JP5794811B2

JP5794811B2 - データ伝送装置およびそれを備えた空気調和機

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Publication number: JP5794811B2
Application number: JP2011087781A
Authority: JP
Inventors: 喜和米田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: JP2012222671A

Description

この発明は、データ伝送装置およびそれを備えた空気調和機に関するものである。

工場の現場に近いオートメーション機器のデータを、デジタル通信技術を用いて機器間で通信する方法としてフィールドバスと呼ばれる通信規格が多数標準化されている。機器のオン・オフデータ、温度・圧力等のセンサの測定値などの短い内容のデータを、数百メートル離れて設置されている多数の機器間で受け渡しが効率的に行えるように仕様設計されている。ビル内の空調制御、照明制御等に主に使用される通信もフィールドバスと同様な通信が行われており、ＬｏｎＷｏｒｋｓやＨＢＳ（ホームバスシステム）などの規格が使われている。

ビル空調制御としては、複数の空調機器が自律分散動作を行うためランダムアクセス制御が可能なＭＡＣ（Media Access Control）方式が望ましい。例えば一本の伝送線上に複数の機器が接続されたネットワークにおいてランダムアクセスを行うと、同時に送信が行われる場合があり衝突が起こる。衝突が発生すると通信が正常に終了しないため、衝突したフレームは再度送信する必要が生じる。これにより多数の機器から頻繁に送信が行われ、伝送路の使用確率が増えてくると衝突が頻繁に起こり、再送により通信が増え、通信容量を超えてしまう輻輳が起こる。一方、勝ち残り方式（例えばＨＢＳ）を採用すると、衝突が発生しても、衝突を検出して優先度の高いフレームは通信を継続することができるため、伝送路を高効率に使用することができる。

ＨＢＳ規格はＡＭＩ（Alternate Market Inversion）信号を用いて、ＣＳＭＡ／ＣＤ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）勝ち残り方式を実現している。このＨＢＳ規格は、ＡＭＩ信号の性質を応用した方法である。
このようなＡＭＩ信号を用いた勝ち残り方式の技術としては、例えば、「ホームバスシステムでは、勝ち残り方式のＣＳＭＡ／ＣＤ（carrier sense multiple access with collision detection）方式を調停制御に用いている。即ち、送信を行うには、まず一定期間バス上の信号を監視し、その期間に信号がなければ送信を開始し、信号があれば送信を延期する。そして、複数の端末でバス上の信号を監視し、信号がなくて複数の端末から同時に送信を開始した場合は、前記優先コードにより勝ち残りが行われる。」ものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−１６０８４２号公報（２頁左上欄）

"ECHONET SPECIFICATION 第３部伝送メディアと下位通信ソフトウェア仕様第４章拡張ＨＢＳ通信プロトコル仕様"， ECHONET CONSORTIUM，Dec.11.2007 Version 3.60 蜷川忠三，外３名，"組込型マイコンＵＡＲＴ衝突検知による空調制御ＣＳＭＡ／ＣＤプロトコルの性能解析"，電学論Ｄ，2006年，Vol.126，No.5 磯井正義，外１名，"ＬｏｎＷｏｒｋｓ入門ビル制御システムのオープン化"，日刊工業新聞社

ＡＭＩ信号を用いるＨＢＳ規格において通信速度を上げるには、周波数を単純に上げる方法しかない。しかし、周波数を上げるとパルス信号の信号区間が短くなり、反射波の影響が大きくなり、パルス信号が歪み正常に復調できない。このため伝送距離を短くして反射波の影響を抑える必要があり、伝送距離によって通信速度が制約され、通信速度の向上を図ることができない、という問題点があった。

ＱＰＳＫ（quadrature phase shift keying）など、搬送波を用いた多値位相変調方式を採用すると、搬送波周波数を上げずに通信速度を上げることができるが、伝送路上で通信が衝突すると信号波形が歪み複雑になる。このため衝突した複数のフレームの信号は正常に復調できなくなり、通信を継続することができない。また、衝突したフレームをすべて再度送信することが必要となり、多数の機器から頻繁に送信が行われ、伝送路の使用確率が増えてくると衝突が頻繁に起こり、さらに再送により通信が増え、通信効率の低下や通信容量を超えてしまう輻輳が起こる、という問題点があった。
また、ＬｏｎＷｏｒｋｓなどで用いられている予測ＣＳＭＡ方式を採用することで衝突確率の低下を図ることはできるが、衝突が発生しても通信が継続できる勝ち残り方式と比較すると通信効率が低い。

また、例えば空気調和機における制御用データ（通信情報）は数バイト程度と短いデータも多い。このため、ランダムアクセス制御や勝ち残り判定を行うために必要となるプリアンブル（制御用データ以外の情報）が長くなれば、短いデータを送るために長い通信フレームが必要となり、伝送路を効率的に利用できない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、勝ち残り方式の通信プロトコルを用いた通信において、通信速度の向上を図ることができるデータ伝送装置およびそれを備えた空気調和機を得るものである。
また、勝ち残り判定を行うための衝突検知区間を含むプリアンブル長を短くすることができるデータ伝送装置およびそれを備えた空気調和機を得るものである。

この発明に係るデータ伝送装置は、１または複数の他のデータ伝送装置と伝送路により接続され、衝突勝ち残りによる通信プロトコルを用いた通信を行うデータ伝送装置において、信号衝突の際の優先順位を識別する衝突検知区間を通信フレームの先頭に配置し、通信情報を、搬送波を用いて変調して前記通信フレームに含めて送信する送信手段と、前記伝送路を伝送する通信フレームを受信する受信手段と、前記伝送路を伝送する通信フレームと、当該データ伝送装置が送信する通信フレームとの衝突を検出し、優先順位に応じて勝ち残り制御を行う衝突検出手段とを備え、前記衝突検知区間は、前記搬送波の波形に基づき生成した信号波形を出力する複数の信号区間と、前記信号区間の間の無信号区間とが、当該データ伝送装置の優先順位に応じて設定され、前記衝突検出手段は、前記伝送路を伝送する通信フレームの前記無信号区間と、当該データ伝送装置が送信する通信フレームの前記無信号区間とを比較して優先順位の高低を判断し、当該データ伝送装置の優先順位が低い場合、前記送信手段の送信を停止させ、当該データ伝送装置の優先順位が高い場合、前記送信手段の送信を継続させるものである。

この発明は、勝ち残り方式の通信プロトコルを用いた通信において、通信速度の向上を図ることができる。

実施の形態１に係る有線通信ネットワークを示す図である。実施の形態１に係るデータ伝送装置の構成を示す図である。実施の形態１に係る通信フレームの構成を示す図である。ＱＰＳＫの信号波形の一例を示す図である。実施の形態１に係る衝突検知区間の構成を示す図である。実施の形態１に係る衝突検知区間の信号波形と信号衝突を説明する図である。実施の形態１に係る無信号区間の時間長決定動作を示すフローチャートである。実施の形態１に係る勝ち残り動作を示すフローチャートである。実施の形態１に係る衝突検出動作を示すフローチャートである。ゼロ出力時における送信信号の減衰を説明する図である。伝送路における伝播遅延を説明する図である。実施の形態２に係る衝突検知区間の信号波形と信号衝突を説明する図である。実施の形態２に係るデータ伝送装置の構成を示す図である。実施の形態２に係る衝突検知区間の信号波形とスイッチの動作との関係を示す図である。実施の形態３に係る衝突検知区間のパターン作成動作を示すフローチャートである。実施の形態３に係る衝突検知区間の信号波形と信号衝突を説明する図である。実施の形態３に係る勝ち残り動作を示すフローチャートである。実施の形態４に係る送信制御動作を示すフローチャートである。実施の形態４に係る送信制御動作を模式的に示す図である。実施の形態５に係る空気調和機の構成を示す図である。実施の形態６に係る無線通信ネットワークを示す図である。実施の形態６に係るデータ伝送装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る有線通信ネットワークを示す図である。
図１に示すように、有線通信ネットワークは、多数の端末１００が伝送路２０に相互に接続され、バス型のネットワークを構成している。
各端末１００は、それぞれデータ伝送装置１０を備えており、衝突勝ち残りによる通信プロトコルを用いた通信を行う。例えば、勝ち残り方式のＣＳＭＡ／ＣＤ（carrier sense multiple access with collision detection）方式を用いる。

図２は実施の形態１に係るデータ伝送装置の構成を示す図である。
図２に示すように、各端末１００に設けられたデータ伝送装置１０は、送信回路１１、衝突検出部１２、および受信回路１３を備えている。
送信回路１１は、信号衝突の際の優先順位を識別する衝突検知区間を通信フレームの先頭に配置し、通信情報を搬送波を用いて変調して通信フレームに含めて送信する。変調方式としては例えばＱＰＳＫなどの多値位相変調方式を採用する。
また、送信回路１１と伝送路２０との間には、送信レベルを調整する送信アンプ１４が設けられている。さらに送信アンプ１４の出力には、送信回路１１の出力インピーダンス（送信インピーダンス）を調整する送端終端抵抗３０（Ｒｔｘ）が装荷されている。

衝突検出部１２は、伝送路２０を伝送する通信フレームと、当該データ伝送装置１０が送信する通信フレームとの衝突を検出し、優先順位に応じて勝ち残り制御を行う。詳細は後述する。
受信回路１３は、伝送路２０を伝送する通信フレームを受信する。受信回路１３は、ＡＤ変換器等を用いて、変調方式に対応する所定の検出タイミング（サンプリングタイミング）により、伝送路２０から伝送された通信フレーム（信号波形）を受信する。

なお、「送信回路１１」は、本発明における「送信手段」に相当する。
また、「衝突検出部１２」は、本発明における「衝突検出手段」に相当する。
また、「受信回路１３」は、本発明における「受信手段」に相当する。

上記のような有線通信ネットワークでは、伝送路２０（以下「バス」ともいう）を複数のデータ伝送装置１０で共有しているため、複数のデータ伝送装置１０が同時に信号を伝送路２０上に送信する可能性がある。複数のデータ伝送装置１０から同時に送信があると、バス上で信号の衝突が起き、正常な通信ができないため、これを調停する制御が必要となる。
このため本実施の形態のデータ伝送装置１０では、勝ち残り方式のＣＳＭＡ／ＣＤ方式を調停制御に用いている。
勝ち残り方式のＣＳＭＡ／ＣＤ方式において、送信を行うには、まず一定期間（通信禁止期間）バス上の信号を監視し、その通信禁止期間に信号が無ければ送信を開始し、信号があれば送信を延期する。
そして、複数のデータ伝送装置１０でバス上の信号を監視し、信号が無くて複数のデータ伝送装置１０から同時に送信を開始した場合は、通信フレームのプリアンブルに配置した衝突検知区間により勝ち残りが行われる。

図３は実施の形態１に係る通信フレームの構成を示す図である。
図３に示すように、通信フレームはプロトコルで定められたフレーム間隔（通信禁止期間）をあけて送信される。
各通信フレームは、キャリア検出、衝突検出、同期などを行うためのプリアンブルと、送信元アドレス、送信先アドレス、データなどの送信する通信情報に関する区間（以下、データ区間ともいう。）と、正常に受信できたことを返信するＡＣＫなどから構成される。

図４はＱＰＳＫの信号波形の一例を示す図である。
通信フレームのうち、送信元アドレス、送信先アドレス、データなどの伝送する通信情報は、所定周波数の搬送波を位相変調する変調方式により伝送される。例えば図３に示す波形のように、ＱＰＳＫなどの多値位相変調による変調方式を適用するなど、ベースバンド変調方式に比較して通信効率が高い方法が望ましい。
なお、搬送波を用いた変調方式としては、これに限定されるものではなく、マルチキャリア等の複数の周波数を用いる変調方法や、スペクトル拡散などを用いることも可能である。

図５は実施の形態１に係る衝突検知区間の構成を示す図である。
プリアンブルに含まれる衝突検知区間は、搬送波の波形に基づき生成した信号波形を出力する複数の信号区間と、信号区間の間の無信号区間とにより構成されている。
信号区間は、上述した通信情報を変調する搬送波と同一周波数の正弦波の半波により形成されている。無信号区間は、信号波形を出力しない区間である。
なお、無信号区間は、信号区間に対して無信号の振幅が容易に判別できる程度に小さい信号であれば、無信号でなくても良い。また、周波数が異なるなど大きく特徴が異なれば同様の効果が得られる。
なお、信号区間は半波ではなくとも、一周期の正弦波でも良いし、四分の一周期でも良いし、任意の周期とすることができる。また、データ区間をマルチキャリアにする場合は、信号区間として複数の周波数の信号を重畳したマルチキャリアの信号波形としても良い。
また、信号波形は、搬送波の波形に基づくものであれば良く、搬送波と異なる振幅、異なる周波数であっても良い。例えば、搬送波として正弦波を用いる場合、搬送波の周波数より低い周波数の正弦波を信号波形としても良いし、搬送波の振幅と異なる振幅の正弦波を信号波形としても良い。つまり、発明における「搬送波の波形に基づき生成した信号波形」とは、搬送波の一部と波形形状が共通するものであり、搬送波と同一周波数や同一振幅に限定されるものではない。
このように、信号区間の信号波形を搬送波に基づき生成することで、信号波形の生成のためだけに新たに送受信回路を設ける必要がなくなる。

図５において、端末Ａの衝突検知区間は、信号区間Ａ１、無信号区間ＴＡ、信号区間Ａ２で構成される。端末Ｂの衝突検知区間は、信号区間Ｂ１、無信号区間ＴＢ、信号区間Ｂ２で構成される。
信号区間Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２の時間長は、それぞれ同じ長さである。
無信号区間ＴＡとＴＢの時間長は、各端末１００（データ伝送装置１０）に固有の長さであり、当該データ伝送装置１０の優先順位に応じて設定されている。
ここでは、無信号区間が短い通信フレームが優先して通信を行う（優先順位が高い）ものとして説明する。なお、これに限らず、無信号区間が長い通信フレームが優先してもよい。

次に、本実施の形態１における衝突検出と勝ち残りの動作について説明する。
図６は実施の形態１に係る衝突検知区間の信号波形と信号衝突を説明する図である。
図７は実施の形態１に係る無信号区間の時間長決定動作を示すフローチャートである。
図８は実施の形態１に係る勝ち残り動作を示すフローチャートである。

まず、無信号区間の時間長を設定する動作について、図７により説明する。
各データ伝送装置１０の送信回路１１は、端末１００からの送信要求を取得すると（Ｓ１０１）、乱数を発生させ（Ｓ１０２）、この乱数の大きさに応じて無信号区間の長さを決定する（Ｓ１０３）。例えば、下記（１）式のように基本単位時間（ＳＬＯＴ１）に、ステップＳ１０２で生成した乱数を掛けた値を使用することができる。この基本単位時間（ＳＬＯＴ１）は信号区間の時間長より短い値である。

無信号区間の時間長＝基本単位時間（ＳＬＯＴ１）×乱数・・・・・・（１）

基本単位時間（ＳＬＯＴ１）を短くすれば、プリアンブルを短くできる長所がある。なお、基本単位時間（ＳＬＯＴ１）を短くしすぎると衝突判定が難しくなるため、適宜設定する。

このように、無信号区間の長さを乱数によって決めると、通信フレームの優先割り当てを公平に行うことができる。
なお、ここでは乱数を用いた場合を説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、任意の通信フレームの優先を上げる場合には、短い長さの無信号区間を割り当てるようにしても良い。
また、例えば、当該データ伝送装置１０に設定された固有のアドレスにより、無信号区間の時間長を設定しても良い。

図６の波形は、端末Ａの無信号区間ＴＡの時間長より、端末Ｂの無信号区間ＴＢの時間長が短く設定された場合を示している。
ここで、端末Ａと端末Ｂとが同時にバスの空きを検出して、２つの端末が同時に通信フレームを送信すると（Ｓ１０４）、図６（ｃ）に示すように、端末Ａの通信フレーム（送信波形）と端末Ｂの通信フレーム（送信波形）とが伝送路２０上で衝突する。
この場合、信号区間Ａ１と信号区間Ｂ１の信号波形（正弦波の半波）は、時間差がほとんどないため、信号波形の形状は保たれる。
一方、無信号区間ＴＡより無信号区間ＴＢの方が短いので、端末Ａは送信していないにも関わらず無信号区間ＴＡに信号を受信する。信号区間Ａ２と信号区間Ｂ２の信号波形（正弦波の半波）は、無信号区間の時間差により、時間がずれて重畳するため、信号波形の形状が歪むこととなる。

次に、上記のような信号波形を検出して、衝突検出と勝ち残りを行う動作を、図８により説明する。
衝突検出部１２は、送信回路１１が送信した信号区間の信号波形を保持（保管）する（Ｓ２０１）。つまり、衝突が発生していない状況で当該データ伝送装置１０（以下、自機ともいう。）の送信回路１１より送信を行い信号波形（正弦波の半波）を波形データとして保管する。この波形データは例えばＡＤ変換器によりサンプリングを行った値である。
なお、送信した信号波形は接続しているネットワークのトポロジーに固有の反射波等による歪を受けるので予め把握しておく。

受信回路１３は、伝送路２０を伝送する通信フレームを受信する（Ｓ２０２）。
衝突検出部１２は、伝送路２０を伝送する通信フレームの信号波形と、衝突がない状態で保管した信号波形とを比較して、信号衝突の有無を検出する（Ｓ２０３）。
受信した信号波形が保管した信号波形と異なっていれば、他端末が送信したことにより波形が変形したことがわかり衝突を検出することができる。なお、トポロジーの影響を受けた波形と比較することで、衝突をより精度良く把握することができる。

ここで、図９に示すように、デジタル信号処理技術を用いて、受信信号（Ｓ３０１）を入力信号として、衝突がない状態で保管した保管信号（Ｓ３０２）のデータとの相関を求めて（Ｓ３０３）、衝突判定（Ｓ３０４）を行うなどの手法を用いることができる（図８）。なお、受信波形のデータは十分なサンプリング周波数で行う必要がある。

次に、衝突検出部１２は、信号衝突を検出した場合に、受信した通信フレームと当該端末（自機）の通信フレームとの優先度（優先順位の高低）の判定を行う（Ｓ２０４）。この判定は、自機が送信した通信フレームの無信号区間の時間長と、信号衝突を検出した通信フレームの無信号区間の時間長とを比較して、優先順位の高低を判断する。
図６の例では、端末Ａは、信号区間Ｂ２とＡ２の波形が重畳した信号波形により衝突を検知し、端末Ａの無信号区間ＴＡと、受信した通信フレームの無信号区間ＴＢとを比較して、自機の優先順位が低いと判断する。
衝突検出部１２は、自機の優先順位が高い場合、送信回路１１の送信を継続させ（Ｓ２０５）、自機の優先順位が低い場合、送信回路１１の送信を停止させる（Ｓ２０６）。

なお、本実施の形態１では、プリアンブルの衝突を検出する信号区間を正弦波の半波を用いた場合について説明した。このような正弦波の半波を用いて、信号区間とすることで衝突波形が単純になり衝突判定が容易になる。

なお、衝突検出を行うには、信号の極性はネットワーク内で統一しておく必要があるので、ネットワーク立ち上げ時に全端末の極性を合わせる機能を備えている必要がある。

なお、衝突検出を行うには、送信回路１１の出力インピーダンス（送信インピーダンス）がゼロΩに近い低インピーダンスでは、送信している端末は、他の端末の送信信号を打ち消してしまい衝突検出できなくなる。例えば図１０に示すように、端末Ｂの送信回路１１が無信号区間などによりゼロ出力の場合に、端末Ａからの送信信号が伝送路２０を伝送する場合、端末Ｂに近づくにつれて送信信号のレベルが減衰される。
本実施の形態１では、このような問題が起こらないように、図２に示すように、送信アンプ１４の出力に、送端終端抵抗３０を装荷して送信インピーダンスを１０Ω以上としている。なお、特性インピーダンスは５０Ω〜１５０Ω程度である。
なお、ここでは送信アンプ１４の出力に送端終端抵抗３０を装荷する場合を説明したが本発明はこれに限るものではない。送信回路１１は、少なくとも無信号区間において、出力インピーダンスが１０Ω以上であればよい。

以上のように本実施の形態においては、信号衝突の際の優先順位を識別する衝突検知区間を通信フレームの先頭に配置し、通信情報を、搬送波を用いて変調して通信フレームに含めて送信する。
このため、通信情報を伝送する通信速度を上げることができる。
また、衝突検知区間は、搬送波の波形に基づき生成した信号波形を出力する複数の信号区間と、信号区間の間の無信号区間とが、当該データ伝送装置１０の優先順位に応じて設定され、この優先順位により勝ち残り制御を行う。
このため、搬送波を用いた変調方式を採用して通信速度を向上させた場合であっても、信号衝突を検出することができ、勝ち残り制御により優先順位の高い通信フレームの通信を継続することができる。

また、無信号区間の時間長は、当該データ伝送装置１０の優先順位に応じて設定される。当該データ伝送装置１０が送信した通信フレームの信号区間の信号波形を保持し、当該信号波形と、伝送路２０を伝送する通信フレームの信号区間の信号波形とを比較して、信号衝突の有無を検出する。そして、信号衝突を検出した場合、当該データ伝送装置１０が送信した通信フレームの無信号区間の時間長と、信号衝突を検出した通信フレームの無信号区間の時間長とを比較して、優先順位の高低を判断する。
このため、無信号区間を短く設定して各端末の信号波形が時間的にずれて重畳する場合であっても、衝突検知と勝ち残り判定を行うことができる。よって、勝ち残り判定を行うための衝突検知区間の時間長を短くすることができ、プリアンブルを短くすることができる。

また、データ区間をＱＰＳＫ等の多値位相変調を行う場合には、信号区間を搬送波周波数と同じ周波数の正弦波の半波とすることで、衝突検知区間を送信・受信する回路と、データ区間を送信・受信する回路とを共通化できる。

また、信号区間は、搬送波の波形に基づき生成した信号波形により形成されているので、送信回路１１および受信回路１３の構成を、衝突検出のために複雑にすることを抑えることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１においては、衝突時の信号波形の重なりによる歪を解析して、衝突を検出した。本実施の形態２では、信号波形の歪の判定に伴う信号処理等を行うことなく、衝突の判定を容易にするため、信号区間が重ならないように無信号区間の時間長を設定する形態について説明する。

信号区間が時間的にずれて重ならないようにするためには、伝送路２０での信号の伝播遅延を考慮する必要がある。
図１１は伝送路における伝播遅延を説明する図である。
図１１において、端末Ａと端末Ｂは、ネットワークの中で最遠端に設置されているとする。端末Ａ、端末Ｂとも常時キャリア検出を行いバスに送信している端末があるか監視を行っている。端末Ａが送信を行い完了すると、端末Ｂは端末Ａからの信号の伝播時間（Ｔｄ）後に端末Ａの完了を知る。
端末Ａが連続して送信し、端末Ｂが端末Ａの送信完了を認識した後、送信を行うと伝播時間（Ｔｄ）後に端末Ａで衝突する。端末Ａと端末Ｂの信号は少なくともＴｄ×２の時間がずれて重なる。
このズレを考慮して信号が重ならないようにすると衝突判定が容易になる。また、信号の反射波は信号が往復するＴｄ×２の時間後に到着するので、さらに、Ｔｄ×２の間隔をあけると衝突判定の精度が改善する。

図１２は実施の形態２に係る衝突検知区間の信号波形と信号衝突を説明する図である。
本実施の形態２における信号区間の時間長は、各データ伝送装置１０で同一に設定されている。また、無信号区間の時間長は、当該データ伝送装置１０の優先順位に応じて、信号区間の時間長の整数倍に設定されている。なお、信号区間の波形は、上記実施の形態１と同様に、搬送波に基づく正弦波の半波を用いている。

無信号区間の時間長は、例えば、下記（２）式のように基本単位時間（ＳＬＯＴ２）に、乱数を掛けた値を使用することができる。この基本単位時間（ＳＬＯＴ２）は信号区間の時間長と等しい値である。これにより、無信号区間の時間長を信号区間の時間長の整数倍に設定できる。

無信号区間の時間長＝基本単位時間（ＳＬＯＴ２）×乱数・・・・・・（２）

本実施の形態２の衝突検出部１２は、当該データ伝送装置１０が送信した通信フレームの無信号区間において、伝送路２０を伝送する通信フレームの信号区間が受信されたとき、信号衝突を検出する。そして、当該データ伝送装置１０が送信した通信フレームの無信号区間の時間長と、信号衝突を検出した通信フレームの無信号区間の時間長とを比較して、優先順位の高低を判断する。
例えば図１２の例では、端末Ｂの無信号区間ＴＢが端末Ａの無信号区間ＴＡより長く設定されている。図１２（ｃ）に示すように、端末Ａの通信フレーム（送信波形）と端末Ｂの通信フレーム（送信波形）とが伝送路２０上で衝突する。端末Ａは、無信号区間ＴＡの間に、端末Ｂの信号区間の波形を検出することで衝突を検知する。また端末Ｂは、無信号区間ＴＢの間に、端末Ａの信号区間の波形を検出することで衝突を検知する。以降、上記実施の形態１と同様に、自機の優先順位を判断して勝ち残り制御を行う。

さらに、本実施の形態２における信号区間は、搬送波の波形に基づき生成した信号波形を出力する信号波形区間と、信号波形を出力しない遅延補償区間とにより構成されている。この遅延補償区間の時間長は、各データ伝送装置１０間における伝播遅延時間の最大値の２倍以上の時間が設定されている。
図１２の例では、端末Ａの信号区間Ａ１、Ａ２は、正弦波の半波を出力する信号波形区間Ｔｓと、信号を出力しない遅延補償区間（Ｔｄ×２）とにより構成されている。遅延補償区間の時間長は、端末Ａ、Ｂ間の伝播遅延時間（ｔｄ）の２倍以上の長さである。
同様に、端末Ｂの信号区間Ｂ１、Ｂ２は、正弦波の半波を出力する信号波形区間Ｔｓと、信号を出力しない遅延補償区間（Ｔｄ×２）とにより構成されている。遅延補償区間の時間長は、端末Ａ、Ｂ間の伝播遅延時間（ｔｄ）の２倍以上の長さである。
なお、さらに信号の反射波を含めて信号の重なりを低減するには、Ｔｄの４倍の時間以上とするのがよい。

以上のように本実施の形態においては、無信号区間の時間長は、当該データ伝送装置１０の優先順位に応じて、信号区間の時間長の整数倍に設定され、無信号区間において、伝送路２０を伝送する通信フレームの信号区間が受信されたとき、信号衝突を検出する。そして、当該データ伝送装置１０が送信した通信フレームの無信号区間の時間長と、信号衝突を検出した通信フレームの無信号区間の時間長とを比較して、優先順位の高低を判断する。
このため、上記実施の形態１の効果に加え、信号波形の歪の判定に伴う信号処理等を行うことなく、衝突の判定を容易にすることが可能となる。

また、信号区間は、信号波形区間と遅延補償区間とにより構成され、遅延補償区間の時間長は、各データ伝送装置１０間における伝播遅延時間の最大値の２倍以上の時間が設定されている。
このため、伝送路２０での信号の伝播遅延が生じても、衝突した信号区間が時間的にずれて重ならないようにすることができる。

また、信号区間がずれて重ならないようにすることで、自機の無信号区間に送信回路１１を遮断することが可能となる。このように送信回路１１を遮断することで、他端末から送信されてくる信号の減衰を防ぐことができる。
この送信回路１１を遮断する構成としては、例えば図１３に示すように、送信回路１１と伝送路２０との接続をオンオフするスイッチ１５を備える。
そして、図１４に示すように、自機の信号区間においてはスイッチ１５をオンにし、自機の無信号区間においてはスイッチ１５をオフにする。これにより、信号区間では出力インピーダンスが数Ω以下の低インピーダンスとなり、無信号区間では出力インピーダンスが１ｋΩ以上の高インピーダンスになる特性を持つ。
よって、送信回路１１がゼロ出力をすることで、他の端末からの送信信号が自機に近づくにつれて送信信号のレベルが減衰することを抑制できる。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、無信号区間の時間長を優先順位に応じて信号区間の時間長の整数倍に設定する場合を説明した。本実施の形態３では、信号区間と無信号区間とを複数組み合わせることで、プリアンブルパターンを多数作成して、ネットワークに多数の端末が接続された場合でも、無信号区間が長くならないようにしてプリアンブルを短くすることができ、同じパターンの衝突検知区間による衝突検出が不可能になる確率を低減する形態について説明する。
なお、データ伝送装置１０の構成は実施の形態２と同様である。

本実施の形態３の衝突検知区間は、信号区間の時間長と無信号区間の時間長とが同一に設定され、当該データ伝送装置１０の優先順位の情報に応じて、複数の信号区間と複数の無信号区間の組み合わせが設定される。
例えば、端末数が２５６個ある場合は、８ｂｉｔに相当するパターンが必要である。各区間が信号区間であるか無信号区間であるかで、１ｂｉｔ信号であるので、８個の区間が必要になる。
以下、乱数を用いてパターンを作成する動作例について、図１５により説明する。

図１５は実施の形態３に係る衝突検知区間のパターン作成動作を示すフローチャートである。
各データ伝送装置１０の送信回路１１は、端末１００からの送信要求を取得すると（Ｓ４０１）、０から２５５の乱数（整数）を発生させる（Ｓ４０２）。そして、当該乱数の数値を２進数化した各ｂｉｔに、信号区間および無信号区間とを対応させ、８ｂｉｔの信号からなる組み合わせパターンを決定する（Ｓ４０３）。例えば２進数の「１」に信号区間を対応させ、２進数の「０」に無信号区間を対応させる。
次に、送信回路１１は、生成した衝突検知区間のパターンをプリアンブルに含めた通信フレームを送信する（Ｓ４０４）。

なお、ここでは乱数を用いたが本発明はこれに限るものではない。例えば、各端末は固有のアドレスを持つことから、このアドレスを２進数化して、各ｂｉｔと信号区間および無信号区間とを対応することで、衝突検知区間のパターンを作成しても良い。
このように、アドレスを衝突検知区間のパターンに使用すると、データ区間にアドレスを必要としなくなるため、フレームをさらに短くできる。なお、この場合にはアドレスにより勝ち負けが決まるため端末の公平性が保たれなくなるため、通信の公平性が必要な場合には上記乱数を用いるのが望ましい。

図１６は実施の形態３に係る衝突検知区間の信号波形と信号衝突を説明する図である。
図１６に示すように、端末Ａの衝突検知区間は、信号区間Ａ１、Ａ２と、無信号区間ＴＡ１、ＴＡ２から構成される。端末Ｂの衝突検知区間は、信号区間Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３と、無信号区間ＴＢから構成される。なお、各信号区間と各無信号区間の長さは同じである。
図１６の例では、端末Ａの衝突検知区間の先頭から４ｂｉｔで、「１０１０」を表現している。また、端末Ｂの衝突検知区間の先頭から４ｂｉｔで、「１０１１」を表現している。
なお、本実施の形態においても、上記実施の形態２と同様に、各信号区間に補償遅延区間（Ｔｄ×２）を設けている。

図１６（ｃ）に示すように、端末Ａと端末Ｂとが衝突した場合であっても、各信号区間がずれて重なることはない。また、優先順位の情報に応じて信号区間と無信号区間との組み合わせを設定しているので、端末数が多くなって無信号区間を長くする必要がなくなり、プリアンブルを短くできる。
次に、本実施の形態３における衝突検出と勝ち残りを行う動作を、図１７により説明する。

図１７は実施の形態３に係る勝ち残り動作を示すフローチャートである。
受信回路１３は、伝送路２０を伝送する通信フレームを受信する（Ｓ５０１）。
衝突検出部１２は、伝送路２０を伝送する通信フレームの信号波形と、送信回路１１が現在送信している信号波形とを取得する（Ｓ５０２）。そして、衝突検出部１２は、当該データ伝送装置１０の送信回路１１が送信した通信フレームの無信号区間において、伝送路２０を伝送する通信フレームの信号区間が受信されたとき、信号衝突を検出する（Ｓ５０３）。

衝突検出部１２は、信号衝突を検出した場合に、受信した通信フレームと当該端末（自機）の通信フレームとの優先度（優先順位の高低）の判定を行う（Ｓ５０４）。この判定は、信号衝突を検出した通信フレームの、複数の信号区間および無信号区間の組み合わせにより優先順位の情報を取得し、当該データ伝送装置１０の優先順位の高低を判断する。
衝突検出部１２は、当該区間で自機の優先順位が高い場合、送信回路１１により次の信号区間の送信を行わせ（Ｓ５０６）、再度ステップＳ５０２〜Ｓ５０４を繰り返す。

図１６の例では、端末Ａは無信号区間ＴＡ１で自機が優先と判断し、信号区間Ａ２を送信させる。また、端末Ｂでも無信号区間ＴＢで自機が優先と判断し、信号区間Ｂ２を送信させる。
そして、端末Ａは無信号区間ＴＡ２で、端末Ｂの信号区間Ｂ１を受信するため、自機の優先順位が低いと判断して、以降の送信を停止させる（Ｓ５０７）。
一方、端末Ｂは、衝突検知区間の最終区間でも自機が優先と判断した場合には、データ区間の送信を継続させる（Ｓ５０８）。

以上のように本実施の形態においては、衝突検知区間は、信号区間の時間長と無信号区間の時間長とが同一に設定され、当該データ伝送装置１０の優先順位の情報に応じて、複数の信号区間と複数の無信号区間の組み合わせが設定される。
このため、上記実施の形態１および２の効果に加え、伝送路２０に接続されるデータ伝送装置１０の台数が多くなった場合であっても、無信号区間の長さが長くなることを軽減することができ、プリアンブルの長さを短くすることができ、通信効率を向上させることができる。

実施の形態４．
上述したように、勝ち残り方式のＣＳＭＡ／ＣＤ方式においては、送信時を行うには一定期間（通信禁止期間）バス上の信号を監視し、その通信禁止期間に信号が無ければ送信を開始し、信号があれば送信を延期する。この送信を延期する時間は、例えば所定の内部時間（ＳＬＯＴ３）に、所定範囲の乱数を乗算することで、各端末の送信機会を公平にするようにしている。
一方、多数の端末でＣＳＭＡ／ＣＤ勝ち残りを実現するには、複数の端末が同時に送信を開始することによる衝突を避けるため、送信を延期する時間の範囲が長く（スロット数が多く）必要となりオーバーヘッドが大きくなる。このため、本実施の形態４では、衝突を低減するために、送信要求が発生しても、複数の端末が一度に送信する機会を低減させる動作を行う。

図１８は実施の形態４に係る送信制御動作を示すフローチャートである。
図１９は実施の形態４に係る送信制御動作を模式的に示す図である。
各データ伝送装置１０の送信回路１１は、端末１００からの送信要求を取得すると（Ｓ６０１）、第一の送信制御として、自機の通信フレームの第一の優先度を決め、優先度に応じた送信待機時間を設定する（Ｓ６０２）。この送信待機時間は、例えば、所定の内部時間（送信待ち内部ＳＬＯＴ３）に、上述した優先順位や乱数に基づく値（整数）を乗算して決定する。
図１９の例では、端末２の第一の送信制御により、３番目のスロット（内部ＳＬＯＴ３×３）の待機時間が設定され、端末４には、１番目のスロット（内部ＳＬＯＴ３×１）が設定されている。このように、第一の送信制御により、通信フレームの送信タイミングが同時にならないように動作させている。

送信回路１１は、送信待機時間が経過するまで送信待ちをする（Ｓ６０３）。この送信待機時間の間は伝送路２０の通信フレームをモニターする。
送信待機時間の経過を待った後、伝送路２０を伝送している通信フレームがないとき、第二の送信制御として、上記実施の形態１〜３のいずれかの動作により、衝突検知区間を設定し（Ｓ６０４）、この衝突検知区間をプリアンブルに含めた通信フレームを送信する（Ｓ６０５）。
各データ伝送装置１０の衝突検出部１２は、上記実施の形態１〜３のいずれかの動作により衝突の検知を行い（Ｓ６０６）、衝突がない場合には、送信が成功したと判断し（Ｓ６０７）、上記ステップＳ６０３に戻り、送信を継続する。一方、衝突を検知して勝ち残り制御により自機の優先度が低い場合には送信を中止し、自機の優先度が高い場合には送信を継続する。
図１９に示すように、伝送路２０に送信された通信フレームは、第二の通信制御により勝ち残り制御が行われるので、端末が同時に通信フレームを送信した端末数が多くなっても、通信を継続することができる。

以上のように本実施の形態においては、送信回路１１は、送信待機時間が設定され、通信フレームの送信を開始させる送信要求が発生した場合、送信待機時間の経過を待ったあと、伝送路２０を伝送している通信フレームがないとき、衝突検知区間を先頭に配置した通信フレームの送信を開始する。
このため、多数の端末が伝送路２０に接続される場合であっても、伝送路２０で衝突する通信フレームの数を減少させることができ、通信フレームの衝突検知区間に設定する無信号区間の長さを短く、または信号区間と無信号区間との組み合わせパターンの数を少なくすることができる。よって、プリアンブルの長さを短くすることができ、通信効率を向上することができる。

また、送信待機を行う第一の送信制御と、勝ち残り制御を行う第二の送信制御とを併用することで、多数の端末が伝送路２０に接続される場合で有っても、衝突後の送信待機時間を短く設定して衝突の発生を許容することが可能となる。よって、通信効率を向上させることができる。

実施の形態５．
本実施の形態５では、上記実施の形態１〜４のいずれかのデータ伝送装置１０を、空気調和機の空調ユニットに設ける形態について説明する。

図２０は実施の形態５に係る空気調和機の構成を示す図である。
図２０に示すように、本実施の形態における空気調和機は、複数の室外機１と、複数の室内機２と、リモコン３とを備える。
各室外機１、各室内機２、およびリモコン３は、伝送路２０により相互に接続されている。
伝送路２０は、各室外機１、各室内機２、およびリモコン３と接続されることによりバス型の伝送路を形成する。
各室外機１、各室内機２、およびリモコン３は、全てまたは少なくとも２つは、データ伝送装置１０を備えており、上記実施の形態１〜４のいずれかの動作により、衝突勝ち残りによる通信プロトコルを用いた通信を行う。
なお、「室外機１」、「室内機２」、および「リモコン３」は、本発明における「空調ユニット」に相当する。

室外機１と室内機２とは冷媒配管により接続されており、冷媒配管中を流れる冷媒の圧力を変化させて冷媒の吸熱、放熱により空気調和を行う。
リモコン３は、例えば使用者からの操作入力に応じて、室内の設定温度、設定湿度などの情報を、伝送路２０を介して送信する。
なお、室外機１、室内機２、およびリモコン３の個数は任意の数とすることができる。

以上のように本実施の形態においては、複数の空調ユニット間が伝送路２０により相互に接続され、衝突勝ち残りによる通信プロトコルを用いた通信を行う空気調和機において、複数の空調ユニットの全部または少なくとも２つは、上記実施の形態１〜４のいずれかのデータ伝送装置１０を備えたので、上記実施の形態１〜４と同様の効果を奏することができる。

実施の形態６．
上記実施の形態１〜５では、各端末１００が伝送路２０により接続された有線通信ネットワークに関して説明を行ったが、図２１に示すように無線で接続された無線通信ネットワークでも同様である。無線通信の場合には、図２２に示すように、送信回路１１と受信回路１３はアンテナ１６に接続される。
無線通信の場合には、信号の減衰が大きいために、複数の端末が一度に送信した場合に、信号が重なった場合の判定は容易ではない。衝突検出を行うには、信号期間と無信号期間が重ならないように設計する必要がある。また、無信号期間に、他端末からの信号の有無を判定するために、受信ゲインを信号強度に応じて制御する機能が必要である。
本実施の形態においても、上記実施の形態１〜５と同様の効果を奏することができる。

１室外機、２室内機、３リモコン、１０データ伝送装置、１１送信回路、１２衝突検出部、１３受信回路、１４送信アンプ、１５スイッチ、１６アンテナ、２０伝送路、３０送端終端抵抗、１００端末。

Claims

１または複数の他のデータ伝送装置と伝送路により接続され、衝突勝ち残りによる通信プロトコルを用いた通信を行うデータ伝送装置において、
信号衝突の際の優先順位を識別する衝突検知区間を通信フレームの先頭に配置し、通信情報を、搬送波を用いて変調して前記通信フレームに含めて送信する送信手段と、
前記伝送路を伝送する通信フレームを受信する受信手段と、
前記伝送路を伝送する通信フレームと、当該データ伝送装置が送信する通信フレームとの衝突を検出し、優先順位に応じて勝ち残り制御を行う衝突検出手段と
を備え、
前記衝突検知区間は、
前記搬送波の波形に基づき生成した信号波形を出力する複数の信号区間と、前記信号区間の間の無信号区間とが、当該データ伝送装置の優先順位に応じて設定され、
前記衝突検出手段は、
前記伝送路を伝送する通信フレームの前記無信号区間と、当該データ伝送装置が送信する通信フレームの前記無信号区間とを比較して優先順位の高低を判断し、
当該データ伝送装置の優先順位が低い場合、前記送信手段の送信を停止させ、
当該データ伝送装置の優先順位が高い場合、前記送信手段の送信を継続させる
ことを特徴とするデータ伝送装置。
前記無信号区間の時間長は、当該データ伝送装置の優先順位に応じて設定され、
前記衝突検出手段は、
当該データ伝送装置が送信した通信フレームの前記信号区間の信号波形を保持し、当該信号波形と、前記伝送路を伝送する通信フレームの前記信号区間の信号波形とを比較して、信号衝突の有無を検出し、
信号衝突を検出した場合、
当該データ伝送装置が送信した通信フレームの前記無信号区間の時間長と、信号衝突を検出した通信フレームの前記無信号区間の時間長とを比較して、優先順位の高低を判断する
ことを特徴とする請求項１記載のデータ伝送装置。
前記信号区間の時間長は、各データ伝送装置で同一に設定され、
前記無信号区間の時間長は、当該データ伝送装置の優先順位に応じて、前記信号区間の時間長の整数倍に設定され、
前記衝突検出手段は、
当該データ伝送装置が送信した通信フレームの前記無信号区間において、前記伝送路を伝送する通信フレームの前記信号区間が受信されたとき、信号衝突を検出し、
当該データ伝送装置が送信した通信フレームの前記無信号区間の時間長と、信号衝突を検出した通信フレームの前記無信号区間の時間長とを比較して、優先順位の高低を判断する
ことを特徴とする請求項１記載のデータ伝送装置。
前記衝突検知区間は、
前記信号区間の時間長と前記無信号区間の時間長とが同一に設定され、
当該データ伝送装置の優先順位の情報に応じて、複数の前記信号区間と複数の前記無信号区間の組み合わせが設定され、
前記衝突検出手段は、
当該データ伝送装置が送信した通信フレームの前記無信号区間において、前記伝送路を伝送する通信フレームの前記信号区間が受信されたとき、信号衝突を検出し、
信号衝突を検出した通信フレームの、複数の前記信号区間および前記無信号区間の組み合わせにより優先順位の情報を取得し、当該データ伝送装置の優先順位の高低を判断する
ことを特徴とする請求項１記載のデータ伝送装置。
前記信号区間は、
前記搬送波の波形に基づき生成した信号波形を出力する信号波形区間と、信号波形を出力しない遅延補償区間とにより構成され、
前記遅延補償区間の時間長は、
前記各データ伝送装置間における伝播遅延時間の最大値の２倍以上の時間が設定された
ことを特徴とする請求項３記載のデータ伝送装置。
前記送信手段は、送信待機時間が設定され、
前記通信フレームの送信を開始させる送信要求が発生した場合、
前記送信待機時間の経過を待ったあと、前記伝送路を伝送している通信フレームがないとき、前記衝突検知区間を先頭に配置した前記通信フレームの送信を開始する
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のデータ伝送装置。
前記送信待機時間は、前記優先順位または乱数に基づき設定される
ことを特徴とする請求項６記載のデータ伝送装置。
前記送信手段は、
通信情報を搬送波を用いて多値位相変調し、
前記信号区間の信号波形は、
前記搬送波と同一周波数の正弦波により形成された
ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のデータ伝送装置。
前記送信手段は、
少なくとも前記無信号区間において、出力インピーダンスが１０Ω以上である
ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のデータ伝送装置。
前記送信手段と前記伝送路との接続をオンオフするスイッチを備え、
当該データ伝送装置の通信フレームの前記信号区間においては前記スイッチをオンにし、
当該データ伝送装置の通信フレームの前記無信号区間においては前記スイッチをオフにする
ことを特徴とする請求項３〜９の何れか１項に記載のデータ伝送装置。
前記優先順位は、乱数に基づき設定される
ことを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のデータ伝送装置。
前記優先順位は、当該データ伝送装置に設定された固有のアドレスにより設定される
ことを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のデータ伝送装置。
複数の空調ユニット間が伝送路により相互に接続され、衝突勝ち残りによる通信プロトコルを用いた通信を行う空気調和機において、
前記複数の空調ユニットの全部または少なくとも２つは、請求項１〜１２の何れか１項に記載のデータ伝送装置を備えた
ことを特徴とする空気調和機。
前記データ伝送装置は、前記伝送路に代えて無線により１または複数の他のデータ伝送装置と接続され、
前記送信手段は、前記伝送路に代えて、アンテナを介して前記通信フレームを送信し、
前記受信手段は、前記伝送路に代えて、無線により伝送された前記通信フレームをアンテナを介して受信し、
前記衝突検出手段は、前記伝送路を伝送する通信フレームに代えて、前記受信手段が受信する通信フレームと、当該データ伝送装置が送信する通信フレームとの衝突を検出し、優先順位に応じて勝ち残り制御を行う
ことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載のデータ伝送装置。
複数の空調ユニット間が無線により相互に接続され、衝突勝ち残りによる通信プロトコルを用いた通信を行う空気調和機において、
前記複数の空調ユニットの全部または少なくとも２つは、請求項１４記載のデータ伝送装置を備えた
ことを特徴とする空気調和機。