JP5146276B2 - エネルギー監視システム - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー監視システムに係り、特に無線通信を用いたエネルギー監視システムに関する。

従来から、工場や建物のエネルギー使用量や動作環境を監視するために、複数の電力盤に電力計を取付けたり、ガスや空調用の冷温水配管に流量計を取付けるとともに各フロアごとに温湿度計を設置する方法が用いられている。その際、各計器を有線で監視装置に接続し、エネルギーの使用状況や環境を監視している。このような監視システムでは、通信ケーブルの敷設が負担であったが、特許文献１に示すように、各監視センサに狭域無線通信用の通信部を設け、それら通信部間を無線通信し、ネットワークを形成することも知られている。

また、低コストで容易かつ確実に回収できるセンサノードを多数用いて、センサネットワークシステムを構築することが特許文献２に記載されている。この公報に記載のセンサネットワークシステムでは、近距離無線通信機能を持つセンサであるセンサノードを電池駆動にし、電源ケーブルを不要としている。さらに、センサノードを必要なところに複数配置してネットワークを形成し、センサ情報をノード間で伝搬させ情報を通信している。この情報通信においては、ＩＥＥＥ（米国電気電子技術者協会）が標準化したＩＥＥＥ８０２．１５．４規格を下位レイヤー（物理層とＭＡＣ層）の仕様とする、ＺｉｇＢＥＥ（登録商標）を用いている。ＺｉｇＢＥＥは、低価格で低消費電力であり、設置が容易なことが知られている。

特２００６−１０１３９９号公報 特開２００７−２０１５７７号公報

ところで、上記特許文献１や特許文献２に記載の無線通信においては、電源を用いる無線センサノード（特許文献１の場合）、電池駆動の無線センサノード（特許文献２の場合）のように、どちらか一方の無線センサノードしか監視システムが使用できなかった。また、特定の無線周波数だけを用いて、監視システムを構築していた。

そして、電源を用いる無線センサノードは、電池交換が不要で、無線出力を増大できるので、長距離無線通信ができる利点を有するが、電源が準備されている場所にしか設置できない不具合がある。これに対して、電池駆動の無線センサノードは、電源が準備されていない場所にも設置可能であるが、定期的に電池を交換しなければならず、また無線出力を増大できないので無線通信距離が制限される。

無線のセンサノードを用いて工場や建物のエネルギー監視をする場合、センサノードに電源が準備されているが電池交換が困難な場所や、電源を準備できない、センサとしては適合するがセンサノードとして使用するときには無線周波数帯域が不適格な場所が混在している。そのため、エネルギー監視システムとして、１個の電源手段と１個の周波数帯域の無線周波数だけで無線機器を使用して、無線通信システムを構築することが困難である。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、電源条件や使用する周波数帯域の制限条件にかかわらずに、エネルギー監視システムを構築することにある。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、複数のセンサと、この複数のセンサごとに設けられ各センサが取得した情報を通信情報に変換するセンサノードと、センサノードで変換されたセンサの情報を遠隔で収集監視する監視装置と、前記センサノードと前記監視装置間で情報を伝達する通信手段とを有するエネルギー監視システムにおいて、前記センサノードは、商用電源駆動の無線センサノードと電池駆動の無線センサノードおよび通信周波数の異なる少なくとも２種の無線センサノードが組み合わされて使用されていることにある。

そしてこの特徴において、複数の前記センサノードと前記監視装置間で情報を伝達する通信手段は、前記センサノードが変換した無線データを無線中継する無線中継器を備え、この無線中継器は、無線周波数の変換手段を有してもよく、複数の前記センサノードと前記監視装置間で情報を伝達する通信手段は、前記センサノードが変換した無線データを無線中継する無線中継器を備え、この無線中継器は、無線データを有線データにまたは有線データを無線データに変換する手段を有すしてもよい。

また上記いずれかの特徴において、前記複数のセンサは、このエネルギー監視システムが監視対象とする監視エリアに配置された機器の電力消費量を計測するのに用いるものや監視エリアに配置された空調設備の成績係数を算出するのに用いるものを含んでいてもよい。

本発明によれば、エネルギー監視システムが、センサノードが設置される環境に応じて、周波数帯域や電源状況の異なる無線または有線センサノードを有するようにしたので、工場等におけるエネルギーの使用を安価にかつ確実に監視できる。

以下、本発明に係るエネルギー監視システムのいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。エネルギー監視システムは、例えば生産工場でのエネルギーの使用を節約する場合に有効な方法である。図１は、エネルギー監視システム３００の構成の模式図である。建物の空調設備の成績係数（ＣＯＰ）および消費エネルギー、建物内の各部屋の照明等の環境エネルギー、建物の維持に必要な消費エネルギー、工場の動力等の消費エネルギーが監視対象となっている。

図１に示したように、エネルギー監視システム３００では、監視対象である各種エネルギーの消費量を計測するために、監視対象エリア１内に多数のセンサ２００、２００、…を分散配置している。各センサー２００の出力は、後述するこれも分散配置されたセンサノード１１１〜１１４に入力され、通信手段１２０を介して監視装置１００に送信される。監視装置１００では、各センサー２００が取り付けられた機器の稼動状態や部屋の環境を、センサー２００の情報から判断する。その際、センサー２００の情報を演算するかまたはデータベース等を参照して、各機器やユーティリティの消費エネルギーを求め、不要なエネルギーの削減を図るために、図示しない指令信号を駆動機の制御盤等の制御機器に送信する。

この詳細を、図２を用いて説明する。図２は、生産工場３および生産工場３に付設した事務用建物２におけるエネルギー消費量を監視する例を示した図である。いわゆる工場の敷地が監視対象エリア１に相当する。各生産３工場には生産用の設備、例えば旋盤やフライス盤等の工作機械、組み立て用のクレーン、温度調節用の温調または空調機器、試験設備を駆動するモータ等の原動機、運搬用の搬送機器、工業用水等のためのポンプや工場エアのための圧縮機等、多種多様の機器からなる工場設備３０が配置されている。この工場設備３０には、分電盤２１０から電力が供給されている。

分電盤２１０には工場３の消費エネルギーを監視するために、電力量計２０５が取付けられている。電力計２０５は、使用電力量を目視で確認できるようになっているが、本実施例の電力計２０５には、通常の目視で確認できる表示部のほかに、分電盤２１０に供給される商用電源またはそれら電源を降圧した電源から電力を供給される無線センサーノード１１１が取付けられている。これは、後述する理由で、センサと監視装置１００の間の通信に無線通信を利用したためである。無線通信用に、無線センサーノード１１１が必要になっている。無線センサーノード１１１からは、工場３内を限度とするような微弱電波が送信され、工場３の一隅に取付けた無線中継器１２１ａに到達する。

無線中継器１２１ａは、無線センサノード１１１から送信された使用電力量情報を、他の工場３の無線中継器１２１ａ経由で、または直接事務室である建物２に取付けた無線中継器１２１ａに送信する。建物２内の一室には、監視装置１００が配置されており、建物２内の無線中継器１２１ａを経由して送られてきた工場３の使用電力量が、入力される。監視装置１００は、送られてきた使用電力量のデータに基づき、エネルギー消費が削減されるよう、各機器の運転制御指令を送信する。

ところで、工場３と事務用の建物２の間は、壁や機械設備などの電波の障害物が多く、さらに、工場３と建物２の距離が離れている場合には、無線センサノード１１１と監視装置１００の間を無線通信することが難しい。そこで、無線センサノード１１１と監視装置１００の間に、無線中継器１２１ａを設置する。この様な無線送受信システムとして、すでに本発明者らによりＺｉｇＮＥＴ(登録商標)が提唱されている、ＺｉｇＮＥＴを用いると、通信費および無面免許が不要で、最大１ｋｍ離れた無線端末間で通信可能であり、無線端末間に無線中継器１２１aを介在させて無線データを中継すれば、最大１０ｋｍ離れた場所との通信が可能になる。

工場３の敷地（監視対象エリア）内での通信では、電波法に定める微弱電波しか使用できない。そこで、工場３と建物２の間を無線通信化した場合には、電波の減衰をできるだけ抑制する。工場３と建物２間の通信において無線障害物の影響を少なくするため、電波が通り易いガラス窓を通して無線通信ができる高い場所に設置した。建物２では最上階の窓際、工場３では窓際で出来る限り高い場所に、無線中継器１２１ａを設置した。なお、無線中継器１２１ａを、建物２および工場３の屋上に設置すれば上記条件を満たすが、防水などの環境対策や電源確保のために太陽電池を用いるなどの追加的な対策が必要になる。本実施例では、設置の容易さから屋内に設置している。

電池駆動の無線センサノード１１２や無線中継機１２１ａ、１２１ｂ、商用電源駆動の無線センサノード１１１がそれぞれ備えるアンテナは、アンテナの向きにより無線の通信距離が大きく変化する。無線センサノード１１１，１１２および無線中継機１２１ａ、１２１ｂは、横向きや下向きにしか設置できない場合がある。例えば壁に設置する場合は、横向きに、天井に設置する場合は下向きに設置せざるを得ない。これらの場合、アンテナの向きが機器に対して固定されていると、機器の設置方向アンテナの向きが限定されるのでアンテナの向きが最適とならない。そこでアンテナは、無線センサノード１１１，１１２や無線中継器１２１ａ、１２１ｂに対して向きが可変になっている。

以上は、一般的な生産工場３における消費電力量の監視の例である。一方、事務用の建物２では、エネルギー消費量の大部分は、空調によるものとなる。そこで、空調設備の成績係数（ＣＯＰ）を監視して、エネルギー消費量の節減を図る。この具体的な様子を、図３を用いて説明する。

建物２には、セントラル空調方式の空調設備２０が設けられている。空調設備２０として、ガス焚吸収式冷温水ユニット２１と冷水ポンプ２２、温水ポンプ２３、エアハンドリングユニット２４が用いられている。本実施例に特徴的なことは、空調設備２０の各部にセンサ２０１〜２０５ｂを取付けたことにある。

すなわち、空調設備の成績係数（ＣＯＰ）を監視するために、冷温水ユニット２１に流入する冷温水２５の温度を計測する入口温度センサ２０１、冷温水ユニット２１から流出する冷温水２５の温度を計測する出口温度センサ２０２、冷温水ユニット２１の燃料である燃料ガスの流量計２０３、冷温水ユニット２１を流通する冷温水２５の流量計２０４、冷温水ユニット２１の電力量計２０５ａ、エアハンドリングユニット２４の電力量計２０５ｂが設置されている。

成績係数（ＣＯＰ）を計測するためには、これらのセンサ２０１〜２０５ｂを用いて、各量を同時に計測しなければならない。建物２内の監視装置１００は、センサ２０１〜２０５へ計測命令を指令するとともに、センサ２０１〜２０５が検出したデータを収集する。

ここで、センサ２０１〜２０５が配置される場所と監視装置１００の間の通信は、必ずしも容易ではない。特に、既設の冷温水ユニット２１やポンプ２３等にセンサ２０１〜２０５を取付け、これらセンサ２０１〜２０５ｂが検出した信号を監視装置１００まで有線で導くことは、既設のその他の機器や配管の制限のため、困難になることが多い。また、建物２の壁や通路、フロアを越えて通信ケーブルを敷設して、監視装置１００まで信号線を敷設することが難しいので、このような障害部分では無線を用いることになる。

無線でセンサ２０１〜２０５が検出したデータを監視装置１００へ送信するために、センサ２０１〜２０５が検出したデータを無線信号に変換するセンサノード１１１、１１２を、各センサ２０１〜２０５に取り付ける。冷水ポンプ２２と温水ポンプ２３の電力量計２０５およびエアハンドリングユニット２４の電力量計２０５、冷温水ユニット２１の電力量計２０５は、分電盤２１０に設置する。分電盤２１０からは容易に商用電力を供給できるので、各電力量計２０５には商用電源から電力を供給できる無線センサノード１１１が取り付けられている。

既設の冷温水ユニット２１では、冷温水２５の温度を計測する入口温度センサ２０１および冷温水ユニット２１から流出する冷温水２５の温度を計測する出口温度センサ２０２がなかったり、あるいはすでに他の目的で使用されており使用できない場合も多い。このような場合には、冷温水ユニット２１に新たにセンサ２０１、２０２を付設するが、センサ２０１、２０２に簡便に電力を供給できる商用電源が身近に無いと、ＡＣコンセントの設置工事や、ＡＣコンセントからセンサ２０１，２０２までの配線工事が必要になる。

また、既設のガスの流量計２０３や冷温水２５の流量計２０４の場合には、計器の標準仕様が電池駆動か商用電源駆動に定められており、センサ用に新たな電力を供給することが困難になっている。このような標準仕様の製品を使用している場合には、電池駆動の無線センサノード１１２を取り付ける。

電池駆動の無線センサノード１１２では、無線出力を増大させると、電池の消耗が激しくなる。そのため、無線出力を抑制する必要がある。出力の小さい電波では、通信距離が短くなるとともに、壁などが容易に電波の障害物となり、電波の届く範囲が制限されるという新たな課題が生じる。

そこで、センサ２０１〜２０５と一体的に配置する場合には商用電源を利用できないが、商用電源を利用できる場所が仮にセンサ２０１〜２０５の近傍に見つけ出せれば、商用電源で駆動できる無線中継器１２１を、センサ２０１〜０５用の電池駆動の無線センサノード１１２の中継器として利用できる。これにより、センサ２０１〜２０５の検出データを電池駆動無線センサ１１２から遠く離れた監視装置１００まで、壁などの電波の障害物を通過して送信できる。

ところで、図２に示したような生産工場３でも事務建物２と同様に空調設備の監視をすることが可能である。この場合、電池駆動の無線センサノード１１２を、センサ２０１〜２０５の近くに設置すると、周囲の他の設備が電波の障害物となり、電波が無線中継器１２１ｂまで届かない場合がある。また、インバータの電波ノイズに影響されて、無線センサノード１１２の送信データが、異常なデータに誤変換されることがある。さらに、工場３周辺の雨や雪の影響を受ける場所および温度や湿度が高い場所に無線センサノード１１２を配置すると、結露による腐食やショート、機器を構成している部品の使用温度が許容限界温度を超えて動作異常や破損を起こす場合もある。さらに、無線センサノード１１２が電源ケーブルや通信ケーブルを有していないので、何らかの要因で所定位置から移動するおそれがある。

上記不具合は無線センサノード１１２を、屋外等に設置する場合に生じる確率が高くなる。そこで、これら不具合が発生しやすい場所にセンサ２０１〜２０５ｂを配置する場合には、センサ２０１〜２０５ｂと無線センサノード１１２間を有線で接続する。このように無線センサノード１１２を、センサ２０１〜２０５ｂが配置された環境の悪い位置から、電波や温度、湿度の影響を受けにくい環境の良い場所に選定しなおす。

周囲の他の設備が電波の障害物となる場合には、無線センサノード１１２から無線中継器１２１ｂを見通せる高い場所に設定しなおす。また、インバータの電波ノイズの影響を受ける場合、雨や雪の影響を受ける場合、温度や湿度の悪影響を受ける場合等には、それらの影響が十分小さくなる場所まで離して無線センサノード１１２を設置する。身近な場所にこれらの影響を受けない場所が得られないときには、無線センサノード１１２を容器に収納したり、無線センサノード１１２のケースを防水処理する。また、何らかの要因で移動されるおそれがある場合には、機器の上や柱上等、物理的にアクセスしにくい場所に無線センサノード１１２を設置する。

また、無線周波数を変更しないと通信ができない場合もある。このような場合の対処法を図４を用いて説明する。工場敷地等で使用する電波は電波法の制限を受ける。本実施例で用いる電波の無線周波数は、免許や申請が不要で、無線ＬＡＮやコードレス電話等の各種通信機器に使用される２．４ＧＨｚ帯である。そして、この周波数帯域を複数の周波数(チャンネルと称す)に分割して使用するのが一般的である。つまり、２４００〜２４９７ＭＨｚを分割して使用する。複数のセンサが配置されているときに、その複数のセンサから同一のチャンネルを用いて同時に送信すると、電波の混信または干渉が生じる。

そのため、ある１個の機器が設置されている周辺においては、その機器が使用している周波数（チャンネル）とは異なる周波数で通信する。機器が多数は位置されている場合には、この電波の干渉の問題を回避するために、２．４ＧＨｚ帯の全ての周波数（チャンネル）を、エリア毎に分けて使用している。このような場合には、１個の周波数で監視対象エリア１内すべてを通信することが出来ないので、エリア毎に空いている周波数を用いて通信する。

例えば、監視対象エリア１内の一部に、監視で使用している無線周波数１３０が既に使用されていて、無線周波数を変更しないと通信が出来ない場所１１が局所的に存在しているとする。この局所エリア１１には、監視用のセンサ２００が設けられている。そこで、局所エリア１１では監視で使用している無線周波数１３０とは異なる無線周波数１３１を用いるセンサノード１１３を使用する。局所エリア１１から離れた場所に周波数変換中継器１２２を設け、センサノード１１３で使用している周波数を、監視で使用している無線周波数１３０に変換する。局所エリア１１に設置したセンサ２００のデータは、監視装置１００に取得される。

さらに、図５は、監視対象エリア１内に無線通信が不可能な場所（局所エリア）が存在し、その場所１２に、センサが設置されている例である。監視対象エリア１内に、電波を通さない鉄板が配置されていたり、電波ノイズが生じていたりして無線通信が不可能な場所（局所エリア）１２が形成されている。局所エリア１２には、監視用のセンサ２００が設置されている。この局所エリア１２では、有線のセンサノード１１４を使用する。局所エリア１２は無線通信が不可能であるから、この場所１２から離れた場所に、有線通信で送信されたデータを無線データに変換する無線変換中継器１２３を設ける。無線変換中継器１２３は、送信されたデータを、監視で使用する無線データに変換し、監視装置１００が取得できるようにする。

無線通信経路中に、データ通信の周波数を変更しないと通信できない場所が形成される場合の対処法を、図６を用いて説明する。複数の無線中継器を用いて通信している通信経路では、経路が長かったりすると、経路途中に、無線周波数を変更しないと通信ができない場所１１が形成されることがある。そのような場合には、通信が出来ない場所１１の手前に配置した周波数変換中継器１２２が別の無線周波数に変更し、通信が出来ない場所１１を過ぎた所に配置した周波数変換中継器１２２が元の無線周波数に戻す。

さらに、無線通信経路中に無線通信が不可能な場所が形成される場合の対処法を、図７を用いて説明する。電波を通さない鉄板や電波ノイズ等により、無線通信が不可能な場所（局所エリア）１２形成されたときには、局所エリア１２の手前に配置した無線変換中継器１２３が無線データを有線データに変換し、局所エリア１２を超えたら、超えた場所に配置した無線変換中継器１２３が有線データを元の無線データに変換する。

以上のように、事務用の建物２の空調設備２０であれ、生産工場３の空調設備２０であれ、商用電源を用いる無線センサノード１１１と電池駆動の無線センサノード１１２を組合せれば、空調設備２０の成績係数（ＣＯＰ）を監視して、省エネルギー化が可能になる。

以上は本発明に係るエネルギ監視システムを空調設備２０の成績係数の監視に用いる場合であるが、本監視システムは、建物２の空調設備の成績係数ＣＯＰや消費エネルギー、室内環境、工場３の消費エネルギー等の様々なエネルギ監視に利用できる。

建物２の消費エネルギーと室内環境を監視する例を、図３により説明する。建物２には、蛍光灯やパソコン等のＯＡ機器、エレベータなど様々な電気機器２６が設置されている。建物２内には、設計者等の多数の建物利用者２７が滞在し、このことにより、建物２内の温度および湿度環境が影響される。そこで、建物２の消費エネルギーを監視するために、建物２内に設けた建物２内の電気機器２６の分電盤２１０に電力量計２０５を、建物２の室内環境を監視するために、建物内に温湿度センサ２０６をそれぞれ設置する。

消費エネルギーと室内環境を監視するためには、センサ２０５、２０６のデータを一括して収集する必要がある。そこで、監視装置１００を建物２内に設置する。上述した空調設備の成績係数ＣＯＰを監視する場合と同様の理由で、センサ２０５、２０６と監視装置１００間の通信に、無線を用いる。センサである電力計２０５に取付ける無線センサノードには、商用電源から電力を供給することが可能なので、商用電源方式の無線センサノード１１１を取付ける。室内環境を監視する温湿度センサ２０６には、商用電源を供給することが難しいので、電池駆動の無線センサノード１１２を取り付ける。このように、空調設備２０の成績係数（ＣＯＰ）の監視の場合同様に、商用電源を利用するセンサノード１１１と、電池駆動のセンサノード１１２とを組合せて、建物２内の消費エネルギーの監視と室内環境の監視を一括で実施できる。

本発明に係るエネルギー監視システムの模式図。 本発明に係るエネルギー監視システムの一実施例の模式図。 図２に示したエネルギー監視システムにおける、建物内の空調設備の成績係数および消費エネルギー、室内環境の監視例を示す模式図。 周波数変更により無線通信を継続することを説明する図。 センサ部を有線通信としてデータ通信を継続することを説明する図。 通信経路に無線周波数を変更する部分を介在させて通信を継続することを説明する図。 通信経路に優先部を介在させて通信を継続することを説明する図。

符号の説明

１…監視対象エリア、２…建物、３…工場、１１…無線周波数を変更しないと通信が出来ない場所（局所エリア）、１２…無線通信が不可能な場所（局所エリア）、２０…空調設備、２１…冷温水ユニット、２２…冷水ポンプ、２３…温水ポンプ、２４…エアハンドリングユニット、２５…冷温水、２６…電気機器、２７…建物利用者、３０…工場設備、１００…監視装置、１１１…電源を用いる無線センサノード、１１２…電池駆動の無線センサノード、１１３…無線周波数が異なる無線センサノード、１１４…有線のセンサノード、１２０…通信手段、１２１ａ…無線中継器、１２１ｂ…無線中継器、１２２…周波数変換中継器、１２３…無線変換中継器、１３０…監視で使用している無線周波数、１３１…異なる無線周波数、２００…センサ、２０１…入口温度センサ、２０２…出口温度センサ、２０３…ガス流量計、２０４…冷温水の流量計、２０５…電力量計、２０６…温湿度センサ、２１０…分電盤、３００…エネルギー監視システム。

Claims (5)

1. 複数のセンサと、この複数のセンサごとに設けられ各センサが取得した情報を通信情報に変換するセンサノードと、センサノードで変換されたセンサの情報を遠隔で収集監視するエネルギー監視装置と、前記センサノードと前記監視装置間で情報を伝達する通信手段とを有するエネルギー監視システムにおいて、前記センサノードは、商用電源駆動の無線センサノードと電池駆動の無線センサノードおよび通信周波数の異なる少なくとも２種の無線センサノードが組み合わされて使用されていることを特徴とするエネルギー監視システム。
2. 複数の前記センサノードと前記監視装置間で情報を伝達する通信手段は、前記センサノードが変換した無線データを無線中継する無線中継器を備え、この無線中継器は、無線周波数の変換手段を有することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー監視システム。
3. 複数の前記センサノードと前記監視装置間で情報を伝達する通信手段は、前記センサノードが変換した無線データを無線中継する無線中継器を備え、この無線中継器は、無線データを有線データにまたは有線データを無線データに変換する手段を有することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー監視システム。
4. 前記複数のセンサは、このエネルギー監視システムが監視対象とする監視エリアに配置された機器の電力消費量を計測するのに用いるものを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエネルギー監視システム。
5. 前記複数のセンサは、このエネルギー監視システムが監視対象とする監視エリアに配置された空調設備の成績係数を算出するのに用いるものを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエネルギー監視システム。

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