JP5191761B2 - 照明光伝送システム - Google Patents

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Description

本発明は、光源の光出力にデータを含めて送信する複数の照明器具と、光出力に含まれるデータを受信する受信端末とを備える照明光伝送システムに関する。
従来この種の照明光伝送システムとして、照明用蛍光灯の駆動周波数を送信するデータのレベルに応じて所定の周波数にすることにより、送信するデータを蛍光灯からの照明光により送信するデータ伝送方式が知られている(例えば、特許文献1参照)。このデータ伝送方式ではFSK(Frequency Shift Keying)変調方式が用いられている。
また、放電灯を送信信号に応じて変調された所定の周波数で点灯すると共に、この放電灯からの光を受光して復調する情報伝送装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。この情報伝送装置の送信部分は、制御回路が信号源から送出された送信信号により発振回路による発振周波数に変調をかけ、ハーフブリッジ回路のスイッチング素子をその変調のかかった周波数で駆動している。受信部分は、フォトダイオードにより送信側から送られる信号を受信し、復調回路で、送出された信号の形式に復調している。
しかしながら、上述したような従来の技術では、複数の照明器具を配置して、各照明器具に光伝送機能を持たせる場合に、情報を受信することができない状況が発生する可能性があり、各照明器具からシームレスに情報を取得することが難しい。例えば、図11に示すように、通路の天井84に複数の照明器具80A乃至80Dが配置され、各照明器具80A乃至80Dから同じ休止期間Ts(例えば1s)、同じ送信期間T(例えば10ms)、同じ周波数で光出力に所定ビット(例えば12ビット)のデータを含めて所定の伝送速度(例えば1200bps)で送信する場合、照明器具80Aからの情報を受信する受信端末92を携帯する人が、互いに隣接する照明器具80A及び80Bの間に来たとき、両方の照明器具80A及び80Bからの情報が衝突し、受信端末92でいずれの照明器具からの情報も受信することができなくなる。その原因は、図12(a)(b)に示すように、同時に1個の受光素子93により複数の照明器具80A及び80Bからの照明光83A及び83Bを受光するからであり、照明光83A及び83Bが相互干渉する。
このような相互干渉を解決する照明光伝送システムとして、照明器具が隣の照明器具から発信された信号を受信し、信号が衝突した場合は、一定時間後に送信することで、配光エリアが重なっても受信可能であるシステムが知られている(例えば、特許文献3参照)。また、ゼロクロス検出信号を利用した時分割通信により、相互干渉を解決するシステムも知られている(例えば、特許文献4参照)。同システムでは、1個の受光素子が受光する時間をずらすことにより相互干渉を解決している。
また、複数の照明器具の配光が重なったエリアで相互干渉による受信エラーが生じるだけでなく、人間が歩行状態で受信する場合は、受信中に受光素子が必ずしも照明器具の方向を向いているとは限らず、受信エラーが生じる。同じデータを複数回送信する場合は、受信エラーが発生しても次回に正常に受信できていれば、その受信データを採用すればよい。従って、ここで問題になるのは、受信したデータが正常に受信したか否かを判断する方法である。受信した信号の正誤を検出する方法として、従来から誤り検出符号を送信データに付加して、受信側で検出する方法がある。誤り検出符号は、例えば、“パリティ”がある。図13は、誤り検出符号として奇数パリティを付加した信号の例であり、この例では奇数パリティビット(送信する“1”の数が奇数になるように付加するビット)を付加して送信するため、受信した二値化データの“1”の数が奇数であれば、正しいデータと判断する。誤り検出符号は、パリティだけでなく、CRC(Cyclic Redundancy Check:巡回冗長検査)符号等でもよい。
しかしながら、上述のように複数の照明器具から照明光に重畳して送信されたデータが衝突して受信装置で正常に受信できない状況を避けるために、特許文献3に記載されているシステムでは、各照明器具が受信手段を具備しなければならず、しかも、隣の照明器具から発信されたデータを受信するためには、壁や床などで照明光を反射させる必要があり、例えば、壁面や床面の反射率が低いと照明光が受光できないために正常に機能しない。また、特許文献4に記載されているシステムでは、時分割通信をするために、事前にグループ分けの設定を行う必要がある。また、時分割通信のトリガ信号を取出す回路やグループ分けの設定回路などが余分に必要になる。またFSK方式での2つの周波数の差が十分に大きくなければ、受信側で配光エリアが重なった場合に正常に復号化できない。
また、誤り検出符号を送信データに付加する方法では、誤り検出符号を送信データに付加することで通信効率が低下する。図13に示されるような最も簡単なパリティ方式においても、8ビットの送信データに1ビットのパリティを付加しており、通信効率が8÷9×100=88.9〔%〕に低下する。さらに、パリティは、偶数ビットの誤りは検出できないので不完全である。CRCは、誤り検出率は高くなるが、誤り検出符合が長くなるので、通信効率が落ち、装置での演算数も増える。
特開昭60−32443号公報 特開平6−20785号公報 特開2005−176257号公報 特開2007−267037号公報
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、通信効率を落とさずに通信エラーを検出可能な照明光伝送システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、光源と、前記光源の光出力に送信情報に対応する送信信号を含ませて点灯させる点灯装置とを有する照明器具を複数備えると共に、前記光源の光出力に含まれる送信信号を受信する受信端末を備え、前記受信端末は、前記複数の照明器具間を移動可能に設けられた照明光伝送システムであって、前記受信端末は、受光角の中心軸が略平行である複数の受光素子を有する受光部と、前記受光部により受光した前記光出力を前記各受光素子ごとの二値化データに復調する複数の復調回路を有する復調部と、前記復調部が復調した二値化データの正誤を判断する判断部と、前記判断部の出力が入力され、前記判断部からの受信データに所定の処理を行う信号処理部と、を備え、前記各受光素子と前記各復調回路は、受信部を構成し、前記受信端末は、前記受光部を複数備え、前記受光部の各々における受光素子の受光角の中心が受光部相互で異なり、前記判断部は、前記各受光素子ごとの二値化データに互いに一致するデータがある場合、そのデータが正しい二値化データであると判断し、また、前記正しい二値化データを出力する前記受信部の受光素子の実装情報を前記信号処理部に伝えるものである。
請求項2に記載の発明は、複数組の前記受光部が受光して各組の受信部が出力した二値化データがどれも正常であり、前記各組の受信部が受信したデータが異なる場合、多数決処理により決定された受信部の出力データが採用され、前記多数決処理ができない場合、予め定められた優先順位により選択された受信部の出力データが採用されるものである。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の照明光伝送システムにおいて、前記送信信号のパターンは、人間がチラツキを認識できない単位時間内で光出力が一定であるものである。
請求項1に記載の発明によれば、受光角の中心軸が略平行である複数の受光素子からの二値化データに互いに一致する二値化データがある場合、その二値化データを干渉されていない正しい二値化データであると判断するので、誤り検出符号を付加する必要がなく、通信効率を落とさずに通信エラーを検出することができる。また、1つの受光部で複数の照明器具からの照明光を同時に受光する確率が低くなり、照明器具が設置される環境に左右されることなく、データを正しく受信する確率が上がる。また、受信端末を所持している所有者と照明器具の位置関係が詳細に判断できるため、システムの利用価値が高くなる。
請求項2に記載の発明によれば、各組の受信部が受信したデータが異なる場合であっても、多数決処理により決定された、又は予め定められた優先順位により選択された受信部の出力データが採用されるので、環境に左右されることなく、データを正しく受信することができる。
請求項3に記載の発明によれば、送信信号のパターンは、人間がチラツキを認識できない単位時間内で光出力が一定であるため、光源のチラツキを防止することができる。また、1つの受光部の複数の受光素子がどれも照明器具の配光範囲に入っていない場合や、太陽光など強力な外光で受光素子が飽和した場合は、どちらも二値化信号が全てローレベル(”L”)になる。これらの場合、信号同士は一致するが、正常な信号ではありえないパターンであるので、通信エラーを検出することができる。
以下、本発明の第1の実施形態に係る照明光伝送システムについて説明する。図1は、本実施形態の照明光伝送システム1のブロック図である。照明光伝送システム1は、光源11と、光源11の光出力に送信情報に対応する送信信号を含めて点灯させる点灯装置12とを有する照明器具10を複数備えると共に、光源11の光出力に含まれる送信信号を受信する受信端末2とを備える。受信端末2は、受光角の中心軸が略平行である複数の受光素子31乃至33を有する受光部3と、受光部3により受光した光出力を各受光素子毎のデータに復調する復調部5と、復調部5が復調したデータの正誤を判断する判断部7とを備える。
1つの受光部3は、受光角の中心軸が略平行である1組の受光素子31乃至33を有する。各受光素子は、送信信号が含まれる光源11からの光出力の光波長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照明光を電気信号に変換するPINフォトダイオード(p-intrinsic-n photo diode)のような光電変換素子を備え、照明器具10からの照明光(光源11からの光出力)を受光して電気信号に変換する(光電変換)。PINフォトダイオードの代わりにフォトトランジスタやフォトダイオードと増幅回路を集積したフォトICを用いてもよい。
受光素子31から出力される電気信号(受信信号)は、増幅回路41によって増幅される。同様に、受光素子32及び33から出力される電気信号は、それぞれ増幅回路42及び43によって増幅される。各増幅回路は、例えば、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よい。但し、光電変換部がフォトIC等で構成されている場合など、受光部3から出力される電気信号が、復調部5への入力に十分なレベルであれば、増幅回路41乃至43を省略してもよい。
受光部3から出力される電気信号は、増幅回路を経由して復調部5によって各受光素子31乃至33毎の二値化信号のデータ(ローレベル”L”とハイレベル”H”との二値化データ)に復調される。復調部は、複数の受光素子31乃至33に対応する複数の復調回路51乃至53を備える。受光素子31から出力される電気信号は、復調回路51によって二値化データに復調される。同様に、受光素子32及び33から出力される電気信号は、それぞれ復調回路52及び53によって二値化データに復調される。各復調回路は、例えばバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタを通過した電気信号の信号レベルを閾値と比較する比較回路とを備える。バンドパスフィルタは、オペアンプIC等で構成され、変調周波数の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。バンドパスフィルタの回路の例として、図2に一般的なDABP(Dual-Amplifier Band Pass)型のバンドパスフィルタ回路を示す。但し、定格点灯時の周波数の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ので受信データ処理部でさらに反転する必要がある。比較回路はコンパレータIC等からなり、変調周波数の2倍の周波数成分がバンドパスフィルタを通過したときに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、照明器具10の光源11から照射される光出力に含まれるデータを復調する。
上記のように、受信端末2は、各々の受光素子に対応する増幅回路と復調回路とを備えており、受光素子と増幅回路と復調回路とが受信部を構成する。すなわち、受信部61は、受光素子31と増幅回路41と復調回路51とを備え、同様に、受信部62は、受光素子32と増幅回路42と復調回路52とを備える。受信部63についても同様である。
複数の受信部61乃至63からの二値化データは、判断部7に入力され、判断部7の出力は、信号処理部8に入力される。判断部7と信号処理部8は、マイコンを主構成要素とするものであり、マイコン以外にDSP(Digital Signal Processor)やPLD(programmable logic device)等で構成してもよい。判断部7は、受信部61乃至63が出力する二値化データを比較する。すなわち、受信部61乃至63の受光素子31乃至33が受光した光信号が比較されることになる。比較した二値化データに互いに一致するデータがある場合、そのデータを干渉されていない正しい二値化データであると判断する(通信エラーがなかったと判断)。受光部3が受光素子を3素子備える場合(受光素子31乃至33)、各受光素子に対応する二値化データの多数決によって判断する。すなわち、3つの二値化データの全てが一致する場合と、3つのうち2つの二値化データが一致する場合、それが正しい二値化データであると判断される。受光部3が受光素子を2素子備える場合(受光素子31及び32)、二値化データの一致によって判断する。すなわち、2つの二値化データが一致する場合、それが正しい二値化データであると判断される。判断部7は、比較した二値化データに一致がなければ、二値化データが正しくなく、通信エラーがあったと判断する。
信号処理部8は、判断部7が正しい二値化データと判断した受信データを他の電子機器(例えば、PDA、携帯電話機など)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。
次に、通信エラーの検出について判断部7の処理を中心に詳しく述べる。本実施形態における受光素子の配置例を図3に示す。この配置例は、受光素子(フォトダイオード)を2素子実装した最もシンプルなものである。受光素子31及び32が受信端末本体21に配置され、受光部カバー22でカバーされている。受光素子31と受光素子32は受光角の中心軸が略平行である。従って、この受光素子で受光した信号を二値化した受信データは、同一方向の光信号を復号するため、基本的に一致するはずである。図4において、データD1は、受光素子31受光した光信号を復号した二値化データであり、データD2は、受光素子32が受光した光信号を復号した二値化データである。これらデータD1及びD2は一致している。ところが、図5では、歩行状態での受信で受光素子32が隣の照明器具の配光範囲との重なった範囲に入る、あるいは体のゆれの影響で配光範囲を外れた等の原因で、データD2のパケットP3の一部がD1と異なっている(“1”が“0”になっている)。判断部7は、受信データD1と受信データD2を比較してパケットP3を通信エラーと判断する。この例でのアプリケーションでは、同一データを繰り返し送信するため、信号処理部8は、通信エラーと判断されたパケットP3を破棄して次のパケットP4を採用する。
このように、本実施形態の照明伝送システム1では、受光角の中心軸が略平行である複数の受光素子からの二値化データに互いに一致するデータがある場合、そのデータを干渉されていない正しい二値化データであると判断するので、誤り検出符号を付加する必要がなく、通信効率を落とさずに通信エラーを検出することができる。
次に、本発明の第2の実施形態に係る照明光伝送システムについて説明する。図6は、本実施形態の照明光伝送システム101のブロック図である。照明器具10A及び10Bは、第1の実施形態と同様の構成である。受信端末102は、6個の受光部3A乃至3Fを備え、それらの各々における受光素子の受光角の中心が受光部相互で異なる。そして、各受光部は、第1の実施形態と同様に受光角の中心軸が略平行な2個の受光素子、例えば、受光部3Aについて言えば、受光素子31A及び31Bを有する。各受光素子31A乃至32F(総称して受光素子31という)の出力は、第1の実施形態と同様に各受光素子ごとの二値化データに復調されて判断部107に入力される。
図7(a)(b)は、受光部3A乃至3Fの配置例を示す。受光素子の配置は、上方向からの光を受光する素子31E、32E、31F、32Fを中心として、その周囲にそれぞれ4方向を向いた各一対の素子(31A、32A)(31B、32B)(31C、32C)(31D、32D)を実装している。各一対の素子は、同一方向に実装される。また、各受光部が3素子の受光素子を備えてもよい。
次に、照明器具と受光素子31の関係を図8(a)(b)を参照して説明する。従来の照明光伝送システムでは、比較的広角(例えば、図12においてφ=60度)の受光素子を1個使用していたため、1個の受光素子が同時に複数の照明光を受光するが、本実施形態の照明光伝送システム101では、受信端末102の受光部3A乃至3Fは、比較的狭角(例えば、φ=20度)の受光素子を有する。従って、受信端末102が複数の照明器具10A及び10Bから照明光13A及び13Bを同時に受光しても、各受光部が複数の照明光13A及び13Bを受光する確率が低くなり、何れかの受光部が正常に光出力を受光する確率が高い。仮に全ての受光部3A乃至3Fが正常に受光できなくても、この受信端末102を所持している使用者が少し動けば、何れかの受光部が正常に受光できる。また、この照明光伝送システム101を位置情報を利用した歩行者ナビゲーション等に利用する場合は、同一の位置情報アドレス、位置ID、緯度経度データ等を繰り返し送信するため、一度正常に受信できなくてもそのデータが正常に受信できなかった受信データであることが受信端末で判断でき、次の送信時(長くとも1秒以内)に正常に受信できれば問題はない。
ここで、複数組の受光部3A乃至3Fが受光して各組の受信部が出力した二値化データがどれも正常であった場合は、次にように処理する。受信したデータが同一データであった場合は、そのデータを採用する(ケース1)。受信したデータが異なる場合は、多数決処理を行う。例えば、3組の受信部の出力データの中で、2組の受信部の出力信号が同一で他の1つが異なる場合には、2組の受信部が受信した同一の出力データを採用する(ケース2)。受信したデータが異なる場合で多数決処理できない場合には、予め定めていた優先順位で選択する。例えば、中央部に受光素子を実装した受信部の出力データを優先するか、進行方向に受光素子を実装した受信部の出力データを優先する。優先順位はこの照明光伝送システムのアプリケーションによって定めればよい(ケース3)。アプリケーションによっては正常な複数の受信部の出力したデータを1つに絞らなくてもよい。また、正常なデータを出力する受信部の受光素子の実装情報も信号処理部8へ伝えることによって、受信端末102を所持している所有者と照明器具10の位置関係が詳細に判断できるため、システムの利用価値が高くなる。
このように、本実施形態の照明光伝送システム101では、受信端末102が複数の受光部3A乃至3Fを備え、これらの各々における受光素子の受光角の中心が受光部相互で異なるので、1つの受光部で複数の照明器具10からの照明光を同時に受光する確率が低くなり、照明器具10が設置される環境に左右されることなく、データを正しく受信する確率が上がる。
次に、本発明の第3の実施形態に係る照明光伝送システムについて図9を参照して説明する。本実施形態の構成は、第1の実施形態及び第2の実施形態と同様である。本実施形態では、送信信号のパターンは、人間がチラツキを認識できない単位時間内で光出力が一定である。図9において、(a)は本実施形態に係る照明光伝送システムにおける送信データ、(b)は照明器具10の点灯装置12の動作周波数制御信号、(c)は光源11の光出力、(d)は復調回路51の出力信号(二値化データ)、(e)は受信データであり、それらの関係を示している。データフォーマットは、4値PPM(4 Pulse Position Modulation)を採用している。4値PPMは、2ビットの送信データを4スロットのパターンで表す。すなわち、2ビットの送信データ“00”に対して”HLLL”、送信データ“01”に対して”LHLL”、送信データ“10”に対して”LLHL”、送信データ“11”に対して”LLLH”を割当てる。”2ビットのデータに対して、4スロットの内の“H”と”L”との各スロット数が同じであり、4スロットの単位時間は、人間がチラツキを認識できない時間であるので、人間がチラツキを認識できない単位時間内で光出力が一定となる。なお、送信データの前にはスタートビットが、後にはストップビットがあり、図10にスタートビット(1スロットの“H”)とストップビット(7スロットの“L”)の例を図示する。
このように、本実施形態の照明光伝送システムでは、送信信号のパターンは、人間がチラツキを認識できない単位時間内で光出力が一定であるため、光源のチラツキを防止することができる。また、1つの受光部の複数の受光素子がどれも照明器具の配光範囲に入っていない場合や、太陽光など強力な外光で受光素子が飽和した場合は、どちらも二値化信号が全て“L”レベルになる。これらの場合、信号どうしは一致するが、正常な信号ではありえないパターンであるので、通信エラーを検出することができる。
なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、受光部の複数の受光素子の配置間隔は適宜選択される。また、受光部の各受光素子の受光角の中心軸は、略平行であるが、完全な平行である必要はなく、若干の角度差があってもよい。
本発明の第1の実施形態に係る照明光伝送システムのブロック図。 同システムの復調回路に用いられるバンドパスフィルタ例の回路図。 同システムの受光素子の配置例を説明する説明図。 同システムにおいて正しいデータと判断される二値化データの説明図。 同システムにおいて通信エラーが発生したと判断される二値化データの説明図。 本発明の第2の実施形態に係る照明光伝送システムのブロック図。 (a)は同システムにおける受光素子の配置例の平面図、(b)は同配置例の立面図。 (a)は同システムにおける照明器具と受光素子の関係を説明する説明図、(b)は同システムにおける照明器具と受信端末の関係を説明する説明図。 本発明の第3の実施形態に係る照明光伝送システムにおける送信信号のパターンを説明する説明図、(a)は送信データ、(b)は周波数制御信号、(c)は光源の光出力、(d)は復調回路の出力信号、(e)は受信データ。 同システムにおけるスタートビットとストップビットの例の説明図。 (a)は従来の照明光伝送システムにおける相互干渉を説明する平面図、(b)はその相互干渉を説明する側面図。 (a)は同システムにおける照明器具と受光素子の関係を説明する説明図、(b)は同システムにおける照明器具と受信端末の関係を説明する説明図。 同システムにおける誤り検出符号の説明図。
符号の説明
1、101 照明光伝送システム
2、102 受信端末
3 受光部
5 復調部
7、107 判断部
10 照明器具
11 光源
12 点灯装置
31、32、33 受光素子

Claims (3)

  1. 光源と、前記光源の光出力に送信情報に対応する送信信号を含ませて点灯させる点灯装置とを有する照明器具を複数備えると共に、前記光源の光出力に含まれる送信信号を受信する受信端末を備え、前記受信端末は、前記複数の照明器具間を移動可能に設けられた照明光伝送システムであって、
    前記受信端末は、受光角の中心軸が略平行である複数の受光素子を有する受光部と、前記受光部により受光した前記光出力を前記各受光素子ごとの二値化データに復調する複数の復調回路を有する復調部と、前記復調部が復調した二値化データの正誤を判断する判断部と、前記判断部の出力が入力され、前記判断部からの受信データに所定の処理を行う信号処理部と、を備え、
    前記各受光素子と前記各復調回路は、受信部を構成し、
    前記受信端末は、前記受光部を複数備え、
    前記受光部の各々における受光素子の受光角の中心が受光部相互で異なり、
    前記判断部は、前記各受光素子ごとの二値化データに互いに一致するデータがある場合、そのデータが正しい二値化データであると判断し、また、前記正しい二値化データを出力する前記受信部の受光素子の実装情報を前記信号処理部に伝えることを特徴とする照明光伝送システム。
  2. 複数組の前記受光部が受光して各組の受信部が出力した二値化データがどれも正常であり、前記各組の受信部が受信したデータが異なる場合、多数決処理で決定された受信部の出力データが採用され、
    前記多数決処理ができない場合、予め定められた優先順位で選択された受信部の出力データが優先されることを特徴とする請求項1に記載の照明光伝送システム。
  3. 前記送信信号のパターンは、人間がチラツキを認識できない単位時間内で光出力が一定であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の照明光伝送システム。
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