JP4906682B2

JP4906682B2 - 通信装置及び機器監視システム

Info

Publication number: JP4906682B2
Application number: JP2007291006A
Authority: JP
Inventors: 保憲武内; 明宏小川
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-11-08
Also published as: JP2009118329A

Description

本発明は、各種機器から定期的にデータを取得する場合に、当該機器のデータを監視装置に送信する通信装置及び機器監視システムに関する。

従来、各種機器から定期的にデータを取得する場合には、当該機器に通信装置を付設し、その通信装置を介し、当該機器から離れた場所で別の通信装置により当該機器のデータを受信する方法がある。
特開２００６−１２０００８号公報

しかしながら、機器に通信装置を付設する場合、当該機器の電源とは別の専用電源を当該通信装置に設ける必要があり、コストがかかる。そして、定期的に機器のデータを取得するためには、機器側の通信装置が時刻情報を保持し、常時通電状態となる必要があり、さらにコストがかかる。なお、特許文献１には、レーザ光を光電変換し、電源に使用する技術が開示されている。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、低コストの通信手段により機器から定期的にデータを取得することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、第１の装置と光通信回線を介して接続され、第２の装置から取得したデータを前記光通信回線により前記第１の装置へ送信する通信装置であって、前記光通信回線から受けた光を光電変換して、電気を出力する光電変換素子と、前記光電変換素子が出力する電気により充電される充電素子と、前記充電素子の充電電圧が所定の電圧に達した時点で、前記充電素子が電源として接続され、前記第２の装置からデータを取得して、該取得したデータを前記光通信回線により前記第１の装置へ送信するための所定の処理を行う信号処理部と、前記充電素子の充電電圧が前記所定の電圧に達した時点で、前記光電変換素子と前記充電素子とを遮断する手段と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、第２の装置からデータを取得するに際して通信装置に専用電源を設ける必要がなく、所定時間ごとのタイミングを計るのに通常保持する時刻情報を利用しないため、時計機能や待機電力も必要ないので、低コスト、省電力に定期的なデータ取得を実現することができる。また、信号処理部が充電素子を電源として使用している間（すなわち、充電素子から放電中）は、光電変換素子から充電素子に充電するのを停止する。これによれば、充電素子の放電時間を一定にできるので、信号処理部の起動タイミングの精度の向上を図ることができる。

また、本発明は、通信装置であって、前記充電素子に対して並列に、かつ、互いに直列に接続された抵抗器及び開閉スイッチを備え、前記信号処理部が、前記所定の処理が終了した時点で、前記開閉スイッチを閉じ、前記充電素子の放電が完了した時点で、前記開閉スイッチを開くことを特徴とする。
この構成によれば、信号処理部の処理が終了した時点で充電素子に抵抗器を接続することによって、充電素子の電力が使い果たされずに残っていても強制的に完全放電させることができる。これによれば、完全放電した後の充電素子の充電時間を一定にできるので、信号処理部の起動タイミングの精度の向上を図ることができる。

また、本発明は、通信装置であって、前記光電変換素子がフォトボル素子であることを特徴とする。

また、本発明は、通信装置であって、前記充電素子がキャパシタであることを特徴とする。

なお、本発明は、機器監視システムを含む。その他、本願が開示する課題及びその解決方法は、発明を実施するための最良の形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、低コストの通信手段により機器から定期的にデータを取得することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を説明する。本発明の実施の形態に係る通信装置は、定期的に機器からデータを取得し、監視装置に送信する機能を有するが、特に光通信回線の通信用レーザ光を電源として利用するとともに、実際に通信用レーザ光を光電変換し、キャパシタに満充電するのに要する時間を、データの取得及び送信のタイミングを決定するタイマとして利用するものである。これによれば、機器側の通信装置の電源及び時計機能が不要になるので、抵コストに機器のデータを定期的に送信することができる。

≪システムの構成と概要≫
図１は、機器監視システムの構成を示す図である。機器監視システム１００は、機器（第２の装置）１、機器側通信装置（通信装置）２、監視側通信装置（第１の装置）３及びネットワーク（光通信回線）４を備える。機器側通信装置２及び監視側通信装置３は、ネットワーク４を介して相互に通信可能である。機器１は、監視対象となる機器であって、データの発信元になる機器であり、例えば、各家庭に設置されている電力量計等である。機器側通信装置２は、ネットワーク４に接続される光ファイバケーブル５から受光したレーザ光を光電変換してキャパシタ１７を充電し、このキャパシタ１７を電源とするとともに、その充電に要する時間をタイマとして利用することにより、タイミングを計って機器１からデータを取得し、光ファイバケーブル６及びネットワーク４経由で監視側通信装置３に送信する。各家庭の電力計を監視する場合には、通信インフラとして光ファイバケーブル５及び６が各家庭まで届いているので、光ファイバケーブル５からの通信用光を光電変換して電源として利用するのは、利便性が高く、省エネルギー効果もある。機器側通信装置２の詳細な構成は、後記する。監視側通信装置３は、機器１を監視するための通信装置であり、機器１のデータを機器側通信装置２、光ファイバケーブル６及びネットワーク４経由で定期的に取得する。ネットワーク４は、機器側通信装置２及び監視側通信装置３の間を相互に通信可能とする通信網であり、光通信回線によって実現される。

機器側通信装置２は、制御ＩＣ（Integrated Circuit）１０、制御ＳＷ１１、１２、１３、フォトボル素子１４、整流器１５、抵抗１６、キャパシタ１７、強制放電用抵抗（抵抗器）１８及び信号処理ＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）２１、レーザダイオード２２を備える。フォトボル素子１４、整流器１５、抵抗１６及び制御ＳＷ１１は、互いに直列に接続され、キャパシタ１７は、これら直列接続されたフォトボル素子１４、整流器１５、抵抗１６及び制御ＳＷ１１と並列に接続される。また、制御ＳＷ１２、制御ＳＷ（開閉スイッチ）１３及び強制放電用抵抗１８は互いに直列に、かつ、キャパシタ１７と並列に接続される。さらに、信号処理ＬＳＩ（信号処理部）２１は、制御ＳＷ１３及び強制放電用抵抗１８と並列に接続される。

制御ＩＣ１０は、フォトボル素子１４の出力電圧Ｅを電源として作動するとともに、キャパシタ１７の両端の電圧Ｖ_Ｃを取得して制御ＳＷ１１及び１２の開閉制御を行う回路である。制御ＳＷ１１、１２及び１３は、それぞれＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）からなる。制御ＩＣ１０又は信号処理ＬＳＩ２１から各制御ＳＷのゲート・ドレイン間に制御電圧を印加することによって、ドレイン・ソース間の入切を制御する。なお、各制御ＳＷのゲート・ドレイン間に印加する制御電圧は小さく、電流がほとんど流れないため、各制御ＳＷの入切に伴う電力消費はほとんどない。

フォトボル素子１４は、光ファイバケーブル５を通じて伝送される通信用レーザ光の照射を受けて、光電変換によって得られた電圧により整流器１５及び抵抗１６経由でキャパシタ１７を充電する。整流器１５は、キャパシタ１７からフォトボル素子１４に電流が逆流するのを防止し、抵抗１６は、キャパシタ１７に過電流が流れ込むのを防止する。キャパシタ１７の両端電圧Ｖ_Ｃは、充電量とともに増加し、所定時間が経過した後キャパシタ１７が満充電になると一定になる。そして、キャパシタ１７の両端電圧Ｖ_Ｃが所定の電圧Ｖ１になった時点で、信号処理ＬＳＩ２１が処理（機器１からのデータの取得及び監視側通信装置３へのデータの送信）を開始する。このように、キャパシタ１７の充電に要する所定時間をタイマとして利用することによって、データの定期的な送信を実現する。

信号処理ＬＳＩ２１は、キャパシタ１７の充電電圧により駆動するとともに、機器１からのデータの取得、取得したアナログデータからデジタルデータへの変換及びレーザダイオード２２へのデータを含む電気信号の出力を行う信号処理回路である。そして、制御ＳＷ１３の開閉制御を行うことによって、強制放電用抵抗１８を用いたキャパシタ１７の強制放電の実行を制御する。レーザダイオード２２は、信号処理用ＬＳＩ２１から出力された電気信号を光信号に変換し、光ファイバケーブル６に送信する。光ファイバケーブル６に送信された光信号は、ネットワーク４を経由して監視側通信装置３に伝送される。

≪機器側通信装置の動作≫
図２は、制御ＳＷの状態及びキャパシタ両端電圧の時間的変化を示す図である。図２を参照しながら、機器側通信装置２において各制御ＳＷをオン（閉路）又はオフ（開路）にする制御条件及びその制御条件に基づく回路の動作について説明する。

各制御ＳＷの制御条件について説明すると、まず、制御ＳＷ１１は、制御ＩＣ１０の下で、フォトボル素子１４によって得られた電圧によりキャパシタ１７を充電するか否かを切り換える。すなわち、制御ＩＣ１０は、０≦Ｖ_Ｃ＜Ｖ１かつｄＶ_Ｃ／ｄｔ＞０の場合に、制御ＳＷ１１をオンにする。これは、キャパシタ１７の両端電圧Ｖ_ＣがＶ１（信号処理用ＬＳＩ２１が動作を開始する時の電圧）に達しておらず、かつ、充電中の場合、キャパシタ１７への充電を続行することを意味する。一方、制御ＩＣ１０は、Ｖ_Ｃ≧Ｖ１又はｄＶ_Ｃ／ｄｔ≦０の場合に、制御ＳＷ１１をオフにする。これは、キャパシタ１７の両端電圧Ｖ_ＣがＶ１に達している場合、又は、放電中の場合、キャパシタ１７への充電を行わないことを意味する。

次に、制御ＳＷ１２は、制御ＩＣ１０の下で、キャパシタ１７から放電するか否かを切り換える。すなわち、制御ＩＣ１０は、０＜Ｖ_Ｃ≦Ｖ１かつｄＶ_Ｃ／ｄｔ≦０の場合に、制御ＳＷ１２をオンにする。これは、キャパシタ１７の両端電圧Ｖ_Ｃが０より大きく、Ｖ１以下であり、かつ、放電中の場合、キャパシタ１７からの放電を続行することを意味する。一方、制御ＩＣ１０は、Ｖ_Ｃ＝０、Ｖ_Ｃ＞Ｖ１又はｄＶ_Ｃ／ｄｔ≧０の場合に、制御ＳＷ１２をオフにする。これは、キャパシタ１７の両端電圧Ｖ_Ｃが０、Ｖ１より大きい、又は、充電中の場合、キャパシタ１７からの放電を行わないことを意味する。

さらに、制御ＳＷ１３は、信号処理ＬＳＩ２１の下で、キャパシタ１７から強制放電（完全放電のための強制的放電）するか又は通常放電（通常の処理のための放電）するかを切り換える。すなわち、信号処理ＬＳＩ２１は、信号処理動作中かつ送信完了信号検知の場合に、制御ＳＷ１３をオンにする。これは、データ送信が完了し、信号処理が終了したので、キャパシタ１７に残っている電気を放電することを意味する。信号処理ＬＳＩ２１は、信号処理停止中又は送信完了信号なしの場合に、制御ＳＷ１３をオフにする。これは、これから信号処理を開始する又はその前のタイミングなので、通常の放電を行うことを意味する。

次に、図２を参照しながら、機器側通信装置２の回路の動作についてより具体的に説明する。

［１］キャパシタ１７への充電（０≦ｔ＜Ｔ１、制御ＳＷ１１：オン、制御ＳＷ１２：オフ、制御ＳＷ１３：オフ）
キャパシタ１７へ充電中の場合、キャパシタ１７の両端電圧Ｖ_Ｃは充電量とともに上昇する。従って、０≦Ｖ_Ｃ＜Ｖ１かつｄＶ_Ｃ／ｄｔ＞０となるので、制御ＳＷ１１がオン、制御ＳＷ１２がオフとなる。制御ＳＷ１２がオフのため、信号処理ＬＳＩ２１は動作停止中なので、制御ＳＷ１３がオフとなる。ちなみに、キャパシタ１７への満充電によりＶ_Ｃ＝Ｅ（フォトボル素子１４の端子電圧）となる。

［２］キャパシタ１７への充電開始から所定時間が経過した後、充電が終了し、信号処理ＬＳＩ２１が動作開始（ｔ＝Ｔ１、制御ＳＷ１１：オン→オフ、制御ＳＷ１２：オフ→オン、制御ＳＷ１３：オフ）
時刻ｔ＝Ｔ１の場合、Ｖ_Ｃ＝Ｖ１となるので、制御ＳＷ１１がオフ、制御ＳＷ１２がオンとなる。制御ＳＷ１１がオフになることでキャパシタ１７への充電が終了し、制御ＳＷ１２がオンになることで信号処理ＬＳＩ２１が動作を開始する。送信完了信号を受信していないので、制御ＳＷ１３はオフのままである。

［３］信号処理ＬＳＩ２１の動作（Ｔ１＜ｔ＜Ｔ２、制御ＳＷ１１：オフ、制御ＳＷ１２：オン、制御ＳＷ１３：オフ）
信号処理ＬＳＩ２１は、動作開始とともに機器１からアナログデータを読み込み、デジタルデータに変換し、変換したデジタルデータを電気信号としてレーザダイオード２２に出力する。レーザダイオード２２は、信号処理ＬＳＩ２１から入力した電気信号を光信号に変換し、変換した光信号を光ファイバケーブル６に送信する。キャパシタ１７は、充電した電力を信号処理ＬＳＩ２１に供給するために放電するので、Ｖ_Ｃは低下する。信号処理動作中は、ｄＶ_Ｃ／ｄｔ＜０の条件により、制御ＳＷ１１はオフ、制御ＳＷ１２はオンのままである。送信完了信号を受信していないので、制御ＳＷ１３はオフのままである。

［４］信号処理ＬＳＩ２１の動作終了（Ｔ２≦ｔ＜Ｔ３、制御ＳＷ１１：オフ、制御ＳＷ１２：オン、制御ＳＷ１３：オフ→オン）
レーザダイオード２２が光信号を送信した後、信号処理ＬＳＩ２１は制御ＳＷ１３に送信完了信号を送信する。制御ＳＷ１３は、送信完了信号を検知してオンになる。制御ＳＷ１３がオンになると、キャパシタ１７から強制放電用抵抗１８に電流が流れ、放電する。完全に放電したときに、Ｖ_Ｃ＝０となる。

［５］キャパシタ１７への充電開始（ｔ≧Ｔ３、制御ＳＷ１１：オフ→オン、制御ＳＷ１２：オン→オフ、制御ＳＷ１３：オン→オフ）
キャパシタ１７の完全放電により電力供給がなくなるので、信号処理ＬＳＩ２１の動作が停止するため、制御ＳＷ１３はオフになる（制御ＳＷ１３のＦＥＴのゲート電圧が０になる）。そして、キャパシタ１７の両端電圧Ｖ_Ｃ＝０となるので、制御ＳＷ１１がオン、制御ＳＷ１２はオフになる。これにより、フォトボル素子１４からキャパシタ１７に電力が供給され、キャパシタ１７の充電が開始する。

続いて、図２を参照しながら、回路を構成する各素子の固有値と、時間と、キャパシタの両端電圧との関係について説明する。まず、充電中の場合、キャパシタ１７の両端電圧Ｖ_Ｃは、式１に従う。
Ｖ_Ｃ＝Ｅ［１−ｅｘｐ（−ｔ／ＣＲ）］・・・式１
Ｖ_Ｃ：キャパシタ１７の両端電圧［Ｖ］
Ｅ：フォトボル素子１４の出力電圧［Ｖ］
Ｃ：キャパシタ１７の容量［Ｆ］
Ｒ：抵抗１６の抵抗値［Ω］
ｔ：時間［ｓ］
完全放電状態にあるキャパシタ１７への充電開始から信号処理ＬＳＩ２１の動作開始までのタイマ時間をＴ１［ｓ］とすると、Ｔ１の時の電圧Ｖ１［Ｖ］は式２で表される。
Ｖ１＝Ｅ［１−ｅｘｐ（−Ｔ１／ＣＲ）］・・・式２
ここで、時定数τ＝ＣＲ［ｓ］は、Ｖ_Ｃ＝Ｅ［１−ｅｘｐ（−１）］＝０．６３２Ｅ（つまり、キャパシタ１７の充電量が満充電の６３．２％）になるまでに要する時間である。適当なＣとＲを選択することにより、充電時間を調整することができる。ｔ→無限大の場合Ｖ_Ｃ→Ｅとなるため、Ｖ１をＥに近い値にすると、Ｖ１の変化に対するＴ１の変化が非常に大きくなるので、Ｖ１を決定したとしても、Ｖ１の微妙な変動によってＴ１の誤差が大きくなる。そこで、Ｔ１の誤差を減らすために、時定数τは大きな値を選択し、Ｔ１はτに近い値を選択するものとする。そして、式２により、Ｖ１を決定する。

次に、放電中の場合、キャパシタ１７の両端電圧Ｖ_Ｃは、式３に従う。
Ｖ_Ｃ＝Ｖ１ｅｘｐ（−ｔ／ＣＲ_ｌ）・・・式３
Ｖ１：キャパシタ１７が放電開始時における両端電圧［Ｖ］
Ｒ_ｌ：信号処理ＬＳＩ２１の抵抗値［Ω］
その他は、式１と同様。

ここで、時定数τ＝ＣＲ_ｌ［ｓ］は、Ｖ_Ｃ＝Ｖ１ｅｘｐ（−１）＝０．３６８Ｅ（つまり、キャパシタ１７の充電量が放電開始時の３６．８％）になるまでに要する時間である。信号処理ＬＳＩ２１の動作中は、キャパシタ１７の両端電圧Ｖ_Ｃは指数関数的に減少する。所定時間の動作電圧を確保するために、ｄＶ_Ｃ／ｄｔの絶対値（負の傾き）が小さくなるように時定数τは大きい値を選択する。

図３は、フォトボル素子１４の入力光エネルギーと出力電圧・電流の関係の一例を示す図である。入力光エネルギーの高い領域では、出力電圧がほぼ一定の値をとる。出力電圧の変動は、Ｖ１の変動に直結するため、結果的にタイマ時間Ｔ１の誤差となる。従って、フォトボル素子１４には、実際の変動幅を含む入力光エネルギーによる出力電圧が極力一定となるものを選択する。一方、出力電流は、入力光エネルギーに対して直線的に増加する。従って、フォトボル素子１４には、実際に使用する光の入力光エネルギーによって信号処理動作に必要な出力電流が得られるものを選択する。

以上説明した本発明の実施の形態によれば、機器１からデータを取得するに際して機器側通信装置２に専用電源を設ける必要がなく、所定時間ごとのタイミングを計るのに通常保持する時刻情報を利用しないため、時計機能や待機電力も必要ないので、低コスト、省電力に定期的なデータ取得を実現することができる。

次に、信号処理ＬＳＩ２１がキャパシタ１７を電源として使用している間（すなわち、キャパシタから放電中）は、フォトボル素子１４からキャパシタ１７に充電するのを停止する。これによれば、キャパシタ１７の放電時間を一定にできるので、信号処理ＬＳＩ２１の起動タイミングの精度の向上を図ることができる。

そして、信号処理ＬＳＩ２１の処理が終了した時点でキャパシタ１７に強制放電用抵抗１８を接続することによって、キャパシタ１７の電力が使い果たされずに残っていても強制的に完全放電させることができる。これによれば、完全放電した後のキャパシタ１７の充電時間を一定にできるので、信号処理ＬＳＩ２１の起動タイミングの精度の向上を図ることができる。

≪その他の実施の形態≫
以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。例えば、図４は、光ファイバケーブルを１芯とした機器監視システムの構成を示す図である。図１では、機器側通信装置２に、光を入力するための光ファイバケーブル５と、光を出力するための光ファイバケーブル６とが接続されている。それに対して、図４では、機器側通信装置２ａに１本の光ファイバケーブル７が接続されている。そして、機器側通信装置２ａでは、波長分割多重化装置２３が光ファイバケーブル７、フォトボル素子１４及びレーザダイオード２２に接続されている。光ファイバケーブル７には、上りと下りで波長を変えた光が往復伝送される。波長分割多重化装置２３は、光ファイバケーブル７から下りの波長の光を受けた場合に、その光をフォトボル素子１４に照射する。また、レーザダイオード２２から光を受けた場合には、その光を下りの光と多重化し、多重化した光を光ファイバケーブル７に送信する。なお、他の回路構成は、図１と同様である。

機器監視システムの構成を示す図である。制御ＳＷの状態及びキャパシタ両端電圧の時間的変化を示す図である。フォトボル素子の入力光エネルギーと出力電圧・電流の関係の一例を示す図である。光ファイバケーブルを１芯とした機器監視システムの構成を示す図である。

符号の説明

１００機器監視システム
１機器（第２の装置）
２機器側通信装置（通信装置）
３監視側通信装置（第１の装置）
４ネットワーク（光通信回線）
１０制御ＩＣ
１３制御ＳＷ（開閉スイッチ）
１４フォトボル素子
１７キャパシタ
１８強制放電用抵抗（抵抗器）
２１信号処理ＬＳＩ（信号処理部）

Claims

第１の装置と光通信回線を介して接続され、第２の装置から取得したデータを前記光通信回線により前記第１の装置へ送信する通信装置であって、
前記光通信回線から受けた光を光電変換して、電気を出力する光電変換素子と、
前記光電変換素子が出力する電気により充電される充電素子と、
前記充電素子の充電電圧が所定の電圧に達した時点で、前記充電素子が電源として接続され、前記第２の装置からデータを取得して、該取得したデータを前記光通信回線により前記第１の装置へ送信するための所定の処理を行う信号処理部と、
前記充電素子の充電電圧が前記所定の電圧に達した時点で、前記光電変換素子と前記充電素子とを遮断する手段と、
を備えることを特徴とする通信装置。
請求項１に記載の通信装置であって、
前記充電素子に対して並列に、かつ、互いに直列に接続された抵抗器及び開閉スイッチを備え、
前記信号処理部は、前記所定の処理が終了した時点で、前記開閉スイッチを閉じ、前記充電素子の放電が完了した時点で、前記開閉スイッチを開く
ことを特徴とする通信装置。
請求項１又は請求項２に記載の通信装置であって、
前記光電変換素子はフォトボル素子である
ことを特徴とする通信装置。
請求項１又は請求項２に記載の通信装置であって、
前記充電素子はキャパシタである
ことを特徴とする通信装置。
機器の監視を行う第１の装置と、
前記第１の装置による監視対象機器である第２の装置と、
前記第１の装置と光通信回線を介して接続され、前記第２の装置から取得したデータを前記光通信回線により前記第１の装置へ送信する通信装置と、
を備え、
前記通信装置は、
前記光通信回線から受けた光を光電変換して、電気を出力する光電変換素子と、
前記光電変換素子が出力する電気により充電される充電素子と、
前記充電素子の充電電圧が所定の電圧に達した時点で、前記充電素子が電源として接続され、前記第２の装置からデータを取得して、該取得したデータを前記光通信回線により前記第１の装置へ送信するための所定の処理を行う信号処理部と、
前記充電素子の充電電圧が前記所定の電圧に達した時点で、前記光電変換素子と前記充電素子とを遮断する手段と、
を備える
ことを特徴とする機器監視システム。