JP6157119B2 - 照明装置における光センサーのウェークアップ - Google Patents

Description

本発明は、光センサーの分野に関して、さらに具体的には、照明装置において使用されるようなワイヤレス光センサーの分野に関する。

省エネルギーは、世界的に、我々の環境のために不可欠であると見なされている。北米及びヨーロッパにおける法律は、省エネルギー評価基準を要求している。

ビルディング・オートメーションの分野内において、センサーによって制御されるビルディング・オートメーション装置は、省エネルギーを達成するための重要な鍵である。特に、照明装置の分野において、デイライト・ハーヴェスティング（daylight harvesting）に対して使用される占有センサー及び光センサーは、省エネルギーにおいて幅広く使用されている。デイライト・ハーヴェスティングは、周囲光又はデイライトによって人口光の光出力を制御するために、光センサーを使用し、そうすることによって室内における光レベルを一定に保つことができる。日中の間、日光が室内に入り、その部屋内の光レベルに貢献するとき、人口光の光出力は、増加する周囲光とともに低減され、エネルギーが節約される。

センサーは、ワイヤーによってビルディング・オートメーション装置のビルディング・オートメーション・コントローラに結合されてもよいが、適合及び改造に対するインストールの柔軟性及びインストール費用の低減は、ワイヤレス・センサーを使用することによって得られる。それは、ワイヤレス・センサーは、（新しい）ワイヤーを必要としないからである。少なくとも低いインストレーション費用は、ワイヤレス・センサーの余分な費用はどれも正当化する。真にワイヤレスのセンサーに対し、そのセンサーとビルディング・オートメーション装置との間の通信又は異なるセンサー間の通信がワイヤレスであるだけでなく、そのセンサーの電源もワイヤレスである。これは、バッテリー又は太陽光パネルなどエネルギー・ハーヴェスティング／採取（scavenging）によってなし遂げることが出来る。

ワイヤレス・センサーは、少なくとも量レベルを測定するためのセンサー素子、少なくともそのセンサー素子からの測定値を取得して処理するためのマイクロコントローラ装置及びデータ信号を送信するための通信装置を含む。

ワイヤレス・センサーは、例えば、ZigBee規格（IEEE802.15.4）に基づいて適切なワイヤレス通信送信によってビルディング・オートメーション装置のコントローラへ測定信号を供給する。ワイヤレス・センサーの通信は、多くの電力を消費することから、通信負荷サイクルは可能な限り低く維持するべきである。また、そのセンサーは、使用していないときは節電モードにするべきである。ZigBee規格によると、これは、ZigBeeネットワークにおけるいわゆる「節電エンド・デバイス」によってサポートされる。

光レベルを監視するワイヤレス光センサーに対し、その電力消費は、Chipton／Texas Instrumentsによって製造されたCC2430装置に基づき、マイクロコントローラのアクティブ・モードにおいて平均40μAであってよい。その光センサーのマイクロコントローラは、そのセンサー素子を毎秒サンプリングして光レベルを測定し、その光センサーの通信装置を通して対応するワイヤレス測定信号を照明装置コントローラ供給し、人口光を必要なレベルまで減光する。しかし、オフィス適用などのほぼ全てのビルディング適用において、人口光は、完全な24時間の一日間は必要ではない。その結果、その室内における光レベルは、完全な24時間の一日間、光センサーによって監視する必要はない。その光レベルが、例えば1週間に5日間の間、一日8時間だけ測定される必要がある場合、その平均電力消費は、およそ10μAである。1000 mAhのバッテリーを基準とすると、そのバッテリー寿命は、従って11年よりも長くなる。

そのような光センサーの作動は、エネルギーの節約及びバッテリー寿命の延長において有利であるが、その光センサー（のマイクロコントローラ）が節電モードにあるとき、通信装置は非常に低い負荷サイクルでアクティブであり、従って、ほぼ全ての時間はオフになっている。その通信装置構成要素がオフにされるとき、フォトセンサーは、他の装置と通信することが不可能である。その光センサーは、それ自体がメッセージを送信した後すぐに、メッセージを受信するだけである。

これは、その光センサー（のマイクロコントローラ）が節電モードにあるとき、通信が不可能であることから、その光センサーがランプ状態に戻る可能性を妨害する。ある人が、光レベルを確認するために毎分その光センサーをウェークアップする場合において、この場合も、例えば8μAの平均電流など、かなりのエネルギーを消費する。光レベル確認を毎分する場合、その照明装置コントローラの光制御ループにおける平均待ち時間は30秒であり、それは、許容できないと考えられている、また、実際の現在の光レベルは、その光制御ループに対して既知ではない。その結果、その光制御ループは、固定点において開始し、その固定点から正確な光レベルへと人口光の減光を変える。これは望ましくない。

非常に低い電力消費をするが、照明装置において適切な制御を提供するワイヤレス光センサーを供給することが望ましい。

上記の課題の1つ以上をより適切に対処するために、本発明の第1態様において：
光測定信号を生成するセンサー素子；
そのセンサー素子に結合され、アクティブ・モード及び節電モードを有するマイクロコントローラ；及び
そのマイクロコントローラに結合されたラジオ通信装置；
を含むワイヤレス光センサーが提供される。その光センサーはさらに、
マイクロコントローラが節電モードにあるとき、光測定信号の変化の速度を決定し；且つ
その光測定信号の変化の速度が所定のしきい値を超えるとき、そのマイクロコントローラを節電モードからアクティブ・モードにする、
ように設定されたウェークアップ回路を含む。

本発明のさらなる態様において、ワイヤレス光センサーを操作する方法が提供され、その光センサーは：
光測定信号を生成するセンサー素子；
そのセンサー素子に結合され、アクティブ・モード及び節電モードを有するマイクロコントローラ；及び
そのマイクロコントローラに結合されたラジオ通信装置、
を含み、その方法は、
マイクロコントローラが節電モードにあるとき、光測定信号の変化の速度を決定するステップ、及び
その光測定信号の変化の速度が所定のしきい値を超えるとき、そのマイクロコントローラを節電モードからアクティブ・モードに持ってくるステップ、
を含む。

本発明のよりさらなる態様において、照明装置が供給され、その照明装置は：
少なくとも1つの光源；
その光源を制御するためのコントローラ；及び
本発明による光センサー、
を含む。

本発明のこれら及び他の態様は、以下の詳細な記載及を参照することによってより理解され、参照符号が同様の部分を指定する付属の図表に関連して考慮されると、より簡単に解明されるであろう。

オフィス・ルームを描く概略図である。 本発明によるウェークアップ回路を含むワイヤレス光センサーのブロック図である。 本発明の実施形態において、所定のしきい値を超える光レベルの変化を検出するためのウェークアップ回路と光センサー素子との関係を示す回路図である。

図1は、天井2及び壁3を有し、壁3のうち少なくとも1つ（この場合、左側の壁）において少なくとも1つの窓4を有する事務室1の側面図を概略的に示す。事務机は、概略的に5で示される。その部屋は、照明系（又は照明装置）10が備えられ、それは、少なくとも1つの光源11及びその光源を制御するためのコントローラを含む。そのコントローラ12は、例えば、適切にプログラムされたマイクロプロセッサ又はそれに似たものとして実装されてよい。各光源11は、例えば、白熱ランプ、ガス放電ランプ、LED、又は他の如何なる発光構造として実装してよい。各光源は、専用コントローラを備えてよく、又は複数の光源が共通のコントローラを共有してもよい。どの場合においても、それらの光源は制御可能であり、減光可能であり、コントローラにおいて決定された異なる光度を生成することが可能である。制御可能な光源及びそのような光源を制御するためのコントローラは、それら自体知られており、さらなる説明は本文献では必要とされない。例として、光源の光出力の制御は、当業者に知られているように、負荷サイクル制御によって実施してよい。以下において、光源は、また、LEDを含むランプとしても単に示される。

照明系10は、机5の位置における光度（又は光レベル）を実質的に一定に保つように適合されてよい。例えば、太陽Zが照らし始め、光レベルが増加するようにその部屋に日光が入る場合、コントローラ12は、そのランプ1に対する制御信号を、少なくとも1つのランプの光出力を減らすように適合する。そのコントローラ12は、実際の光レベルを示す入力信号を受信する必要があり、この目的を達成するために、その照明系10は、少なくとも1つの光センサー16を含む。光センサー16は、例えば、天井2又は壁3に搭載されてよいが、図1の例において、そのセンサー16は、机5の上に位置付けられている。光センサー16は、その測定信号をコントローラ12にワイヤレスに通信するように適合されている。そのようなワイヤレス通信の適切な例は、ZigBeeであるが、他の如何なるタイプのワイヤレス通信も使用してよく、それは、当業者に明らかになるであろう。ワイヤレス光センサー16は、それ自体知られており、各々は、センサー素子、マイクロコントローラ及び通信装置を含む。

図2は、光センサー素子52を含むワイヤレス光センサー50のブロック図を示し、それは、光のレベルを表わす測定信号を供給する。マイクロコントローラ装置54は、第1入力部であるADCを、その光センサー素子52からの測定信号の入力に対して有し、第2入力部であるインタラプトを光センサー50及びそのマイクロコントローラ装置54を節電モードから動作のアクティブ・モードにするために含む。そのマイクロコントローラ装置54は、光センサー素子52によって出力された測定信号を処理し、それに結合された通信装置56を制御する。その通信装置56は、データ信号のワイヤレス転送のためのアンテナ58を有する。以下においてさらに詳しく図3に関して説明される実施形態のウェークアップ回路60は、光センサー50を節電モードから動作のアクティブ・モードにするために、光センサー素子52に結合されており、以下において図3に関してより詳しく記載される状況下でマイクロコントローラ装置54の第2入力部であるインタラプトにトリガー信号を供給するためにマイクロコントローラ装置54に結合されている。光センサー50の電力は、バッテリー、太陽光電池又は似た配置によって供給される。

図3は、本発明に従って、この実施形態及び他の実施形態において光センサーの一部分であるウェークアップ回路の実施形態を描く。（トランスインピーダンス）増幅器20は、「＋」入力部及び「−」入力部を有する。フォトダイオード22は、増幅器20の「＋」入力部と「−」入力部との間に接続されている。第1キャパシタ24及び第1抵抗器26の並列回路は、増幅器20の「−」入力部と出力部との間に接続されており。増幅器の「＋」入力部は、共通の電極（例えば、接地）に接続されている。

比較器30は、「＋」入力部及び「−」入力部を有する。第2抵抗器32及び第3抵抗器34の直列回路は、比較器30の「＋」入力部と「−」入力部との間に接続されている。その第2抵抗器32及び第3抵抗器34は、増幅器20の出力部に接続された共通のノード33を有する。第2キャパシタ36は、比較器30の「−」入力部と共通電極との間に接続されている。第4抵抗器38は、比較器30の「＋」入力部と共通電極との間に接続されている。

作動において、フォトダイオード22が、光レベルを連続的に測定し、対応する測定信号を供給する。増幅器20の入力部におけるフォトダイオード22を通る電流は、その増幅器20の出力部で対応する電圧に変換される。第1キャパシタ24及び第1抵抗器26のRC回路は、必要に応じて測定信号のフィルタリングを提供する。

比較器30において、比較器30の「−」入力部で入力される、増幅器20の出力信号の平均値は、比較器30の「＋」入力部で入力される、増幅器20の出力信号の瞬間値に比較される。

測定信号の比較的遅い変化は、増幅器20の出力信号における対応する遅い変化に至り、比較器30がその出力部でトリガー信号を生成するようにさせない。しかし、フォトダイオード22によって供給される測定信号の比較的速い変化は、増幅器20の出力信号における重要な変化に至り、それは、代わりに、比較器30がトリガー信号を出力するようにさせる。そのトリガー信号は、ワイヤレス光センサーのマイクロコントローラのインタラプト入力部に入力され、それによって、マイクロコントローラの節電モードをそれのアクティブ・モードに変換する。同時に、増幅器20によって増幅された測定信号は、ワイヤレス光センサーのマイクロコントローラのアナログ／デジタル変換器、ADC、入力部に入力される。

第2キャパシタ36及び第3抵抗器34の値によって決定されたしきい値を超える変化の速度を有し、マイクロコントローラをアクティブ・モードにする、測定信号の変化は、部屋のランプ（図１）がオンされることによって生じ、ランプ状態の指示（すなわち、ランプが、前記測定信号の変化の速度をもたらすようにまさにオンされたか否か）としての役割を果たすことができる。実際のランプ状態は、（アクティブ・モードにある）光センサーが、該光センサーの通信装置によって照明システムのコントローラと通信することにより検証されることができる。ランプは、例えばユーザー又は部屋占有センサー等のセンサーによって起動され（オンされ）、アクティブであることが確認された場合、光センサーからのデータを使用してコントローラ12による照明制御（図1）が開始される。

そのマイクロコントローラがそれの節電モードからウェークアップしたとき、初期光レベル測定を決定するために、そのマイクロコントローラは以下のように設定される。その光センサー（のマイクロコントローラ）が節電モードにあるとき、それは、定期的に（例えば、5分毎に）アクティブ・モードにされて、現在の光レベルを測定し、照明装置10のコントローラ12（図1）に送信する。この光レベルは、次に、ウェークアップ回路がトリガーするとき、コントローラ12によって初期値として使用され得る。その光センサーは、非常に速くアクティブになってよいことから、コントローラ12の光制御ループは、非常に速く、初期効果を最小限にするように適合され得る。その現在の光レベルの測定及び送信の電力消費は、ランプがオフであるとき、例えば、0.85μAであり、ほとんど費用がかからない。

上記に従って、照明装置の一部分であるワイヤレス光センサーは、光測定信号を生成するセンサー素子、そのセンサー素子に結合されたマイクロコントローラ及びそのマイクロコントローラに結合されたラジオ通信装置を有する。マイクロコントローラは、アクティブ・モード及び節電モードを有する。その光センサーは、さらに、マイクロコントローラが節電モードにあるとき、光測定信号の変化の速度を決定するウェークアップ回路を有する。そのウェークアップ回路は、光測定信号の変化の速度が所定のしきい値を超える場合、そのマイクロコントローラを節電モードからアクティブ・モードにする。照明装置は、少なくとも1つの光源、その光源を制御するためのコントローラ及び少なくとも1つの光センサーを有する。マイクロコントローラが、節電モードからアクティブ・モードになった後に、光センサーは、その光センサーのアクティブ・モードを確認するようにその光源の状態を検証するようにコントローラと通信するように構成されている。

必要に応じて、本発明の詳細な実施形態が、本文献で開示される；しかし、当然のことながら、開示された実施形態は、本発明の模範であるのみであり、それは、様々な形において実施されてよい。従って、本文献で開示された特定の構造的及び機能的詳細は、限定していると解釈するべきではなく、請求項に対する基盤、及び、実際上、如何なる適切な詳細な構造においても本発明を多様に使用するために当業者に教示するための代表的な基盤として解釈するべきである。さらに、ここで使用された用語及び表現は、限定することを目的としておらず、むしろ、本発明の理解可能な記載を提供することを目的としている。

本文献で使用された単数を表わす用語は、1つ以上として定義される。ここで使用された複数形は、2つ以上として定義される。ここで使用された「もう１つ」という用語は、少なくとも第2以上として定義される。ここで使用された有するという用語は、含む（すなわち、他の要素又はステップを除外しないオープン言語）として定義される。請求項における如何なる参照符号も、該請求項の範囲又は本発明を限定するとして解釈するべきではない。

ある一定の測定が、相互的に異なる従属項に列挙されているという単なる事実は、これらの測定の組み合わせを有利に使用することはできないということは示さない。

本文献で使用された結合という用語は、接続として定義されるが、必ずしも直接的ではなく、必ずしもワイヤーによってではなく、又は機械的ではない。

単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項において列挙された数個の事項の機能を実行してよい。

Claims (8)

1. ワイヤレス光センサーであり：
   周囲の光レベルを測定し、光測定信号を生成するセンサー素子；
   該センサー素子に結合され、アクティブ・モード及び節電モードを有するマイクロコントローラ；及び
   該マイクロコントローラに結合されたラジオ通信装置；
   を含み、
   前記マイクロコントローラが節電モードにある場合、前記光測定信号の変化の速度を決定し、且つ
   前記光測定信号の変化の速度が所定のしきい値を超える場合、前記マイクロコントローラを節電モードからアクティブ・モードにする一方、前記光測定信号の変化の速度が所定のしきい値以下である場合、前記マイクロコントローラを節電モードに維持するように構成されたウェークアップ回路をさらに含む、
   ワイヤレス光センサー。
2. 前記ウェークアップ回路は、前記光測定信号の瞬間値を前記光測定信号の平均値に比べる比較器を含む、請求項１に記載の光センサー。
3. 前記マイクロコントローラが節電モードにあるとき、前記光センサーは、該マイクロコントローラを定期的に前記アクティブ・モードにして、前記光測定信号を表わすデータを、前記ラジオ通信装置を通して送信し、且つ前記マイクロコントローラを再び前記節電モードにするように構成されている、請求項１に記載の光センサー。
4. 前記マイクロコントローラの後に続くアクティブ・モード間の期間は、少なくとも１分である、請求項１に記載の光センサー。
5. ワイヤレス光センサーを操作する方法であり、該光センサーは；
   周囲の光レベルを測定し、光測定信号を生成するセンサー素子；
   該センサー素子に結合され、アクティブ・モード及び節電モードを有するマイクロコントローラ；及び
   該マイクロコントローラに結合されたラジオ通信装置；
   を含み、前記方法は、
   前記マイクロコントローラが前記節電モードにある場合、前記光測定信号の変化の速度を決定するステップ、及び
   前記光測定信号の変化の速度が所定のしきい値を超える場合、前記マイクロコントローラを前記節電モードから前記アクティブ・モードにする一方、前記光測定信号の変化の速度が所定のしきい値以下である場合、前記マイクロコントローラを節電モードに維持するステップ、
   を含む、
   方法。
6. 前記マイクロコントローラが節電モードにある場合、定期的に該マイクロコントローラを前記アクティブ・モードにし、前記光測定信号を表わすデータを送信し、該マイクロコントローラを再び前記節電モードにするステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 少なくとも１つの光源；
   該光源を制御するためのコントローラ；及び
   請求項１に記載の光センサー；
   を含む、照明装置。
8. 前記マイクロコントローラが前記節電モードから前記アクティブ・モードにされた後に、前記光センサーは、前記光源の状態を検証するために前記コントローラと通信するように構成されており、前記光センサーが前記アクティブ・モードであることを確認する、請求項７に記載の照明装置。
   

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