JP4841197B2

JP4841197B2 - 無線計測装置

Info

Publication number: JP4841197B2
Application number: JP2005230221A
Authority: JP
Inventors: 省三勝木; 豊斎藤; 田中　　敦; 晃大西; 純孝太刀川
Original assignee: Ube Industries Ltd; Takion Co Ltd
Current assignee: Takion Co Ltd; Ube Corp
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-08-09
Also published as: JP2006085680A

Description

本発明は、温度等の物理量を複数箇所で計測した測定データを収集する無線計測装置に関する。

数十箇所以上にも及ぶ多数の測定箇所において温度等の特性を測定し、そのプロファイリングを行う場合、測定信号の送受信にケーブルを使用すると、測定対象物やその設置環境によっては、ケーブルの配線作業に非常に手間がかかったり、ケーブルの配線自体が困難となる場合がある。例えば、人工衛星の熱真空試験では、５００〜１０００箇所の温度を測定しなければならず、その配線作業だけで１ヶ月以上の期間を要する場合がある。そこで、このような多数の測定箇所で測定されたデータの送受信を無線で行う、いわゆるテレメータリング（無線計装）と称される技術が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

ところで、従来のテレメータリングによる計測装置は、大きく分けると２つのタイプに分類される。ひとつは、子機に送受信機能を具備したもの、もうひとつは送信機能のみを具備したものである。前者は、親機からの測定指示信号を受信する為に子機は、常時受信状態にある。その為、電池を用いた小型の子機では、電池の消耗が早く、長時間、長期間の測定には不向きであった。後者は、子機に内蔵されているタイマーを基準として測定データを送信している。この場合タイマーは必ず誤差があるので、子機どうしの送信タイミングが一致してしまい、測定データどうしの衝突が発生し、測定データの取り込みに失敗するおそれがあった。

特開２００４−１３５７２号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、多数箇所において測定されたデータを、長期間に亘って取りこぼしなく収集することができる信頼性の高い無線計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、固有の識別子を有する計測用の複数の子機と、これらの子機で測定された測定データを無線通信を介して受信する親機とを備えた無線計測装置であって、前記各子機は、待機状態に移行可能な制御部と、計測部と、前記親機から測定指示信号を受信する測定指示信号受信部と、前記計測部で測定された測定データを無線で送信する測定データ送信部とを具備し、前記親機は、前記子機に前記測定指示信号を無線で送信する測定指示信号送信部と、前記測定データ送信部から送信された前記測定データを受信する測定データ受信部とを具備し、前記子機は、前記制御部が待機状態から所定時間おきに起動し、前記測定指示信号受信部で前記測定指示信号を受信したときに、前記測定指示信号に含まれる基準時刻データを基に求められる送信開始基準時を基準とし前記各子機の前記識別子に基づいて定められる個々の送信開始時間に合わせて、前記計測部で測定される測定データを前記親機に送信するように設けられており、前記親機は、前記子機に前記送信開始基準時を同期させる同期信号を無線で送信する同期信号送信部を具備し、前記子機は、前記同期信号送信部から送信された前記同期信号を受信する同期信号受信部を具備し、該同期信号受信部で受信した前記同期信号に基づく新たな送信開始基準時を基準として前記測定データを送信するように設けられており、且つ前記子機は、前記制御部が待機状態から起動するまでの時間遅れを実時間に合わせて補正するように設けられている無線計測装置を提供することにより、前記目的を達成したものである。

本発明の無線計測装置によれば、多数箇所において測定されたデータを、長期間に亘って安定的に且つ取りこぼしなく収集することができる。

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の無線計測装置を、無線温度計測装置（以下、単に計測装置ともいう。）に適用した一実施形態を示すものである。この図において符号１は計測装置を示している。本実施形態の計測装置１は、固有の識別番号（識別子）を有する計測用の複数の子機２（ＩＤＮｏ．＝１，２，３，・・・９９８，９９９，１０００）と、これらの子機２で測定された測定データを、無線通信を介して受信する親機３とを備えている。

図２に示したように、子機２は、マイクロコンピュータを備えた計測ユニットであり、待機状態に移行可能な制御部（ＣＰＵ）２０と、温度計測部（計測部）２１と、親機３から測定指示信号及び同期信号を受信する受信部（測定指示信号受信部及び同期信号受信部）２２と、温度計測部２１で測定された測定データ含む信号を無線で送信する送信部（測定データ送信部）２３と、記憶装置２４と、外部タイマー（ＲＴＣ）２５と、電池（電源）２６と、これらを結ぶ回路２７とを具備している。記憶装置２４には、前記識別番号、後述の基準時カウント数及び後述する動作タイムテーブルのように子機２を動作させるプログラムが記録されている。

図３に示したように、親機３は、制御部（ＣＰＵ）３０と、子機２に制御部２０の測定指示信号及び同期信号を無線で送信する送信部（測定指示信号送信部及び同期信号送信部）３１と、測定データ送信部２３から送信された前記測定データを受信する測定データ受信部３２と、測定データ受信部３２で受信した測定データを外部に出力するインターフェース３３と、これらを結ぶ回路３４とを備えている。親機３は、パーソナルコンピュータ等の上位コンピュータシステム（以下、上位コンピュータという。）１０（図１参照）とインターフェース３３を介して接続される。親機３では、上位コンピュータ１０からの指示に基づいて、前記制御部３０が、送信部３１を通じて必要とされる測定時間おきに子機２に測定指示信号を送信するとともに、後述する同期信号を送信し、さらに各子機２から送信されてくる測定データを測定データ受信部３２で受信し、インターフェース３３を介して上位コンピュータ１０に送信するように制御する。

図４は、子機２及び親機３のそれぞれの制御部の割り込みのタイミングに基づくこれらの動作タイムテーブルを模式的に示したものである。図５は、前記無線計測装置における待機状態からの起動に伴う時間遅れの補正を説明するための外部タイマーと制御部の動作タイムテーブルを模式的に示したものである。
図４及び図５に示すように、子機２の制御部２０の割り込みインターバルは、前記測定指示信号を待ち受けの間の第１区間Ａ、測定指示信号受信後から後述する送信開始基準時Ｔ０までの第２区間Ｂ及び該送信開始基準時Ｔ０からデータ送信までの第３区間Ｃの三区間で異なるように設定されている。

第１区間Ａにおける割り込みインターバルは、各子機２を必要最低限に起動させることで、電池の消耗を抑える観点から設定される。第１区間における割り込みインターバルは、制御部２０の待機状態（いわゆるスリープモード）からの起動間隔ＴＩと、起動時間（測定開始信号受信時間）ＴＷとで決定される。本実施形態では起動間隔ＴＩは３ｓｅｃ、起動時ＴＷは４８ｍｓｅｃに設定されている。第２区間Ｂは、各子機の送信開始基準時Ｔ０までの時間精度を向上させる観点から設定される。第２区間Ｂにおける割り込みインターバルは、親機３の制御部３０の割り込みインターバルと同一時間とされる。本実施形態では、第２区間における割り込みインターバルは１６ｍｓｅｃに設定されている。第３区間Ｃの割り込みインターバルは、待機状態から起動した各子機に測定データを衝突なく送信させることを考慮して設定される。第３区間における割り込みインターバルは、各子機の測定データ送信時間と制御部２０の待機状態から制御部の内部タイマー（マスタークロック）の安定動作までに要する時間のばらつき誤差、子機の数を考慮して設定される。本実施形態では、測定データ送信時間は３４ｍｓｅｃ、前記ばらつき誤差は±３０μｓｅｃ、子機の数は１０００機、第３区間における割り込みインターバルは、１００ｍｓｅｃに設定されている。

図４に示すように、子機２の制御部２０は、親機３から送信指示信号を受信するまでは、待機状態から所定の起動間隔ＴＩおきに起動時間ＴＷの間起動した後、再び待機状態へ移行する動作を繰り返す。親機３からの測定指示信号の送信時間ＴＣは、前記起動間隔ＴＩ及び起動時間ＴＷに応じて設定され、受信ミスを防ぐ観点から、例えば、測定指示信号の送信時間ＴＣ内に２回程度の起動時間ＴＷが収まるように設定される。本実施形態では、前記送信時間ＴＣは６．２ｓｅｃに設定されている。この待機状態では、制御部２０は停止した状態となるが、外部タイマー２５は電池から供給される電力でそのまま作動し続ける。

各子機２は、上述のように制御部２０が待機状態から所定時間おきに起動し、前記送信時間ＴＣで送信される前記測定指示信号を受信部２２で受信したときに、温度計測部２１で温度を測定するとともに、測定した測定データを、制御部２０の内部メモリーに記録する。そして、前記測定指示信号に含まれる基準時刻データを基に求められる送信開始基準時Ｔ０を親機３から送信される同期信号に基づいて新たな送信開始基準時に修正してこれを基準とし、各子機２の識別番号に基づいて定められる個々の送信開始時間ＴＳｉに合わせて温度計測部２１で測定される測定データを親機３に送信するように設けられている。各子機２は、測定データを記録した後親機３からの同期信号を受信するまで、及び該同期信号送信後送信開始時間ＴＳｉまでは、再び前記同様の待機状態となる。前記基準時刻データは、上位コンピュータからの指示信号により、親機３が発生する時事刻々とインクリメントするカウンター値であり、親機３から各子機２に測定指示信号と共に送信される。特に第２区間Ｂで親機３から送信時間ＴＣ内で送信される測定指示信号の先頭信号を子機２が受信すると直ちに、子機２はそれを基準と認識し、親機３からの同期信号を受信するまで子機２は待機状態に入る。子機２は先頭信号を認識するまでは最大４８ｍｓｅｃ起動しており、その間に親機３からの先頭信号を受信、認識する。

各子機２は、送信開始基準時Ｔ０に対応した基準時カウント数Ｃ０を記憶装置２４に有している。この基準時カウント数Ｃ０は、親機３による測定指示信号の送信時間ＴＣと、計測部２１からのデータの取り込みに要する時間（本実施形態では、温度計測におけるアナログ／デジタル変換時間：８００ｍｓｅｃ）とに基づいて定められる。

また、本実施形態では、各子機２は、制御部２０が待機状態から起動するまでの時間遅れを実時間に合わせて補正するように設けられている。即ち、図５に示すように、本実施形態では、制御部２０は、外部タイマー２５の割り込みタイミングによって待機状態で起動したときに、外部タイマー２５のカウンターがどこまで進んだかを読み取り、その値を自身の前記内部タイマーのカウンターの値とし、内部タイマーの時間遅れを、実時間、すなわち外部タイマー２５の時間に合わせるように設けられている。このように制御部２０の待機状態からの起動までの時間遅れを補正することによって、多数の子機２を用いて計測を行う場合の測定データの取り込みを正確且つ短時間に行うことができる。

本実施形態の測定装置１では、前記測定指示信号として、親機３の制御部３０の割り込みインターバルＴＭに応じた制御部３０のカウンターのカウント数が採用されており、上位コンピュータ１０からの指示に基づいて、一定の送信時間ＴＣで各子機２に向けて一斉に前記カウンターのカウント数Ｃ（＝ＴＣ／ＴＭ）を送信する。本実施形態では、制御部３０の割り込みインターバルＴＭは１６ｍｓｅｃ、前記カウント数Ｃは１〜３８８に設定されている。カウント数Ｃの送信を終えると、制御部３０は前記カウンターをリセットし、親機３は同期信号の送信待ち状態となる。

次に、親機３は、子機３に前記送信開始基準時を同期させる同期信号を送信する。この同期信号は、送信開始基準時Ｔ０を含む送信時間Ｔｙの信号であり、送信時間Ｔｙは全ての子機２についての前記送信開始基準時間Ｔ０のばらつきを含んだ再起動時間Ｔｘの最大値に基づいて設定され、本実施形態では送信時間Ｔｙは９６ｍｓｅｃに設定されている。なお同期信号送信開始時は、全ての子機を構成する電子部品、回路設計等に起因する時定数のばらつき誤差を使用する子機のばらつきの実績値に基づいて、それより早い時刻に設定する。

親機３は同期信号を送信した後、測定データの受信待ち状態となる。この受信待ちの状態は、全ての子機の測定データの受信後、安全のための予備時間ＴＡまでとされる。本実施形態では、子機１０００機に対し、各子機の送信間隔時間が１００ｍｓｅｃに設定されており、全ての子機の測定データの受信後（１機目８ｓｅｃ後〜１０００機目１０７ｓｅｃまで）、前記予備時間ＴＡは１ｓｅｃに設定されている。

そして、各子機２の制御部２０は、親機３からの測定指示信号であるカウント数Ｃを受信すると、受信した該カウント数Ｃに自身の内部タイマーのカウンターのカウント数Ｃｉを合わせる。そして、その後当該制御部２０の割り込みインターバル毎に該カウンターのカウント数Ｃｉを１カウントずつ増やしながら該カウント数Ｃｉと前記基準時カウント数とを比較し、カウント数Ｃｉが前記基準時カウント数Ｃ０に達した時点、即ち、前記送信開始基準時Ｔ０を基準とする。各子機２は、この送信開始基準時Ｔ０でそれぞれ起動する。本実施形態では、この送信開始基準時Ｔ０に代えて、この起動時に親機３から送信される同期信号を受信し、この同期信号に基づく新たな送信開始基準時、即ち、その同期信号の終了時を送信開始基準時として前記カウンターのカウント数をＣ０にリセットし、新たな送信基準時を測定データの送信開始時間ＴＳｉの基準とする。そして、各子機２の識別番号に第３区間Ｃの割り込みインターバルを乗じた時間を送信開始時間ＴＳｉとし（例えば、子機の識別番号が５０の場合、ＴＳｉ＝５０×１００ｍｓｅｃ＝５ｓｅｃ）、前記新たな送信基準時を基準とした送信開始時間ＴＳｉに合わせて温度計測部２１で測定される測定データ（温度データ、識別番号等）を親機３に送信する。このように送信開始基準時に同期をかけることによって、それぞれの子機を構成する電子部品他の時定数のわずかな違いから生じる誤差に伴う測定データの衝突の発生を防いで測定データの取りこぼしを確実に防いでいる。これにより、さらに各子機２の送信間隔時間、及び安全の為の予備時間ＴＡの短縮ができ、実施結果では６０００チャンネル／２分での測定を可能としている。各子機２は、送信開始基準時の修正後から送信開始時間ＴＳｉまで、及びそれぞれの送信開始時間に合わせてそれぞれの測定データを送信した後、再び親機３からの測定指示信号の受信の待機状態となる。

本実施形態の測定装置１は、前記信号送信部３１による前記測定指示信号と、前記測定データ送信部２３による前記測定データとは異なるキャリア周波数で送信されるように設けられている。これらのキャリア周波数は、測定環境、例えば、子機２と親機３との距離、測定環境下で発生するノイズの周波数に応じて設定される。

各子機２の測定データ送信部２２から時間差を伴って送信される測定データを受け取った親機３は、前記インターフェース３３を介して上位コンピュータ１０に測定データを転送する。

以上説明したように、本実施形態の計測装置１は、制御部２０が待機状態から所定時間おきに起動し、測定指示信号受信部で前記測定指示信号を受信したときに、測定指示信号に基づいて求められる送信開始基準時Ｔ０を基準とし各子機２の識別番号に基づいて定められる個々の送信開始時間ＴＳｉに合わせて、温度計測部２１で測定される測定データを親機３に送信するので、各子機２は起動しているとき以外は待機状態にあり、従来に比べて消費電力を大幅に低減することができるほか、各子機２から送信される測定データも識別番号に基づいた規則性を有しており、これを親機３において衝突なく収集することができる。また、送信開始基準時を親機３からの同期信号によって修正しているので、子機の時定数の僅かな違いから生じる誤差に伴う測定データの取りこぼしも防ぐことができる。従って、１０００にも及ぶ多数箇所において測定されたデータを、約１００秒余り以上の短い時間で、長期間に亘って取りこぼしなく収集することができる。
また、制御部２０の待機状態から起動までの時間遅れを実時間に補正できるので、より信頼性の高い測定データの収集を行うことができる。

本発明は、前記実施形態に制限されない。
例えば、各子機の具備する計測部で測定する物理量は、温度に制限されるものではなく、湿度、圧力、電圧、電流、光量、磁力等の測定可能な物理量が含まれる。

また、子機２を、測定データを自身に記録する測定データ記録部を具備した構成としておき、前述のように、親機３に測定データを送信する一方で、送信する測定データを測定データ記録部にも記録させておき、子機２自体において計測履歴を把握できるようにすることもできる。このように子機２に計測履歴を把握できるようにすることで、例えば、図６に示すように、物流品１１にそれぞれ子機２を付しておくとともに、物流品１１を搬送する貨車１２の荷台１２０に親機３の前記測定指示信号送信部及び前記測定データ受信部のそれぞれのアンテナを、運転席１２１に親機３の本体を、それぞれ設置しておき、運転席１２１において運転者が計測データをモニタリングできるようにするとともに、搬送先での物流品１１の搬入時点に、前記計測履歴の読み取り手段で該計測履歴を読み取って、直ちに品質履歴を把握できるようにすることができる。

また、親機３に記憶装置を備えさせ、この記憶装置に前述の動作タイムテーブルのように親機３を動作させるプログラムを記録しておき、このプログラムの起動中に前記上位コンピュータと協働して該動作を行わせることもできる。また、前記実施形態では、親機３と上位コンピュータを別々に構成したが、これらを一体として構成することもできる。

本発明の無線計測装置は、上述したような単に温度等の物理量の計測や物流過程に乗る物流品の品質管理（モニタリング）の他、食品、医薬品、電子材料等の鉱業材料等の物品の保管、医療機関等における体温、血圧、心拍数等の管理、花、果実等の農産物や牛、馬、豚、羊、鶏等の家畜の育成管理にも適用することができる。

本発明の無線計測装置の一実施形態を模式的に示す図である。同実施形態の無線計測装置における子機の構成を模式的に示す図である。同実施形態の無線計測装置における親機の構成を模式的に示す図である。同実施形態の無線計測装置における子機及び親機の動作タイムテーブルを模式的に示す図である。前記無線計測装置における待機状態からの起動に伴う時間遅れの補正を説明するための外部タイマーと制御部の動作タイムテーブルを模式的に示す図である。本発明の無線計測装置を物流品の管理（モニタリング）に適用した一例を模式的に示す図である。

符号の説明

１無線計測装置
２子機
２０制御部
２１計測部
２２測定指示信号受信部
２３測定データ送信部
２４記憶装置
２５外部タイマー
２６電源
２７回路
３親機
３０制御部
３１送信部（測定指示信号送信部及び同期信号送信部）
３２測定データ受信部
３３インターフェース
３４回路
１０上位コンピュータシステム
Ｔ０：送信開始基準時

Claims

固有の識別子を有する計測用の複数の子機と、これらの子機で測定された測定データを無線通信を介して受信する親機とを備えた無線計測装置であって、
前記各子機は、待機状態に移行可能な制御部と、計測部と、前記親機から測定指示信号を受信する測定指示信号受信部と、前記計測部で測定された測定データを無線で送信する測定データ送信部とを具備し、
前記親機は、前記子機に前記測定指示信号を無線で送信する測定指示信号送信部と、前記測定データ送信部から送信された前記測定データを受信する測定データ受信部とを具備し、
前記子機は、前記制御部が待機状態から所定時間おきに起動し、前記測定指示信号受信部で前記測定指示信号を受信したときに、前記測定指示信号に含まれる基準時刻データを基に求められる送信開始基準時を基準とし前記各子機の前記識別子に基づいて定められる個々の送信開始時間に合わせて、前記計測部で測定される測定データを前記親機に送信するように設けられており、
前記親機は、前記子機に前記送信開始基準時を同期させる同期信号を無線で送信する同期信号送信部を具備し、
前記子機は、前記同期信号送信部から送信された前記同期信号を受信する同期信号受信部を具備し、該同期信号受信部で受信した前記同期信号に基づく新たな送信開始基準時を基準として前記測定データを送信するように設けられており、
且つ前記子機は、前記制御部が待機状態から起動するまでの時間遅れを実時間に合わせて補正するように設けられている無線計測装置。
前記子機は、前記送信開始基準時に対応した基準時カウント数を記憶装置に有している請求項１記載の無線計測装置。
前記子機による、前記制御部が待機状態から起動するまでの時間遅れを実時間に合わせる補正は、前記制御部が、外部タイマーの割り込みタイミングによって待機状態から起動したときに、外部タイマーのカウンターがどこまで進んだかを読み取り、その値を自身の内部タイマーのカウンターの値とすることで、内部タイマーの時間遅れを外部タイマーの時間に合わせることによって行われる請求項１又は２記載の無線計測装置。
前記測定データ送信部による前記測定データと、前記測定指示信号送信部による前記測定指示信号とが異なる周波数で送信されるように設けられている請求項１〜３の何れか１項に記載の無線計測装置。
前記各子機が、測定データの記録される測定データ記録部を具備している請求項１〜４の何れか１項に記載の無線計測装置。
前記計測部が、温度計測部である請求項１〜５の何れか１項に記載の無線計測装置。