JP4894320B2

JP4894320B2 - 照明光伝送用受信装置並びに照明光伝送システム

Info

Publication number: JP4894320B2
Application number: JP2006089592A
Authority: JP
Inventors: 和史長添
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP2007267036A

Description

本発明は、複数種類の照明器具から各種類毎に互いに異なる光出力波形を有する照明光に重畳させて伝送されるデータを受信する照明光伝送用受信装置、並びに照明光伝送システムに関するものである。

従来より、照明光にデータを重畳させて伝送する複数の照明器具と、照明光に重畳されたデータを受信する受信装置とを有する照明光伝送システムが種々提案されている。

現在、一般照明用として最も広く普及している光源は蛍光灯であり、蛍光灯を光源とする照明器具（以下、蛍光灯照明器具と呼ぶ。）を利用した照明光伝送システムが種々提案されている。かかる蛍光灯照明器具は、ＬＣ共振型のインバータ回路により商用周波を高周波に変換して蛍光灯を高周波点灯する点灯装置（いわゆる蛍光灯電子安定器）を備えており、蛍光灯の点灯時におけるインバータ回路の出力特性がＬＣ共振回路並びに蛍光灯を含めた共振系の共振周波数ｆ０にピークを持つ山型の波形となることから（図８参照）、インバータ回路の動作周波数を定格点灯時の周波数ｆ１（＞ｆ０）から変調周波数ｆ２（＞ｆ１）に上昇させることでインバータ回路から蛍光灯への供給電力（ランプ電流）を減少させて光出力を低下させることができる。従って、図９に示すように送信データがＨレベルのときにインバータ回路の動作周波数を定格点灯時の周波数ｆ１とし、送信データがＬレベルのときにインバータ回路の動作周波数を変調周波数ｆ２に切り換えて送信データでインバータ回路の動作周波数を周波数変調（ＦＳＫ＜周波数シフトキーイング＞）することにより、送信データを照明光に重畳することができる。なお、インバータ回路の動作周波数は、蛍光灯の発光効率やインバータ回路を構成する回路部品の寸法、発熱、ノイズ規制等の制限によって一般的に４０〜１００ｋＨｚに設定される。

一方、受信装置においては、フォトダイオードや太陽電池などの光電変換素子により照明光を電気信号に変換するとともに、当該電気信号（受信信号）からバンドパスフィルタを利用して変調周波数ｆ２の周波数成分を弁別し、弁別された周波数成分から元のデータを復調する。但し、蛍光灯に流れるランプ電流はインバータ回路の動作周波数に同期して周期的に変化するが、照明光についてはインバータ回路の動作周波数の２倍の周波数で変化するから、前記バンドパスフィルタにおける通過帯域の中心周波数を変調周波数ｆ２の２倍に設定する必要がある。

ところで、最近では照明用の光源として発光ダイオードが注目されており、発光ダイオードを光源とする照明器具（以下、ＬＥＤ照明器具と呼ぶ。）を利用した照明光伝送システムも提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかるＬＥＤ照明器具においては、基本的に発光ダイオードに直流電圧を印加して点灯しており、印加電圧をパルス状に制御（オン／オフ制御）することで単位時間当たりの電圧印加時間を変化させ、照明光の光出力を増減（調光）することが可能である。従って、図１０に示すように送信データがＨレベルのときに発光ダイオードに直流電圧を印加して点灯し、送信データがＬレベルのときに直流電圧の印加を停止して発光ダイオードを消灯することで発光ダイオードへの印加電圧を送信データで振幅変調（ＡＳＫ＜振幅シフトキーイング＞）することにより、送信データを照明光に重畳することができる。あるいは、特許文献１に記載されている従来システムのように、発光ダイオードの点滅周波数を切り換えることで送信データを周波数変調するものもある。
特開２００２−１９０７７６公報

ところで、上述の蛍光灯照明器具とＬＥＤ照明器具のように照明光の光出力波形が互いに異なる複数種類の照明器具を１つの照明光伝送システムに含める場合、それぞれの器具毎に受信装置を用意することは運用面やコスト面からも現実的ではなく、そのために光出力波形が異なる複数種類の照明器具から個別にデータ受信可能な受信装置が必要となる。ここで、特許文献１に記載されている従来例のようにＬＥＤ照明器具の変調方式として周波数変調（ＦＳＫ）方式を採用した場合、振幅変調（ＡＳＫ）方式に比べて点灯装置の回路構成が複雑化して設置コストが高くなってしまう可能性があり、また、通信速度も低下してしまう。さらに、蛍光灯照明器具ではインバータ回路の動作周波数が４０〜１００ｋＨｚに設定されることから、通信に使用可能な照明光の周波数はその２倍の８０〜２００ｋＨｚに制限されるが、ＬＥＤ照明器具では一般的に光源である白色ＬＥＤの点滅周波数を数ＭＨｚ程度に設定可能であって制約が少ない。そのため、仮に蛍光灯照明器具とＬＥＤ照明器具とで照明光のデータ送信用周波数を揃えるためにＬＥＤ照明器具における発光ダイオードの点滅を蛍光灯照明器具におけるインバータ回路の動作周波数で変調すると、発光ダイオードの点滅制御に不要な制約を課してしまうことになる。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、光出力波形が異なる複数種類の照明器具から個別にデータ受信が可能な照明光伝送用受信装置を提供するとともに、照明器具におけるデータ送信に不要な制約を課すことのない照明光伝送システムを提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、複数種類の照明器具から各種類毎に互いに異なる光出力波形を有する照明光に重畳させて伝送されるデータを受信する照明光伝送用受信装置であって、前記照明光を受光して電気信号に変換する受光手段と、受光手段から出力される受信信号を前記異なる光出力波形成分に弁別する弁別手段と、弁別された光出力波形成分毎に前記データを復調する複数の復調手段とを備え、前記弁別手段は、受信信号を所定のしきい値電圧と比較することで受信信号のゼロクロス点を検出する比較回路と、ゼロクロス点の周期を計時するとともに計時された周期から受信信号の周波数を求める信号周期計時回路とを有し、前記複数の復調手段は、信号周期計時回路で求めた周波数に基づき、１ビットの単位時間毎に受信信号を２値化することで受信データを復調する第１の復調回路と、比較回路から信号周期計時回路に入力する受信信号をそのまま２値化することで受信データを復調する第２の復調回路とを有することを特徴とする。

請求項２の発明は、上記目的を達成するために、複数種類の照明器具と、請求項１の照明光伝送用受信装置とからなり、前記複数種類の照明器具は、各種類毎に互いに異なる光出力波形を有する照明光にデータを重畳させて伝送することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、光出力波形が異なる複数種類の照明器具から個別にデータ受信が可能な照明光伝送用受信装置が提供できる。

請求項２の発明によれば、１台の照明光伝送用受信装置で光出力波形が異なる複数種類の照明器具から個別にデータ受信が可能となるからシステムの設置コストが抑えられるとともに、照明器具におけるデータ送信に不要な制約を課すことのない照明光伝送システムが提供できる。

（実施形態１）
本実施形態の照明光伝送システムは、図１に示すように照明光が互いに異なる光出力波形を有した第１および第２の照明器具２，３と、照明光伝送用受信装置（以下、受信装置と略す。）１とで構成される。但し、図１では第１および第２の照明器具２，３をそれぞれ１台ずつしか図示していないが、各々複数台の照明器具２，３がシステムに含まれることはいうまでもない。

第１の照明器具２は蛍光灯照明器具であって、送信データを示すデータ信号（Ｈ、Ｌの２値をとる方形パルス信号）を出力する第１の信号源２０と、照明光にデータを重畳させる第１の制御回路２１と、第１の光源（蛍光灯）２３と、第１の光源２３を点灯する第１の点灯回路２２とを備えている。また、第２の照明器具３はＬＥＤ照明器具であって、送信データを示すデータ信号を出力する第２の信号源３０と、照明光にデータを重畳させる第２の制御回路３１と、第２の光源（発光ダイオード）３３と、第２の光源３３を点灯する第２の点灯回路３２とを備えている。

第１並びに第２の信号源２０，３０は、例えば、各照明器具２，３の設置場所を示す位置情報がディップスイッチなどで設定され、当該位置情報に対応するデータ信号を繰り返し出力している。ここで、送信データはＮＲＺ符号であって、Ｈ、Ｌの２値をとる方形パルスとして第１並びに第２の信号源２０，３０から出力される。また、第１並びに第２の信号源２０，３０が出力するデータ信号の周波数は、人間の眼が複数の光源の明暗の切換を認識可能である周波数（ＣＦＦ：Critical Fusion Frequency）よりも高い周波数に設定されている。なお、ＣＦＦは年齢（高齢者は相対的に光の変化に対する応答性が低い傾向にある。）や個人差によって異なると言われているが、少なくとも１２０ｋＨｚ以上であれば特に支障はない。何故なら、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波で点灯する白熱灯や銅鉄安定器で点灯する蛍光灯の光出力波形の周波数が１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚであり、これと同水準であればちらつきとして感じないと考えられるからである。故に、第１並びに第２の信号源２０，３０では約８．３μ秒（＝１／１２０ｋＨｚ）の周期で送信データを繰り返し出力すればよい。

第１の点灯回路２２は、図２に示すように商用電源ＡＣを整流平滑して直流電力に変換する直流電源回路２２ａと、直流電源回路２２ａから入力する直流電力を高周波の交流電力に変換するＬＣ共振型のインバータ回路２２ｂとで構成される。直流電源回路２２ａは、ダイオードブリッジからなる全波整流回路と平滑コンデンサの組合せの他、力率改善用の昇圧チョッパ回路と平滑コンデンサの組合せでもよいし、あるいは電池でも構わない。インバータ回路２２ｂは従来周知のハーフブリッジ式やフルブリッジ式、一石式のインバータ回路であって、直流電源回路２２ａを構成する昇圧チョッパ回路とスイッチング素子等の部品を共用する構成であっても構わない。

第１の制御回路２１は、従来技術で説明したように第１の信号源２０から入力するデータ信号（送信データ）がＨレベルのときにインバータ回路２２ｂの動作周波数を定格点灯時の周波数ｆ１とし、データ信号がＬレベルのときにインバータ回路２２ｂの動作周波数を変調周波数ｆ２に切り換えて送信データで周波数変調（ＦＳＫ）することで送信データを照明光に重畳する（図９参照）。

第２の光源３３は、図３に示すように複数の発光ダイオード３３ａの直列回路を並列接続して構成されている。第２の点灯回路３２は、商用電源ＡＣを整流平滑して直流電力に変換する直流電源回路３２ａと、第２の光源３３における複数の発光ダイオード３３ａの直列回路にそれぞれ接続された限流用の抵抗Ｒと、第２の光源３３に直列接続されたスイッチング素子Ｑと、スイッチング素子Ｑを駆動する駆動回路３２ｂとで構成される。なお、直流電源回路３２ａは、ダイオードブリッジからなる全波整流回路と平滑コンデンサの組合せの他、力率改善用の昇圧チョッパ回路と平滑コンデンサの組合せでもよいし、あるいは電池でも構わない。

第２の制御回路３１は、従来技術で説明したように送信データがＨレベルのときに駆動回路３２ｂを制御しスイッチング素子Ｑをオンして第２の光源３３に直流電圧を印加することで発光ダイオード３３ａを点灯し、送信データがＬレベルのときに駆動回路３２ｂを制御しスイッチング素子Ｑをオフして第２の光源３３への直流電圧印加を停止することで発光ダイオード３３ａを消灯して、第２の光源３３への印加電圧を送信データで振幅変調（ＡＳＫ）することにより、送信データを照明光に重畳する（図１０参照）。

次に受信装置１について説明する。受信装置１は、図１に示すように第１および第２の照明器具２，３の照明光を受光して電気信号に変換する光電変換回路１０と、光電変換回路１０から出力する電気信号（受信信号）を増幅する増幅回路１１と、増幅回路１１で増幅された受信信号を第１の照明器具２の光出力波形成分と第２の照明器具３の光出力成分とに弁別する周波数弁別回路１２と、弁別された光出力波形成分毎にデータを復調する第１の復調回路１３並びに第２の復調回路１４と、第１および第２の復調回路１３，１４で復調されたデータ（受信データ）を処理する受信データ処理回路１５とを備えている。

光電変換回路１０は、第１の照明器具２の光出力波形成分並びに第２の照明器具３の光出力成分を透過する光学フィルタと、光学フィルタを透過した光出力波形成分を電気信号に変換するＰＩＮフォトダイオードのような光電変換素子とで構成される。但し、ＰＩＮフォトダイオードの代わりにフォトトランジスタや増幅器を集積したフォトＩＣを用いてもよい。

増幅回路１１は汎用のオペアンプＩＣ等で構成される差動増幅回路であるが、オペアンプＩＣの代わりにトランジスタで構成されるものであっても構わない。但し、光電変換回路１０から出力する受信信号が周波数弁別回路１２で処理するのに十分なレベルであれば、増幅回路１１を省略してもよい。

周波数弁別回路１２は、オペアンプＩＣ等で構成されるハイパスフィルタ１２ａおよびローパスフィルタ１２ｂを具備している。ここで、第１の照明器具２の照明光はインバータ回路２２ｂの動作周波数（４０〜１００ｋＨｚ）の２倍である８０〜２００ｋＨｚの範囲の光出力成分を有し、第２の照明器具３の照明光は通信速度が９６００ｂｐｓの場合に２ビット時間幅（＝２０８μ秒）の逆数である４．８ｋＨｚ以下の光出力成分を有している。従って、ハイパスフィルタ１２ａおよびローパスフィルタ１２ｂの遮断周波数を４０ｋＨｚに設定すれば、第１の照明器具２から照射される照明光の受信信号（光出力成分）をハイパスフィルタ１２ａで弁別し、第２の照明器具３から照射される照明光の受信信号（光出力成分）をローパスフィルタ１２ｂで弁別することができる。但し、第２の照明器具３における通信速度を数Ｍｂｐｓとした場合、第１の照明器具２から照射される照明光の受信信号に対して第２の照明器具３から照射される照明光の受信信号の方が周波数が高くなるので、ハイパスフィルタ１２ａおよびローパスフィルタ１２ｂの遮断周波数を、例えば５００ｋＨｚに設定すればよい。

第１の復調回路１３は、バンドパスフィルタ１３ａと、バンドパスフィルタ１３ａを通過した受信信号の信号レベルをしきい値と比較する比較回路１３ｂとで構成される。バンドパスフィルタ１３ａは、変調周波数ｆ２の２倍の周波数を通過帯域の中心周波数とした汎用のフィルタである。但し、定格点灯時の周波数ｆ１の２倍の周波数を通過帯域の中心周波数としてもよく、その場合は復調される受信データの論理が反転しているから受信データ処理部１５でさらに反転する必要がある。比較回路１３ｂはコンパレータからなり、変調周波数ｆ２の２倍の周波数成分がバンドパスフィルタ１３ａを通過したときにＨレベルの信号を出力するとともにその他のときにＬレベルの信号を出力することでハイパスフィルタ１２ａで弁別された受信信号、すなわち、第１の照明器具２から照射される照明光の受信信号（光出力成分）より受信データを復調する。

また、第２の復調回路１４は、ローパスフィルタ１２ｂで弁別された受信信号の信号レベルをしきい値と比較する比較回路１４ａで構成される。比較回路１４ａはコンパレータからなり、受信信号の信号レベルがしきい値より高いときにＨレベルの信号を出力するとともに受信信号の信号レベルがしきい値より低いときにＬレベルの信号を出力することでローパスフィルタ１２ｂで弁別された受信信号、すなわち、第２の照明器具３から照射される照明光の受信信号（光出力成分）より受信データを復調する。

受信データ処理回路１５はマイコンを主構成要素とするものであって、第１および第２の復調回路１３，１４で復調された受信データの有効性を判断するとともに、有効と判断した受信データを他の電子機器に伝送したり、受信データに含まれる位置情報を、別途記憶している地図情報に基づいて表示デバイスの画面上に表示したり、あるいは音声で報知する処理等を行う。

而して、本実施形態の受信装置１によれば、光出力波形が異なる複数種類の照明器具（第１の照明器具２並びに第２の照明器具３）から個別にデータ受信が可能であり、複数種類の受信装置を用意する必要がないからシステムの設置コストを抑制することができる。また、第１の照明器具２と第２の照明器具３とが互いのデータ送信に不要な制約を課すこともなく、それぞれが受信装置１へ個別にデータを送信することができる。ここで、本発明において「互いに異なる光出力波形」とは、相対的な光強度、光強度が変化する周波数等の光出力波形を決定する要素のうち、特に光強度が変化する周波数が相違するものをいう。また、本実施形態で例示した蛍光灯と発光ダイオードのように光源の種類が異なる場合のみならず、同一種類の光源（例えば、蛍光灯）で光出力波形が異なる場合も含まれる。

また、互いに異なる光出力波形が３種類、つまり、第２の照明器具３に低速（例えば、通信速度が９６００ｂｐｓ）型と高速（例えば、通信速度が数Ｍｂｐｓ）型の２種類が存在している場合、図４に示すように遮断周波数が４０ｋＨｚに設定されたローパスフィルタ１２ｂと、遮断周波数が５００ｋＨｚに設定されたハイパスフィルタ１２ｃと、通過帯域が４０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚに設定されたバンドパスフィルタ１２ｄとで周波数弁別回路１２を構成するとともに、ハイパスフィルタ１２ｃで弁別された受信信号の信号レベルをしきい値と比較する比較回路１６ａで構成された第３の復調回路１６を受信装置１に具備すれば、光出力波形が異なる３種類の照明器具、すなわち、第１の照明器具２、低速型の第２の照明器具３、高速型の第２の照明器具３から個別にデータ受信が可能な受信装置１が実現できる。

（実施形態２）
本実施形態の受信装置１は、周波数弁別回路１２と第１および第２の復調回路１３，１４の構成に特徴があり、その他の構成については実施形態１と共通である。故に、実施形態１と共通の構成要素には同一の符号を付して図示並びに説明を省略する。

本実施形態の受信装置１では、増幅回路１１で増幅された受信信号を比較回路１２ｃで所定のしきい値電圧Ｖthと比較することにより受信信号のゼロクロス点を検出し、信号周期計時回路１２ｄによってゼロクロス点の周期Ｔ１〜Ｔ３を計時するとともに計時された周期Ｔ１〜Ｔ３から受信信号の周波数ｆ１〜ｆ３を求めている（図６，図７参照）。すなわち、受信信号が第１の照明器具２の照明光から得たものであれば、図６に示すように信号周期計時回路１２ｄによって求まる周波数が定格点灯時の周波数ｆ１又は変調周波数ｆ２と一致し、また、受信信号が第２の照明器具３の照明光から得たものであれば、図７に示すように信号周期計時回路１２ｄによって求まる周波数が２ビット分のビットパターンの周期Ｔ３の逆数である周波数ｆ３と一致するから、信号周期計時回路１２ｄで求めた周波数ｆ１〜ｆ３に基づいて、例えば、４０ｋＨｚよりも高い周波数成分（第１の照明器具２の光出力波形成分）と４０ｋＨｚよりも低い周波数成分（第２の照明器具３の光出力成分）とに弁別することができる。

一方、第１の復調回路１３では、信号周期計時回路１２ｄで求めた周波数ｆ１，ｆ２に基づいて、１ビットの単位時間（例えば、通信速度が９６００ｂｐｓの場合は１０４μ秒）毎に２値化することで受信データを復調することができる。また、第２の復調回路１４では、比較回路１２ｃから信号周期計時回路１２ｄに入力する受信信号をそのまま２値化することで受信データを復調することができる。なお、周波数弁別回路１２の信号周期計時回路１２ｄと第１および第２の復調回路１３，１４とは、受信データ処理回路１５とともにマイコンで構成可能である。

而して、本実施形態の受信装置１においても、光出力波形が異なる複数種類の照明器具（第１の照明器具２並びに第２の照明器具３）から個別にデータ受信が可能であり、複数種類の受信装置を用意する必要がないからシステムの設置コストを抑制することができる。

本発明の実施形態１を示すブロック図である。同上における第１の照明器具のブロック図である。同上における第２の照明器具のブロック図である。同上における受信装置の他の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態２における受信装置のブロック図である。同上における周波数弁別回路の動作説明図である。同上における周波数弁別回路の動作説明図である。インバータ回路の動作周波数の説明図である。蛍光灯を光源とする照明器具の照明光にデータを重畳する場合の説明図である。発光ダイオードを光源とする照明器具の照明光にデータを重畳する場合の説明図である。

符号の説明

１照明光伝送用受信装置
２第１の照明器具
３第２の照明器具
１０光電変換回路
１２周波数弁別回路
１３第１の復調回路
１４第２の復調回路
１５受信データ処理回路

Claims

複数種類の照明器具から各種類毎に互いに異なる光出力波形を有する照明光に重畳させて伝送されるデータを受信する照明光伝送用受信装置であって、前記照明光を受光して電気信号に変換する受光手段と、受光手段から出力される受信信号を前記異なる光出力波形成分に弁別する弁別手段と、弁別された光出力波形成分毎に前記データを復調する複数の復調手段とを備え、前記弁別手段は、受信信号を所定のしきい値電圧と比較することで受信信号のゼロクロス点を検出する比較回路と、ゼロクロス点の周期を計時するとともに計時された周期から受信信号の周波数を求める信号周期計時回路とを有し、前記複数の復調手段は、信号周期計時回路で求めた周波数に基づき、１ビットの単位時間毎に受信信号を２値化することで受信データを復調する第１の復調回路と、比較回路から信号周期計時回路に入力する受信信号をそのまま２値化することで受信データを復調する第２の復調回路とを有することを特徴とする照明光伝送用受信装置。
複数種類の照明器具と、請求項１の照明光伝送用受信装置とからなり、前記複数種類の照明器具は、各種類毎に互いに異なる光出力波形を有する照明光にデータを重畳させて伝送することを特徴とする照明光伝送システム。