する。

水素ステーション１０内の基地局２００から監視センターの端末１へ異常の通報を受けた場合、警備会社、あるいは消防所の職員は、端末１より水素ステーションの状態をWEBカメラ８を通して確認したり、また、基地局２００内の大容量記録装置に蓄積された通報履歴などを元に漏洩箇所の推定をしたり、または、避難勧告を出したりすることができる。

一方、ガス漏洩が発生した場合の遮断弁５の制御は、基地局２００内の制御プログラムによって自動的に行われる。遮断弁５の制御は、遠隔地の端末１からも制御することも可能である。

図２は、図１の各水素ステーション１０に設置されるノード１００のブロック図である。ノード１００は、ノード制御部（マイコン）１１０、無線通信モジュール（無線機）１２０、電源部１３０、及びセンサ部１４０より構成される。

ノード制御部１１０は、ノード１００の動作全体を司るMCU１１１（マイクロコントローラ）を中心にRTC（リアルタイムクロックコントローラ）１１３やその他の雑回路１１２より構成される。ノード制御部（マイコン）１１０は、制御プログラムにより、ノード１００自身と基地局２００間の無線通信を制御する通信制御機能を有するほか、上位の指令を受けて遮断弁５の制御等を行う機器制御機能も有する。

通常MCU１１１は、電池の消耗を極力さけるよう制御され待機状態にある。待機状態とは、センサのみ動作している状態をいう。待機状態の解除はRTC１１３から一定周期で発せられる割り込み信号、または、センサ１４０から発せられる割り込み信号によってなされる。前者は主にノードが正常に動作していることを基地局２００に定期的に報告する定時連絡信号であり、雑回路１１２内のDIPSWでその周期を設定できるようになっている。一方後者は、センサ１４０が異常値を検出したとき発する割り込み信号であり、基地局２００に異常を報告するためのトリガーとなる重要な信号である。

無線モジュール１２０は、例えば、日本の電波法で定められる特定小電力というカテゴリに属する無線機で、送受信機能を有し、通信距離数１００ｍ、通信速度約４８００ｂｐｓという仕様の無線機である。この無線モジュール１２０の仕様は、設置される地域の規定に基づいて適宜設定される。さらに、送受信の周波数帯を切り替えて使用できる機能や、送信しようとする無線の周波数が空いているかどうか調べる機能、すなわちキャリアセンス機能を有する。制御部１１０は、無線モジュール１２０を介して基地局２００と無線通信することができる。

電源部１３０は、電池１３１、主電源１３２、電圧モニタ１３３、無線用電源１３４より構成される。ノード１００の全ての電源は電池１３１から供給される。電源は、電池１３１から主電源１３２を経て制御部１１０とセンサ１４０へ供給される第一の電源系と、電池１３１から無線用電源１３４を経て無線通信モジュール１２０へ供給される第二の電源系の２つに分かれている。

第一の電源系は常に電源が供給されている。第二の電源系は、MUC１１１から電源のオン／オフ制御が可能なよう構成され、無線通信モジュール１２０を介して無線通信を行うときだけ電源オンになるよう制御される。電圧モニタ１３３は、電池の消耗具合を制御系に通知する機能を有し、電池の残量情報を基地局に通信する場合などに使用される。

センサ１４０には水素センサが搭載されている。一例として、水素センサは、大気雰囲気の水素濃度が１００ＰＰＭ程度以上になった状態を異常値として検知する。センサ１４０とMCU１１１間は、割り込み信号Ｉntを送受するラインと、センサの値をアナログ電圧で表すセンサ出力Ｓoutを送受するラインと、センサを制御する制御信号Ｃsを送受するラインで接続されている。制御信号Ｃsは、本実施例では、水素センサの測定モード切替えに使用している。より具体的には、電力を多く消費して水素を高精度に計測するモードと、低電力で荒く計測するモードの切替えに使用している。

本実施例のノード１００は水素ガスを検知する目的で使用しているが、センサ１４０部に接続される水素センサをバルブの開閉制御モジュールに差し替えることで、基地局から無線を通して配管の遮断弁を制御できるよう設計してある。

図３は、本発明に係わる水素ステーション１０に設置される基地局２００のブロック図である。基地局２００は、電源２４０、大容量記録装置（HDD）２５０、制御用コンピュータと同等の機能を有するCTRBOX２１０と、無線通信モジュール１２０と同等の機能を有する送信専用の無線機RFMA２２０と受信専用の無線機RFMB２３０が接続された構成になっている。

CTRBOX２１０にはマイコン２１１が内蔵され、そのメモリバスにメモリ２１２が、PCIバスに、HDDコントローラ２１３、USBコントローラ２１４、イーサネット（登録商標）コントローラ２１５がそれぞれ接続されている。CTRBOX２１０のマイコン２１１は、制御プログラムにより、各ノード１００と基地局２００との無線通信及び基地局２００と端末１との有線通信を制御する通信制御機能を有するほか、各ノード１００の遮断弁５の制御等を行う機器制御機能も有する。

基地局２００は、ＯＳとしてLinuxを搭載しており、HDDコントローラ２１３、USBコントローラ２１４、イーサネットコントローラ２１５等の制御をはじめ、さらにはその上でWEBサーバやデータベースなどのアプリケーションを動作させることができる。

次に、ノード制御部（マイコン）１１０による通信制御機能について、説明する。図４は、ノード１００と基地局２００の無線接続を記した図である。
ノード１００と基地局２００間の無線通信は、ノード制御回線３００とノード通信回線３０１を用いて行われる。回線３００と回線３０１の無線周波数帯は混信しないよう別々の周波数が割り当てられている。すなわち、回線３００の無線周波数ｆ１と回線３０１の無線周波数ｆ２は、異なる周波数である。各水素ステーション１０に複数の基地局２００が設置される場合も、基地局２００ごとに別々の周波数が割り当てられている。

ノード１００は、回線３００を受信専用、回線３０１を送信専用として通信を行う。この通信には、一時間に一回程度の頻度で各ノード１００の状況を報告する定時報告モードと、異常発生時に各ノード１００の状況を報告する異常報告モードとがある。送信用の回線３０１は複数のノードで共有して使用されるため、特に異常報告モード時に、２個以上のノードが同時刻に送信した場合、通信衝突が発生して、正しく情報を送信できなくなる。これら通信の衝突を極力回避するため、各ノードは、送信に先立ち、キャリアセンスを行って自身が送信しようとする回線の空き状況を確認し、通信衝突を可能な限り回避するよう努める。一般的にこのような複数ノード間の衝突を回避する制御をCSMA／CAという。また、キャリアセンスとは、電波のある周波数帯が使用されているかどうか検出する手段をいう。

受信用の回線３００も送信用の回線３０１と同様に、複数のノードで共有されるが、これらのノードは本回線に対して受信動作しか行わないよう制御されるため、回線３０１のような衝突は発生しない。

次に、基地局２００の説明を行う。基地局２００は、無線機、RFMA２２０とRFMB２３０を有している。RFMA２２０とRFMB２３０は全く同じ仕様の無線機であるが役割がそれぞれ異なる。RFMB２３０は、警報が送信される回線３０１を常時監視する目的で、受信専用機として用いられる。

RFMA２２０は回線３０１の使用率を求めるキャリア検出機として、かつ、それをパケットに埋め込んで回線３００に送信する送信機として使用される。

回線３０１の使用率は、回線３０１上のキャリアの有無（破線円３０２）を一定周期毎に繰り返し検出して求めた結果から導出される。

一方、RFMA２２０は、有線ネットワーク３０３からの要求に応じて、あるいは、RFMB２３０の受信結果に応じて、CTRBOX２１０で処理された各種コマンドを、回線３００へ送信する機能もあわせ持つ。

図５は、ノード１００と基地局２００間の通信で送受信されるパケットの構成図である。
パケット３５０は、パケットの受信者を識別するための受信者識別子３５１、パケットの送信者を識別するための送信者識別子３５２、回線３０１上の回線使用率が格納される回線使用率３５３、ノードへ様々な指示を行うコマンド種別３５４、コマンドの引数を格納する引数３５５より構成される。コマンド種別３５４にはノードに様々な動作を指示するコマンドが格納される。具体的には、以下のようなコマンドが定義されている。
"continue"＝「監視を継続せよ。なお、引数で示した秒数後、再度報告せよ」
"standby"＝「待機状態へ遷移せよ」
"battery"＝「電池の残量を報告せよ」
"set_mode"＝「センサのモードをセットせよ。（高精度モードと低消費電力モード）」
"get_mode"＝「センサのモードを報告せよ。（高精度モードと低消費電力モード）」
"nop"＝「何もしない。（回線使用率をブロードキャストする場合に用いる）」

図６は、ノード送信回線の使用率を求めて、ノード制御回線上に送信する基地局の動作フローを示す図である。この図を用い、基地局２００における、マイコンによる回線３０１の使用率の導出方法、ならびに、回線３００への使用率の送信フローの説明を行う。

はじめに、スタート(S６００)後、使用率を表す変数Uを０で初期化する(S６０１)。なおUは、０から１００までの値を取り、１００が最も使用率の大きい状態を表す。

次に、回線３０１に送信すべきコマンドがあるかどうかの判定を行う(S６０２)。本判定が真ならば、送信すべきコマンドに応じたパケットの生成を行う(S６０３)。送信すべきコマンドがないならば、使用率の計測を行うかどうかの判定に進む(S６０４)。使用率は１秒間に１０回、約１００ms毎に測定される。この判定は前回使用率を計測してから１００ms経過しているかどうかの判定を行う。この判定が真であるならば、NOPパケットを生成する(S６０５)。NOPパケットとは、パケット３５０の、コマンド種別３５４がnop(ノーオペレーション)のパケットであり、本パケットを受信したノードは回線使用率３５３の値を自身に取り込む以外の動作を行わないと定義されたパケットである。

次に、本実施例で採用した回線使用率Uの導出アルゴリズム（S６１０）について説明する。

まず、図４に示したキャリアセンス３０２の結果CSを取得する(S６１１)。
新たな回線使用率Uは、次式のように、過去の回線使用率Uを０．９倍した値に、キャリアセンスの結果CSを加算して導出される。加算値としてキャリアが検出された場合は定数１０を、検出されなかった場合は定数０を用いた(S６１２〜S６１５)。
U=U×０．９＋１０×CS
本アルゴリズムS６１０を用いると、キャリアが連続して検出された場合、Uは限りなく１００に近づき、逆にキャリアが連続して検出されない場合、Uは限りなく０に近づく。Uは０〜１００値をとる。

なお、上記回線使用率Uの算出式は一例であり、同様な思想に基づく他の式に置き換えても良いことは言うまでも無い。

基地局２００は、アルゴリズム(S６１０)で導出したUの値をパケット中の回線使用率３５３に格納して(S６２０)、回線３００へ送信を行い(S６２１)、各ノード１００に対して回線３０１の使用率の通知を行う。ここで示した一連の動作は基地局２００の無線機RFMA２２０を使用して行われる。

多数のノード１００が設置された水素ステーションにおいて、水素漏洩が発生した場合、漏洩箇所周辺のノード１００は搭載するセンサ１４０の指令により異常報告モードに遷移して基地局へ向かって一斉に警告を無線で送信し始める。

図７は、異常報告モード時に、センサ１４０の値と回線の使用率を使って、送信の制御を行うノードの動作フロー図である。図２、図７を用いて本フローの詳細を説明する。

ノード１００内のセンサ１４０は、ガス漏洩を検知すると割り込みを発生して(S７００)、マイコンのMCU１１１の起動を行う。MCU１１１は、起動後プログラムの初期化を行い(S７０１)、判定のエントリーに進む(S７０２)。ここでは、送信に備えて無線回線３００上に送信されるパケット３５０の取得を試みるとともに、センサ情報Lの取得(S７０３)を行う。すなわち、ノード１００は、漏洩した水素ガスの濃度をセンサ１４０より取得する。その値を０〜１００の範囲に正規化し、水素濃度レベルLを得る。それと平行して、ノード１００は、無線用電源１３４を作動させ、無線通信モジュール１２０の起動を行う。

一方、ノード１００は、回線３００上に送信されるパケットを受信して、パケットの回線使用率３５３に格納されている回線３０１の回線使用率Uを求めて０〜１００の範囲に正規化し、回線使用率Rを得る(S７０４)。

その後、得られた水素濃度レベルLと回線使用率Rとを用いて、予め与えられた送信判定パターンに基づく送信判定(S７０５)にて送信の判定を行う。

送信判定処理S７０５の詳細を、図８を用いて説明する。
図８は、水素濃度レベルLと回線使用率Rから送信制御の判定方法を決定する送信判定パターン８００の例を示した図である。

図８の送信判定パターン８００において、縦軸は正規化後の回線使用率Rを、横軸は正規化後の水素濃度レベルLを示している。正規化後の値は、それぞれ０から１００の範囲を取り、値が大きいほど、高い回線使用率を、あるいは、高い水素濃度レベルを表す。なお、回線使用率Rに関しては、２０％以下の場合全て領域８１０とし、９５％以上の場合全て領域８２０とする。ここで、２０％以下の場合を全て領域８１０とするのは、回線使用率Rが低い領域では回線使用の制限の必要性が低くなることを配慮したものである。他方、９５％以上の場合全て領域８２０としたのは、回線使用率Rが著しく高い場合にさらに回線使用の機会を与えると混乱が増し制御困難になるので、回線使用率Rが９５％未満に低下するまで待つようにしたものである。

送信判定処理S７０５は、LとRの交点が領域８１０に属する場合を真、領域８２０に属する場合を偽と扱われ、判定結果が真の場合、送信フロー(S７０６)に移行し、ノードはDミリ秒後に送信を行うよう制御される。一方、判定結果が偽の場合は、ノードの送信は抑止され(S７０７)、Wミリ秒後に再度送信の判定が行われる。

D、Wで示される待ち時間は、同時刻に複数のノードが同期して送信を開始するような事がないように、送信タイミングを意図的にずらす目的で使用され、水素濃度が高いノードほど待ち時間小さくなるよう設定されている。

なお、図８の送信判定パターン８００は、あくまでも一例でありこれに限定されるものではない。送信判定パターン８００の二つの領域を仕切る線分を、回線使用率Rや水素濃度レベルLの関数f(R,L)、あるいはこれに他の要素を付加した関数として適宜設定すればよい。

再び図７に戻り説明を行う。
送信判定(S７０５)の判定結果が偽の場合、図８で指示される待ち時間（Wミリ秒）だけ待ったのち(S７０７)、再判定のエントリーに進み(S７０２)、再度判定処理S７０５が行われる。

判定結果が真の場合は、送信フロー(S７０６)に移行し、図８で指示される時間（Dミリ秒）だけ待ち(S７１０)、その後キャリアセンスの処理(S７１１)に進む。ここでは、送信に先立ち、回線３０１が空いることをキャリアセンスにより確認して送信を行う。回線が使用中の場合は、回線に空きが生じるまで、数回キャリアセンスを繰り返す。なおも回線が使用中の場合は図７には示していないが、エラー処理ルーチンへ進み、しかるべき処理が行われる。

ノードからの送信を受信した基地局は、受信が正しく行われたことを送信元のノードに通知するために、パケットを回線３００へ送信する。
ノードはそのパケットを受信し(S７１２)、パケット内のコマンドを解釈し(S７２０)、パケット内のコマンド種別３５４で指示された動作を実行する(S７２１)。

具体的には、コマンド種別３５４が「continue」であった場合、これは、ノードに引き続き水素濃度の監視を行うよう指示するコマンドであるので、ノードはパケット中の引数３５５で示される時間だけ待ったのち(S７２３)、再び水素濃度の計測ならびに基地局への送信処理を行う再判定のエントリーに進む(S７０２)。またコマンド種別３５４が「standby」の場合、これは、報告自体が誤報であったり、漏洩が既に沈静化され安全が確認された場合に基地局から発行されるコマンドである。そこで、ノードは本コマンドを受信した場合、待機状態に遷移する(S７２４)。さらに、コマンド種別３５４が「battery」のように、コマンドの処理結果を基地局へ返信する特殊なコマンドも存在する。本コマンドを受信したノードはバッテリの残量を求めて送信フロー(S７０６)の先頭に戻り、基地局にその情報を送信する(S７１１)。その他、エラーや受信タイムアウト等を検出した場合(S７２２)は送信フロー(S７０６)の先頭に戻り再送処理を行う。

その後、ノードからの異常情報は、基地局２００を経てインターネットに接続された監視センター等の端末１に届けられる。監視センターの職員は、基地局２００からガス漏れに関する異常通報を受けとると、ガス漏洩箇所の推定を行い水素ステーションへ必要な対策を指示する、あるいは、関係部署への通報を行うこととなる。

ガス漏洩箇所の推定は、ガス濃度のより高いセンサから情報をもとに行なわれるので、通信の回線容量に余裕がない場合、ガス濃度のより低いセンサからの送信を制限すれば、結果的に高いセンサからの情報が基地局に届きやすくなる。

従って、ガス漏れ発生という緊急時にあっても、ガス漏れのあった水素ステーションのノードと基地局２００の間の適切な通信が確保され、さらに監視センターの端末に水素ガスの漏洩個所をいち早く通知することができる。

また、水素ガスは、ガスの拡散速度が他のガスに比べて大きいが、本発明の実施例によれば、高圧の水素ガスをより安全に利用することができる。この点を、図９及び図１０で説明する。

まず、図９は、燃料ガスの空気に対する比重を示した図である。ガソリン、ブタン、プロパンは空気より重いため下方向へ沈降するのに対し、天然ガスや水素は、空気より軽いため上方へ拡散する性質を持つ。特に水素は空気の１４分の１の比重しかなく、非常に拡散性の高い気体である。一方、現在実用化されている水素ステーションでは、水素ガスは３５Mパスカルもの高圧状態で蓄積され、その圧力差で自動車に充填される。しかも、水素ガスの圧力は今後、自動車の連続走行距離を増加させる必要から、７０Mパスカル〜９０Mパスカルへ向上すると言われている。

従って、ある水素ステーション１０において、一箇所から水素ガスが漏洩したとした場合、漏洩した水素ガスがかなり早い速度で水素ステーション１０内に広く拡散してしまい、ガス漏洩時、ほぼ全てのセンサが同時に送信を始める事態が予想される。このような場合でも、その水素ステーションの各ノードと基地局２００の間の適切な通信を確保して監視センターの端末間に水素ガスの漏洩個所をいち早く通知し、迅速な処置、例えば漏洩個所の遮断弁５の閉鎖を可能にする必要がある。

図１０は、緊急時における基地局と複数個のノードの動作例を示している。
基地局と複数個のノードが設置された水素ステーションにおいて、ある箇所から水素が漏洩した場合を例に説明を行う。

図１０は、設置された複数のノードのうち、漏洩箇所から５番目に近い場所のノード（ノードA）と漏洩箇所から１０番目に近い場所のノード（ノードB）の動作を記したものである。図中に記された処理フロー（S７００からS７０７）は、図７の処理フロー（S７００からS７０７）にそれぞれ対応している。

基地局２００は図６のフローに従い、一定周期毎に回線３０１のキャリアセンスを行い、回線使用率Uを導出して、それをパケット内に埋め込み、回線３００へ送信を行う。回線使用率の送信は水素の漏洩とは無関係に一定周期間隔で常に出力されている。

水素漏洩が発生した場合、漏洩箇所に近いセンサから順に異常が検出され基地局へ送信される。ノードAが水素漏洩を検知するころ、より漏洩箇所に近いノードは既に異常の通報を行っている。そのため通信の回線使用率Uは４５になっている。

そんな中、ノードAはガス漏洩を検知して、図７のフローに従い、回線使用率Rと水素濃度レベルLを取得して判定を行い送信の制御を行う。本ノードAの例では、R＝４５、L＝５０がそれぞれ取得され、判定結果は真となり、D=２５０ミリ秒後に送信が行われる。

送信後、ノードAは、監視の続行を指示するコマンド「continue」を受信したため、一定時間後に再び水素濃度の報告を行う。

ノードAの２度目の報告も、R＝４５、L＝６０が取得されたため、判定結果は真となり、D=２００ミリ秒後に送信が行われる。１度目との相違点は、より高い濃度の水素が検知されたため、待ち時間Dが短くなっていることである。

一方、ノードAが水素漏洩を検知後、しばらくして、漏洩箇所から１０番目に近い場所のノードBにおいても水素ガスの漏洩が検知される。ノードBも同様に図７のフローに従い処理が行われる。ノードBの例では、R＝４５、L＝３０がそれぞれ取得され、判定結果が偽となった。その結果、ノードBの送信は抑止されW=１２５０ミリ秒後に再度判定されるよう制御される。なお本例では、再判定後においてもR＝４５、L＝４０となり、再び送信が抑止される結果となる。

このように、本実施例によれば、水素ステーション内のガス漏洩を素早く検知すると共に、緊急度を優先した適切な通信を確保できるため、水素をより安全に利用することができる。すなわち、回線状況に応じて送信を行うセンサ数を動的に制御可能なため、論理的には、無限個のセンサが一つの水素ステーションに収容可能になる。その結果、水素ガスの漏洩を高い精度で確実に検知できるようになり、市街地のような高い安全性が求められる場所に水素ステーションを設置可能になる。また、水素ステーションに多数の水素センサを低コストで設置することが可能になる。

さらに、多数のセンサを設置可能になるその他の効果として、ガスの漏洩状況をより詳細に、かつリアルタイムでモニタリングできるようになるため、ガスの強制排気やガス弁遮断などのきめ細かい制御が可能になり、水素ステーションの安全性や利便性が向上する。

また、本実施例の水素ステーションは、ガス漏洩を素早く検知して、危険を管理者に通報したり、ガスの元栓を遮断する各種機能が備わっており、水素を安全に利用することができる。

実施例１では、センサから取得した水素濃度と回線の使用率に応じて送信を制御する方法を説明したが、実施例２では、回線の使用率を用いずに、センサから取得した水素濃度レベルだけを用いて送信を行う例について説明する。

図１１は水素濃度レベルだけを使用して送信制御を行うノードの動作フローを示す図である。Ｓ１０００で示した部分以外の処理は図７と同様のフローであるため説明を省略する。

Ｓ１０００は、無線LANなどに使われる一般的なCSMA／CA制御のフローである。唯一の相違点は、Ｓ１００１において、キャリアセンス行う時間が取得された水素濃度レベルに応じて変化する点である。キャリアセンスを行う時間Cは水素濃度が高いノードほど小さくなるよう設定される。

一例として、キャリアセンスを行う時間Cは、C＝(１００-L)+１０で与えられる。このように、実施例２では、水素濃度が高いノードほど待ち時間が小さくなる。これにより、実施例１の回線使用率を用いることなく、より高い水素濃度を検知したノードの情報を優先して基地局に送信できるようになる。
実施例２は、実施例１に比べて設置する水素センサの数が少なく、かつ、回線に十分余裕がある場合に有効な手段となる。

この実施例でも、水素ステーション内のガス漏洩を素早く検知すると共に、緊急度を優先した適切な通信を確保できるため、水素をより安全に利用することができ、市街地のような高い安全性が求められる場所に水素ステーションを設置可能になる。

なお、自動車として燃料電池自動車の代わりに、高圧容器に貯蔵された水素ガスを燃焼させる内燃機関を備えた水素ガス自動車を対象とする水素ステーションにも、同様に本発明を適用できる。

また、本発明は、水素ステーションに限らず、水素や天然ガスのような、拡散速度が大きく放置すれば爆発の可能性のあるガスを取り扱う場所に、広く、適用可能である。

本発明に係わる水素ステーションの一実施形態を示す概念図である。 図１の水素ステーションに設置されるノードのブロック図である。 図１の水素ステーションに設置される基地局のブロック図である。 ノードと基地局の無線接続を記した図である。 ノードと基地局間の通信で送受信されるパケットの構成図である。 ノード送信回線の使用率を求めて、ノード制御回線上に送信する基地局の動作フローを示す図である。 センサの値と回線の使用率から送信制御を行うノードの動作フローを示す図である。 センサの値と回線の使用率から送信制御の判定方法を記した図である。 燃料ガスの比重を比較した図である。 基地局と複数個のノードの動作例を示した図である。 本発明の他の実施形態における、送信制御を行うノードの動作フローを示す図である。

符号の説明

１…端末、２…ブロードバンドルータ、３…燃料電池自動車、４…水素ディスペンサ、５…遮断弁、６…水素ガス貯蔵庫、７…配管、８…WEBカメラ、１０…水素ステーション、１２…インターネット網、１００…ノード、１１０…ノード制御部、１１１…マイクロコントローラ、１１２…雑回路、１１３…リアルタイムクロック、１２０…無線通信モジュール、１３０…電源部、１３１…電池、１３２…主電源、１３３…電圧モニタ、１３４…無線用電源、１４０…センサ、２００…基地局、２１０…CTRBOX、２１１…マイコン、２１２…メモリ、２１３…HDDコントローラ、２１４…USBコントローラ、２１５…Ethernet（登録商標）コントローラ、２２０…無線機RFMA、２３０…無線機RFMB、２４０…電源、２５０…HDD（ハードディスクドライブ）、３００…ノード制御回線、３０１…ノード送信回線、３０２…キャリアの検出、３０３…有線ネットワーク、３５０…パケット、３５１…受信者識別子、３５２…送信者識別子、３５３…回線使用率、３５４…コマンド種別、３５５…引数。

Claims (16)

1. 水素センサとマイコンと無線機を搭載し、前記水素センサで検知したガス濃度を前記無線機により外部に送信する送信機能を備えた無線端末であって、
   前記無線機により通信回線を介して行う前記ガス濃度の送信方法を、自身で検知した前記ガス濃度の高低に応じて制御する送信制御機能を有し、
   前記無線機を使用して前記ガス濃度を送信する際、前記ガス濃度の高低と自身が送信を行う通信回線の使用率とに応じて、前記送信方法を制御し、
   前記送信方法を判定するための送信判定パターンを有しており、
   該送信判定パターンは、回線使用率Rと水素濃度レベルLで定義され、前記水素濃度レベルLが高い程回線使用率Rの高い領域まで前記通信回線の優先的な使用を可能にするように構成されている、
   ことを特徴とする無線端末。
2. 請求項１に記載の無線端末において、前記ガス濃度が高濃度である場合、前記通信回線の使用の機会を高くすることを特徴とする無線端末。
3. 請求項１に記載の無線端末において、前記ガス濃度が所定値以下の場合、前記送信を抑止することを特徴とする無線端末。
4. 請求項３に記載の無線端末において、前記ガス濃度が高濃度である場合、前記通信回線の使用の機会を高くすることを特徴とする無線端末。
5. 請求項１記載の無線端末において、前記無線機を使用して前記ガス濃度を送信する際、前記通信回線の使用率が高く、かつ、前記ガス濃度が低い場合は、前記送信を抑止あるいは所定時間待った後に送信を行うことを特徴とする無線端末。
6. 請求項１記載の無線端末であって、前記水素濃度レベルが高いほど、キャリアセンス時間が短くなるよう制御することを特徴とする無線端末。
7. 水素センサとマイコンと無線機を搭載した複数個の無線端末を有する無線端末群と、基地局とで構成され、前記無線端末の水素センサでガス漏洩を検知してネットワーク経由で通報する機能を有するガス漏洩検知装置であって、
   前記基地局は、前記無線端末群と通信回線を介して無線で情報をやり取りするための無線機と、ネットワーク接続機能と、前記無線機及び前記ネットワーク接続機能を制御するマイコンを備えており、
   前記各無線端末は、前記無線機により通信回線を介して行う前記ガス濃度の送信方法を、自身で検知した前記ガス濃度の高低と自身が送信を行う通信回線の使用率とに応じて制御する送信制御機能を有し、
   前記無線機を使用して前記ガス濃度を送信する際、前記ガス濃度の高低と自身が送信を行う通信回線の使用率とに応じて、前記送信方法を制御し、
   前記送信方法を判定するための送信判定パターンを有しており、
   該送信判定パターンは、回線使用率Rと水素濃度レベルLで定義され、前記水素濃度レベルLが高い程回線使用率Rの高い領域まで前記通信回線の優先的な使用を可能にするように構成されている
   ことを特徴とするガス漏洩検知装置。
8. 請求項７に記載のガス漏洩検知装置において、
   いずれかの前記無線端末で、ガス漏洩に関する情報を前記無線通信する際、自身の前記ガス濃度と前記通信回線の込み具合とに応じて該無線端末の送信の優先度を判定することを特徴とするガス漏洩検知装置。
9. 請求項７に記載のガス漏洩検知装置において、所定の濃度以下のガスを検知した前記無線通信端末は、送信を抑止することを特徴とするガス漏洩検知装置。
10. 請求項７に記載のガス漏洩検知装置において、高濃度のガスを検知した前記無線通信端末からの通信を優先的に処理することを特徴とするガス漏洩検知装置。
11. 請求項７に記載のガス漏洩検知装置において、前記基地局は、前記無線端末が送信する通信回線の使用率を計測して、該使用率を前記無線端末に伝える手段を持つことを特徴とするガス漏洩検知装置。
12. 請求項７に記載のガス漏洩検知装置において、
    いずれかの前記無線端末が自身に搭載された前記水素センサで検知したガス濃度を、自身に搭載された無線機を使用して送信する際、前記基地局から与えられる通信回線の使用率応じて、検知したガス濃度の送信を制御することを特徴とするガス漏洩検知装置。
13. 請求項７に記載のガス漏洩検知装置を備えた水素ステーションであって、
    いずれかの前記無線端末が自身に搭載された前記水素センサで検知したガス濃度を自身に搭載された無線機を使用して送信する際、前記基地局から与えられる通信回線の使用率に応じて、検知した前記ガス濃度の送信を制御することを特徴とする水素ステーション。
14. センサとマイコンと無線機を搭載した複数個の無線端末群と、基地局とを有するガス漏洩検知装置において、前記無線端末のセンサでガス漏洩を検知して通報するガス漏洩通報方法であって、前記基地局は、前記無線端末群と通信回線を介して無線で情報をやり取りするための無線機と、前記無線機を制御するマイコンを備えたものにおいて、
    前記通信回線は、上り回線と下り回線とを有し、
    前記上り回線の使用率と前記無線通信端末からのガス漏洩に関する送信の閾値は正比例の関係にあり、前記回線使用率が大きいと前記閾値は大きく設定され、前記回線使用率が小さいと前記閾値は小さく設定され、
    前記基地局は、前記上り回線の込み具合を常時監視しており、一定周期毎に前記上り回線の使用率を前記下り回線側へブロードキャストし、
    ガス漏洩を検知した個々の前記無線通信端末は、
    通報に先立ち、前記下り回線にブロードキャストされる前記上り回線の使用率を受信し、検知した前記ガス濃度と前記通信回線の込み具合とに応じて、該無線端末から前記ガス漏洩に関する情報を無線通信する際の送信方法を制御し、
    前記閾値に達しない無線通信端末の送信を抑止することを特徴とするガス漏洩通報方法。
15. 請求項１４に記載のガス漏洩通報方法において、
    前記ガス漏洩に関する情報を前記無線通信する際、前記ガス濃度と前記通信回線の込み具合とに応じて前記送信の優先度を判定することを特徴とするガス漏洩通報方法。
16. 請求項１４に記載のガス漏洩通報方法において、高濃度のガスを検知した前記無線通信端末からの通信を優先的に処理し、
    所定濃度以下のガスを検知した前記無線通信端末は送信を抑止することを特徴とするガス漏洩通報方法。

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