JP4333809B2 - Electronic circuit and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信機能付きの電子回路に関する。特に、センサネットシステムを構築
するために好適な小型かつ低消費電力な電子回路に関する。
The present invention relates to an electronic circuit with a wireless communication function. In particular, the present invention relates to a small and low power consumption electronic circuit suitable for constructing a sensor network system.

近年、センサに無線通信機能を有する小型の電子回路を付加して、現実世界の様々な情
報をリアルタイムに情報処理装置に取り込むネットワークシステム(以下、センサネット
という)が検討されている。センサネットには幅広い応用が考えられており、例えば、無
線回路、プロセッサ、センサ、電池を集積した指輪型の小型電子回路により、脈拍等を常
時モニタし、モニタ結果は無線通信により診断装置に送信され、モニタ結果に基づいて健
康状態を判定するといったような医療応用も考えられている(非特許文献1)。
In recent years, a network system (hereinafter referred to as a sensor network) in which a small electronic circuit having a wireless communication function is added to a sensor and various information in the real world is taken into an information processing device in real time has been studied. A wide range of applications is considered for sensor networks. For example, a small ring-type electronic circuit that integrates a wireless circuit, processor, sensor, and battery monitors the pulse and other data at all times, and sends the monitoring result to the diagnostic device via wireless communication. In addition, medical applications such as determining the health status based on the monitor result are also considered (Non-patent Document 1).

しかし、センサネットを広く実用化するためには、無線通信機能、センサ、および、電
池等の電源を搭載する電子回路(以下、センサノードという)を、長時間に渡ってメンテ
ナンスフリー、かつセンサデータを送信し続けられるものとし、かつ外形も小型化するこ
とが重要になる。このため、超小型でどこにでも設置できるセンサノードの開発が進めら
れている。現段階では、実用上、1年程度の期間、電池交換をせずに使用可能であること
が、メンテナンスコストおよび使い勝手の両面から必要と考えられている。
However, in order to put the sensor network into practical use, an electronic circuit (hereinafter referred to as a sensor node) on which a wireless communication function, a sensor, and a power source such as a battery are mounted is maintenance-free for a long time and sensor data. It is important to continue to transmit and to reduce the outer shape. For this reason, development of a sensor node that can be installed anywhere is very small. At the present stage, it is considered necessary from the standpoint of maintenance cost and usability to be usable without replacing the battery for a period of about one year.

このように、センサノードは、超小型であると同時に低消費電力であることが要求され
る。例えば、非特許文献2には、「Mica2Dot」と呼ばれる、直径3cm程度の小
型のセンサノードのプロトタイプが紹介されている。このMica2Dotは、無線通信
に必要な機能を集積したRFチップと、低消費電力なプロセッサチップから構成される。
このプロトタイプにおいては、99%の時間は待機状態で、残りの1%の時間のみを間欠
的に起動してセンサを動かして結果を無線通信するという間欠動作により、小型電池にて
1年程度の動作が可能としている。このセンサノードでは、米国にて免許不要で使用可能
な周波数帯である260〜470MHz、902〜928MHz等の周波数帯を利用して
無線通信を行う。一般的に無線通信を行うためには、免許やあらかじめ認証された特別な
送受信機を使用する必要があり、利用に制限が大きい。そのため、免許不要な周波数を利
用するのであれば、手間とコストをかけずに設置可能となりシステムの構築が容易になる
ため、このような周波数帯を用いることが有利である。特に、米国においては送信電力の
最大値は、433MHz帯では電界強度は11mV/m以下、また、900MHz帯では
、50mV/m以下と規定されており(いずれも送信点より3mの距離の地点)、免許不
要な周波数帯の中でも、これらの送信電力の規制値が比較的緩和されている周波数帯を使
用することで、良好な通信性能かつ低コスト化を実現している。
Thus, the sensor node is required to be ultra-small and have low power consumption. For example, Non-Patent Document 2 introduces a prototype of a small sensor node having a diameter of about 3 cm called “Mica2Dot”. The Mica2Dot includes an RF chip that integrates functions necessary for wireless communication and a processor chip with low power consumption.
In this prototype, 99% of the time is in a standby state, and only the remaining 1% of time is intermittently activated and the sensor is moved to perform wireless communication of the results. Operation is possible. In this sensor node, wireless communication is performed using frequency bands such as 260 to 470 MHz and 902 to 928 MHz that are usable in the United States without requiring a license. In general, in order to perform wireless communication, it is necessary to use a special transmitter / receiver that is licensed or pre-authenticated. Therefore, if a frequency that does not require a license is used, it can be installed without labor and cost, and the construction of the system is facilitated. Therefore, it is advantageous to use such a frequency band. In particular, in the United States, the maximum value of the transmission power is stipulated to be 11 mV / m or less in the 433 MHz band and 50 mV / m or less in the 900 MHz band (all at a distance of 3 m from the transmission point). Among the frequency bands that do not require a license, good communication performance and cost reduction are realized by using frequency bands in which the regulation values of transmission power are relatively relaxed.

しかし、電波法規は国や地域によって異なっており、例えば日本における電波法規は非
特許文献3に記載されている通りであり、必ずしも免許不要な周波数帯において許容され
ている電界強度が緩和されているとは限らない。
また、非特許文献4には、センサノードの電源として好適な小型ボタン電池が開示され
ている。
However, radio wave regulations differ depending on the country or region. For example, radio wave regulations in Japan are as described in Non-Patent Document 3, and the electric field strength allowed in the frequency band that does not require a license is alleviated. Not necessarily.
Non-Patent Document 4 discloses a small button battery suitable as a power source for a sensor node.

Sokwoo Rhee他「Artifact-Resistant Power-Efficient Design of Finger-Ring Plethysmographic Sensors」, IEEE Transactions On Biomedical Engineering, Vol.48, No.7, July 2001, pp.795-805Sokwoo Rhee et al. `` Artifact-Resistant Power-Efficient Design of Finger-Ring Plethysmographic Sensors '', IEEE Transactions On Biomedical Engineering, Vol.48, No.7, July 2001, pp.795-805

Crossbow 「Smarter Sensors In Silicon」[online][2004年2月16日検索]、インターネット〈URL : http://www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/Motetraining/Hardware.pdf〉Crossbow “Smarter Sensors In Silicon” [online] [Search February 16, 2004], Internet <URL: http://www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/Motetraining/Hardware.pdf> 「たくさん使われている微弱無線機器」[online][2004年2月17日検索]、インターネット〈URL : http://www.circuitdesign.jp/jp/technical/technical_pdf/bijaku.pdf.PDF〉“Weakly used wireless devices” [online] [searched on February 17, 2004], Internet <URL: http://www.circuitdesign.jp/jp/technical/technical_pdf/bijaku.pdf.PDF> 「Data Sheet CR2032」[online][2004年2月21日検索]、インターネット〈URL : http://www.maxell.co.jp/e/products/industrial/battery/pdf/CR2032_DataSheet.pdf〉“Data Sheet CR2032” [online] [searched on February 21, 2004], Internet <URL: http://www.maxell.co.jp/e/products/industrial/battery/pdf/CR2032_DataSheet.pdf>

無線通信で必須な電波資源(使用可能な周波数帯域と最大送信電力)は国や地域によっ
て異なっており、非特許文献3に示されるように、日本において免許不要で使用可能な電
波資源は以下の通りとなっている。
1.322MHz以下あるいは10GHz以上の周波数帯
送信点より3mの距離にて、電界強度が500μV/m以下
2.322MHz以上かつ10GHz以下の周波数帯
送信点より3mの距離にて、35μV/m以下。
Radio resources indispensable for wireless communication (available frequency band and maximum transmission power) vary depending on the country and region. As shown in Non-Patent Document 3, the radio resources that can be used without license in Japan are as follows. It is street.
Frequency band of 1.322 MHz or less or 10 GHz or more Frequency band of 500 μV / m or less 2.322 MHz or more and 10 GHz or less at a distance of 3 μm from the transmission point 35 μV / m or less at a distance of 3 m from the transmission point.

この規制値は米国での規制値よりもはるかに厳しい値である。このため、高い送信電力
を想定して設計されたセンサノードを厳しい電波規制環境で使用するためには、送信電力
を当初の設定値よりも低くなるようにしなければならない。しかし、受信側にて元々想定
していた電力よりも遥かに低い電力しか受信できないためうまく動作しない。例えば、米
国の電波規制のもとで設計されたセンサノードを日本の電波規制のもとで使おうとすれば
、900MHz帯の場合、送信電力は50mV/mから35μV/mに削減しなければな
らないのである。つまり、電波強度は、63dB(=20×log(50mV/0.03
5mV))も弱める必要があることになる。
This regulation value is much stricter than the regulation value in the United States. For this reason, in order to use a sensor node designed on the assumption of high transmission power in a severe radio wave regulation environment, the transmission power must be made lower than the initial set value. However, it does not operate well because it can receive only power much lower than the power originally assumed at the receiving side. For example, if a sensor node designed under US radio wave regulations is to be used under Japanese radio wave regulations, the transmission power must be reduced from 50 mV / m to 35 μV / m in the 900 MHz band. It is. That is, the radio field intensity is 63 dB (= 20 × log (50 mV / 0.03
5 mV)) also needs to be weakened.

一般的なRFチップでは最小受信感度(受信可能な高周波無線信号の信号レベルの最小
値)は、−100dBm程度である。電波強度が63dBも弱まるとすると、ほとんど受
信不可能に陥ってしまう。具体的には、数10mの距離で安定して送受信できていたもの
が、数mの距離でも通信できない事態に陥ってしまうおそれがある。使用する周波数を3
15MHzに変更すれば、電波強度として500μV/mが許容されるため、状況は多少
改善される。しかし、この場合でも、40dB(=20×log(50mV/0.5mV
))も劣化していまい、やはり、通信可能な距離の劣化は避けられない。
In a general RF chip, the minimum reception sensitivity (minimum value of the signal level of a receivable high-frequency radio signal) is about −100 dBm. If the radio field intensity is weakened by 63 dB, reception is almost impossible. Specifically, what can be transmitted and received stably at a distance of several tens of meters may fall into a situation where communication is impossible even at a distance of several meters. Use frequency 3
If the frequency is changed to 15 MHz, the radio wave intensity is allowed to be 500 μV / m, so the situation is somewhat improved. However, even in this case, 40 dB (= 20 × log (50 mV / 0.5 mV
)) Will also deteriorate, and it will be inevitable that the communication distance will deteriorate.

受信感度を向上させるためには、まずRFチップをより高感度とすることであるが、現
状のCMOSテクノロジではこれ以上の感度向上は困難であると考えられる。そのため、
外付けの高周波低雑音増幅器(Low Noise Amplifier、LNA)を、RFチップの入力に
付加して、受信感度を上げる方法が広く実行されている。このような増幅器を付加して、
受信された信号を20dB程度増幅すれば、理論的には、10m程度の通信距離が可能に
なるものと考えられる。
In order to improve the reception sensitivity, first, the RF chip must be made more sensitive. However, it is considered difficult to further improve the sensitivity with the current CMOS technology. for that reason,
A method of increasing the reception sensitivity by adding an external high frequency low noise amplifier (Low Noise Amplifier, LNA) to the input of the RF chip is widely performed. Add such an amplifier,
If the received signal is amplified by about 20 dB, the communication distance of about 10 m is theoretically possible.

しかし、我々が実際に試行した範囲ではこれだけでは不十分であった。通常、センサノ
ードでは、サイズの制約からプロセッサチップとRFチップを非常に小さい領域(〜数c
m角)に集積する必要がある。一方、よく知られているように、センサノードのように微
弱な高周波無線信号で無線通信を行う場合には、プロセッサチップからの輻射ノイズが障
害となって簡単には受信感度向上できない。通常、デジタル回路は、方形波で信号をやり
取りする。方形波は様々な周波数成分の交流信号から構成され、その中には無線通信で使
用する信号成分に極めて近い周波数帯の信号が含まれている。一方、RFチップでは、非
常に微弱な高周波無線信号(典型的にはμV以下のオーダー)を増幅して、所望のデータ
を復調する。このため、デジタル回路の信号が少しでも、RFチップの入力部分に回り込
んでしまうと、RFチップでは、アンテナからの高周波無線信号を正常に復調できなくな
ってしまう。さらに、一見すると全く違う周波数成分でも、増幅回路LNAやRFチップ
内部で使用される半導体デバイスの入出力非線形特性により、新たな周波数成分の信号が
合成され、受信対象の周波数帯にノイズ信号が出現してしまう。このため、最悪の場合、
受信感度を上げる目的で追加した増幅器LNAが増幅しているのはプロセッサチップから
の輻射ノイズである、ということにもなりかねない。したがって、センサノードにおいて
は小型化と受信感度の向上という相反する課題を解決する必要がある。
However, this was not enough in the range we actually tried. Usually, in a sensor node, a processor chip and an RF chip are very small regions (˜several c) due to size restrictions.
m square). On the other hand, as is well known, when wireless communication is performed with a weak high-frequency wireless signal such as a sensor node, the reception sensitivity cannot be easily improved due to the radiation noise from the processor chip. Usually, digital circuits exchange signals with square waves. A square wave is composed of alternating signals of various frequency components, and includes signals in a frequency band very close to signal components used in wireless communication. On the other hand, the RF chip amplifies a very weak high-frequency radio signal (typically on the order of μV or less) and demodulates desired data. For this reason, if the signal of the digital circuit wraps around even the input part of the RF chip, the RF chip cannot properly demodulate the high-frequency radio signal from the antenna. In addition, even with frequency components that are completely different at first glance, a new frequency component signal is synthesized by the input / output nonlinear characteristics of the semiconductor device used inside the amplifier circuit LNA and RF chip, and a noise signal appears in the frequency band to be received. Resulting in. So in the worst case,
It may also mean that the amplifier LNA added for the purpose of increasing the reception sensitivity is amplifying radiation noise from the processor chip. Therefore, in the sensor node, it is necessary to solve the conflicting problems of downsizing and improvement of reception sensitivity.

また、増幅器LNAの採用は、消費電力ひいては電池寿命に影響を与える。増幅器LN
Aに未使用時に増幅器LNAチップ全体を待機状態として消費電力を抑える機能が具備さ
れていたとしても、待機状態で最大で10μA程度の待機電流が消費される。センサノー
ドをメンテナンスフリーとし、かつコンパクトで長時間動作を可能にするためには、ボタ
ン電池を使用せざるを得ない。しかし、このようなボタン電池だと電流容量はせいぜい2
00mAhである。このため、増幅器LNAで常時10μA程度の電流を消費するとする
と、何も動作しなくとも2年程度(2.28年=200mAh/0.01mA/24h/
365day)しか持たない。実際には、条件により電池容量は低減し、例えば低温時に
は電池容量が減少することが知られており、一層電池寿命を短くしてしまう。
Further, the use of the amplifier LNA affects the power consumption and thus the battery life. Amplifier LN
Even if A has a function of reducing the power consumption by setting the entire amplifier LNA chip in a standby state when not in use, a standby current of about 10 μA at the maximum is consumed in the standby state. In order to make the sensor node maintenance-free and to be compact and capable of operating for a long time, a button battery must be used. However, with such a button battery, the current capacity is at most 2
00 mAh. Therefore, if a current of about 10 μA is constantly consumed by the amplifier LNA, about 2 years (2.28 = 200 mAh / 0.01 mA / 24 h /
Only 365 days). Actually, it is known that the battery capacity is reduced depending on conditions, for example, the battery capacity is reduced at a low temperature, which further shortens the battery life.

電池寿命の観点から重要なのはその使い方である。非特許文献4に示されるように、ボ
タン電池では、数mAを超えるような大電流を流し続けると、電池容量は極端に劣化する
。さらに、発明者が検証したところ、ボタン電池を使用する場合には、パルス的に(間欠
的に)ボタン電池を使用する場合においてもピーク電流を抑えないと、電池容量が極端に
劣化してしまうという問題が見出された。発明者の実測では、パルス的に10mA程度の
電流を消費させた場合でも同様の現象が観測されている。これまでのセンサノードでは、
例えば非特許文献2に示されているように、デューティ比(間欠動作において、実際に動
作している時間と間欠動作の時間間隔の比率)を1%以下に抑えることにより、平均消費
電流を下げて電池寿命を延ばすことを目指している。したがって、デューティ比を下げて
平均消費電流を削減する方式は、大きなピーク電流を生じさせてしまう場合には電池容量
が極端に劣化してしまうので、かえって電池寿命を短くしてしまうおそれがある。
The usage is important from the viewpoint of battery life. As shown in Non-Patent Document 4, in a button battery, if a large current exceeding several mA is kept flowing, the battery capacity is extremely deteriorated. Furthermore, as a result of verification by the inventor, when using a button battery, the battery capacity is extremely deteriorated if the peak current is not suppressed even when the button battery is used in a pulsed manner (intermittently). The problem was found. According to the inventor's actual measurement, the same phenomenon is observed even when a current of about 10 mA is consumed in a pulsed manner. In the sensor node so far,
For example, as shown in Non-Patent Document 2, the average current consumption is reduced by suppressing the duty ratio (ratio of the actual operation time and intermittent operation time interval in intermittent operation) to 1% or less. It aims to extend battery life. Therefore, the method of reducing the duty ratio and reducing the average current consumption may cause the battery capacity to be extremely deteriorated if a large peak current is generated, which may shorten the battery life.

現状の半導体テクノロジで実現可能なRFチップでは、送受信には10mA程度の電流
が必要であり、低消費電力なプロセッサチップを動作させるにも5mA程度の電流が必要
である。さらに、増幅器LNAにも10mAの電流が必要である。したがって全体として
は、送受信には20mA程度の電流が必要である。このため、非特許文献2が開示するよ
うに、0.1%程度の低いデューティ比で動作させて、見かけ上の消費電流を10μA程
度に抑えたとしても、実際には、ピーク電流によるボタン電池容量の劣化現象のため、寿
命はかなり短くなるおそれがある。さらに、センサの消費電流を考慮すると、実際の電池
寿命はもっと短いものになる。一般的なセンサネット応用では、センサとして、温度セン
サ、加速度センサ、光学センサ等が考えられる。このうち、温度センサは数μAのものが
入手可能である。しかし、非特許文献1で開示される光学センサベースの脈拍センサでは
、ピークで数mAの電流が必要である。また、温度センサの消費電流が数μAであるとし
ても、常時起動したままにしておくと、ボタン電池の電流容量が限られたものであるため
、動作寿命に与える影響は無視できない(5μAとした場合でも、200mAh/5μA
/24h/365day=4.5年しか持たない)。
In an RF chip that can be realized by the current semiconductor technology, a current of about 10 mA is required for transmission and reception, and a current of about 5 mA is required to operate a processor chip with low power consumption. Furthermore, the amplifier LNA also requires a current of 10 mA. Therefore, as a whole, a current of about 20 mA is required for transmission and reception. For this reason, as disclosed in Non-Patent Document 2, even if the device is operated at a duty ratio as low as about 0.1% and the apparent current consumption is suppressed to about 10 μA, in reality, a button battery with a peak current is used. Due to the capacity degradation phenomenon, the life may be considerably shortened. Furthermore, considering the current consumption of the sensor, the actual battery life is much shorter. In a general sensor network application, a temperature sensor, an acceleration sensor, an optical sensor, or the like can be considered as a sensor. Among these, a temperature sensor with a few μA is available. However, the optical sensor-based pulse sensor disclosed in Non-Patent Document 1 requires a current of several mA at the peak. Further, even if the current consumption of the temperature sensor is several μA, if it is always activated, the current capacity of the button battery is limited, so the influence on the operating life cannot be ignored (5 μA). Even in the case of 200mAh / 5μA
/ 24h / 365day = only 4.5 years).

そこで、本発明により、ノイズの影響を極力排除して増幅器LNAにより実効的な受信
感度を高めるとともに、待機電流を極力抑えながら、ピーク電流も低く抑えて、ボタン電
池の電池容量の劣化現象を低減して、小型でかつ長寿命な実用的なセンサノードを提供す
る。
さらに、本発明では、センサノードにおいて、電池寿命を最大限に延ばすために、プロ
セッサチップ/RFチップ/LNA/センサを総合的に制御して、待機電流およびピーク
電流を最小限に抑えることを可能とする制御方式を提供する。
Therefore, according to the present invention, the effect of noise is eliminated as much as possible, the effective reception sensitivity is increased by the amplifier LNA, and the peak current is kept low while the standby current is suppressed as much as possible, thereby reducing the deterioration of the battery capacity of the button battery. Thus, a practical sensor node that is small and has a long lifetime is provided.
Furthermore, in the present invention, it is possible to control the processor chip / RF chip / LNA / sensor comprehensively and minimize standby current and peak current in the sensor node in order to maximize the battery life. A control method is provided.

本発明の代表的なものは下記のとおりである。本発明の電子装置は、基板と、センサを
接続するためのコネクタと、コネクタを経由してセンサからセンサデータの入力を受け、
送信データを形成する第1の信号処理回路と、第1の信号処理回路からの送信信号を高周
波信号に変換する第2の信号処理回路とを有し、コネクタ及び第1の信号処理回路は基板
の第1の面に実装され、第2の信号処理回路は基板の第2の面に実装される。これにより
ノイズの発生源となるデジタル回路と高周波回路とを分離する。その効果をより高めるた
めに基板にはノイズシールド層を設ける。さらに、それぞれの面の配置もノイズ発生源に
なる回路とノイズにセンシティブな回路とを遠ざけるように工夫する。
The typical ones of the present invention are as follows. The electronic device of the present invention receives a sensor data input from a sensor via a substrate, a connector for connecting the sensor, and the connector,
A first signal processing circuit for forming transmission data; and a second signal processing circuit for converting a transmission signal from the first signal processing circuit into a high-frequency signal. The connector and the first signal processing circuit are substrates. And the second signal processing circuit is mounted on the second surface of the substrate. As a result, the digital circuit and the high-frequency circuit that are noise sources are separated. In order to enhance the effect, a noise shield layer is provided on the substrate. Furthermore, the arrangement of each surface is devised so that the circuit that becomes a noise generation source and the circuit that is sensitive to noise are kept away.

また、電子装置は間欠動作するものとし、使われない回路については電源を遮断可能に
構成する。例えば、高周波低雑音増幅器LNAは受信動作を行わない場合には電源遮断し
、センシング動作を行わない場合にはセンサへの電源供給を遮断する。
さらに、ボタン電池にて電源が供給され、内部処理と外部装置との送受信処理とを同時
に実行可能に構成された電子装置に対して、内部処理に要する消費電流と送受信処理に要
する消費電流の和が所定の電流量を越えると判断される場合には内部処理と送受信処理と
を異なるタイミングで実行し、内部処理に要する消費電流と送受信処理に要する消費電流
の和が所定の電流量を越えないと判断される場合には内部処理と送受信処理とを重複する
タイミングで実行する。ボタン電池は一時的であっても大きなピーク電流が流れると電池
寿命を劣化させるため、推定される消費電流に基づき動作タイミングを決定させるもので
ある。
Further, the electronic device is assumed to operate intermittently, and a circuit that is not used is configured to be able to shut off the power. For example, the high-frequency low-noise amplifier LNA shuts off the power when the receiving operation is not performed, and shuts off the power supply to the sensor when the sensing operation is not performed.
Furthermore, the sum of the current consumption required for the internal processing and the current consumption required for the transmission / reception processing for an electronic device configured such that power is supplied by the button battery and internal processing and transmission / reception processing with the external device can be performed simultaneously Is determined to exceed the predetermined current amount, the internal processing and the transmission / reception processing are executed at different timings, and the sum of the current consumption required for the internal processing and the current consumption required for the transmission / reception processing does not exceed the predetermined current amount. When it is determined that the internal processing and the transmission / reception processing overlap, the internal processing and the transmission / reception processing are executed. Even if the button battery is temporary, if a large peak current flows, the battery life is deteriorated. Therefore, the operation timing is determined based on the estimated current consumption.

本発明により、実用的な通信距離性能を有し、実用的な動作寿命を有するセンサノード
が実現可能となる。
According to the present invention, a sensor node having a practical communication distance performance and a practical operation life can be realized.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一符号を付
した構成要素は、同一または類似の構成を示すものである。
図1に、センサノードSN1を構成する回路を基板BO1の表面SIDE1へ実装した
様子を示し、図2に、基板BO1の裏面SIDE2へ実装した様子を示す。図1に示され
るように、基板BO1の表面SIDE1には、高周波信号処理チップCHIP1(以下、
「RFチップ」と称する)、第1の水晶振動子X1、高周波スイッチRFSW、高周波低
雑音増幅器LNA、マッチング回路MA、裏面SIDE2に実装された回路とのインタフ
ェースIF1、表示装置DISP、および、コンデンサC1、C2、C3、C4が実装さ
れている。また、図2に示されるように、裏面SIDE2には、プロセッサチップCHI
P2、コネクタCN1、第1および第2の電源遮断スイッチ(PS1、PS2)、内部セ
ンサとしての温度センサTS1、第2および第3の水晶振動子(X2、X3)、及び表面
SIDE1上に設けられたスイッチRFSWおよび増幅器LNAをインタフェースIF1
経由で制御するRFSW/LNA制御回路LSCから構成される。コネクタCN1には外
部センサが接続される。なお、水晶振動子X1〜X3に代えてセラミック振動子を用いる
こともできる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the component which attached | subjected the same code | symbol shows the same or similar structure.
FIG. 1 shows a state in which a circuit constituting the sensor node SN1 is mounted on the front surface SIDE1 of the substrate BO1, and FIG. 2 shows a state in which the circuit is mounted on the back surface SIDE2 of the substrate BO1. As shown in FIG. 1, a high-frequency signal processing chip CHIP1 (hereinafter, referred to as a high-frequency signal processing chip CHIP1)
(Referred to as “RF chip”), first crystal resonator X1, high-frequency switch RFSW, high-frequency low-noise amplifier LNA, matching circuit MA, interface IF1 with circuits mounted on backside SIDE2, display device DISP, and capacitor C1 , C2, C3, and C4 are mounted. Further, as shown in FIG. 2, the backside SIDE 2 has a processor chip CHI.
P2, connector CN1, first and second power cut-off switches (PS1, PS2), temperature sensor TS1 as an internal sensor, second and third crystal resonators (X2, X3), and surface SIDE1 Switch IFSW and amplifier LNA interface IF1
An RFSW / LNA control circuit LSC that is controlled via the control circuit is configured. An external sensor is connected to the connector CN1. A ceramic resonator can be used instead of the quartz resonators X1 to X3.

RFチップCHIP1とプロセッサチップCHIP2とはインタフェースIF1により
相互に接続される。プロセッサチップCHIP2は、内部センサから、またはコネクタC
N1経由で外部センサからセンサデータを収集し、センサデータをインタフェースIF1
経由でRFチップCHIP1に引き渡す。RFチップCHIP1はセンサデータを無線信
号に変換して、センサノードSN1の外部に設置される外部無線端末に送信する。また、
逆に外部無線端末からの無線信号を受信する。外部無線端末からは、典型的には、センサ
データの送信要求や、無線通信の周波数や伝送レート等の動作パラメータが送信され、セ
ンサノードSN1で受信されたデータは、インタフェースIF1経由でプロセッサチップ
CHIP2に引き渡され、次回からの無線通信時の設定等に使用される。
The RF chip CHIP1 and the processor chip CHIP2 are connected to each other by an interface IF1. The processor chip CHIP2 is connected to the internal sensor or from the connector C
Collect sensor data from external sensor via N1 and send sensor data to interface IF1
It passes to RF chip CHIP1 via. The RF chip CHIP1 converts the sensor data into a radio signal and transmits it to an external radio terminal installed outside the sensor node SN1. Also,
Conversely, a radio signal from an external radio terminal is received. Typically, an external wireless terminal transmits a sensor data transmission request, operation parameters such as a wireless communication frequency and transmission rate, and the data received by the sensor node SN1 is sent to the processor chip CHIP2 via the interface IF1. To be used for setting up the next wireless communication.

図3に示すのはセンサノードSN1の断面図である。この図に示されるように、基板B
O1内部には、グランドプレーンGP1および電源プレーンVP1が設置されている。こ
れら2つのプレーンは、基板BO1の表裏のシールドとして利用され、表面SIDE1に
実装される高周波回路に伝達されるプロセッサチップCHIP2等から発生されるノイズ
を低減して実効的な受信感度を向上させる。グランドプレーンGP1は、グランド電位(
基準電位)GNDに接続されたビア(例えばビアV20)に接続され、グランド電位GN
Dが与えられている。また、電源プレーンVP1は、電源ラインVDDに接続されたビア
(例えばビアV10)に接続され、電源電位VDDが与えられている。図4および図5は
、それぞれグランドプレーンGP1および電源プレーンVP1の平面構成を示した図であ
る。グランドプレーンGP1では、グランドに接続しても良いビア(例えば、V20)以
外の部分では、ビアに接触しないようにプレーン層を設置しない。図4に示す、電源電位
VDDに接続されたビアを通すためのビア孔VH10〜15やインタフェースIF1を通
すためのビア孔VHI1がこれに該当する。同様に、電源プレーンVP1においても電源
プレーンVP1に接続しないビアの周囲にはプレーン層を設置しない(図5)。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the sensor node SN1. As shown in this figure, the substrate B
A ground plane GP1 and a power plane VP1 are installed inside O1. These two planes are used as shields for the front and back of the substrate BO1, and reduce noise generated from the processor chip CHIP2 and the like transmitted to the high-frequency circuit mounted on the surface SIDE1, thereby improving effective reception sensitivity. The ground plane GP1 has a ground potential (
Reference potential) Connected to a via (for example, via V20) connected to GND, ground potential GN
D is given. The power supply plane VP1 is connected to a via (for example, the via V10) connected to the power supply line VDD, and is supplied with the power supply potential VDD. 4 and 5 are diagrams showing the planar configurations of the ground plane GP1 and the power supply plane VP1, respectively. In the ground plane GP1, a plane layer is not provided so as not to be in contact with a via in a portion other than a via (for example, V20) that may be connected to the ground. This corresponds to the via holes VH10 to VH10-15 for passing the vias connected to the power supply potential VDD and the via hole VHI1 for passing the interface IF1 shown in FIG. Similarly, in the power plane VP1, no plane layer is provided around a via that is not connected to the power plane VP1 (FIG. 5).

なお、図3では、2層のプレーン層のうちRFチップCHIP1に近い方のプレーン層
をグランドプレーンGP1としているが、これは表面SIDE1上の高周波回路から見た
場合のグランドプレーンGP1の電源インピーダンスを低くできることから好ましい構成
である。また、図4、図5の例ではビア孔以外の全面にプレーン層を設けているが、裏面
SIDE2または表面SIDE1の配線層としてその一部を用いることも可能である。
In FIG. 3, the plane layer closer to the RF chip CHIP1 out of the two plane layers is the ground plane GP1, but this is the power impedance of the ground plane GP1 when viewed from the high-frequency circuit on the surface SIDE1. This is a preferable configuration because it can be lowered. 4 and 5, the plane layer is provided on the entire surface other than the via hole. However, a part of the plane layer can be used as the wiring layer of the back surface SIDE2 or the front surface SIDE1.

次に、図2を参照しながら、基板BO1の裏面SIDE2に実装されたプロセッサチッ
プCHIP2について説明する。プロセッサチップCHIP2は、メモリ回路MEM、プ
ロセッサ回路CPU、データ入出力回路SIO、A/D変換回路ADC、タイミング生成
回路TIM、プログラマブル入出力回路PIOを含む。これらの回路ブロックは、内部バ
スBU1により相互に結合され、データのやり取りや制御がなされる。
Next, the processor chip CHIP2 mounted on the back surface SIDE2 of the substrate BO1 will be described with reference to FIG. The processor chip CHIP2 includes a memory circuit MEM, a processor circuit CPU, a data input / output circuit SIO, an A / D conversion circuit ADC, a timing generation circuit TIM, and a programmable input / output circuit PIO. These circuit blocks are coupled to each other by an internal bus BU1 to exchange and control data.

メモリ回路MEMは低消費電力なSRAM(Static Random Access Memory)やフラッ
シュメモリ等の不揮発メモリで構成される。メモリ回路MEM上に、後述する本発明に特
有な制御方式を実現するためのソフトウェアが搭載される。プロセッサ回路CPUは搭載
されたソフトウェアに従ってプロセッサチップCHIP2内の他の回路ブロックを制御し
て、所望の動作を実現する。
データ入出力回路SIOはシリアルデータの入出力回路であり、センサデータをRFチ
ップCHIP1に送るために使用される。また、プログラマブル入出力回路PIOはパラ
レルデータの入出力回路であり、主にRFチップCHIP1の送信/受信等の動作モード
の制御に必要な制御データの入出力のために使用される。
The memory circuit MEM includes a low power consumption SRAM (Static Random Access Memory) and a nonvolatile memory such as a flash memory. On the memory circuit MEM, software for realizing a control method unique to the present invention, which will be described later, is mounted. The processor circuit CPU controls other circuit blocks in the processor chip CHIP2 in accordance with the installed software to realize a desired operation.
The data input / output circuit SIO is an input / output circuit for serial data, and is used to send sensor data to the RF chip CHIP1. The programmable input / output circuit PIO is an input / output circuit for parallel data, and is mainly used for input / output of control data necessary for controlling an operation mode such as transmission / reception of the RF chip CHIP1.

コネクタCN1には外部センサが接続されるが、外部センサはアナログデータを出力す
るものであっても、デジタルデータを出力するものであってもよい。アナログタイプのセ
ンサのセンサデータAPはAD変換回路ADCによりデジタルデータに変換される。例え
ば、センサノードSN1にはアナログタイプの温度センサTS1が基板BO1上に内蔵さ
れており、センサTS1からの温度データATはAD変換回路ADCにてデジタル量に変
換され、必要に応じてメモリMEM上に格納される。一方、デジタルタイプのセンサデー
タDPはプログラマブル入出力回路PIOを介してプロセッサチップCHIP2に入力さ
れ、必要に応じてメモリMEM上に格納される。
An external sensor is connected to the connector CN1, and the external sensor may output analog data or digital data. The sensor data AP of the analog type sensor is converted into digital data by the AD conversion circuit ADC. For example, an analog type temperature sensor TS1 is built in the substrate BO1 in the sensor node SN1, and the temperature data AT from the sensor TS1 is converted into a digital quantity by the AD conversion circuit ADC and is stored in the memory MEM as necessary. Stored in On the other hand, the digital type sensor data DP is input to the processor chip CHIP2 via the programmable input / output circuit PIO, and stored in the memory MEM as necessary.

また、プロセッサチップCHIP2はRFSW/LNA制御回路LSCを制御し、増幅
器LNAの電源のオン/オフや高周波スイッチRFSWの送受信切り替えを実行する。さ
らに、プロセッサチップCHIP2は電源遮断スイッチPS1,PS2を制御して、温度
センサTS1や外部センサの電源のオン/オフを制御する。また、タイミング生成回路T
IMは、水晶振動子X2またはX3の発振周波数から、動作に必要なタイミング、例えば
、クロック信号や後述する間欠動作において使用されるタイマ信号が生成される。
Further, the processor chip CHIP2 controls the RFSW / LNA control circuit LSC to turn on / off the power supply of the amplifier LNA and switch transmission / reception of the high frequency switch RFSW. Further, the processor chip CHIP2 controls the power cutoff switches PS1 and PS2 to control the on / off of the power supply of the temperature sensor TS1 and the external sensor. The timing generation circuit T
IM generates a timing required for operation, for example, a clock signal or a timer signal used in an intermittent operation described later, from the oscillation frequency of the crystal resonator X2 or X3.

なお、プロセッサチップCHIP2は、低消費電力動作のため2つの水晶振動子を使い
分けている。水晶振動子X2はメインクロック用で、例えば、数MHz以上のものである
。メインクロック使用時の消費電流は、典型的には数mAとなる。一方、水晶振動子X3
は、サブクロックおよびタイマ信号の生成用で、例えば腕時計用に使用される32KHz
の超低消費電力のタイプのもので構成される。プロセッサチップCHIP2は、低消費電
力モードにおいてメインクロックX2を停止させ、サブクロックX3によりプロセッサチ
ップを駆動することにより、消費電流を10μA以下に削減可能である。さらに、上記回
路ブロックのうちAD変換回路ADC、データ入出力回路SIO、プログラマブル入出力
回路PIO、メモリMEMは、プロセッサ回路CPUからの制御によりクロック供給を止
めることにより、待機時の消費電流を低く抑え、数μA以下の待機電流を実現することが
できる。
Note that the processor chip CHIP2 uses two crystal resonators for low power consumption operation. The crystal resonator X2 is for a main clock, for example, having a frequency of several MHz or more. The current consumption when using the main clock is typically several mA. Meanwhile, crystal unit X3
Is used to generate subclock and timer signals, for example, 32 KHz used for watches
It is composed of ultra-low power consumption type. The processor chip CHIP2 can reduce the current consumption to 10 μA or less by stopping the main clock X2 in the low power consumption mode and driving the processor chip with the sub clock X3. Further, among the above circuit blocks, the AD conversion circuit ADC, the data input / output circuit SIO, the programmable input / output circuit PIO, and the memory MEM suppress the current consumption during standby by stopping the clock supply under the control of the processor circuit CPU. A standby current of several μA or less can be realized.

次に、図1を参照しながら、基板BO1の表面SIDE1に実装されたRFチップCH
IP1について説明する。RFチップCHIP1は、高周波変復調回路RF、発振回路O
SC及び制御回路CONから構成される。プロセッサチップCHIP2から送られて来た
センサデータDSは高周波変復調回路RFにおいて所定の周波数帯(〜315MHz)の
高周波無線信号RFOに変換され、外部無線端末へと送信される。また、外部無線端末か
らの高周波無線信号は、アンテナANT1にて受信され、高周波変復調回路RFにて復調
される。復調された信号CSはインタフェースIF1経由でプロセッサチップCHIP2
に引き渡される。なお、センサノードSN1では受信強度をモニタしており、受信強度を
示す信号ASも高周波変復調回路RFのRSSI端子からインタフェースIF1経由でプ
ロセッサチップCHIP2に引き渡されている。
Next, referring to FIG. 1, the RF chip CH mounted on the surface SIDE1 of the substrate BO1.
IP1 will be described. The RF chip CHIP1 includes a high frequency modulation / demodulation circuit RF and an oscillation circuit O.
It is composed of an SC and a control circuit CON. The sensor data DS sent from the processor chip CHIP2 is converted into a high-frequency radio signal RFO in a predetermined frequency band (up to 315 MHz) by the high-frequency modulation / demodulation circuit RF and transmitted to an external radio terminal. A high frequency radio signal from the external radio terminal is received by the antenna ANT1, and demodulated by the high frequency modulation / demodulation circuit RF. The demodulated signal CS is sent to the processor chip CHIP2 via the interface IF1.
To be handed over. The sensor node SN1 monitors the reception intensity, and the signal AS indicating the reception intensity is also delivered from the RSSI terminal of the high frequency modulation / demodulation circuit RF to the processor chip CHIP2 via the interface IF1.

また、発振回路OSCは水晶振動子X1の発振周波数をベースに、RFチップCHIP
1全体の動作に必要なクロック信号、及び目的の無線通信帯の高周波信号(搬送周波数信
号)が生成される。
さらに、高周波変復調回路RFと発振回路OSCとは、制御回路CONにより、プロセ
ッサチップCHIP2の制御信号CSに応じて制御される。具体的には、送信や受信等の
動作モードの切り替えや、送受信信号の周波数帯の微調整、あるいは、送信電力等が制御
される。さらに、プロセッサチップCHIP2からの制御信号により発振回路OSCを停
止させて、RFチップCHIP1全体を待機状態に移行させることも可能である。この場
合、RFチップCHIP1の消費電流を典型的には1μA以下にまで削減可能である。
その他の構成要素について動作及び構成を説明すると以下の通りである。
The oscillation circuit OSC is based on the oscillation frequency of the crystal resonator X1, and the RF chip CHIP.
1 A clock signal necessary for the entire operation and a high frequency signal (carrier frequency signal) of the target wireless communication band are generated.
Further, the high frequency modulation / demodulation circuit RF and the oscillation circuit OSC are controlled by the control circuit CON in accordance with the control signal CS of the processor chip CHIP2. Specifically, switching of operation modes such as transmission and reception, fine adjustment of frequency bands of transmission / reception signals, transmission power, and the like are controlled. Further, it is possible to stop the oscillation circuit OSC by a control signal from the processor chip CHIP2 and shift the entire RF chip CHIP1 to a standby state. In this case, the current consumption of the RF chip CHIP1 can be reduced to typically 1 μA or less.
The operation and configuration of other components will be described as follows.

高周波スイッチRFSWは、裏面SIDE2上に設けられたRFSW/LNA制御回路
LSCにより制御される。アンテナANT1とRFチップCHIP1との間の結線を切り
替えて所望の送受信動作を実現する。具体的には、送信時には高周波スイッチRFSWの
RI端子とRO2端子間を導通させる。また、受信時にはRI端子とRO1端子を導通さ
せる。
The high frequency switch RFSW is controlled by an RFSW / LNA control circuit LSC provided on the back surface SIDE2. A desired transmission / reception operation is realized by switching the connection between the antenna ANT1 and the RF chip CHIP1. Specifically, at the time of transmission, the RI terminal and the RO2 terminal of the high frequency switch RFSW are made conductive. At the time of reception, the RI terminal and the RO1 terminal are made conductive.

増幅器LNAはRFチップCHIP1の外付けとして、アンテナANT1で受信された
非常に微弱な高周波無線信号を、RFチップCHIP1で復調可能なレベルにまで増幅す
る。ここで、増幅器LNAを外付けとしたのは、RFチップCHIP1と違うプロセスで
形成された素子を用いるためである。低コスト化及び低消費電力動作のため、RFチップ
CHIP1はCMOS回路で構成することが望ましい。しかし、その一方でCMOS回路
にはゲート雑音が大きいといった問題があり、微弱な高周波無線信号を増幅するのは不得
手である。そこで、増幅器LNAとしてはCMOSコンパチブルでないプロセスで形成さ
れた回路を用い、外付け回路としている。増幅器LNAはその増幅能力を考慮し、例えば
GaAsといった化合物半導体、SiGe、あるいはバイポーラ回路で構成することが望
ましい。アンテナANT1にて受信された高周波無線信号は、増幅器LNAの入力端子L
Iに入力され、所定の増幅率で増幅された後に出力端子LO経由で出力される。増幅器L
NAの増幅率は、315MHz帯で10m程度の通信距離で安定的に通信したい場合には
、10〜20dB程度が好ましい。また、増幅器は一般に消費電流が大きいため、イネー
ブル端子LEを制御することにより動作状態と待機状態とを切り替えるようにし、待機時
の消費電流を典型的には10μA程度まで削減可能となっている。しかし、センサノード
SN1において10μAもの電流を常時消費すると電池寿命に深刻な影響を与えるため、
本実施例においてはプロセッサチップCHIP2からの制御によって増幅器LNAへの電
源供給を遮断するように構成し、センサノードSN1の低消費電力化を図っている。
The amplifier LNA is externally attached to the RF chip CHIP1, and amplifies a very weak high-frequency radio signal received by the antenna ANT1 to a level that can be demodulated by the RF chip CHIP1. Here, the reason why the amplifier LNA is externally attached is to use an element formed by a process different from that of the RF chip CHIP1. The RF chip CHIP1 is preferably composed of a CMOS circuit for cost reduction and low power consumption operation. On the other hand, however, the CMOS circuit has a problem that the gate noise is large, and it is not good at amplifying a weak high-frequency radio signal. Therefore, as the amplifier LNA, a circuit formed by a process not compatible with CMOS is used, and an external circuit is used. The amplifier LNA is preferably composed of a compound semiconductor such as GaAs, SiGe, or a bipolar circuit in consideration of its amplification capability. The high frequency radio signal received by the antenna ANT1 is input to the input terminal L of the amplifier LNA.
I is input to I, amplified by a predetermined amplification factor, and then output via the output terminal LO. Amplifier L
The NA amplification factor is preferably about 10 to 20 dB when it is desired to stably communicate at a communication distance of about 10 m in the 315 MHz band. Further, since the amplifier generally consumes a large amount of current, the operation state and the standby state are switched by controlling the enable terminal LE, and the current consumption during standby can be reduced to about 10 μA typically. However, if a current of 10 μA is constantly consumed in the sensor node SN1, the battery life is seriously affected.
In this embodiment, the power supply to the amplifier LNA is cut off by the control from the processor chip CHIP2, thereby reducing the power consumption of the sensor node SN1.

マッチング回路MAは、RFチップCHIP1の入出力インピーダンスと、高周波スイ
ッチRFSWおよび増幅器LNAの入出力インピーダンスをマッチングさせ、高周波無線
信号がこれらの素子の間でロスなく伝達できるようにするための回路である。マッチング
回路MAは、インダクタ、コンデンサ、抵抗、あるいは、フィルタ等の受動部品で構成さ
れる。
図6は、表面SIDE1に実装された回路と裏面SIDE2に実装された回路とがイン
タフェースIF1を介して結線された状態を示す図である。インタフェースIF1は、デ
ータ信号線DS、制御信号線CS、表示装置(DISP)制御線DC、LNAイネーブル
端子制御線LC、RFSW送受信切り替え制御線RC、および、電源ラインVDD/LN
A電源ラインVDD1から構成される。
The matching circuit MA is a circuit for matching the input / output impedance of the RF chip CHIP1 with the input / output impedances of the high-frequency switch RFSW and the amplifier LNA so that a high-frequency radio signal can be transmitted between these elements without loss. . The matching circuit MA is composed of passive components such as an inductor, a capacitor, a resistor, or a filter.
FIG. 6 is a diagram illustrating a state where the circuit mounted on the front surface SIDE1 and the circuit mounted on the back surface SIDE2 are connected via the interface IF1. The interface IF1 includes a data signal line DS, a control signal line CS, a display device (DISP) control line DC, an LNA enable terminal control line LC, an RFSW transmission / reception switching control line RC, and a power supply line VDD / LN.
A power supply line VDD1 is comprised.

データ信号線DSは、プロセッサチップCHIP2のデータ入出力回路回路SIOとR
FチップCHIP1の高周波変復調回路RF間を接続する信号線である。また、制御線信
号CSは、プロセッサチップCHIP2のプログラマブル入出力回路PIOとRFチップ
CHIP1の制御回路CONとを接続する信号線である。データ信号線DSは2つのチッ
プ間のデータのやり取りに使用され、制御信号線CSは、プロセッサチップCHIP2が
RFチップCHIP1の動作モードを切り替えるための制御線として使用される。さらに
、表示装置制御線DCは表示装置DISPの制御に用いられる。図7に表示装置DISP
の構成例を示す。表示装置DISPは、発光ダイオードLD10、発光ダイオードLD1
0を駆動するインバータIV10及び発光ダイオードLD10の電流制限用の抵抗R10
から構成される。表示装置DISPは、例えば、設置時に外部無線端末との無線通信に成
功した時や、故障などの異常状態が生じた時に点灯し、表示装置制御線DCにより点灯あ
るいは消灯が制御される。
The data signal line DS is connected to the data input / output circuit circuits SIO and R of the processor chip CHIP2.
This is a signal line for connecting the high frequency modulation / demodulation circuits RF of the F chip CHIP1. The control line signal CS is a signal line that connects the programmable input / output circuit PIO of the processor chip CHIP2 and the control circuit CON of the RF chip CHIP1. The data signal line DS is used for data exchange between the two chips, and the control signal line CS is used as a control line for the processor chip CHIP2 to switch the operation mode of the RF chip CHIP1. Further, the display device control line DC is used to control the display device DISP. FIG. 7 shows the display device DISP.
The example of a structure is shown. The display device DISP includes a light emitting diode LD10 and a light emitting diode LD1.
Inverter IV10 for driving 0 and resistor R10 for current limiting of light emitting diode LD10
Consists of The display device DISP is turned on, for example, when the wireless communication with the external wireless terminal is successful at the time of installation, or when an abnormal state such as a failure occurs, and is turned on or off by the display device control line DC.

また、LNAイネーブル端子制御線LC、RFSW送受信切り替え制御線RC、および
、LNA電源ラインVDD1は、RFSW/LNA制御回路LSCにより制御される。図
8に、この制御回路LSCの構成例を示す。制御回路LSCの2つの入力端子LI1およ
びLI2は、プロセッサチップCHIP2のプログラマブル入出力回路PIOから出力さ
れる信号により制御される。増幅器LNAを起動する場合には、LI1を“0”に設定す
ることにより電源遮断スイッチPS20を導通状態とし、増幅器LNAの電源ラインVD
D1を通電する。このときLI2を“1”に設定すると、LNAイネーブル制御線LEを
“0”に設定し、これにより増幅器LNAが活性化する。これとともに制御線LEと同じ
レベルをもつRFSW制御線RS−1が“0”に設定され、かつRFSW制御線RS−2
がインバータIV21により“1”に設定されることにより、高周波スイッチRFSWは
受信経路を導通させ、送信経路を遮断する。一方、LI2を“0”に設定すると、増幅器
LNAは不活性とされ、かつ高周波スイッチRFSWは送信経路を導通させ、受信経路を
遮断する。
The LNA enable terminal control line LC, the RFSW transmission / reception switching control line RC, and the LNA power supply line VDD1 are controlled by the RFSW / LNA control circuit LSC. FIG. 8 shows a configuration example of the control circuit LSC. The two input terminals LI1 and LI2 of the control circuit LSC are controlled by signals output from the programmable input / output circuit PIO of the processor chip CHIP2. When starting up the amplifier LNA, LI1 is set to “0” to bring the power cutoff switch PS20 into a conductive state, and the power line VD of the amplifier LNA.
Energize D1. At this time, when LI2 is set to “1”, the LNA enable control line LE is set to “0”, thereby activating the amplifier LNA. At the same time, the RFSW control line RS-1 having the same level as the control line LE is set to “0”, and the RFSW control line RS-2 is set.
Is set to “1” by the inverter IV21, the high frequency switch RFSW conducts the reception path and cuts off the transmission path. On the other hand, when LI2 is set to “0”, the amplifier LNA is deactivated, and the high frequency switch RFSW conducts the transmission path and cuts off the reception path.

以下に本実施例の特徴をまとめる。
(1)微弱な高周波無線信号を扱う高周波回路とそれ以外のデジタル部分とを、基板BO
1の表面と裏面とに分離してノイズの影響を低減して受信感度を向上させる。背景技術に
おいて説明したようにセンサノードを使用する際に最大送信電力に厳しい制約が課されて
いる場合がある。このような場合には、RFチップ単体では受信感度が不足し、外付けの
高周波低雑音増幅器LNAにより受信感度を補う必要がある。しかし、このような増幅器
を設けても、デジタル部分からのノイズの回り込みを最小限に抑えないと増幅したい受信
信号を増幅できない。ノイズの回り込みを抑えるため、このような場合にはRF部とデジ
タル部を距離的に離すのが一番効果的である。しかし、センサノードでは、サイズ、特に
表面積を極力小さくすることが望ましく、高周波回路とデジタル回路との距離を大きくす
るために表面積が大きくなってしまうのは望ましくない。
The features of this embodiment are summarized below.
(1) A board BO is connected to a high-frequency circuit that handles weak high-frequency radio signals and other digital parts.
1 is separated into a front surface and a back surface to reduce the influence of noise and improve reception sensitivity. As described in the background art, when the sensor node is used, severe restrictions may be imposed on the maximum transmission power. In such a case, the RF chip alone has insufficient reception sensitivity, and it is necessary to supplement the reception sensitivity with an external high frequency low noise amplifier LNA. However, even if such an amplifier is provided, a received signal to be amplified cannot be amplified unless noise wraparound from the digital portion is minimized. In such a case, it is most effective to separate the RF unit and the digital unit from each other in order to suppress noise wraparound. However, in the sensor node, it is desirable to reduce the size, particularly the surface area as much as possible, and it is not desirable that the surface area be increased in order to increase the distance between the high-frequency circuit and the digital circuit.

そこで、高周波回路とデジタル回路とを基板の表裏で分離し、基板内部にノイズ信号の
シールドに効果的なグランドプレーン及び電源プレーンを設置する。まず、デジタル回路
からのノイズがこのグランドプレーンでシールドされ、RF部への回り込みを極力抑える
ことが可能となる。さらに、グランドプレーンの直下に電源プレーンを配置することによ
って電源プレーンとグランドプレーン間に静電容量を持たせることが可能となる。この静
電容量はデジタル回路から電源回路に回り込む可能性のあるノイズを吸収するのに効果的
なバイパスコンデンサとして利用できる。この静電容量により電源回路を経由してデジタ
ル回路から高周波回路へ回り込む可能性のあるノイズを最小限に抑えることが可能になる
。特に、電源プレーンやグランドプレーンを基板BO1に可能な限り一面に広げる事で、
電源部のインピーダンスを小さく抑える事が可能となる。この結果、たとえ、多少のデジ
タル回路からのノイズが高周波回路に回り込んだとしても、電源インピーダンスが低く抑
えられているので、ノイズ成分の電圧振幅を小さく抑えることが可能となる。これは、ノ
イズ電圧は、回り込んだノイズ電流と電源インピーダンスの積で表されるためである。以
上により、たとえデジタル回路から高周波回路へ多少のノイズが回り込んだとしても高周
波回路を誤動作させてしまう、あるいは、アンテナからの微弱なRF信号をマスクしてし
まう程度のレベル以下に抑え込むことが可能となる。
Therefore, the high-frequency circuit and the digital circuit are separated from each other on the front and back of the board, and a ground plane and a power plane effective for shielding noise signals are installed inside the board. First, noise from the digital circuit is shielded by this ground plane, and the wraparound to the RF section can be suppressed as much as possible. Furthermore, it is possible to provide a capacitance between the power plane and the ground plane by arranging the power plane immediately below the ground plane. This electrostatic capacity can be used as a bypass capacitor that is effective in absorbing noise that may circulate from the digital circuit to the power supply circuit. With this electrostatic capacity, it is possible to minimize noise that may circulate from the digital circuit to the high-frequency circuit via the power supply circuit. In particular, by spreading the power plane and ground plane as much as possible on the board BO1,
It is possible to keep the impedance of the power supply unit small. As a result, even if some noise from the digital circuit circulates into the high frequency circuit, the power supply impedance is kept low, so that the voltage amplitude of the noise component can be kept small. This is because the noise voltage is represented by the product of the sneak noise current and the power source impedance. As a result, even if some noise circulates from the digital circuit to the high-frequency circuit, the high-frequency circuit can malfunction, or the level can be suppressed to a level that masks the weak RF signal from the antenna. It becomes.

本実施例では、基板の表面と裏面の両面で高密度で部品を実装する場合において、さら
に受信感度を向上させるように、単に実装面を分離するのみならず、各実装面における配
置位置にも工夫を行った。図1および図2にも示されるように、本実施例においては、R
Fチップの入力、増幅器LNA、高周波スイッチRFSW、及びアンテナANT1といっ
た、高周波回路の中でもレベルが微弱な高周波無線信号を扱う部分を、デジタル回路の中
でもデジタル信号が頻繁に“0”/“1”間を遷移し、ノイズ発生量の大きい回路からは
できる限り遠ざける配置を取る。図9は、この構造をわかりやすく説明した図である。
In this embodiment, when components are mounted at high density on both the front and back surfaces of the board, the mounting surface is not only separated but also arranged at each mounting surface so as to further improve reception sensitivity. Devised a device. As shown in FIGS. 1 and 2, in this embodiment, R
The part that handles high-frequency radio signals with a weak level in the high-frequency circuit, such as the input of the F chip, the amplifier LNA, the high-frequency switch RFSW, and the antenna ANT1, and the digital signal is frequently “0” / “1” in the digital circuit. And place it as far away as possible from a circuit that generates a large amount of noise. FIG. 9 is a diagram illustrating this structure in an easy-to-understand manner.

図9に示されるように、アンテナANT1にて受信された微弱な高周波無線信号RFS
1は高周波スイッチRFSWに入力される。高周波スイッチRFSWにて選択され、幾分
か減衰した高周波無線信号RFS2は、増幅器LNAに入力され、所定の増幅率で増幅さ
れる。増幅された高周波無線信号RFS3はマッチング回路MAに導かれ、インピーダン
スマッチングされた高周波無線信号RFS4は、RFチップCHIP1に入力される。R
FチップCHIP1内では、高周波無線信号RFS4はデジタル信号DJS1に復調され
、インタフェースIF1経由でプロセッサチップCHIP2に取り込まれる。
As shown in FIG. 9, the weak high frequency radio signal RFS received by the antenna ANT1.
1 is input to the high frequency switch RFSW. The high-frequency radio signal RFS2 selected by the high-frequency switch RFSW and somewhat attenuated is input to the amplifier LNA and amplified at a predetermined amplification factor. The amplified high-frequency radio signal RFS3 is guided to the matching circuit MA, and the impedance-matched high-frequency radio signal RFS4 is input to the RF chip CHIP1. R
In the F chip CHIP1, the high-frequency radio signal RFS4 is demodulated into a digital signal DJS1 and taken into the processor chip CHIP2 via the interface IF1.

無線LANといったような無線通信機器では、一般にデジタル信号で通信するためのコ
ネクタは、パソコン本体とデジタル信号をやりとりするといった用途に用いられるために
、コネクタには、高い頻度で“0”/“1”間を遷移する、すなわち高速なデジタル信号
がやり取りされる。このため、コネクタをアンテナとを距離的に離すようにさせた例があ
る。これに対して、本実施例のセンサノードSN1では、コネクタCN1には外部センサ
が接続され、コネクタCN1とプロセッサチップCHIP2間でやり取りされる信号DJ
P1は遷移の非常にゆっくりしたアナログ信号、またはプロセッサチップCHIP2のク
ロック信号よりも低速なデジタル信号である。そこで、本実施例ではコネクタCN1をア
ンテナANT1〜RFチップCHIP1の信号経路に近い位置に配置し、プロセッサチッ
プCHIP2をアンテナANT1〜RFチップCHIP1の信号経路により遠い位置に配
置することとしたものである。表現を変えれば、コネクタCN1とRFチップCHIP1
との距離が、プロセッサチップCHIP2とRFチップCHIP1との距離よりも長くな
るようにコネクタCN1を配置するようにするものである。このように、図9に示す部品
配置はセンサノード特有の信号の流れをうまく捉えて、サイズ小型化と受信感度の向上の
両方を同時に実現可能な部品配置となっている。
In a wireless communication device such as a wireless LAN, a connector for communicating with a digital signal is generally used for the purpose of exchanging a digital signal with a personal computer body. Therefore, the connector is frequently “0” / “1”. "Transition between, that is, high-speed digital signals are exchanged. For this reason, there is an example in which the connector is separated from the antenna by a distance. On the other hand, in the sensor node SN1 of this embodiment, an external sensor is connected to the connector CN1, and the signal DJ exchanged between the connector CN1 and the processor chip CHIP2.
P1 is an analog signal having a very slow transition, or a digital signal that is slower than the clock signal of the processor chip CHIP2. Therefore, in this embodiment, the connector CN1 is arranged at a position close to the signal path of the antennas ANT1 to RF chip CHIP1, and the processor chip CHIP2 is arranged at a position far from the signal path of the antennas ANT1 to RF chip CHIP1. . In other words, the connector CN1 and the RF chip CHIP1
The connector CN1 is arranged such that the distance between the connector chip CHIP2 and the RF chip CHIP1 is longer than the distance between the processor chip CHIP2 and the RF chip CHIP1. As described above, the component arrangement shown in FIG. 9 is a component arrangement that can grasp both the signal flow specific to the sensor node and realize both the size reduction and the improvement of the reception sensitivity at the same time.

(2)高周波低雑音増幅器LNAの電源線に電源遮断スイッチ(図1、2、8を参照)
挿入し、待機時の消費電流を抑える。高周波低雑音増幅器LNAは、一般に消費電力が大
きく、待機時でも10μA程度の電流を消費する。この電流値は、サイズや用途の制約か
ら十分な電源を得られないセンサノードにとっては大きすぎる値である。しかし、増幅器
LNA無しに実用的な通信距離が達成不可能な場合もある。
(2) Power cut-off switch on the power line of the high-frequency low-noise amplifier LNA (see FIGS. 1, 2 and 8)
Insert and suppress current consumption during standby. The high-frequency low-noise amplifier LNA generally consumes a large amount of power, and consumes a current of about 10 μA even during standby. This current value is too large for a sensor node that cannot obtain a sufficient power supply due to size and application restrictions. However, there are cases where a practical communication distance cannot be achieved without the amplifier LNA.

そこで、図8に示したように、増幅器LNAの電源線に電源遮断スイッチPS20を挿
入して、このPS20により待機時の消費電流を削減する。この電源遮断スイッチは、図
10(a)〜(e)に示すように、(a)P―MOSFET MP1で構成したもの、(
b)PNPバイポーラトランジスタBP1で構成したもの、(c)N−MOSFET M
N1で構成したもの、(d)NPNバイポーラトランジスタBN1で構成したもの、(e
)プログラマブル入出力回路PIO出力をそのまま利用する等、様々なタイプが使用可能
である。いずれのタイプも、プロセッサチップCHIP2のプログラマブル入出力回路P
IOの出力端子から駆動される制御端子SC1〜5を“1”あるいは“0”に設定すれば
、LNAへの電源供給を遮断できる。実際には、スイッチング素子MP1〜BN1のオフ
時にも若干の漏れ電流が流れるものの、カタログ値で0.1μA以下のオーダーであり、
このようなオフ時の漏れ電流は電池寿命にはほとんど影響を与えないと考えて良い。
Therefore, as shown in FIG. 8, a power cutoff switch PS20 is inserted into the power line of the amplifier LNA, and the current consumption during standby is reduced by this PS20. As shown in FIGS. 10A to 10E, this power cut-off switch is composed of (a) a P-MOSFET MP1, (
b) composed of PNP bipolar transistor BP1, (c) N-MOSFET M
Nd, (d) NPN bipolar transistor BN1, (e
) Various types can be used, such as using the output of the programmable input / output circuit PIO as it is. Both types are programmable input / output circuits P of the processor chip CHIP2.
If the control terminals SC1 to SC5 driven from the IO output terminal are set to "1" or "0", the power supply to the LNA can be cut off. Actually, although some leakage current flows even when the switching elements MP1 to BN1 are turned off, the catalog value is on the order of 0.1 μA or less,
It can be considered that such an off-state leakage current hardly affects the battery life.

一方、動作時には、これらスイッチング素子MP1〜BN1の内部抵抗により若干の電
圧降下が発生する。しかし、例えば、図10(a)のタイプだと、スイッチング素子MP
1がオンした場合の内部抵抗が5Ω程度のものとできる。既に述べたように、増幅器LN
Aの動作時の消費電流は10mA程度であり、スイッチング素子MP1に起因する電圧降
下は50mV(=5Ω×10mA)程度となり、無視できる程度の値である。なお、図1
0(e)に示すように、プロセッサチップCHIP2のプログラマブル入出力回路PIO
の出力ドライブ能力に十分に余裕がある場合、すなわち、動作時に必要な電流値以上の電
流値を十分に供給可能な場合には、図10(a)〜(d)に示すようなスイッチング素子
なしで、増幅器LNAの電源を駆動することも可能であろう。
On the other hand, during operation, a slight voltage drop occurs due to the internal resistance of these switching elements MP1 to BN1. However, for example, in the type of FIG.
The internal resistance when 1 is turned on can be about 5Ω. As already mentioned, the amplifier LN
The current consumption during the operation of A is about 10 mA, and the voltage drop due to the switching element MP1 is about 50 mV (= 5Ω × 10 mA), which is a negligible value. Note that FIG.
As shown in 0 (e), the programmable input / output circuit PIO of the processor chip CHIP2
When there is a sufficient margin in the output drive capacity of the device, that is, when a current value greater than the current value necessary for operation can be sufficiently supplied, there is no switching element as shown in FIGS. It would be possible to drive the power supply of the amplifier LNA.

このように本実施例では、増幅器LNAを使わない時(受信時以外)では、電源遮断ス
イッチPS20を遮断状態に遷移させ、増幅器LNAを使う時(受信時)では、電源遮断
スイッチPS20を導通状態に遷移させる。実際には、電源遮断スイッチを遮断状態から
導通状態に遷移させても、増幅器LNAの内部回路が安定するのを待つ必要があり、典型
的には1ms程度要する。しかし、一般にはセンサノードSN1は待機時間が動作時間に
比べて非常に長い、場合によっては動作時間は全体の約1%程度と想定されているため、
受信状態への切り替え待ち時間に起因する消費電力の増加分は無視してよい。
(3)センサ(内蔵及び外付け)の電源線に電源遮断スイッチ(図2を参照)挿入し、待
機時の消費電流を抑える。本実施例の第2の特徴と同様の原理をセンサの待機時の消費電
流の削減に応用したものといえる。例えば、図2に示すように内蔵温度センサTS1の電
源線VDD2は電源遮断スイッチPS1により温度センサTS1の未使用時には電源を遮
断できる。現在、温度センサには低消費電力のタイプ(消費電流が5μA程度)のものが
開発されており、電源遮断スイッチPS1としては図10(e)のようなタイプでも動作
に必要な電流を十分に供給可能である。図10(e)のタイプは、追加のディスクリート
素子が不要であり、追加コスト無しに実現できる。
As described above, in this embodiment, when the amplifier LNA is not used (except during reception), the power cutoff switch PS20 is shifted to the cutoff state, and when the amplifier LNA is used (during reception), the power cutoff switch PS20 is in the conduction state. Transition to. Actually, even when the power cut-off switch is changed from the cut-off state to the conductive state, it is necessary to wait for the internal circuit of the amplifier LNA to be stabilized, which typically takes about 1 ms. However, in general, the sensor node SN1 has a very long standby time compared to the operation time. In some cases, the operation time is assumed to be about 1% of the entire operation time.
The increase in power consumption due to the waiting time for switching to the reception state may be ignored.
(3) Insert a power cut-off switch (see Fig. 2) into the power line of the sensor (built-in and external) to reduce the current consumption during standby. It can be said that the same principle as the second feature of this embodiment is applied to reduction of current consumption during standby of the sensor. For example, as shown in FIG. 2, the power supply line VDD2 of the built-in temperature sensor TS1 can be cut off by the power cut-off switch PS1 when the temperature sensor TS1 is not used. At present, a temperature sensor of a low power consumption type (current consumption is about 5 μA) has been developed, and the power cut-off switch PS1 has sufficient current necessary for operation even with the type as shown in FIG. 10 (e). It can be supplied. The type shown in FIG. 10E does not require an additional discrete element and can be realized without additional cost.

また、外付けセンサの消費電力を削減するため、外付けセンサを接続するコネクタCN
1の電源ラインVDD3も電源遮断スイッチPS2により遮断する(図2を参照)。一般
に、外付けのセンサの消費電力は、内蔵温度センサよりも待機時および動作時ともに大き
い。例えば、加速度センサには1mAもの消費電流を要するものもあり、また、外付けセ
ンサ自身には待機状態に移行する機能がない場合が多い。そのため、本実施例のように電
源遮断スイッチを使用しなければ、ボタン電池では1週間程度(8.3日=200mAh
/1mA/24h)の動作寿命しか得られないものと予想される。さらに大電流で放電し
た場合の電池容量の劣化現象が生じた場合には、せいぜい数日しか持たないものと予想さ
れる。これに対して、電源遮断スイッチにより使用時のみ電源供給を行い、未使用時には
電源を遮断することにより、電池寿命を飛躍的に向上させる事が可能となる。
In order to reduce the power consumption of the external sensor, the connector CN for connecting the external sensor
One power line VDD3 is also shut off by the power shutoff switch PS2 (see FIG. 2). In general, the power consumption of an external sensor is larger during both standby and operation than the built-in temperature sensor. For example, some acceleration sensors require a current consumption of 1 mA, and the external sensor itself often does not have a function of shifting to a standby state. Therefore, if the power cut-off switch is not used as in the present embodiment, about one week (8.3 days = 200 mAh) for the button battery.
/ 1 mA / 24 h) is expected to be obtained. Furthermore, if the battery capacity deteriorates when discharged with a large current, it is expected that the battery has only a few days. On the other hand, it is possible to drastically improve the battery life by supplying power only when using the power cutoff switch and shutting off the power when not in use.

この構成は、外付けセンサが何らかの原因で、ショートモードで故障してしまった場合
にも有効である。すなわち、外付けセンサがショートモードで故障してしまうと、外付け
センサの電源の電源遮断を行わない場合には、瞬時のうちに電池から大電流が流れて電池
を使い切ってしまう。しかし、本実施例では外付けセンサ電源は通常はオフ状態にあり、
センサを使用する場合のみ電源が投入されるよう構成されている。さらに、電源は電源遮
断スイッチを構成するスイッチング素子を介して供給されるため、スイッチング素子のオ
ン抵抗により、ショート時の電流も低く抑えられ、かつ、ショートにより大電流が流れる
ことにより、電池の内部抵抗による電圧降下が発生して、スイッチング素子がオン状態を
保持するために必要なバイアス電圧が確保できなくなり、電源遮断スイッチは自動的にオ
フ状態に戻る。
This configuration is also effective when the external sensor has failed in the short mode for some reason. That is, if the external sensor fails in the short mode, if the power supply of the external sensor is not shut off, a large current flows from the battery instantaneously and the battery is used up. However, in this embodiment, the external sensor power supply is normally in an off state,
The power is turned on only when the sensor is used. Furthermore, since the power is supplied through the switching element that constitutes the power cutoff switch, the on-resistance of the switching element reduces the current at the time of the short circuit, and a large current flows due to the short circuit. A voltage drop due to the resistance occurs, and it becomes impossible to secure a bias voltage necessary for the switching element to maintain the on state, and the power shut-off switch automatically returns to the off state.

この間にプロセッサチップCHIP2は、内蔵のAD変換回路ADC経由で外付けセン
サの出力値を読み込みに行くのであるが、ショート状態であるので“0”電位付近に張り
付いたままの異常値しか読み出せない。そこで、プロセッサチップ搭載の制御ソフトウェ
アに、このような場合には異常と判断して異常信号を無線送信する、という機能をもたせ
ておけば、当該センサノードの外付けセンサが動作不良に陥った事を外部から検出可能で
ある。さらに、異常信号を検出したシステムでは、当該センサノードに、外付けセンサの
使用を中断する旨の制御コマンドを発行して、問題の生じた外付けのセンサを使用しない
ようにしてセンサノードの動作を継続させる事も可能である。さらに、後述するようにプ
ロセッサチップCHIP2のメモリ回路MEM1に格納されたID番号から、外付けセン
サが故障したセンサノードを割り出すことができれば交換等の対処も可能となる。
During this time, the processor chip CHIP2 reads the output value of the external sensor via the built-in AD converter circuit ADC. However, since it is in a short circuit state, it can read only the abnormal value that remains stuck near the “0” potential. Absent. Therefore, if the control software installed in the processor chip has a function to judge that there is an abnormality in this case and transmit an abnormal signal wirelessly, the external sensor of the sensor node has malfunctioned. Can be detected from the outside. Furthermore, in a system that detects an abnormal signal, issue a control command to the sensor node to interrupt the use of the external sensor, and operate the sensor node so as not to use the external sensor that caused the problem. It is also possible to continue. Further, as will be described later, if the sensor node in which the external sensor has failed can be determined from the ID number stored in the memory circuit MEM1 of the processor chip CHIP2, it is possible to cope with replacement or the like.

次に、動作時の消費電流によるボタン電池の電池容量の劣化現象を回避するための、電
力制御方法について詳細に説明する(図11参照)。センサノードは、ノードをセットし
て起動(P100)後、初期設定ルーチン(P110)を実行すると、ただちに待機ルー
チン(P120)に移行する。初期設定ルーチンP110では、あらかじめプロセッサチ
ップCHIP2のメモリ回路MEM内の不揮発メモリ部分に格納された動作のパラメータ
等を格納したPDATAファイルに基づいて、センサノードの動作モードを所望の状態に
設定する。PDATAファイルには、例えば、どのくらいの時間間隔で待機状態から動作
状態に移行するかのタイマ間隔、無線通信の伝送レート、使用する周波数帯、およびセン
サノード毎に固有の番号を割り振ったID番号等の情報が格納される。さらに、後述する
動作モード判定ルーチン(P200)で使用される、増幅器LNA、RFチップCHIP
1、プロセッサチップCHIP2、外付けセンサ等の消費電流値もPDATAファイルに
格納される。なお、初期設定ルーチンP110では、プロセッサチップCHIP2は低消
費電力モードで動作し、プロセッサチップCHIP2のメインクロックX2、RFチップ
CHIP1のクロックX1もオフする。また、センサや増幅器LNAへの電源供給も遮断
されている。
Next, a power control method for avoiding the deterioration phenomenon of the battery capacity of the button battery due to current consumption during operation will be described in detail (see FIG. 11). When the sensor node sets and starts the node (P100) and then executes the initial setting routine (P110), the sensor node immediately shifts to the standby routine (P120). In the initial setting routine P110, the operation mode of the sensor node is set to a desired state based on the PDATA file storing the operation parameters stored in advance in the nonvolatile memory portion in the memory circuit MEM of the processor chip CHIP2. The PDATA file includes, for example, a timer interval indicating how long a transition is made from a standby state to an operating state, a wireless communication transmission rate, a frequency band to be used, an ID number assigned a unique number for each sensor node, etc. Is stored. Further, an amplifier LNA and an RF chip CHIP used in an operation mode determination routine (P200) described later.
1. Current consumption values of the processor chip CHIP2, external sensor, etc. are also stored in the PDATA file. In the initial setting routine P110, the processor chip CHIP2 operates in the low power consumption mode, and the main clock X2 of the processor chip CHIP2 and the clock X1 of the RF chip CHIP1 are also turned off. The power supply to the sensor and the amplifier LNA is also cut off.

待機ルーチンP120では、プロセッサチップCHIP2内のタイミング生成回路TI
Mのみ動作状態となり、動作する部分を必要最小限に抑える。このように設定する事で、
待機時の動作電流を数μA、典型的には5μA以下までに削減可能である。なお、初期設
定ルーチンP110で設定したタイマ間隔で発生するタイマ割り込みが発生すると、次の
CPU起動ルーチン(P130)に移行する。また、コネクタCN1(図2)にプロセッ
サチップの割り込み線を接続しておけば、外部からの割り込みにより、オンデマンドで、
センサノードを起動させることも可能である。
CPU起動ルーチンP130により、プロセッサチップCHIP2のメインクロックX
2をオンにして、CHIP2内のプロセッサ回路CPUを起動する。起動後、動作モード
決定ルーチン(P200)に移行する。
In the standby routine P120, the timing generation circuit TI in the processor chip CHIP2
Only M is in the operating state, and the operating part is minimized. By setting like this,
The operating current during standby can be reduced to several μA, typically 5 μA or less. If a timer interrupt occurs at the timer interval set in the initial setting routine P110, the process proceeds to the next CPU activation routine (P130). Also, if the interrupt line of the processor chip is connected to the connector CN1 (FIG. 2), on-demand by an external interrupt,
It is also possible to activate a sensor node.
By the CPU startup routine P130, the main clock X of the processor chip CHIP2
2 is turned on to activate the processor circuit CPU in the CHIP2. After startup, the process proceeds to an operation mode determination routine (P200).

動作モード決定ルーチンP200では、パラメータ/コマンド解析サブルーチン(P2
20)により、既に説明したPDATAファイルから、デバイス毎の消費電流を読み込む
。この際に、外部無線端末から送られて来て受信されたコマンド、例えばセンサデータの
送信リクエスト等を読み込むこともできる。コマンドは、例えば、「温度センサを起動し
てその結果を送信せよ」といったものになる。次に読み込まれたパラメータおよびコマン
ドを元に、消費電流推定サブルーチン(P230)において、実行に必要な消費電流を推
定する。スケジューラサブルーチン(P210)において、基地局から要求されたリクエ
ストを満たした上で、消費電流のピーク値がもっとも小さくなるように、以下に続く、セ
ンシングルーチン(P300)、および、データ送受信ルーチン(P400)の起動方式
を決定する。
In the operation mode determination routine P200, a parameter / command analysis subroutine (P2
20), the current consumption for each device is read from the PDATA file already described. At this time, it is also possible to read a command received from an external wireless terminal, such as a sensor data transmission request. The command is, for example, “activate the temperature sensor and send the result”. Next, based on the read parameters and commands, the current consumption necessary for execution is estimated in the current consumption estimation subroutine (P230). In the scheduler subroutine (P210), the following sensing routine (P300) and data transmission / reception routine (P400) are performed so that the peak value of current consumption becomes the smallest after satisfying the request requested from the base station. Determine the startup method.

例えば、センシングルーチンP300にて、動作時の消費電流が数mA程度で、データ
の送受信に必要な消費電流(10mA〜20mA)と比較して無視できない外部センサを
起動する場合には、データ送受信ルーチンP400を同時には起動しない。図12に示す
のが、この場合のセンサノードの典型的な消費電流の波形である。一方、起動するセンサ
が内蔵温度センサ等で数μA程度電流しか消費しないセンサの場合には、データ送受信ル
ーチンP400を同時起動する。図13に示すのが、この場合に対応する、センサノード
の典型的な消費電流波形である。このような電力制御により、消費電流のピーク値を低減
することが可能となる。
For example, in the sensing routine P300, when starting an external sensor whose current consumption during operation is about several mA and cannot be ignored compared with the current consumption (10 mA to 20 mA) necessary for data transmission / reception, the data transmission / reception routine P400 is not activated simultaneously. FIG. 12 shows a typical current consumption waveform of the sensor node in this case. On the other hand, when the sensor to be activated is a built-in temperature sensor or the like that consumes only about several μA of current, the data transmission / reception routine P400 is simultaneously activated. FIG. 13 shows a typical current consumption waveform of the sensor node corresponding to this case. Such power control makes it possible to reduce the peak value of current consumption.

センシングルーチンP300の動作は以下の通りである。まず、外部/内蔵センサ判定
サブルーチン(P310)にて、起動するセンサの種別を判定する。次にセンサ電源起動
サブルーチン(P320)により、内蔵センサならばPS1をオンに設定し、外部センサ
ならばPS2をオンに設定する。次に、ポートオープンサブルーチン(P330)におい
て、内蔵あるいは外部センサのセンサ結果を読み出すのに必要なポートがオープンされる
。例えば、図2に示す内蔵温度センサTS1を読み取る場合には、プロセッサチップCH
IP2のAD変換回路ADCが起動され、ADCの入力端子I2が読み込み可能状態に設
定される。また、起動したいセンサが、図2で示すコネクタCN1に接続された外部セン
サの時には、対応するAD変換回路ADCの入力端子、あるいは、プログラマブル入出力
回路PIOの入出力端子が所望の動作モードへと設定される。このようにしてセンサから
のデータを読み取り可能な状態に設定される。そして、次のセンサデータ読み出し/書き
出しサブルーチン(P340)にて、実際にセンサデータがプロセッサチップCHIP2
に読み取られ、メモリ回路MEM上のファイルSDATAに格納される。以上の手順で所
望のセンサデータをファイルSDATA内に書き出したら、次のポートクローズ/ADC
オフサブルーチン(P350)にて、使用したAD変換回路ADCやプログラマブル入出
力回路PIOを待機状態に移行させて、センシングルーチンP300を終了する。
The operation of the sensing routine P300 is as follows. First, the type of sensor to be activated is determined in the external / internal sensor determination subroutine (P310). Next, according to the sensor power supply startup subroutine (P320), PS1 is set to ON for an internal sensor, and PS2 is set to ON for an external sensor. Next, in a port open subroutine (P330), a port necessary for reading out the sensor result of the internal or external sensor is opened. For example, when reading the built-in temperature sensor TS1 shown in FIG.
The AD conversion circuit ADC of IP2 is activated, and the input terminal I2 of the ADC is set to a readable state. When the sensor to be activated is an external sensor connected to the connector CN1 shown in FIG. 2, the input terminal of the corresponding AD conversion circuit ADC or the input / output terminal of the programmable input / output circuit PIO enters the desired operation mode. Is set. In this way, the data from the sensor can be read. Then, in the next sensor data read / write subroutine (P340), the sensor data is actually transferred to the processor chip CHIP2.
And stored in the file SDATA on the memory circuit MEM. Once the desired sensor data is written in the file SDATA by the above procedure, the next port close / ADC
In the off subroutine (P350), the used AD converter circuit ADC and programmable input / output circuit PIO are shifted to a standby state, and the sensing routine P300 is terminated.

次に、データ送受信ルーチンP400の動作を説明する。まず第1に、クロックX1オ
ンサブルーチン(P410)にて、RFチップCHIP1のクロックX1を立ち上げ、R
FチップCHIP1を起動する。この際、プロセッサチップCHIP2によるRFチップ
CHIP1の起動は、既に説明した制御信号線CS経由でRFチップ規定の形式で行う。
次に送受信動作判定サブルーチン(P420)により、送信か受信かどちらかの動作が必
要かを判断する。このルーチンでは、例えば、最初にセンサノードから基地局へとセンサ
データを送信し、その後センサノードは受信状態に移行する。センサノードは、送信した
センサデータを基地局が誤り無く受信したという確認信号が基地局から送り返されて来る
まで受信状態で待機する。以上のシーケンスの制御は、サブルーチンP420にて実行さ
れる。以下、送信および受信動作について説明する。
Next, the operation of the data transmission / reception routine P400 will be described. First, in the clock X1 on subroutine (P410), the clock X1 of the RF chip CHIP1 is raised and R
The F chip CHIP1 is activated. At this time, the activation of the RF chip CHIP1 by the processor chip CHIP2 is performed in the form prescribed by the RF chip via the control signal line CS already described.
Next, a transmission / reception operation determination subroutine (P420) determines whether transmission or reception is necessary. In this routine, for example, sensor data is first transmitted from the sensor node to the base station, and then the sensor node shifts to a reception state. The sensor node stands by in a reception state until a confirmation signal that the base station has received the transmitted sensor data without error is sent back from the base station. The above sequence control is executed in subroutine P420. Hereinafter, transmission and reception operations will be described.

送信動作の場合には、サブルーチンP430により、高周波スイッチRFSWを送信状
態に切り替える。また、RFチップCHIP1に制御信号線CS経由で使用する伝送レー
トや周波数帯等の通信パラメータを送る。次に、サブルーチンP440により、メモリM
EM上のファイルSDATAからセンサデータを読み出して、データ信号線DS経由でR
FチップCHIP1に送って、センサデータを外部に無線通信により送信する。
受信動作の場合には、サブルーチンP450により、高周波スイッチRFSWやRFチ
ップCHIP1の通信パラメータの設定を行うとともに、LNA電源遮断スイッチPS2
0を導通状態に設定し、さらに、LNAのイネーブル端子を活性化させる。次に、サブル
ーチンP460にてデータを受信し、必要に応じてPDATA内に書き込む。
In the case of the transmission operation, the high frequency switch RFSW is switched to the transmission state by a subroutine P430. In addition, communication parameters such as a transmission rate and a frequency band used via the control signal line CS are sent to the RF chip CHIP1. Next, according to subroutine P440, memory M
Read the sensor data from the file SDATA on the EM, and R via the data signal line DS
The sensor data is transmitted to the F chip CHIP1 by wireless communication to the outside.
In the case of the reception operation, the communication parameters of the high frequency switch RFSW and the RF chip CHIP1 are set by the subroutine P450, and the LNA power cutoff switch PS2 is set.
0 is set to the conductive state, and the enable terminal of the LNA is activated. Next, data is received in subroutine P460 and written in PDATA as necessary.

なお、以上の説明では簡略化のため省略したが、実際には、増幅器LNAの起動や、高
周波スイッチRFSWの切り替え、さらには、RFチップCHIP1のクロックX1の起
動には、それぞれ安定するまでに時間(典型的には、数100μs〜数ms)が必要なた
め、それぞれのルーチンにてその時間分だけ待つ処理が必要である。同様に、増幅器LN
Aの電源オフやRFチップCHIP1のクロックオフにも安定化するまでには時間が必要
であり、待ち時間処理が必要である。
Although omitted in the above description for the sake of simplification, in actuality, it takes time to stabilize the activation of the amplifier LNA, the switching of the high-frequency switch RFSW, and the activation of the clock X1 of the RF chip CHIP1. Since (typically, several hundred μs to several ms) is required, processing for waiting for that time is required in each routine. Similarly, amplifier LN
It takes time to stabilize the power-off of A and the clock-off of the RF chip CHIP1, and waiting time processing is necessary.

最後に基地局からの受信確認信号が受信されたら、サブルーチンP470にて、クロッ
クX1を停止して、RFチップCHIP1をオフ状態に戻す。さらに、サブルーチンP1
40にて、プロセッサチップCHIP2のメインクロックX2を停止して、待機ルーチン
P120へと移行する。
When the reception confirmation signal is finally received from the base station, the clock X1 is stopped and the RF chip CHIP1 is returned to the OFF state in subroutine P470. Furthermore, subroutine P1
At 40, the main clock X2 of the processor chip CHIP2 is stopped, and the process proceeds to the standby routine P120.

このように、本実施例においては事前に必要な消費電流を判断して、ボタン電池の電流
容量を劣化させない方式を選択する。すなわち、センサが数mAもの消費電流を消費する
場合に、データ送受信とセンサを同時に起動してしまっては、ボタン電池には電池容量を
深刻に劣化させかねない重い負荷を与えてしまう。図14に示すのが、この場合の消費電
流の波形例である。図12に示す、本発明の制御方式を適用した場合よりも、ピーク電流
(Ip3)はかなり大きな値になってしまう(Ip3>Ip1)。一方、図12と図14
を比較すれば明らかなように、図12の制御方式では、センサを起動した後にデータの送
受信を行うため、一連の処理を終了するのに必要な時間は長くなってしまう(Ttota
l1>Ttotal3)。また、平均消費電流は図12の場合の方が幾分か大きい。しか
し、センサノードSN1の電源としてCR2032等のボタン電池を用いる場合には、電
池容量を劣化させない範囲で使用できる消費電流は、せいぜい0.1mAのオーダーであ
る。一方、センサノードの動作には10mAのオーダーの電流が必要である。しかし、こ
のような電流値でボタン電池を使用すると極端に電池寿命が劣化してしまうという問題が
ある。この問題を回避するためには、我々が検証した範囲では、消費電流のピーク値を抑
える事がもっとも効果的である。つまり、ボタン電池動作のセンサノードで長寿命動作を
実現するためには、消費電流のピーク値をできるだけ低い値に抑える事が必要不可欠であ
る。このため、平均消費電流が多少大きくなっても、ボタン電池の特性を考慮した本実施
例の制御方式の方が、長期間に渡ってボタン電池にて安定的に動作させることができる。
As described above, in this embodiment, a necessary current consumption is determined in advance, and a method that does not deteriorate the current capacity of the button battery is selected. That is, when the sensor consumes a current of several mA, if the data transmission / reception and the sensor are activated simultaneously, the button battery is subjected to a heavy load that may seriously deteriorate the battery capacity. FIG. 14 shows a waveform example of current consumption in this case. The peak current (Ip3) becomes a considerably larger value (Ip3> Ip1) than when the control method of the present invention shown in FIG. 12 is applied. On the other hand, FIG. 12 and FIG.
As is clear from comparison, in the control method of FIG. 12, since data is transmitted / received after the sensor is activated, the time required to complete a series of processing becomes long (Ttota
l1> Ttotal3). Also, the average current consumption is somewhat larger in the case of FIG. However, when a button battery such as CR2032 is used as the power source of the sensor node SN1, the current consumption that can be used within a range in which the battery capacity is not deteriorated is at most on the order of 0.1 mA. On the other hand, a current on the order of 10 mA is required for the operation of the sensor node. However, when a button battery is used at such a current value, there is a problem that the battery life is extremely deteriorated. In order to avoid this problem, it is most effective to suppress the peak value of current consumption within the range we have verified. That is, in order to realize a long-life operation with a button battery operation sensor node, it is indispensable to suppress the peak value of current consumption to the lowest possible value. For this reason, even if the average current consumption is somewhat increased, the control method of the present embodiment in consideration of the characteristics of the button battery can be stably operated with the button battery for a long period of time.

一方、センサの消費電流が数μA程度の場合には、データの送受信と同時にセンサを動
作させても消費電流のピーク値はほとんど変わらない。つまり、センサを起動させておい
て、そのセンサからのデータ読み出しつつ、センサデータを送信した方が、一連の作業に
かかる時間を節約できる。つまり、短時間で待機状態に移行できるため、その方が電池の
消耗を抑えられる。
以上のような電力制御方法によって、ボタン電池の特性を考慮した動作が可能となり、
その結果、ボタン電池動作時に長寿命動作が実現される。
On the other hand, when the consumption current of the sensor is about several μA, the peak value of the consumption current hardly changes even if the sensor is operated simultaneously with the transmission / reception of data. That is, if the sensor is activated and the sensor data is transmitted while reading the data from the sensor, the time required for a series of operations can be saved. That is, since it can shift to a standby state in a short time, it is possible to suppress battery consumption.
The power control method as described above enables operation taking into account the characteristics of the button battery,
As a result, a long life operation is realized during button battery operation.

図15にセンサノードを3枚の基板で構成した例を示している。センサノードは、本体
基板BO1、電源基板BO2および制御ソフト書き込み基板BO3から構成される。通常
使用時には、本体基板BO1と電源基板BO2の組み合わせで使用される。また、制御ソ
フトウェアの書き換え時等には、本体基板BO1と制御ソフト書き込み基板BO3の組み
合わせにて使用される。このうち、本体基板BO1の構成は、既に説明したセンサノード
SN1と同様であるので、詳細な説明は省略する。
FIG. 15 shows an example in which the sensor node is composed of three substrates. The sensor node includes a main body board BO1, a power supply board BO2, and a control software writing board BO3. During normal use, the main board BO1 and the power supply board BO2 are used in combination. Further, when the control software is rewritten, it is used in a combination of the main body board BO1 and the control software writing board BO3. Among these, the configuration of the main body board BO1 is the same as that of the sensor node SN1 already described, and thus detailed description thereof is omitted.

電源基板BO2は、本体基板BO1との接続コネクタCN2、外付けセンサを接続する
専用センサポートSP1、センサポートSP1の電源遮断を行う電源遮断スイッチPS2
1、パワーオンリセット回路POR1、手動リセットスイッチSW2、外部電源コネクタ
PP1、電源選択スイッチSW1、ボタン電池BAT1、レギュレータREG1から構成
される。本基板BO2は、コネクタCN2経由で内蔵するボタン電池からの電力を本体基
板BO1に供給する。また、センサポートSP1には、CN2経由で本体基板BO1から
センサを読み出すための信号線が配線されており、外付けのセンサを接続可能である。
The power supply board BO2 includes a connector CN2 connected to the main board BO1, a dedicated sensor port SP1 for connecting an external sensor, and a power cutoff switch PS2 for shutting off the power of the sensor port SP1.
1, a power-on reset circuit POR1, a manual reset switch SW2, an external power connector PP1, a power selection switch SW1, a button battery BAT1, and a regulator REG1. The board BO2 supplies power from the button battery built in via the connector CN2 to the main board BO1. The sensor port SP1 is wired with a signal line for reading the sensor from the main board BO1 via CN2, and an external sensor can be connected.

制御ソフト書き込み基板BO3は、同様に、本体基板BO1との接続コネクタCN3、
外付けセンサを接続する専用センサポートSP2、センサポートSP2の電源遮断を行う
電源遮断スイッチPS21、パワーオンリセット回路POR2、手動リセットスイッチS
W3、外部電源コネクタPP1、レギュレータREG2、および、プロセッサチップに搭
載されるプログラム書き換えポートDBPから構成される。基板BO3は、外部電源コネ
クタPP1に接続された外部電源より電力を得て、本体基板BO1の動作に必要な電力の
供給を行う。さらに、プログラム書き換え端子DBP経由で、本体基板BO1のプロセッ
サチップに搭載した制御ソフトウェアの書き換えを行う。このプログラム書き換え端子の
信号線は、コネクタCN3、CN1経由で、プロセッサチップのプログラム書き換え端子
に接続されており、この端子経由で搭載する制御ソフトウェアの書き換えを行う。
Similarly, the control software writing board BO3 is connected to the main body board BO1 with a connector CN3,
Dedicated sensor port SP2 for connecting an external sensor, power shut-off switch PS21 for power shut-off of sensor port SP2, power-on reset circuit POR2, manual reset switch S
W3, an external power connector PP1, a regulator REG2, and a program rewrite port DBP mounted on the processor chip. The board BO3 obtains power from an external power source connected to the external power connector PP1, and supplies power necessary for the operation of the main board BO1. Furthermore, the control software mounted on the processor chip of the main board BO1 is rewritten via the program rewrite terminal DBP. The signal line of the program rewrite terminal is connected to the program rewrite terminal of the processor chip via the connectors CN3 and CN1, and rewrites the control software installed via this terminal.

以上のように、センサノードを別々の基板に分けて構成することには、以下のメリット
がある。すなわち、通常使用時に不必要なプログラム書き換え端子を、本体基板BO1に
搭載しなくてもすむ。このため、本体基板のサイズを小さくすることが可能となる。一方
、ソフトウェアの動作確認/デバック時には、小さすぎるセンサノードは逆に扱いづらい
。しかし、図15のような構成により、デバックに必要な信号線等は、サイズが問題にな
らない制御ソフト書き換え基板上に引き出すことも可能である。つまり、デバック作業に
かかる手間を削減可能であり、開発にかかる期間を大幅に短縮可能である。
As described above, it is possible to divide and configure the sensor nodes on the separate substrates and have the following merits. That is, it is not necessary to mount a program rewrite terminal unnecessary for normal use on the main body board BO1. For this reason, the size of the main body substrate can be reduced. On the other hand, at the time of software operation confirmation / debugging, a sensor node that is too small is difficult to handle. However, with the configuration as shown in FIG. 15, signal lines and the like necessary for debugging can be drawn out on a control software rewriting substrate whose size does not matter. That is, it is possible to reduce the time and effort required for debugging work, and the time required for development can be greatly shortened.

図16に示すのは、本発明のセンサノードを使用してセンサネットシステムを構築した
例である。図16において、SN1〜SN6が本発明のセンサノードであり、例えば、建
物全体の空調を制御する目的で、建物全体にばら撒かれる。これらばら撒かれたセンサノ
ードは無線通信により、基地局BS1と無線通信を行い、センスした温度データを送信す
る。基地局BS1は、アンテナANT1、無線通信インタフェースRF1、プロセッサC
PU1、メモリMEM1、二次記憶装置STR1、表示装置DISP1、ユーザーインタ
フェース装置UI1、及びネットワークインタフェースNI1から構成される。このうち
、二次記憶装置STR1は、典型的には、ハードディスク等で構成される。また、表示装
置DISP1はCRT等で、ユーザーインタフェース装置UI1は、キーボード/マウス
等で構成される。図17に、本システムにてセンサノードから基地局に送信されるセンサ
データのデータ構造を示す。基地局BS1は、無線インタフェース/アンテナ経由で、セ
ンサノードと無線通信を行い、温度等の測定データを読み出す。基地局BS1では、受信
した測定データを元に、二次記憶装置STR1あるいはメモリMEM1上に格納されてい
る品質判定プログラムQPR1に従って、建物全体の温度制御を行う。さらに、ネットワ
ークインタフェースNI1経由で、インターネット等に代表される広域ネットワーク網W
AN1を介して、遠隔地にある管理サーバーSV10と通信可能である。
FIG. 16 shows an example in which a sensor network system is constructed using the sensor node of the present invention. In FIG. 16, SN1 to SN6 are sensor nodes of the present invention, and are distributed over the entire building, for example, for the purpose of controlling the air conditioning of the entire building. These separated sensor nodes perform wireless communication with the base station BS1 by wireless communication and transmit sensed temperature data. The base station BS1 includes an antenna ANT1, a radio communication interface RF1, a processor C
It comprises PU1, memory MEM1, secondary storage device STR1, display device DISP1, user interface device UI1, and network interface NI1. Of these, the secondary storage device STR1 is typically composed of a hard disk or the like. The display device DISP1 is a CRT or the like, and the user interface device UI1 is a keyboard / mouse or the like. FIG. 17 shows a data structure of sensor data transmitted from the sensor node to the base station in this system. The base station BS1 performs wireless communication with the sensor node via the wireless interface / antenna and reads measurement data such as temperature. The base station BS1 controls the temperature of the entire building according to the quality determination program QPR1 stored in the secondary storage device STR1 or the memory MEM1 based on the received measurement data. Furthermore, the wide area network W represented by the Internet etc. via the network interface NI1.
It is possible to communicate with the management server SV10 at a remote location via the AN1.

本発明のセンサノードを使用することにより、まず、受信感度が良いため、遠くに基地
局があっても確実に基地局との通信が可能となる。つまり、基地局の数を削減することが
できるため、センサネットシステムの導入にかかるコストを大幅に削減できる。さらに、
本発明のセンサノードは電池寿命が長寿命であるため、頻繁に電池交換をしなくとも問題
なく動作させ続けることが可能である。つまり、センサネットシステム全体でのメンテナ
ンスコストを大幅に削減し、少ないコストで目的の機能を有するセンサネットシステムを
構築することが可能となる。
By using the sensor node of the present invention, first, since the reception sensitivity is good, even if the base station is located far away, communication with the base station can be reliably performed. That is, since the number of base stations can be reduced, the cost for introducing the sensor network system can be greatly reduced. further,
Since the sensor node of the present invention has a long battery life, it can continue to operate without problems without frequent battery replacement. That is, it is possible to greatly reduce the maintenance cost of the entire sensor network system and to construct a sensor network system having a target function at a low cost.

本発明により高感度、低消費電力で動作可能なセンサノードが提供され、それにより種
々の分野におけるセンサネットシステムの構築が可能になる。
According to the present invention, a sensor node capable of operating with high sensitivity and low power consumption is provided, which makes it possible to construct a sensor network system in various fields.

センサノードの一実施形態(表面)を示す図である。It is a figure which shows one Embodiment (surface) of a sensor node. センサノードの一実施形態(裏面)を示す図である。It is a figure which shows one Embodiment (back surface) of a sensor node. センサノードの一実施形態(断面)を示す図である。It is a figure which shows one Embodiment (cross section) of a sensor node. 基板内部に設けられたグランドプレーン層を示した図である。It is the figure which showed the ground plane layer provided in the board | substrate. 基板内部に設けられた電源プレーン層を示した図である。It is the figure which showed the power plane layer provided in the board | substrate. インタフェースIF1の詳細を示した図である。It is the figure which showed the detail of interface IF1. LED表示モニタの構成例を示した図である。It is the figure which showed the structural example of the LED display monitor. 高周波スイッチおよび増幅器LNAの制御回路の構成例を示した図である。It is the figure which showed the structural example of the control circuit of a high frequency switch and amplifier LNA. センサノードSN1における信号の流れを示した図である。It is the figure which showed the flow of the signal in sensor node SN1. 図10(a)〜(e)のそれぞれは、センサノードSN1で適用可能な電源遮断スイッチの構成例を示した図である。Each of FIGS. 10A to 10E is a diagram illustrating a configuration example of a power cut-off switch applicable to the sensor node SN1. センサノードを低消費電力で動作可能させるための電力制御方法のフローチャートである。It is a flowchart of the power control method for operating a sensor node with low power consumption. 図11の電力制御方法を適用した場合の、センサノードの消費電流波形の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the consumption current waveform of a sensor node at the time of applying the power control method of FIG. 図11の電力制御方法を適用した場合の、センサノードの消費電流波形の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the consumption current waveform of a sensor node at the time of applying the power control method of FIG. 図11の電力制御方法を適用しない場合の、センサノードの消費電流波形の比較例である。It is a comparative example of the consumption current waveform of a sensor node when not applying the power control method of FIG. 本発明のセンサノードと組み合わせて使用する電源基板とプログラム書き込み基板の構成例を示した図である。It is the figure which showed the structural example of the power supply board | substrate used in combination with the sensor node of this invention, and a program writing board | substrate. 本発明のセンサノードにより実現されるセンサネットシステムの構成例を示した図である。It is the figure which showed the structural example of the sensor network system implement | achieved by the sensor node of this invention. 図16のセンサネットシステムにおいて本発明のセンサノードから送信されるデータの構成例を示した図である。It is the figure which showed the structural example of the data transmitted from the sensor node of this invention in the sensor network system of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

SN1 … センサノード、SIDE1 … 基板の第1の面、SIDE2 … 基板の第2の面、CA, CB, CC, CD … 基板の4つのコーナー、CHIP1, CHIP2 … 半導体集積回路、C1, C2, C3, C4 … コンデンサ、X1, X2, X3 … 水晶振動子あるいはセラミック振動子、ANT1 … アンテナ、LNA … 高周波低雑音増幅器、RFSW … 高周波スイッチ、MA … 高周波インピーダンスマッチング回路、RF … 高周波回路(データ変復調、PLL、VCOを含む)、OSC … 発振回路、CON … 制御回路、DISP … LED表示モニタ、CPU …プロセッサ回路、ADC … A/D変換回路、MEM, CMEM1 … メモリ、SIO … シリアル通信回路、TM1 … タイマ
回路、PIO … プログラマブル入出力回路、LSC … RFSW/LNAの制御回路、PS1, PS2, PS11, PS21, PS22 … 電源遮断スイッチ、TS … 温度センサ、CN1, CN2, CN3 … コネクタ、VDD … 第1の電源ライン、VDD2 … 第2の電源ライン、VDD3 … 第3の電源ライン、GND … グランド電位、IF1 … インタフェース、V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V10, V11, V13, V15, V21, V22, V23 … 基板の表面と裏面を接続するためのビア(貫通穴)、DS …
データ信号線、CS … 制御信号線、DC … LED表示モニタの制御信号線、RES … CHIP2のリセット信号線、AP … A/D変換信号線、DP … デジタルI/O信号線、AT … 温度センサの出力信号線、VP1 … 基板内部に設けられた第1の電源層、GP1 … 基板内部に設けられたグランド層、VH10, VH11, VH13, VHI1, VH15 … ビアを通過させるためにGP1に設
けられた領域、VH20, VH21, VH22, VH23, VHI1 … ビアを通過させるためにVP1に設けられた領域、MP1 … P型MOSトランジスタ、BP1 … PNP型バイポーラトランジスタ、MN1 … N型MOSトランジスタ、BN1 … NPN型バイポーラトランジスタ、IV10, IV20
, IV21 … インバータ、R1, R2, R3, R4, R10 … 抵抗器、SDATA … センサからのデータを読み取った結果を格納したファイル、PDATA … 通信条件、タイマ起動間隔、センサノード毎に固有なID番号、デバイス毎の消費電流値に関する情報を格納したファイル、I0, I1, I2, I3, I4, I5, Ip0, Ip1, Ip2, Ip3 … 消費電流値、SP1 … 外部センサコネクタ、SEN1, SEN2 … 外部センサ、PP1 … 外部電源コネクタ、REG1 … 低電圧レギュレータ、POR … パワーオンリセット回路、BAT … 電池、SW1, SW2, SW3 … スイッチ、DBP
… プログラム書き込み端子、VEX1 …外部電源ライン、BS …プログラム書き込み信号線、HDD1 … 二次記憶装置、DISP1 … 表示装置、NI1, NI10 … ネットワークインタフェース、DB10 … データベース、BA1 … ボタン電池。
SN1 ... sensor node, SIDE1 ... first surface of substrate, SIDE2 ... second surface of substrate, CA, CB, CC, CD ... four corners of substrate, CHIP1, CHIP2 ... semiconductor integrated circuit, C1, C2, C3 , C4: Capacitor, X1, X2, X3 ... Crystal or ceramic resonator, ANT1 ... Antenna, LNA ... High frequency low noise amplifier, RFSW ... High frequency switch, MA ... High frequency impedance matching circuit, RF ... High frequency circuit (data modulation / demodulation, (Including PLL and VCO), OSC ... oscillation circuit, CON ... control circuit, DISP ... LED display monitor, CPU ... processor circuit, ADC ... A / D conversion circuit, MEM, CMEM1 ... memory, SIO ... serial communication circuit, TM1 ... Timer circuit, PIO ... Programmable Input / output circuit, LSC ... RFSW / LNA control circuit, PS1, PS2, PS11, PS21, PS22 ... Power cut-off switch, TS ... Temperature sensor, CN1, CN2, CN3 ... Connector, VDD ... First power supply line, VDD2 ... Second power supply line, VDD3 ... Third power supply line, GND ... Ground potential, IF1 ... Interface, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V10, V11, V13, V15, V21, V22, V23 … Via (through hole) for connecting the front and back of the substrate, DS…
Data signal line, CS ... control signal line, DC ... LED display monitor control signal line, RES ... CHIP2 reset signal line, AP ... A / D conversion signal line, DP ... digital I / O signal line, AT ... temperature sensor Output signal lines, VP1... First power layer provided inside the substrate, GP1... Ground layer provided inside the substrate, VH10, VH11, VH13, VHI1, VH15. VH20, VH21, VH22, VH23, VHI1... Region provided in VP1 for passing vias, MP1... P-type MOS transistor, BP1... PNP bipolar transistor, MN1. Type bipolar transistor, IV10, IV20
, IV21 ... Inverter, R1, R2, R3, R4, R10 ... Resistor, SDATA ... File that stores the result of reading data from sensor, PDATA ... Communication condition, timer start interval, ID number unique to each sensor node , A file storing information on the current consumption value for each device, I0, I1, I2, I3, I4, I5, Ip0, Ip1, Ip2, Ip3 ... current consumption value, SP1 ... external sensor connector, SEN1, SEN2 ... external sensor , PP1 ... external power connector, REG1 ... low voltage regulator, POR ... power-on reset circuit, BAT ... battery, SW1, SW2, SW3 ... switch, DBP
... Program write terminal, VEX1 ... External power supply line, BS ... Program write signal line, HDD1 ... Secondary storage device, DISP1 ... Display device, NI1, NI10 ... Network interface, DB10 ... Database, BA1 ... Button battery.

Claims (9)

電源としてボタン電池を用いる電子装置であって、An electronic device using a button battery as a power source,
センシングを実行するセンサと、A sensor that performs sensing;
外部装置とデータ送受信を実行する送受信回路と、A transmission / reception circuit for performing data transmission / reception with an external device;
上記電子装置の動作モードを設定するためのデータを格納するメモリと、A memory for storing data for setting an operation mode of the electronic device;
上記センシング及び上記データ送受信を制御する制御装置と、を有し、A control device for controlling the sensing and the data transmission / reception,
上記制御装置は、上記動作モードを設定するためのデータに基づいて上記センシングに必要な消費電流を推定し、上記消費電流に基づいて上記センシングと上記データ送受信のタイミングを決定する電子装置。The control device is an electronic device that estimates current consumption required for the sensing based on data for setting the operation mode, and determines timing of the sensing and the data transmission / reception based on the current consumption.
電池容量が200mAh以下の電池を電源として用いる電子装置であって、An electronic device using a battery with a battery capacity of 200 mAh or less as a power source,
センシングを実行するセンサと、A sensor that performs sensing;
外部装置とデータ送受信を実行する送受信回路と、A transmission / reception circuit for performing data transmission / reception with an external device;
上記電子装置の動作モードを設定するためのデータを格納するメモリと、A memory for storing data for setting an operation mode of the electronic device;
上記センシング及び上記データ送受信を制御する制御装置と、を有し、A control device for controlling the sensing and the data transmission / reception,
上記制御装置は、上記動作モードを設定するためのデータに基づいて上記センシングに必要な消費電流を推定し、上記消費電流に基づいて上記センシングと上記データ送受信のタイミングを決定する電子装置。The control device is an electronic device that estimates current consumption required for the sensing based on data for setting the operation mode, and determines timing of the sensing and the data transmission / reception based on the current consumption.
請求項1又は2に記載の電子装置において、The electronic device according to claim 1 or 2,
上記制御装置は、上記消費電流に基づいて上記センシングと上記データ送受信とを異なるタイミングで実行するか、又は、上記センシングと上記データ送受信とを同じタイミングで実行するかを決定する電子装置。The said control apparatus is an electronic device which determines whether the said sensing and the said data transmission / reception are performed at a different timing based on the said consumption current, or the said sensing and the said data transmission / reception are performed at the same timing.
請求項1又は2に記載の電子装置において、The electronic device according to claim 1 or 2,
上記制御装置は、上記消費電流に基づいて上記センサの動作終了後に上記センシングデータを送信するか、又は、上記センサを起動させながら上記センシングデータを送信するかを決定する電子装置。The control device is an electronic device that determines whether to transmit the sensing data after the operation of the sensor is completed based on the current consumption, or to transmit the sensing data while activating the sensor.
請求項1又は2に記載の電子装置において、The electronic device according to claim 1 or 2,
上記制御装置は、上記センサがコネクタに接続される外付けセンサの場合には、上記センシングと上記データ送受信とを異なるタイミングで実行する一方、上記センサが内蔵センサである場合には、上記センシングと上記データ送受信とを同じタイミングで実行する電子装置。When the sensor is an external sensor connected to a connector, the control device executes the sensing and the data transmission / reception at different timings. On the other hand, when the sensor is a built-in sensor, An electronic device that performs the data transmission and reception at the same timing.
請求項1又は2に記載の電子装置において、The electronic device according to claim 1 or 2,
上記制御装置は、上記動作モードにおけるセンサの消費電流が数mAの場合には、上記センシングと上記データ送受信とを異なるタイミングで実行する一方、上記動作モードにおけるセンサの消費電流が数μAの場合には、上記センシングと上記データ送受信とを同じタイミングで実行する電子装置。When the current consumption of the sensor in the operation mode is several mA, the control device executes the sensing and the data transmission / reception at different timings, while the current consumption of the sensor in the operation mode is several μA. Is an electronic device that executes the sensing and the data transmission / reception at the same timing.
請求項1又は2に記載の電子装置において、The electronic device according to claim 1 or 2,
上記動作モードを設定するためのデータには、上記外部装置から送信されるコマンドが含まれており、The data for setting the operation mode includes a command transmitted from the external device,
上記制御装置は、上記コマンドに基づいて起動するセンサを決定する電子装置。The control device is an electronic device that determines a sensor to be activated based on the command.
センサノードと、上記センサノードと無線通信を行う基地局と、上記基地局とネットワークを介して接続されるサーバからなるセンサネットシステムであって、A sensor network system comprising a sensor node, a base station that performs wireless communication with the sensor node, and a server connected to the base station via a network,
上記センサノードは、The sensor node is
電源としてボタン電池を用いる電子装置であって、An electronic device using a button battery as a power source,
センシングを実行するセンサと、A sensor that performs sensing;
上記基地局とデータ送受信を実行する送受信回路と、A transmission / reception circuit for performing data transmission / reception with the base station;
上記センサノードの動作モードを設定するためのデータを格納するメモリと、A memory for storing data for setting the operation mode of the sensor node;
上記センシング及び上記データ送受信を制御する制御装置と、を有し、A control device for controlling the sensing and the data transmission / reception,
上記制御装置は、上記動作モードを設定するためのデータに基づいて上記センシングに必要な消費電流を推定し、上記消費電流に基づいて上記センシングと上記データ送受信のタイミングを決定するセンサネットシステム。The control device estimates a consumption current necessary for the sensing based on data for setting the operation mode, and determines the timing of the sensing and the data transmission / reception based on the consumption current.
センサノードと、上記センサノードと無線通信を行う基地局と、上記基地局とネットワークを介して接続されるサーバからなるセンサネットシステムであって、A sensor network system comprising a sensor node, a base station that performs wireless communication with the sensor node, and a server connected to the base station via a network,
上記センサノードは、The sensor node is
電池容量が200mAh以下の電池を電源として用いる電子装置であって、An electronic device using a battery with a battery capacity of 200 mAh or less as a power source,
センシングを実行するセンサと、A sensor that performs sensing;
上記基地局とデータ送受信を実行する送受信回路と、A transmission / reception circuit for performing data transmission / reception with the base station;
上記センサノードの動作モードを設定するためのデータを格納するメモリと、A memory for storing data for setting the operation mode of the sensor node;
上記センシング及び上記データ送受信を制御する制御装置と、を有し、A control device for controlling the sensing and the data transmission / reception,
上記制御装置は、上記動作モードを設定するためのデータに基づいて上記センシングに必要な消費電流を推定し、上記消費電流に基づいて上記センシングと上記データ送受信のタイミングを決定するセンサネットシステム。The control device estimates a consumption current necessary for the sensing based on data for setting the operation mode, and determines the timing of the sensing and the data transmission / reception based on the consumption current.
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